CN117109776A - 一种新的光模块单点温度校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光通信技术领域，具体地说，涉及一种新的光模块单点温度校准方法；基于T2=SLOPE*ADC+OFFSET的芯片校准方法进行改进，根据芯片的温度计算公式结合光模块的布局和温度线性变化特性计算出散热片温度T1、芯片外壳温度T2，得到芯片外壳温度T2与芯片温度T0的线性关系，将温度校准系数的值固定，根据0阶项温度点的补偿值，实现光模块的单点校准，在保证校准精确度的同时，也大大提高了生产效率，本发明不改变温度，利用单点温度进行光模块温度校准，大大节约了调试成本。

Description

一种新的光模块单点温度校准方法
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，具体地说，涉及一种新的光模块单点温度校准方法。
背景技术
对于光模块来说，需要探测并上报的温度是模块外壳最热点的温度，而出于成本和结构考虑不会在外壳最热点放置温度传感器，通常是借用模块内部单片机或者其他芯片的提供的温度ADC来上报温度。原理大致如下：芯片提供从片内带隙基准电压源输出并与绝对温度成正比的电压，通过电路连接到模拟输入通道，这样就很方便地形成一个内部温度传感器用于测量芯片温度，芯片外壳温度T2和芯片的ADC依然是成一个一次线性函数的关系，可以写成：
T2=SLOPE*ADC+OFFSET
SLOPE和OFFSET是整个系统决定的2个固定系数，所以可以通过测量不同T2温度下的对应芯片的温度ADC来拟合得到可以确定温度的两个参数SLOPE和OFFSET。对测试调试效率要求不高的生产过程中，基本上都可以采用此种校准方法。但是，在实际的光模块生产中，由于生产的量非常大，全部都要在高低温的测试调试比较麻烦，为了提高效率，我们并不希望在不同的温度情况下去调试光模块并校准温度，而是用一个单点来确定温度的校准系数。因为T0是芯片的参考温度可以直接计算得到的，所以有一些厂商会使用0阶的温度校准公式：T2=T0+b0，只需要测试一个当前芯片外壳温度T2，读取芯片温度T0，就可以把b0校准出来。因为光模块的温度显示精度范围是±5℃，实际光模块协议是±3℃，因为±3℃很难做到，最后都放宽为±5℃，所以行业内有不少厂商使用公式T2=T0+b0进行温度校准即使有一些误差也可以使用。根据上面理论模型推导发现，所以从理论上发现直接使用T2=T0+b0进行校准肯定会导致不同温度下会有误差。
发明内容
本发明针对现有技术中直接使用T2=T0+b0进行校准导致不同温度下出现误差的问题，提出一种新的光模块单点温度校准方法，基于采用T2=SLOPE*ADC+OFFSET的芯片校准方法进行改进，根据芯片的温度计算公式结合光模块的布局和温度线性变化特性计算出散热片温度T1、芯片外壳温度T2，得到芯片外壳温度T2与芯片温度T0的线性关系，将温度校准系数的值固定，根据0阶项温度点的补偿值，实现光模块的单点校准，在保证校准精确度的同时，也大大提高了生产效率。
一种新的光模块单点温度校准方法，根据芯片的温度计算公式，结合光模块的布局和温度线性变化特性，得到芯片外壳温度T2与芯片温度T0的线性关系，固定所述线性关系中温度校准系数的值，根据0阶项温度点的补偿值进行一次单点校准。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述线性关系具体为：
T2=k2*k1*T0+k2*b1+b2
其中，T0为芯片温度，T2为芯片外壳温度，k1为散热片的温度校准系数，k2为芯片外壳的温度校准系数，b1为散热片的温度补偿值，b2为芯片外壳的温度补偿值。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述单点温度校准方法具体包括以下步骤：
步骤1：获取不同温度点下的芯片ADC值，根据获取的芯片ADC值结合芯片计算公式T0=（VADC-VTREF）*K+TREF，计算出芯片温度T0；
其中，T0为芯片温度，TREF为参考温度，VADC为测量到的芯片ADC值，VTREF是与参考温度TREF对应的参考电压，K为温度传感器模式下ADC的增益；
步骤2：根据计算出的芯片温度T0，结合光模块布局和温度线性变化特性，得到散热片温度T1、芯片外壳温度T2；
步骤3：根据计算出的芯片温度T0、散热片温度T1、芯片外壳温度T2，得到芯片外壳温度T2与芯片温度T0的线性关系；
步骤4：根据得到的线性关系，将芯片温度T0与芯片外壳温度T2进行拟合，得到温度系数；
步骤5：将温度系数的值固定，计算出0阶项温度点的温度补偿值；
步骤6：测量当前的芯片外壳温度T2下的芯片温度T0的ADC值，根据温度系数和补偿值得到校准后的芯片外壳温度T2。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤4具体包括以下步骤：
步骤41：获取当前的芯片外壳温度T2，根据得到的线性关系，将芯片温度T0与芯片外壳温度T2的进行一次拟合得到温度系数k2*k1的值；
步骤42：获取多组当前型号光模块的实际的芯片外壳温度T2，计算出所有拟合得到的温度系数k2*k1的平均值。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述散热片的温度校准系数k1、芯片外壳的温度校准系数k2、散热片的温度补偿值b1、芯片外壳的温度补偿值b2由系统设定。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤1中选取的温度点为0℃、25℃、70℃。
本发明具有以下有益效果：
（1）本发明对基于现行的温度校准的经验公式Temp=SLOPE*ADC+OFFSET，需要两个温度点进行温度校准的方式进行改进，提出一种按照公式T2=k2*k1*T0+k2*b1+b2进行校准的方法，把k2*k1的值进行固定，然后对0阶项进行一个单点校准即可，和行业现行的方法相比，进行单点温度校准的精确度非常高。
（2）本发明不需要改变温度进行调试，大大节约了调试成本，在解决精度问题的同时大大提高了生产效率。
附图说明
图1为光模块结构示意框图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
本实施例提出一种新的光模块单点温度校准方法，对现有的采用公式T2=SLOPE*ADC+OFFSET的芯片校准方法进行改进，根据芯片的温度计算公式，结合光模块的布局和温度线性变化特性，得到芯片外壳温度T2与芯片温度T0的线性关系，固定所述线性关系中温度校准系数的值，根据0阶项温度点的补偿值进行一次单点校准。
所述线性关系具体为：
T2=k2*k1*T0+k2*b1+b2
其中，T0为芯片温度，T2为芯片外壳温度，k1为散热片的温度校准系数，k2为芯片外壳的温度校准系数，b1为散热片的温度补偿值，b2为芯片外壳的温度补偿值。
所述散热片的温度校准系数k1、芯片外壳的温度校准系数k2、散热片的温度补偿值b1、芯片外壳的温度补偿值b2由系统设定。
工作原理：本实施例对基于现行的温度校准的经验公式Temp=SLOPE*ADC+OFFSET，需要两个温度点进行温度校准的方式进行改进，提出一种按照公式T2=k2*k1*T0+k2*b1+b2进行校准的方法，把k2*k1的值进行固定，然后对0阶项进行一个单点校准即可，和行业现行的方法相比，进行单点温度校准的精确度非常高。
实施例2：
本实施例在上述实施例1的基础上，对单点温度校准方法以步骤的形式进行说明。
具体包括以下步骤：
步骤1：获取不同温度点下的芯片ADC值，根据获取的芯片ADC值结合芯片计算公式T0=（VADC-VTREF）*K+TREF，计算出芯片温度T0；
其中，T0为芯片温度，TREF为参考温度，VADC为测量到的芯片ADC值，VTREF是与参考温度TREF对应的参考电压，K为温度传感器模式下ADC的增益；
步骤2：根据计算出的芯片温度T0，结合光模块布局和温度线性变化特性，得到散热片温度T1、芯片外壳温度T2；
步骤3：根据计算出的芯片温度T0、散热片温度T1、芯片外壳温度T2，得到芯片外壳温度T2与芯片温度T0的线性关系；
步骤4：根据得到的线性关系，将芯片温度T0与芯片外壳温度T2进行拟合，得到温度系数；
所述步骤4具有包括以下步骤：
步骤41：获取当前的芯片外壳温度T2，根据得到的线性关系，将芯片温度T0与芯片外壳温度T2的进行一次拟合得到温度系数k2*k1的值；
步骤42：获取多组当前型号光模块的实际的芯片外壳温度T2，计算出所有拟合得到的温度系数k2*k1的平均值。
步骤5：将温度系数的值固定，计算出0阶项温度点的温度补偿值；
步骤6：测量当前的芯片外壳温度T2下的芯片温度T0的ADC值，根据温度系数和补偿值得到校准后的芯片外壳温度T2。
本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。
实施例3：
本实施例在上述实施例1-2任一项的基础上，以一个具体的实施例进行说明。
本实施例提出一种新的光模块温度校准方法，和行业现行的方法相比，大大节省了生产时间并且提高了温度精度。对于光模块来说，需要探测并上报的温度是模块外壳最热点的温度，而出于成本和结构考虑不会在外壳最热点放置温度传感器，通常是借用模块内部单片机或者其他芯片的提供的温度ADC来上报温度。原理大致如下：芯片提供从片内带隙基准电压源输出并与绝对温度成正比的电压，通过电路连接到模拟输入通道，这样就很方便地形成一个内部温度传感器用于测量芯片温度。
计算芯片的温度公式一般为：
T0-TREF=（VADC-VTREF）*K；
其中T为温度结果，TREF为参考温度，一般取25℃，VADC是测量到的ADC值，VTREF是对应TREF时的参考电压例如：ADUC7023为1369mV，K为温度传感器模式下ADC的增益，具体由芯片本身决定例如：ADUC7023为0.2262℃/mV，例如ADUC7023芯片的温度的公式为T=(VADC-1369)*0.2262+25℃。因此，芯片的温度表达式基本上都可以写成T=k*ADC+b。根据傅立叶定律Q/t=k*（T1-T2）/L*s，结合比热容公式Q=c*m*t，可知，整体系统温度动态平衡后，系统各点温度不随时间变化，由于长度是线性变化的，所以介质材料上各点的温度变化也是线性的，温度变化的快慢则取决于对应的导热系数。
简易的光模块的局部温度模型如图1所示，芯片表层和散热片接触的地方温度为T0，散热片和外壳接触的地方外层温度为T1，芯片外壳温度为T2。
据芯片的温度表达式有：
T0=k*ADC+b，其中k和b均是芯片本身的固定系数；
再根据温度的线性变化有：
T1=k1*T0+b1，其中k1和b1由系统决定的固定参数；
T2=k2*T1+b2，其中k2和b2由系统决定的固定参数；
带入得：
T2=(k2*k1*k)*ADC+(k2*k1*b+k2*b1+b2)
由于同一型号光模块结构一样，所以对应的系数基本上可以固定，可以测试几组求一个平均值然后确定下来，然后在各个模块的单温度点对其对应的k2*b1+b2进行校准即可。这样就既满足了单点校准的简洁方法，也提高了温度校准的准确性。
具体实现方法如下：
分别测试温度稳定情况下模块外壳温度为0℃、25℃、70℃时对应的温度ADC，按照芯片的公式计算出对应的芯片温度。然后对芯片温度和外壳实际温度进行一次线性拟合，得到外壳温度和芯片温度之间的一次系数k2*k1的值，记录下来。可以测试5个模块的一次系数，然后求出系数k2*k1的平均值。以此值为同种模块的一次温度系数即k2*k1，在后续的同类模块温度校准时，直接调用此系数，然后进行单点校准，读取当前温度ADC值，计算出对应芯片温度，带入到公式T2=k2*k1*T0+k2*b1+b2中，即可求出0阶项k2*b1+b2的大小。
例如：
测试100G CLR4模块三温，外壳温度分别为0℃、25℃、70℃时的温度ADC，根据ADUC7023芯片的温度公式计算芯片温度得到：
T=(VADC-1369)*0.2262+25℃
计算出芯片温度与芯片外壳温度和温度ADC值的对应关系如表1所示：
表1 芯片温度与芯片外壳温度和温度ADC值的对应关系
温度ADC 芯片温度/℃ 外壳温度/℃
1628 83.6 70
1409 34.05 25
1285 6.0 0
拟合得到一次系数k2*k1为0.9027；
依次测试多几只次型号模块，并拟合得到一次系数k2*k1分别为0.9054,0.8997,0.9025,0.8935,0.9101,0.9033,0.8957,0.8988,0.9109。计算综合平均值得到k2*k1为0.90226。得到k2*k1的系数后，后面的正常生产中便可以直接使用此系数为标准的k2*k1值，校准温度的时候只需要对常数项进行校准即可。
具体实现方法如下：在生产过程中，测试外壳温度为25℃，温度ADC为1409对应芯片温度为34.05℃，代入T2=k2*k1*T0+k2*b1+b2有：
k2* b1+b2=25-34.05*0.90226=-5.72，
即可得到芯片外壳的温度的校准公式为：
T2=0.90226*T0-5.72
代入芯片温度ADC后校准的外壳温度公式便可以写成
T2=0.90226*[(VADC-1369)*0.2262+25℃]-5.72=0.20409*VADC-262.564
得到校准公式后，再测量不同外壳温度下的温度ADC和校准显示温度如下：
T2=0.90226*[(VADC-1369)*0.2262+25℃]-4.84=0.20409*VADC-262.564
计算出的温度ADC值与芯片校准温度、芯片外壳温度误差值的对应关系如表2所示：
表2 温度ADC值与芯片校准温度、芯片外壳温度误差值的对应关系
温度ADC 校准显示温度/℃ 外壳温度/℃ 误差/℃
1628 69.695 70 -0.305
1580 59.898 60 -0.102
1531 49.898 50 -0.102
1482 39.897 40 -0.103
1433 29.897 30 -0.103
1384 19.897 20 -0.103
1335 9.896 10 -0.104
1286 -0.104 0 -0.104
测试样品模块外壳温度为25℃，温度ADC为1405，得到温度校准公式为：
T2=0.90226*[(VADC-1369)*0.2262+25℃]-4.84=0.20409*VADC-261.68
计算出的温度ADC值与芯片校准温度、芯片外壳温度误差值的对应关系如表3所示：
表3 温度ADC值与芯片校准温度、芯片外壳温度误差值的对应关系
温度ADC 校准显示温度/℃ 外壳温度/℃ 误差/℃
1627 70.374 70 0.374
1578 60.374 60 0.374
1528 50.169 50 0.169
1479 40.169 40 0.169
1429 29.965 30 -0.035
1380 19.964 20 -0.036
1330 9.760 10 -0.24
1280 -0.448 0 -0.448
从结果来看，使用固定一阶系数的方法进行单点温度校准的精确度非常高，基本上可以做到0.5℃以内，即解决了精度问题也大大提高了生产效率。
本实施例的其他部分与上述实施例1-2任一项相同，故不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种新的光模块单点温度校准方法，其特征在于，获取不同温度点下芯片的数字电压信号，根据0阶项温度点的补偿值进行一次单点校准，得到校准后的芯片外壳温度T2。
2.如权利要求1所述的一种新的光模块单点温度校准方法，其特征在于，所述单点温度校准方法具体包括以下步骤：
步骤1：获取不同温度点下的芯片ADC值，根据获取的芯片ADC值结合芯片计算公式T0=（VADC-VTREF）*K+TREF，计算出芯片温度T0；
其中，T0为芯片温度，TREF为参考温度，VADC为测量到的芯片ADC值，VTREF是与参考温度TREF对应的参考电压，K为温度传感器模式下ADC的增益；
步骤2：根据计算出的芯片温度T0，结合光模块布局和温度线性变化特性，得到散热片温度T1、芯片外壳温度T2；
步骤3：根据计算出的芯片温度T0、散热片温度T1、芯片外壳温度T2，得到芯片外壳温度T2与芯片温度T0的线性关系；
步骤4：根据得到的线性关系，将芯片温度T0与芯片外壳温度T2进行拟合，得到温度系数；
步骤5：将温度系数的值固定，计算出0阶项温度点的温度补偿值；
步骤6：测量当前的芯片外壳温度T2下的芯片温度T0的ADC值，根据温度系数和补偿值得到校准后的芯片外壳温度T2。
3.如权利要求2所述的一种新的光模块单点温度校准方法，其特征在于，所述线性关系具体为：
T2=k2*k1*T0+k2*b1+b2；
其中，k2*k1为温度系数，k2*b1+b2为温度补偿值，T0为芯片温度，T2为芯片外壳温度，k1为散热片的温度校准系数，k2为芯片外壳的温度校准系数，b1为散热片的温度补偿值，b2为芯片外壳的温度补偿值。
4.如权利要求3所述的一种新的光模块单点温度校准方法，其特征在于，所述步骤4具体包括以下步骤：
步骤41：获取当前的芯片外壳温度T2，根据得到的线性关系，将芯片温度T0与芯片外壳温度T2的进行一次拟合得到温度系数k2*k1的值；
步骤42：获取多组当前型号光模块的实际的芯片外壳温度T2，计算出所有拟合得到的温度系数k2*k1的平均值。
5.如权利要求2所述的一种新的光模块单点温度校准方法，其特征在于，所述散热片的温度校准系数k1、芯片外壳的温度校准系数k2、散热片的温度补偿值b1、芯片外壳的温度补偿值b2由系统设定。
6.如权利要求2所述的一种新的光模块单点温度校准方法，其特征在于，所述步骤1中选取的温度点为0℃、25℃、70℃。
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