CN104181955A - 一种基于软件的半导体制冷器控制环路的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于软件的半导体制冷器控制环路的实现方法。本发明将半导体制冷控制环路中控制电路部分，通过软件实现了数字化，方便了对光收发模块的调试和测试以及问题定位；同时去掉了现有技术方案中的模拟控制电路，节省了电路板的布板面积，有利于光收发模块的封装越来越小型化，降低了光收发模块的物料成本，能为光收发模块提供一种节省电路板空间的，低成本的电路结构和软件方案，值得大力推广。

Description

一种基于软件的半导体制冷器控制环路的实现方法

技术领域

本发明涉及光通信领域的半导体制冷器，具体涉及一种基于软件的半导体制冷器控制环路的实现方法。

背景技术

光通信用激光器通常是半导体激光器，这种激光器的波长特性一般会随着温度的变化而变化。而在密集波分(DWDM)通信系统中，相邻信道的波长间隔不到1nm,因此要求半导体激光器的发光波长非常稳定，变化不超过0.2nm，这就要求半导体激光器的工作温度也要非常稳定。而且，往往还需要通过改变半导体激光器温度去改变半导体激光器的工作波长以满足DWDM通信系统对激光器中心波长的要求。

另外一些光通信用的光调制器如电吸收调制器也需要工作在恒定的温度下，否则其吸收特性会发生变化。

为了达到上述要求，通常采用半导体制冷器对半导体激光器和电吸收调制器进行制冷或者加热以保持半导体激光器和电吸收调制器工作温度稳定。为了将半导体激光器/电吸收调制器的工作温度设定到目标温度值，往往采用闭环的控制方法，其控制过程如下：首先通过热敏电阻探测半导体激光器和电吸收调制器的当前工作温度，如果该温度高于/低于目标工作问题，则通过半导体制冷电路控制电路控制半导体制冷器的工作电流，进而使得半导体制冷器工作在制冷/加热状态。通过这样反复调节，直到最终半导体激光器和电吸收调制器的工作温温度稳定到目标温度值。

该技术的弊端在于整个控制电路部分为模拟电路，工作参数没有数字化，对光收发模块的调试和测试以及问题定位带来一些不便。另外，光收发模块的封装越来越小型化，电路板的布板面积越来越紧张，而由模拟电路组成的控制电路占据了相当大的布板面积。

发明内容

本发明设计了一种基于软件的半导体制冷器控制环路的实现方法，将半导体制冷控制环路中控制电路部分，通过软件实现了数字化，方便了对光收发模块的调试和测试以及问题定位；同时去掉了现有技术方案中的模拟控制电路，节省了电路板的布板面积，有利于光收发模块的封装越来越小型化，降低了光收发模块的物料成本，能为光收发模块提供一种节省电路板空间的，低成本的电路和软件方案。

本发明提供的技术方案为：

一种基于软件的半导体制冷器控制环路的实现方法，其特征在于，包括：

步骤1，采集当前温度，通过热敏电阻来探测半导体激光器和电吸收调制器的当前温度；

步骤2，确定当前温度模拟量的电压值，所述热敏电阻和分压电阻、参考电压一起组成分压网络，产生代表当前半导体激光器、电吸收调制器温度的模拟量的电压值，并将产生的模拟量的电压值发送到模/数转换器；

步骤3，信号转换，所述模/数转换器把目标温度模拟量的电压值和当前温度模拟量的电压值转换成数字信号，并发送给微处理器；

步骤4，计算控制信号量，所述微处理器通过软件算法计算，得出需要输出给制冷驱动器的控制信号量，并通过模/数转换器将控制信号量转换成模拟信号量，并发送到制冷驱动器；

步骤5，产生驱动电流，所述制冷驱动器根据接收到的模拟信号量大小，输出控制半导体制冷器的驱动电流，半导体制冷器根据驱动电流的大小和方向，对半导体激光器和电吸收调制器的进行不同程度的加热或者制冷；

步骤6，重复步骤1。

优选的是，所述软件算法为微处理器的中断响应子程序。

优选的是，所述子程序中其中一种实现方式的计算公式为：

Y_i+1＝k(X_∞-X_i)+Y_i

其中，Y_i+1为下一次输出的的控制信号量的数值，k为常数，X_∞为目标温度的数值，X_i为当前温度的数值，Y_i当前输出的的控制信号量的数值。

优选的是，所述软件算法流程包括：

步骤1，程序开始；

步骤2，设定常数k，目标温度X_∞的数值，以及当前输出的控制信号量Y_i的初始值；

步骤3，设定循环变量i的初始值为1；

步骤4，通过定时器进行采样计时；

步骤5，如采样时刻已到，则读取当前的温度的值X_i；

步骤6，根据半导体制冷驱动器的控制信号量计算公式：Y_i+1＝k(X_∞-X_i)+Y_i，计算下一次的控制信号量并输出；

步骤7，循环变量i＝i+1；

步骤8，重复步骤4。

优选的是，所述子程序的另外一种实现方式的计算公式为：

ΔY_i＝A*e_i-B*e_i-1+C*e_i-2

其中，ΔY_i为控制信号量，A、B、C、i为常数，e_i为目标温度与当前采样温度的偏差值，e_i-1为上一次温度的偏差值，e_i-2为上两次温度的偏差值。

优选的是，所述软件算法包括：

步骤1，程序开始；

步骤2，设定常数i、A、B、C，目标温度X_∞的数值，以及当前输出的控制信号量Y_i的初始值；

步骤3，设初值e_i-1＝e_i-2＝0；

步骤4，读取被控对本次的温度采样值X_i；

步骤5，计算目标温度与当前采样温度的偏差值e_i，e_i＝X_∞-X_i；

步骤6，根据公式计算控制信号量ΔY_i，ΔY_i＝A*e_i-B*e_i-1+C*e_i-2；

步骤7，得出下一次控制量Y_i+1并输出，Y_i+1＝ΔY_i+Y_i；

步骤8，赋值e_i-2＝e_i-1，e_i-1＝e_i，i＝i+1；

步骤9、通过定时器进行采样计时，如采样时刻已到，重复步骤4。

本发明设计了一种基于软件的半导体制冷器控制环路的实现方法，将半导体制冷控制环路中控制电路部分，通过软件实现了工作参数的数字化，其软件算法为微处理器的中断响应子程序，在一些实施例中，该程序为定时器中断的响应子程序，通过定时器的不断的计算和刷新半导体制冷驱动器的控制信号量，可以使得半导体激光器的工作温度维持稳定，方便了对光收发模块的调试和测试以及问题定位，利于后期的维护。

本发明设计了一种基于软件的半导体制冷器控制环路的实现方法，通过软件算法代替现有技术方案中的模拟控制电路，节省了电路板的布板面积，有利于光收发模块的封装体积越来越小型化，同时降低了光收发模块的物料成本。

综上所述，本发明能为光收发模块提供一种节省电路板空间的，低成本的电路结构和软件方案，值得大力推广。

附图说明

图1为本发明所述的基于软件的半导体制冷器控制环路的结构示意图。

图2为本发明所述的基于软件的半导体制冷器控制环路的软件算法的一种实现方式流程图。

图3为本发明所述的基于软件的半导体制冷器控制环路的软件算法的另一种实现方式流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1-2所示，本发明提供一种基于软件的半导体制冷器控制环路的实现方法，包括：

步骤1，采集当前温度，通过热敏电阻101来探测半导体激光器(未示出)和电吸收调制器(未示出)的当前温度；

步骤2，确定当前温度模拟量的电压值，所述热敏电阻101和分压电阻102、参考电压103一起组成分压网络，产生代表当前半导体激光器(未示出)、电吸收调制器(未示出)温度的模拟量的电压值，并将产生的模拟量的电压值发送到模/数转换器104；

步骤3，信号转换，所述模/数转换器104把目标温度模拟量的电压值和当前温度模拟量的电压值转换成数字信号，并发送给微处理器105；

步骤4，计算控制信号量，所述微处理器105通过软件算法计算，得出需要输出给制冷驱动器的控制信号量，并通过模/数转换器106将控制信号量转换成模拟信号量，并发送到制冷驱动器107；

步骤5，产生驱动电流，所述制冷驱动器107根据接收到的模拟信号量大小，输出控制半导体制冷器108的驱动电流，半导体制冷器108根据驱动电流的大小和方向对半导体激光器(未示出)和电吸收调制器(未示出)的进行不同程度的加热或者制冷；

步骤6，重复步骤1。

所述软件算法为微处理器的中断响应子程序，且所述子程序为定时器中断的响应子程序。

优选的是，所述子程序中其中一种实现方式的计算公式为：

Y_i+1＝k(X_∞-X_i)+Y_i

其中，Y_i+1为下一次输出的的控制信号量的数值，k为常数，X_∞为目标温度的数值，X_i为当前温度的数值，Y_i当前输出的的控制信号量的数值。

优选的是，所述软件算法流程包括：

步骤1，程序开始；

步骤2，设定常数k，目标温度X_∞的数值，以及当前输出的控制信号量Y_i的初始值；

步骤3，设定循环变量i的初始值为1；

步骤4，通过定时器进行采样计时；

步骤5，如采样时刻已到，则读取当前的温度的值X_i；

步骤6，根据半导体制冷驱动器的控制信号量计算公式：Y_i+1＝k(X_∞-X_i)+Y_i，计算下一次的控制信号量并输出；

步骤7，循环变量i＝i+1；

步骤8，重复步骤4。

优选的是，所述子程序的另外一种实现方式的计算公式为：

ΔY_i＝A*e_i-B*e_i-1+C*e_i-2

其中，ΔY_i为控制信号量，A、B、C、i为常数，e_i为目标温度与当前采样温度的偏差值，e_i-1为上一次温度的偏差值，e_i-2为上两次温度的偏差值。

优选的是，所述软件算法包括：

步骤1，程序开始；

步骤2，设定常数i、A、B、C，目标温度X_∞的数值，以及当前输出的控制信号量Y_i的初始值；

步骤3，设初值e_i-1＝e_i-2＝0；

步骤4，读取被控对本次的温度采样值X_i；

步骤5，计算目标温度与当前采样温度的偏差值e_i，e_i＝X_∞-X_i；

步骤6，根据公式计算控制信号量ΔY_i，ΔY_i＝A*e_i-B*e_i-1+C*e_i-2；

步骤7，得出下一次控制量Y_i+1并输出，Y_i+1＝ΔY_i+Y_i；

步骤8，赋值e_i-2＝e_i-1，e_i-1＝e_i，i＝i+1；

步骤9、通过定时器进行采样计时，如采样时刻已到，重复步骤4。

实施例

热敏电阻101的电阻值随着半导体激光器(未示出)或电吸收调制器(未示出)的温度的变化而改变；热敏电阻101和分压电阻102、参考电压103组成分压网络，可以输出一路代表半导体激光器(未示出)或电吸收调制器(未示出)当前温度模拟量的电压值到104模/数转换器；104模/数转换器用于把当前温度模拟量和目标温度模拟量转换为数字量并送到微处理器105；微处理器105通过软件算法计算出需要输出给制冷驱动器的控制信号量,经过106数/模器将收到的控制信号量转换成模拟电压量后输出，制冷器驱动器根据接收的控制信号模拟电压量的大小，输出控制半导体制冷器的驱动电流；半导体制冷器根据驱动电流的大小和方向，对半导体激光器进行不同程度的加热或者制冷。

当整个工作环路进入稳定状态时目标温度模拟量和当前温度模拟量一致，即当前温度准确的被调节到目标温度。

图2给出了半导体制冷控制环路中起控制作用的软件算法的一种实现方式，基于比例算法的半导体制冷驱动器的控制信号量计算公式为：

Y_i+1＝k(X_∞-X_i)+Y_i

其中，Y_i+1为下一次输出的的控制信号量的数值，k为常数，X_∞为目标温度的数值，X_i为当前温度的数值，Y_i当前输出的的控制信号量的数值。

图3给出了半导体制冷控制环路中起控制作用的软件算法的另一种实现方式，其控制量的计算公式为：

ΔY_i＝A*e_i-B*e_i-1+C*e_i-2，

下一次输出的的控制信号量的数值为：

Y_i+1＝ΔY_i+Y_i；

其中，ΔY_i为控制信号量，A、B、C、i为常数，e_i为目标温度与当前采样温度的偏差值，e_i-1为上一次温度的偏差值，e_i-2为上两次温度的偏差值，Y_i+1为下一次输出的的控制信号量的数值，Y_i当前输出的的控制信号量的数值。

上述软件算法的两种实现方式，均为微处理器的中断响应子程序，在本实施例中，本程序为定时器中断的响应子程序，通过定时器的不断的计算和刷新半导体制冷驱动器的控制信号量，从而使得半导体激光器的工作温度维持稳定。

本软件算法部分通常采用基于比例、积分和微分的算法，生成输出给制冷驱动器的控制信号量，使得半导体激光器的工作温度不断趋近目标控制温度。但考虑到光模块微处理器运算性能不强，在本实施例中的两种实现方式上只采用比例、积分和微分的算法中的比例部分，实验表明也可以很好的实现半导体制冷控制。需要说明的是基于比例、积分和微分的算法以及基于算法做出轻而易举的改进的算法都在本专利保护范围以内。

本发明设计了一种基于软件的半导体制冷器控制环路的实现方法，将半导体制冷控制环路中控制电路部分，通过软件实现了工作参数的数字化，其软件算法为微处理器的中断响应子程序，在一些实施例中，该程序为定时器中断的响应子程序，通过定时器的不断的计算和刷新半导体制冷驱动器的控制信号量，可以使得半导体激光器的工作温度维持稳定，方便了对光收发模块的调试和测试以及问题定位，利于后期的维护。

本发明设计了一种基于软件的半导体制冷器控制环路的实现方法，通过软件算法代替现有技术方案中的模拟控制电路，节省了电路板的布板面积，有利于光收发模块的封装体积越来越小型化，同时降低了光收发模块的物料成本。

综上所述，本发明能为光收发模块提供一种节省电路板空间的，低成本的电路结构和软件方案，值得大力推广。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种基于软件的半导体制冷器控制环路的实现方法，其特征在于，包括：

步骤1，采集当前温度，通过热敏电阻来探测半导体激光器和电吸收调制器的当前温度；

步骤2，确定当前温度模拟量的电压值，所述热敏电阻和分压电阻、参考电压一起组成分压网络，产生代表当前半导体激光器、电吸收调制器温度的模拟量的电压值，并将产生的模拟量的电压值发送到模/数转换器；

步骤3，信号转换，所述模/数转换器把目标温度模拟量的电压值和当前温度模拟量的电压值转换成数字信号，并发送给微处理器；

步骤4，计算控制信号量，所述微处理器通过软件算法计算，得出需要输出给制冷驱动器的控制信号量，并通过模/数转换器将控制信号量转换成模拟信号量，并发送到制冷驱动器；

步骤5，产生驱动电流，所述制冷驱动器根据接收到的模拟信号量大小，输出控制半导体制冷器的驱动电流，半导体制冷器根据驱动电流的大小和方向，对半导体激光器和电吸收调制器的进行不同程度的加热或者制冷；

步骤6，重复步骤1。

2.如权利要求1所述的基于软件的半导体制冷器控制环路的实现方法，其特征在于，所述软件算法为微处理器的中断响应子程序。

3.如权利要求2所述的基于软件的半导体制冷器控制环路的实现方法，其特征在于，所述子程序中其中一种实现方式的计算公式为：

Y_i+1＝k(X_∞-X_i)+Y_i

其中，Y_i+1为下一次输出的的控制信号量的数值，k为常数，X_∞为目标温度的数值，X_i为当前温度的数值，Y_i当前输出的的控制信号量的数值。

4.如权利要求3所述的基于软件的半导体制冷器控制环路的实现方法，其特征在于，所述软件算法流程包括：

步骤1，程序开始；

步骤2，设定常数k，目标温度X_∞的数值，以及当前输出的控制信号量Y_i的初始值；

步骤3，设定循环变量i的初始值为1；

步骤4，通过定时器进行采样计时；

步骤5，如采样时刻已到，则读取当前的温度的值X_i；

步骤6，根据半导体制冷驱动器的控制信号量计算公式：Y_i+1＝k(X_∞-X_i)+Y_i，计算下一次的控制信号量并输出；

步骤7，循环变量i＝i+1；

步骤8，重复步骤4。

5.如权利要求2所述的基于软件的半导体制冷器控制环路的实现方法，其特征在于，所述子程序的另外一种实现方式的计算公式为：

ΔY_i＝A*e_i-B*e_i-1+C*e_i-2

其中，ΔY_i为控制信号量，A、B、C、i为常数，e_i为目标温度与当前采样温度的偏差值，e_i-1为上一次温度的偏差值，e_i-2为上两次温度的偏差值。

6.如权利要求5所述的基于软件的半导体制冷器控制环路的实现方法，其特征在于，所述软件算法包括：

步骤1，程序开始；

步骤2，设定常数i、A、B、C，目标温度X_∞的数值，以及当前输出的控制信号量Y_i的初始值；

步骤3，设初值e_i-1＝e_i-2＝0；

步骤4，读取被控对本次的温度采样值X_i；

步骤5，计算目标温度与当前采样温度的偏差值e_i，e_i＝X_∞-X_i；

步骤6，根据公式计算控制信号量ΔY_i，ΔY_i＝A*e_i-B*e_i-1+C*e_i-2；

步骤7，得出下一次控制量Y_i+1并输出，Y_i+1＝ΔY_i+Y_i；

步骤8，赋值e_i-2＝e_i-1，e_i-1＝e_i，i＝i+1；

步骤9、通过定时器进行采样计时，如采样时刻已到，重复步骤4。