CN111007730B - 一种空间光调制器控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间光调制器控制系统及其控制方法，包括：一硬件系统，其中所述硬件系统包括数据接口、数据存储器、指令控制器、寻址模块、空间光调制器光学头、驱动模块、GPIO接口、内存模块和供电及基础配置模块，在输出出射光信号的同时，可通过所述GPIO接口输出电信号或通过数据接口输出特定数据，所述数据接口接收用户控制信号，将数据存储到所述数据存储器，所述数据接口也可输出反馈信号；和一软件系统，其中所述软件系统包括一指令集和一交互接口规范，所述指令集和所述交互接口规范是对所述用户控制信号和输入的电信号的业务处理逻辑，硬件系统通过数据接口和GPIO接口同所述软件系统进行信号交互。

Description

一种空间光调制器控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及到空间光调制器的系统开发、应用领域，具体来说是新型空间光调制器控制办法及系统，包括设计原理、硬件系统和软件系统，以及基于上述设计原理和软硬件系统构成方式实现的空间光调制器实例。

背景技术

现有传统空间光调制器，无论是文献资料提及的还是市场实际销售的产品都无法满足远程控制、闭环反馈、并行多设备连接、工业物联网自主控制等功能。

空间光调制器作为一种光波空间参数调制装置，被广泛应用到科研及工业领域。现有技术是以光学头模块如LCoS、DMD、MEMS等光电器件为核心完成光学调制功能，其控制信号都是采用PCIe或视频数据接口如DVI/HDMI等方式输入到空间光调制器。控制信号内容依赖上位机来处理，导致无法保证控制信号的时间精度。例如，数十路激光光路需要依据时序或反馈信号实现联动光束调制时，每一路光路中的空间光调制器需要构成集群互连时，现有空间光调制器装置，就极难实现这种交互控制功能。

因此需要一套空间光调制器控制方案，能够解决工业领域对空间光调制器在智能反馈、多级并联、同步联动控制、自主智能运行等方面的需求，从而使得空间光调制器更能适合工业规模化集群应用、高可靠性应用等场景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种空间光调制器控制系统及其控制方法，，其核心是分层处理控制信号的传输、存储和控制，通过将空间光调制器的控制信号进行分层定义和区别控制。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种空间光调制器控制方法，其特征在于，包括：

(a)接收外部用户控制信号和输入电信号，

(b)并在空间光调制器本体中生成寻址信号，

(c)驱动光学头将入射光信号调制为出射光信号，并同时输出电信号，从而构成了整个空间光调制器系统信号流。

优选地，所述用户控制信号分为指令数据和Pattern数据两类。

优选地，所述寻址信号可由空间光调制器本体根据内部时钟信号或输入的电信号生成。

一种空间光调制器控制系统，包括：

一硬件系统，其中所述硬件系统包括数据接口、数据存储器、指令控制器、寻址模块、空间光调制器光学头、驱动模块、GPIO接口、内存模块和供电及基础配置模块，在输出出射光信号的同时，可通过所述GPIO接口输出电信号或通过数据接口输出特定数据，所述数据接口接收用户控制信号，将数据存储到所述数据存储器，所述数据接口也可输出反馈信号。

一软件系统，其中所述软件系统包括一指令集和一交互接口规范，所述指令集和所述交互接口规范是对所述用户控制信号和输入的电信号的业务处理逻辑，硬件系统通过数据接口和GPIO接口同所述软件系统进行信号交互。

优选地，所述指令集包括用户控制信号处理函数集合和指令数据处理函数集合，其中用户控制信号处理函数是针对用户控制信号的分类处理和响应，指令数据处理函数集合则是针对输入电信号和用户控制信号中的指令数据进行处理的函数集合。

优选地，还包含寻址函数集合，所述寻址信号的生成由寻址函数在空间光调制器内部自行生成，输入相应函数参数即得到Pattern数据从而生成寻址信号。

优选地，所述硬件系统还可以包括传感器及传感器接口，所述软件系统预设有一传感器响应函数，所述传感器及传感器接口通过在指令集和交互规范中预设的所述传感器响应函数，实现通过传感信号来触发光调制功能。

优选地，还包括一API数据接口，通过所述指令集和交互规范与所述API数据接口的扩展，实现了用户远程网络与空间光调制器的闭环控制。

优选地，还包括GPIO通道，多个空间调制器控制系统通过所述GPIO通道实现互为输入输出，所述GPIO输出通道所依赖的信号时钟精度必须到ns级别，并且输出信号时序与光学头的工作时钟始终存在同步函数关系；或者与寻址信号之间存在同步函数关系；或者通过设置多个GPIO输出通道进行不同类型的时序同步。

优选地，所述数据存储模块具有用户控制信号处理函数集合来处理数据，针对数据存储模块，可以通过指令数据或输入的电信号来完成对数据存储模块的数据再计算和处理功能。

采用上述技术方案，过分析空间光调制器的信号输入输出流程和变换过程，提出了一套空间光调制器控制方法及系统，解决工业领域对空间光调制器在智能反馈、多级并联、同步联动控制、自主智能运行等方面的需求，从而使得空间光调制器更能适合工业规模化集群应用、高可靠性应用等场景。

另外，空间光调制器硬件本体具有指令控制器，其承载有Firmware或嵌入式软件程序，并结合硬件接口可以实现丰富的指令集与交互接口，这决定了系统具有自主控制和信号处理能力，因此，远程控制、闭环反馈、设备互连联动都可以独立的由空间光调制器系统本身来完成，而脱离对上位机的依赖。具体而言，其指令集与交互接口规范包括用户控制信号处理函数、指令数据函数两个大类指令集构成。

附图说明

图1是本发明的空间光调制器信号的分层定义与转化流程，描述了本发明提出空间光调制器信号的分层模式和控制方法的核心思路。

图2是本发明的硬件逻辑模块示意图，描述实现本发明控制方法的硬件系统逻辑构成。

图3是本发明的指令集与交互接口设计规范；描述了实现本发明控制方法的软件系统设计内容。

图4是本发明的有无指令系统的空间光调制器的信号控制流图差异分析图；描述了本发明提出系统的核心创新点，通过对比传统设计，来描述差异性

图5是本发明的基于FPGA的空间光调制器硬件模块实施例图；描述了实施例的硬件逻辑图；

图6是本发明的FPGA Master指令控制器模块实施例图；描述了实施例的软件功能模块，所实现的指令集与交互规范的具体软件功能模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

通过分析空间光调制器的信号输入输出流程和变换过程，提出了一套空间光调制器控制方法及系统，解决工业领域对空间光调制器在智能反馈、多级并联、同步联动控制、自主智能运行等方面的需求，从而使得空间光调制器更能适合工业规模化集群应用、高可靠性应用等场景。

本发明提供了一种空间光调制器控制系统，如图1所示的信号分类和定义模式，从设计原理角度描述了具体的控制办法。本发明所述空间光调制器控制方法，其核心思路是分层处理控制信号的传输、存储和控制，通过将空间光调制器的控制信号按图1进行分层定义和区别控制，形成本发明的设计思路和控制原理。本发明提出的设计原理由以下步骤和方法构成：

将空间光调制器硬件本体所接收和生成的信号分为三类：1用户控制信号、2寻址信号、3输入输出的电信号；用户控制信号由空间光调制器的业务功能目标所定义，由外部输入或自身产生。寻址信号由用户控制信号内容转化而来，主要控制光学头，最终表现为将入射光信号调制为出射光信号，从而实现业务功能目标，输入输出电信号则是时序信号、触发信号的抽象归类，用于形成业务功能的闭环反馈。由于信号类型的差异，因此基于该分类的处理办法就可以根据信号类型采用不同的处理机制，这是本发明区别于传统空间光调制器控制办法的创新点。

进一步而言，本发明方法首先将用户控制信号1分为1.1指令数据和1.2Pattern数据，二者区别管理。所谓Pattern数据，是指能决定空间光调制器光学头寻址地址的数据，一般由用户输入，也可由空间光调制器硬件本体生成。指令数据则是用户输入的业务逻辑指令，这种逻辑包括特定Pattern数据与时间参数、空间参数的函数关系，或者不同Pattern数据之间的函数关系；指令数据和Pattern数据在数据容量、存储和传输时效性上有很大不同。

其次是2寻址信号由空间光调制器硬件本体来生成，其信号源既可以来自用户输入的1.1 指令数据，也可以来自空间光调制器自身3.0时钟信号，或者来自输入的3.1外部GPIO信号，或者上述信号源的共同作用。由空间光调制器硬件本体根据信号源和Pattern数据将2.1入射光信号调制为2.2出射光信号；Pattern数据集合和寻址信号集合之间存在函数关系，在传统的空间光调制器中，二者是一一对应关系，但本发明提出的方法中，寻址信号是Pattern 数据集合和信号源所构成函数的结果集，其对应关系并非一一对应而是表现为灵活多变的函数关系。如果用抽象函数来描述二者的差异，可以用下面公式说明：

Address＝F(Pattern)是传统空间光调制器控制办法

Address＝F(Pattern，Timer，GPIO-In、Cmd)是本发明提出控制方法

其中Address代表寻址信号，F为函数关系、Pattern为1.2Pattern数据、Timer代表3.0时钟信号、GPIO-In代表外部GPIO信号、Cmd代表1.1指令数据；

再者，空间光调制器光学头所实现的2.2出射光信号就是完成目标功能的光学部分，但实际业务功能中的闭环控制或联动反馈往往还需要将电信号同步输出，因此，空间光调制器硬件本体还生成3.2输出GPIO信号，作为2.2出射光信号的补充电信号，构成了本发明方法的完整逻辑。

最后，由于2.2出射光信号或3.2输出GPIO信号的变化所带来的外部设备联动信号，由 3.1外部GPIO信号反馈进入空间光调制器，进行形成闭环控制；因此，本发明提出的空间光调制器控制原理可以用数学模式描述为：

SLM(Pattern，Cmd，GPIO-In)X Optical-In＝Optical-Out+GPIO-Out

传统的空间光调制器可以描述为SLM(Pattern)X Optical-In＝Optical-Out，部分DMD 空间光调制器可以做到Host(Cmd)+SLM(Pattern)X Optical-In＝Optical-Out+GPIO-Out，但是其控制逻辑依赖上位机。其中SLM代表空间光调制器功能函数，Host代表上位机控制输入，Optical-In代表入射光信号，Optical-Out代表出射光信号，GPIO-out代表输出GPIO 信号。

上述本发明方法提出的空间光调制器的控制信号变化流程可以用图1空间光调制器信号的分层定义与转化流程来描述，通过对信号流的分类和定义，描述了空间光调制器的控制原理。

基于上述原理，空间光调制器系统构成将围绕着不同信号的特征展开设计，因此，系统方案分为硬件和软件系统两部分，其中硬件系统具体为图2所示。

具体地，主要由以下几个部分：

1. 07GPIO接口和08数据接口作为电信号的输入输出接口，是空间光调制器的数据传输通道，包括用户控制信号和输入GPIO信号和输出GPIO，与出射光一起构成了空间光调制器的信号处理闭环。

2. 08数据接口可以为网络接口、USB接口，主要接收外部输入的用户控制信号，也可以输出反馈信号到外部设备；GPIO通道可以为标准或自定义的GPIO接口；

3.用户控制信号传输到空间光调制器后，由04指令控制器进行分析，将指令数据和 Pattern数据进行分离，其中Pattern数据可以预存储到数据存储器，指令数据可以根据指令规范对Pattern数据进行处理，此时的Pattern数据来源可以为数据接口输入的数据，也可以是数据存储器内的Pattern数据，或者由指令控制器根据指令内容实时生成的Pattern 数据。

4. 05内存模块主要用于Pattern数据的临时生成、处理分析和利用。05内存模块由04 指令控制器来管理。

5. 03寻址模块主要是生成寻址信号，从05内存模块获得数据源。不同于传统方式，从 05内存模块输入到寻址模块的数据可以不依赖08数据接口的数据，因此，空间光调制器可以自主控制寻址信号，而无需依赖外部信号输入。

6. 03寻址模块输出信号到02驱动模块，其中02驱动模块和01光学头通常是配套存在，由光学头的技术规格来决定03寻址模块的信号规格。

7. 04指令控制器可以控制02驱动模块的工作状态，即便在03寻址模块输出信号的情况下，02驱动模块也可以不响应寻址信号，其工作模式完全由04指令控制器所决定。

8. 04指令控制器在控制02驱动模块的同时，可以通过07GPIO接口、08数据接口输出反馈信号，反馈信号内容可以为光学头调制光信号的时序同步信号、光调制内容的数据信号或其他目的的信号。

9.在系统中增加10传感器，并通过09传感器接口与04指令控制器相连接。根据传感器采集的信号，由04指令控制器来分析处理，生成相应的寻址信号来驱动光学头工作，从而形成空间光调制器的自主控制功能。10传感器可以是温度、光照、电信号、位移或其他类型的传感器。这部分可以设计为可拔插设备，或集成到空间光调制器硬件本体中。

10.供电及基础配置模块包括电源管理、参数配置等基础管理模块，是硬件系统的必须基础模块。

11.上述10个部分硬件模块逻辑构成了空间光调制器的硬件系统，其特征是空间光调制器自身是一个光信号和电信号的运算控制综合体，能接受电信号对入射的光束信号进行控制，出射光束信号的同时，输出相应的电信号，输出的电信号将被其他设备包括但不限于空间光调制器硬件本体所识别响应。

本发明上述步骤详细描述了各个硬件模块的技术功能要素、硬件模块和连接方式。这些属于成熟电子硬件技术，本发明仅仅基于提出的设计原理，将其按照空间光调制器应用场景和需求进行了系统维度的逻辑定义，从而实现了一种不同于现有空间光调制器的控制硬件载体。

基于上述硬件维度的系统设计，本发明提出了一套控制指令集和交互接口设计方法，其指令集的功能实现依赖于硬件模块为载体，同时又是智能空间光调制器系统不可或缺的构成要素，以Firmware固件或嵌入式系统软件的形式存在。具体而言，指令集和交互接口的设计如图3所述，与传统控制方法的差异分析如图4所示。

本发明提出方法的特征在于空间光调制器硬件本体具有指令控制器，其承载有Firmware 或嵌入式软件程序，并结合硬件接口可以实现丰富的指令集与交互接口，这决定了系统具有自主控制和信号处理能力，因此，远程控制、闭环反馈、设备互连联动都可以独立的由空间光调制器系统本身来完成，而脱离对上位机的依赖。具体而言，其指令集与交互接口规范包括用户控制信号处理函数、指令数据函数两个大类指令集构成。交互接口规范则是通过软件、硬件接口的相互配合，实现的交互接口，包括通信协议封装、信号源定义与识别，这部分与 GPIO硬件和数据接口硬件密切相关。其中用户控制信号处理函数主要负责对来自数据接口的外部信号进行分析，区别于传统的空间光调制器，用户控制信号的内容包括指令数据，这样其扩展性将变得极为丰富，例如寻址函数集合中包括傅里叶变换函数fft，能对Pattern数据进行傅里叶变换，则可以利用一组Pattern数据随时生成更多的Pattern数据。指令数据的容量可以极小，其传输手段就可以更为丰富。Pattern数据由于容量带宽大，但实际工业场景下，空间光调制器系统的功能目的往往非常明确，因此，可以通过预处理Pattern数据的方式来解决带宽问题和实时性需求。

用户控制信号处理函数包括数据格式封装与定义、用户数据分解、Pattern数据的存储、索引、加载、删除/修改处理等操作指令；指令数据处理函数则包括对指令函数定义与识别、信号源定义与识别、生成寻址指令、发出帧数据、输出GPIO信号、GPIO通道定义等构成，主要目的是构建一套对信号源的处理机制，能够根据外部输入或内部时钟的信号来控制光学头实现光束调制功能，并同时输出电信号。其中生成寻址指令本身可以由一组寻址函数集合构成，将满足工业需求的寻址信号通过内置函数模块来实时生成，这种内嵌的算法将极大地扩展了空间光调制器的自主功能和自适应能力，通过这种设计，外部仅仅输入简单的指令，就可以让空间光调制器实现复杂的光学调制功能。

进一步而言，考虑到光学头的工作模式通常是帧刷新的模式，寻址信号最终表现为符合光学头规范的帧数据，因此，将帧数据特征作为反馈信号、帧时序作为同步信号通过数据接口或GPIO输出给外部设备，对提高空间光调制器的物联属性非常重要。

上述指令集及交互设计规范的内容可以依据需求进一步扩展，本发明仅仅提出了一套方法逻辑，其核心在于空间光调制器具有指令控制器及承载在硬件里的软件系统。图4描述了这种核心区别于传统控制方式的差异点。

结合图5可知，本实施例以双FPGA芯片作为指令系统的实施载体，通过硬件电路和FPGA Firmware相结合的方式实现了Ethernet作为以太网数据接口、UART接口作为指令数据接口，以及BNC接口的SYNC同步信号作为GPIO接口，LCoS Panel作为光学头，FPGA Master作为指令控制器和寻址模块，FPGA for LCoS Driver作为驱动模块，DDR3是内存模块，EMMC作为数据存储器，其中TEC&Power作为传感器及传感器接口，可以输出电信号控制LCoSPanel 上附加的散热模块。

基于该硬件模块实施的空间光调制器，可以接受远程网络数据，用户控制信号可以通过网络传输给空间光调制器，也可以通过SYNC信号输入来触发其内部的算法模块，自主控制 LCoS的寻址信号内容。

本实施例中，FPGA Master作为指令控制器，负责整个系统的逻辑控制，其实现的软件功能逻辑如图6所示，这里仅仅作为方法说明的实施例提供参考，实际上的实施功能可以更加丰富。具体地，图6的工作模式如下所示：

1、图像从以太网输入，直接到video I/F。

2、图像从以太网速度，进入产品自带算法模块，然后输出到video I/F。

3、图像从以太网输入，进入用户设计算法模块，然后输出到video I/F。

4、多张图像先存储到DDR，然后通过命令控制，从DDR依次或循环读取图像，根据控制选择直接输出，新算法模块输出到video I/F，此功能掉电后图像无法保存。

5、多张图像先存储到EMMC，然后通过命令控制，从DDR依次或循环读取图像，根据控制选择直接输出，新算法模块输出到video I/F，此功能掉电后图像可保存到EMMC。

其中user Algorithm和Product Algorithm都是寻址函数集合，可以根据功能需求灵活扩展，从而设计出不同功能目的的空间光调制器产品。CMD Reg模块对应指令数据处理函数集合，通过与外部接口的交互，实现各种丰富的交互功能。

进一步而言，基于本发明方法的实施例还可以根据图5和图6的示例进行扩展，例如FPGA for LCoS Driver可以换为专门的LCoS驱动芯片或类似Pixelworks这样的通用芯片，或者将整个光学头及驱动模块换为TI公司的DMD显示芯片及对应的驱动IC芯片，从而设计出新的空间光调制器产品。或者，利用AI芯片或GPU芯片、MCU芯片来替换或增强FPGAMaster的功能，也将形成新的实施例，利用AI芯片来实现对传感器数据的深度学习，从而形成智能空间光调制器系统，可以完全不依赖外部信号，将空间光调制器设计为一个独立的自适应光束调制系统和信号源。

无论采用何种芯片或技术方案，本发明所述的控制方法核心在于信号流的分层管理和对应的指令系统设计，从而设计开发出了完全不同于传统空间光调制器的新产品，使得空间光调制器满足网络远程控制、自主控制、信号闭环反馈和互连控制等功能，降低甚至完全脱离上位机的依赖。基于本发明方法，通过对指令集和交互接口的优化设计，融合新的信号处理部件，也可以创新出更多不同目的的光调制系统和装置。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种空间光调制器控制系统，其特征在于，包括：

一硬件系统，其中所述硬件系统包括数据接口、数据存储器、指令控制器、寻址模块、空间光调制器光学头、驱动模块、GPIO接口、内存模块和供电及基础配置模块，在输出出射光信号的同时，可通过所述GPIO接口输出电信号或通过数据接口输出特定数据，所述数据接口接收用户控制信号，将数据存储到所述数据存储器，所述数据接口也可输出反馈信号；和

一软件系统，其中所述软件系统包括一指令集和一交互接口规范，所述指令集和所述交互接口规范是对所述用户控制信号和输入的电信号的业务处理逻辑，硬件系统通过数据接口和GPIO接口同所述软件系统进行信号交互；

所述空间光调制器控制方法，包括：

(a)接收外部用户控制信号和输入电信号，

(b)并在空间光调制器本体中生成寻址信号，

(c)驱动光学头将入射光信号调制为出射光信号，并同时输出电信号，从而构成了整个空间光调制器系统信号流；

其中，首先将用户控制信号分为指令数据和Pattern数据，二者区别管理，所述Pattern数据，是指能决定空间光调制器光学头寻址地址的数据，可由用户输入，也可由空间光调制器硬件本体生成，指令数据则是用户输入的业务逻辑指令，这种逻辑包括特定Pattern数据与时间参数、空间参数的函数关系，或者不同Pattern数据之间的函数关系；指令数据和Pattern数据在数据容量、存储和传输时效性上有很大不同；

Address＝F(Pattern，Timer，GPIO-In、Cmd)；

其中Address代表寻址信号，F为函数关系、Pattern为Pattern数据、Timer代表时钟信号、GPIO-In代表外部GPIO信号、Cmd代表指令数据。

2.根据权利要求1所述的空间光调制器控制系统，其特征在于，所述指令集包括用户控制信号处理函数集合和指令数据处理函数集合，其中用户控制信号处理函数是针对用户控制信号的分类处理和响应，指令数据处理函数集合则是针对输入电信号和用户控制信号中的指令数据进行处理的函数集合。

3.根据权利要求2所述的空间光调制器控制系统，其特征在于，还包含寻址函数集合，所述寻址信号的生成由寻址函数在空间光调制器内部自行生成，输入相应函数参数即得到Pattern数据从而生成寻址信号。

4.根据权利要求1所述的空间光调制器控制系统，其特征在于，所述硬件系统还可以包括传感器及传感器接口，所述软件系统预设有一传感器响应函数，所述传感器及传感器接口通过在指令集和交互规范中预设的所述传感器响应函数，实现通过传感信号来触发光调制功能。

5.根据权利要求1所述的空间光调制器控制系统，其特征在于，还包括一API数据接口，通过所述指令集和交互规范与所述API数据接口的扩展，实现了用户远程网络与空间光调制器的闭环控制。

6.根据权利要求1-4任一所述的空间光调制器控制系统，其特征在于，还包括GPIO通道，多个空间调制器控制系统通过所述GPIO通道实现互为输入输出，所述GPIO输出通道所依赖的信号时钟精度必须到ns级别，并且输出信号时序与光学头的工作时钟始终存在同步函数关系；或者与寻址信号之间存在同步函数关系；或者通过设置多个GPIO输出通道进行不同类型的时序同步。

7.根据权利要求6所述的空间光调制器控制系统，其特征在于，所述数据存储模块具有用户控制信号处理函数集合来处理数据，针对数据存储模块，可以通过指令数据或输入的电信号来完成对数据存储模块的数据再计算和处理功能。