CN112423165A

CN112423165A - 一种大规模光交换芯片驱动控制装置

Info

Publication number: CN112423165A
Application number: CN202011337277.5A
Authority: CN
Inventors: 谭磊; 武保剑; 钱悦; 胡钢; 邱昆
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2020-11-25
Filing date: 2020-11-25
Publication date: 2021-02-26
Anticipated expiration: 2040-11-25
Also published as: CN112423165B

Abstract

本发明公开了一种大规模光交换芯片驱动控制装置，包括控制单元和驱动单元两部分；其中，控制单元将接收到的光交换需求指令通过并行方式转发给驱动单元中的各个驱动板，驱动板通过插槽与光交换集成芯片连接，驱动板上的FPGA收到指令后，运行路由算法，然后控制数模(D/A)转换芯片和放大器产生所需的电压信号，再通过控制模拟开关将放大后的电压信号选择性地施加到光开关单元上。

Description

一种大规模光交换芯片驱动控制装置

技术领域

本发明属于光通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种大规模光交换芯片驱动控制装置。

背景技术

光纤通信网络具有低损耗、大带宽、高速率等传输特点，现已成为电信网、计算机网、有线电视网的重要支撑。随着电信业务和网络应用的快速发展，通信的数据流量与日剧增，传统的光-电-光的光信息交换形式存在着电子瓶颈，限制了数据速度和调制格式；另一个问题是功耗比较大，这种交换形式严重制约着大规模数据中心中光交换节点的可扩展性。为此，人们开始越来越趋于采用全光交换方式，并采用光交换集成芯片技术降低节点功耗和传输时延。为了更好地满足数据中心和光网络的应用需求，要求光交换集成芯片具有足够的端口数，交换容量需求也不断增加。

光交换集成芯片的基本单位是光开关单元，光开关单元按照特定的拓扑结构(如Benes、Switch-and-Select和PILOSS等)级联成光交换集成芯片的核心部分，通过控制这些光开关的状态，实现光交换集成芯片的路由选择。光开关一般分为热控开关和电控开关，两者的实现原理都是通过对波导施加电压来改变开关状态，因此每个开关都至少需要一路电压信号来改变状态。随着交换规模的增大或者端口数的增多，光开关单元的数量也越来越多，需要的电压信号也越来越多，驱动电路也更加复杂。

事实上，现有的光交换芯片驱动方案越来越难以适应大规模光交换芯片情形，主要存在如下问题：(1)驱动板之间通过串行方式连接在一起，这样就造成控制指令在板间传输延迟高，组成光交换芯片的光开关单元很难动作一致，降低了整个光交换芯片的切换速度；(2)每个光开关单元都由独立的电压信号控制，不仅造成光交换集成芯片整体功耗变高，还会导致驱动电路更加复杂，很难适应未来更大规模的光交换集成芯片的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种大规模光交换芯片驱动控制装置，通过引入模拟开关来减少冗余的驱动电路，从而降低整体功耗，实现更大规模的光交换集成芯片的集成控制。

为实现上述发明目的，本发明一种大规模光交换芯片驱动控制装置，其特征在于，包括：控制单元和驱动单元；

所述控制单元包括串口模块和FPGA总控芯片；

所述串口模块通过接口与上位机连接，并通过上位机下发二进制形式的交换需求指令；

所述FPGA总控芯片接收串口模块传输过来的二进制形式的交换需求指令，然后将指令通过并行方式发送给驱动单元的驱动板；

所述的驱动单元包括光交换芯片载板及多组驱动板；

所述光交换芯片载板又包括光交换集成芯片和多组驱动板插槽；光交换集成芯片对外提供不同的光开关单元的电极引线或焊盘，从而接入多路的光开关单元，并且同时又与驱动板插槽连接；

所述驱动板通过驱动板插槽连接光交换芯片载板，并通过驱动板插槽为驱动板提供电源，而每块驱动板又将控制的所有光开关单元分成若干组，每组的光开关单元的电极引线或焊盘与一个1×N的模拟开关的输出端连接，N为模拟开关的输出端口数量，这样便将驱动板产生的电压信号加载到光交换芯片的驱动电极上，进而控制光开关单元的状态；

所述驱动板具体包括FPGA芯片、数模(D/A)转换芯片、放大器和模拟开关；FPGA芯片直接接收来自控制单元FPGA总控芯片转发的光交换需求指令，然后根据不同光开关单元的拓扑结构运行相应的路由算法，计算出对应光开关单元的状态；FPGA芯片控制数模(D/A)转换芯片产生不同的电压信号，经过放大器的放大处理输入至模拟开关，模拟开关的若干个输出端与不同的光开关单元的电极引线或焊盘连接，并在FPGA芯片的控制下，根据光开关单元状态控制模拟开关的逻辑控制信号选择性地将电压信号通过其中一个输出端口施加到光开关单元上，从而改变光开关单元的状态。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种大规模光交换芯片驱动控制装置，包括控制单元和驱动单元两部分；其中，控制单元将接收到的光交换需求指令通过并行方式转发给驱动单元中的各个驱动板，驱动板通过插槽与光交换集成芯片连接，驱动板上的FPGA收到指令后，运行路由算法，然后控制数模(D/A)转换芯片和放大器产生所需的电压信号，再通过控制模拟开关将放大后的电压信号选择性地施加到光开关单元上。

同时，本发明一种大规模光交换芯片驱动控制装置还具有以下有益效果：

(1)、本发明在驱动板间通过并行方式传输指令，相比于指令在驱动板间通过串行方式传输的其他方案，采用并行方式可大幅减小数据传输时延；此外，并行方式也更适合作为将来更大规模的驱动电路间信号的同步传输；

(2)、本发明使用模拟开关可以大幅度减少数模(D/A)转换芯片和放大器的数量，减少驱动电路的冗余和复杂性，还有助于减少驱动电路的功耗。

附图说明

图1是本发明一种大规模光交换芯片驱动控制装置原理框图；

图2是驱动板原理；

图3光开关单元状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明一种大规模光交换芯片驱动控制装置原理框图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种大规模光交换芯片驱动控制装置，包括：控制单元和驱动单元；

控制单元包括串口模块和FPGA总控芯片；

串口模块通过接口(例如RS232、USB等)与上位机连接，并通过上位机下发二进制形式的交换需求指令；

FPGA总控芯片接收串口模块传输过来的二进制形式的交换需求指令，然后将指令通过并行方式发送给驱动单元的驱动板；在本实施例中，相比于指令在驱动板间通过串行方式传输的其他方案，采用并行方式可大幅减小数据传输时延；此外，并行方式也更适合作为将来更大规模的驱动电路间信号的同步传输；

驱动单元包括光交换芯片载板及多组驱动板；

光交换芯片载板又包括光交换集成芯片和多组驱动板插槽；光交换集成芯片对外提供不同的光开关单元的电极引线或焊盘，从而接入多路的光开关单元，并且同时又与驱动板插槽连接；在本实施例中，驱动板插槽可以是自定义接口或者标准接口，如PCIE接口，光交换芯片载板上留有足够多的驱动板插槽，为更大规模的驱动电路提供可升级性；

驱动板通过驱动板插槽连接光交换芯片载板，并通过驱动板插槽为驱动板提供电源，而每块驱动板又将控制的所有光开关单元分成若干组，每组的光开关单元的电极引线或焊盘与一个1×N的模拟开关的输出端连接，N为模拟开关的输出端口数量，这样便将驱动板产生的电压信号加载到光交换芯片的驱动电极上，进而控制光开关单元的状态；

在本实施例中，驱动板插槽和驱动板之间采用标准接口连接，从而可以兼容采用模拟开关驱动、采用PWM方式驱动等不同类型的驱动电路；驱动板插槽可以满足现有规模的光交换集成芯片所需的驱动电压信号数的需求，还能通过预留足够多的插槽的方式以适应将来更大规模的光交换集成芯片；驱动板插槽与光交换集成芯片的连接充分利用拓扑结构的对称性，以消除部分驱动板之间运行的路由算法的差异，实现驱动板与插槽可以任意连接。

总控FPGA接收二进制指令后，根据各个驱动板驱动的不同光开关单元对指令进行预处理，将指令分成若干部分，每部分只针对其中一个驱动板，然后将分好的指令通过FPGA的IO口或者串口分配器并行地分配给各个驱动板，保证各个驱动板能够动作一致。

根据拓扑结构的对称性、层级性等特点，将光开关单元分成若干组，每组对应一个1×N的模拟开关，N为模拟开关输出端口数量以及每组的光开关单元数量。FPGA根据拓扑结构运行相应的路由算法，路由算法会计算出模拟开关的控制信号，该控制信号会让模拟开关只选通其中一个输出，这样在FPGA的控制下，模拟开关通过电压信号的切换，保证了每组光开关单元在同一时刻只有其中一个光开关施加了电压。

根据光开关单元类型不同，分为热控电压和电控电压，热控电压精度要求小，但电压值大；电控电压精度要求高，但电压值小。模拟开关用于电路中模拟信号的切换，例如对于1×4的模拟开关，通过改变2位逻辑控制输入可以使得输入信号选择性地从4个输出的其中一个输出。

实例

在本实施例中，以基于开关选择(Switch-and-Select)拓扑结构的8×8光交换集成芯片为例来描述上述具体实施过程。

8×8的Switch-and-Select拓扑结构的光交换集成分别有8个输入端口和8个输出端口，如图2所示。在本实施例中，约定交换需求中输入端口是按照I1-I8的顺序排列，这样就可以省略输入端口的描述。例如，假设当前交换需求为[1,2,8,6,5,3,4,7]，实际上表示交换需求为I1-O1、I2-O2、I3-O7，I4-O6、I5-O5、I6-O3、I7-O4和I8-O8。对于上位机和串口来说，它们之间传输的是二进制数据，因此可以设定O1-O8对应的二进制数据为0001-1000，则串口接收的数据为[0001，0010，0100，…，0100，0111]，FPGA总控芯片从串口接收到数据后，将数据通过并行方式传输给各个驱动板。驱动板通过标准接口或自定义接口连接到芯片载板上，该接口用于给驱动板供电和将驱动板产生的电压信号加载到光交换芯片的驱动电极上，芯片载板上留有足够多的插槽，供将来更大规模的光交换芯片使用。

在本实施例中，光开关单元采用一路输入(或输出)3(a)、两路输出(或输入)3(b)形式的1×2光开关，当对光开关单元施加一定的电压时，光开关处于“开”状态(上光路通)；当不施加电压时，光开关处于“关”状态(下光路通)，两种状态的示意图如图3所示。

在本实施例中，每个输入或输出端口对应有7个光开关单元，将这些光开关分为三级，每级分别有1个、2个和4个光开关，这三级光开关分别连到驱动板上1×1、1×2和1×4模拟开关的输出端口。也就是，DA芯片和放大器产生的电压信号先输入到1×N模拟开关中，再经过模拟开关施加到光开关单元。

如图2所示，驱动板上的FPGA收到交换需求后，根据约定好的顺序从二进制数据中依次取四位，这样就得到8路输入-输出连接对。为了保证驱动板的一致性，各个驱动板的FPGA运行的路由算法一致，都是根据交换需求计算出所有的光开关单元的状态。对于一个驱动板来说，一般可控制多个光开关端口，因此只需要从计算结果中取得相应的光开关状态即可。

根据交换需求，与I1对应的1、2、4号光开关单元和O1对应的4、2、1号光开关单元状态处于“开”状态时，光信号可从I1输入依次经过这些光开关单元后从O1输出；I8的1、3、7号光开关单元和O8的7、3、1号光开关单元状态为“开”时，光信号可从I8输入依次经过这些开关后从O8输出，依次类推。其中，FPGA运行路由算法，计算出这些开关状态为“开”的光开关，同时控制DA芯片和放大器产生所需的电压信号。此外，FPGA还控制模拟开关让电压信号选择性输出。在本实施例中，输入I1端口对应的三个模拟开关的逻辑控制输入分别为“1”、“1”和“11”，电信号经过模拟开关施加到1号、2号和4号光开关单元上。

由于该拓扑结构的特点，其他开关单元(例如I1的3、5、6、和7号光开关单元)的状态并不重要，所以当下一刻路由变化时，仅需让输入-输出路径上相应的开关状态为“开”即可。例如，现在的交换需求为I1-O8和I8-O1，那么仅需让对应I1的3和7号、对应O8的4和2号、对应I8的2和4号以及对应O1的7和3号光开关单元状态为“开”。这个过程可以通过直接改变模拟开关的逻辑控制输入来实现，例如对于I1端口，改变后的模拟开关逻辑控制输入为“1”、“0”和“01”。通过使用模拟开关可以实现在任意交换需求下每一级都只有一个开关被施加电压，达到节能的目的。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种大规模光交换芯片驱动控制装置，其特征在于，包括：控制单元和驱动单元；

所述控制单元包括串口模块和FPGA总控芯片；

所述FPGA总控芯片接收串口模块传输过来的二进制形式的交换需求指令后，根据各个驱动板驱动的不同光开关单元，将指令分成若干子指令，每个子指令只针对其中一个驱动板，然后将所有子指令通过并行方式发送给驱动单元的驱动板；

所述的驱动单元包括光交换芯片载板及多组驱板；

所述驱动板通过驱动板插槽连接光交换芯片载板，并通过驱动板插槽为驱动板提供电源，而每块驱动板又将控制的所有光开关单元分成若干组，每组的光开关单元的电极引线或焊盘与一个1×N的模拟开关的输出端连接，N为模拟开关的输出端口数量，这样便可以将驱动板产生的电压信号加载到光交换芯片的驱动电极上，进而控制光开关单元的状态；

2.根据权利要求1所述的一种大规模光交换芯片驱动控制装置，其特征在于，所述光交换芯片载板上留有足够多的驱动板插槽，实现驱动控制装置的规模升级。