CN1996800A - 用于光纤放大器的控制装置 - Google Patents

Abstract

用于光纤放大器的控制装置，包括连接端口、报警电路、复位电路、微控制器、电可编程存储器、数/模转换器等，用于为电源电压提供转换的DC/DC转换电路，用于在线调试、仿真、编程的调试接口，用于不同模式之间进行转换的模式转换开关，用于对输入、输出信号、泵浦能量进行采集控制的模拟/数字转换器，上述各个功能模块分别与微控制器连接，由微控制器在微程序语言的控制下进行有机协调地控制处理：能够保存一些工作设定参数；可对工作环境进行实时检测；实现多种控制模式AGC/APC/ACC；对输出光功率或增益可进行达20dB的大范围调节控制；对输入光、输出光检测范围可达80dB；实现硬件闭环结合软件跟踪的双闭环控制，稳定性好，可靠性高；控制程序与参数区分离，具有IAP功能。

Description

用于光纤放大器的控制装置

技术领域

本发明涉及一种控制装置，尤其是，涉及一种用于光纤放大器的控制装置。

背景技术

光纤放大器是通讯产业发展的革命性产品，其广泛应用于光通信、光网络、有线电视以及国防等领域，是21世纪的新兴产业。光纤放大器包括掺杂光纤放大器、光纤非线性效应放大器等，它是光传输中的关键器件，其中掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier-EDFA)利用掺铒光纤对光信号直接进行放大，彻底根除了传统光电中继器中形成的电子“瓶颈”；因其具有增益高、噪声低、功率大、工作频带宽、偏振无关、信道串扰小、对传输码率与格式及系统升级透明等优良特性，是高速光纤传输网络中的理想光放大器，波分复用(WDM)传输技术因EDFA的支撑而成为当今实现高速率、大容量光纤通信最有效的手段。

同时，光纤放大器在光缆电视(CATV)、光纤传感、空间光通信、光雷达、光加工等技术领域有广泛应用。中国是世界上最大的光纤技术潜在市场，但由于国内光纤放大器的研发规模、产品规格与国外差距较大，远远不能满足国内光通信产业的需求，大部分产品由国外进口。

电路控制在整个EDFA的作用是：控制驱动泵浦激光器的功率，以达到所需要的放大增益，对输入光信号、输出光信号、各泵浦激光器性能量以及其他性能量进行采集上报给系统网管、对一些输入控制信号进行检测并进行相应的控制。但是目前的电路控制装置存在如下问题：

(1)电路控制模式单一，要么是自动功率控制APC(Auto Power Control)模式，产品应用于同步数字层次(SDH)传输系统，或者是自动增益控制AGC(AutoGain Control)模式，产品应用于WDM传输系统；输出光的光功率或总增益不能调节设置，产品通用性差，无法应用到智能传输网进行智能化控制；

(2)由于采用8bit CPU，处理能力差，运行时间长，对一些控制信号的响应比较慢；

(3)由于8bit CPU的资源比较少，如flash memory最多只有64KB，这是受到只有16根地址总线限制，片上SRAM更少，因此控制程序只能完成一些基本的功能；不能实现一些智能化的控制；

(4)对泵浦的驱动控制采用单纯的硬件模拟电路实现，一旦电路参数有变化或光器件性能有变化，那么总增益或总输出光功率就会有变化，无法实现自动纠正功能；

(5)生产调试比较复杂，生产调试过程中，需多次反复将CPU取出放在烧录器上进行编程等操作；而且一旦装配完成，发现问题调试，需打开EDFA模块重复原来的调试步骤，严重影响批量生产的产能，不能满足规模化生产的要求；

(6)对输入/输出光信号检测采用单级线性放大，检测范围小，检测精度在小信号时很低；这是由于线性放大检测电路需要进行对数运算而带来的系统固有的在小信号时检测精度很低。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供一种用于光纤放大器全新的控制装置，包括连接端口、报警电路、复位电路、微控制器、模/数转换器等，其中还包括用于为电源电压提供转换的DC/DC转换器、用于在线调试、仿真、编程的调试接口、用于不同模式之间进行转换的模式转换开关、用于对输入、输出信号，泵浦能量进行采集控制的模拟/数字转换器，上述各个模块分别与微控制器连接，由微控制器进行控制处理。

本发明用于光纤放大器的控制装置，首次采用高档精简指令集计算机32bitRISC，对激光器泵浦进行智能化控制。

本发明用于光纤放大器的控制装置，其中还包括温度传感器，用于对工作环境进行实时检测。

本发明用于光纤放大器的控制装置，其中还包括电可擦除只读存储器(EEPROM)，用于确保产品在重新上电后可以从其读出上次操作的设置。

本发明用于光纤放大器的控制装置，其中电路控制模式包括自动功率控制模式、自动增益控制模式和自动电流控制模式。

本发明用于光纤放大器的控制装置，其中模拟/数字转换器对输入/输出光信号采用对数放大器，检测动态范围达80dB。

本发明用于光纤放大器的控制装置，其中还有在已有硬件PID控制闭环的基础上，充分利用32bit RISC高速运算处理能力，增加软件闭环控制，达到硬件闭环控制外加软件跟踪的双闭环控制，具有自适应控制能力；

本发明用于光纤放大器的控制装置，实现了将控制程序与每台产品各自的参数分离，同一型号产品的Firmware都是相同的，方便控制程序的功能更新升级。

本发明能够实现多种模式的转换，增加了处理速度可以实现一些复杂的功能，稳定性好，可靠性高。可以在线调试、仿真、编程，无须将CPU拔下在专用编程器上进行编写程序，极大的方便了调试、开发。

附图说明

图1是本发明用于光纤放大器的控制装置的电路框图。

图2是现有光纤放大器控制装置的电路框图。

图3是本发明用于光纤放大器的控制装置的双闭环控制功能框图。

图4是本发明用于光纤放大器的控制装置的程序存储器功能划分图。

具体实施方式

图示优选实施例不打算穷举或者限制本发明到所公开的精确形式。选择并描述他们是为了最好的解释本发明的原理及其应用和实现，因此本领域的技术人员能够很好的利用本发明。

图1所示是本发明用于光纤放大器的控制装置的电路框图。下面就图1中所标各功能电路详细加以说明：

图1中的1为微控制处理器(MCU)：采用Philips公司的LPC2106，为ARM7内核，是本设计的核心控制部件，采用32bit RISC，处理运算能力强，几乎可以达到60MIPS，比原来的8Bit CPU的控制系统快30倍，整个系统运行时间大大缩短，对一些控制信号的响应非常快；实时性强；利用LPC2106开发出产品样机，较以前产品实现许多复杂功能、运算，用示波器实际测试整个程序运行时间＜4ms；而以前的产品采用8bit CPU(AT89C52)，只能完成一些基本功能，整个程序运行时间就长达30多ms；32Bit CPU片上资源丰富，片上集成16KSRAM，128K Flash memory以及多种功能部件，如SPI总线，IIC总线、PLL(锁相环)、PWM，控制应用灵活，可以实现许多复杂的控制功能，以满足多种控制模式的要求，达到全智能化的控制；如果片上资源满足要求，可以真正实现单片SOC(System On Chip)，实现较高的性价比；同时32Bit采用微计算机模式，统一编址，其寻址能力可达4G空间，因此作为嵌入式控制应用，可以认为突破了原来的8bit CPU寻址空间限制，可以做非常复杂的控制、运算。32Bit CPU性能资源丰富，片上有128K flash memory，16K SRAM；在片上内置了一段ISP(InSystem Program)功能的程序，具有IAP(In Application。Program)/ISP(In SystemProgram)功能，可以轻松方便地将memory划分成boot区、控制程序区、产品参数区，只需在裸片时首次采用芯片厂商提供ISP功能将Boot程序烧写完成，由于片上资源丰富，可以将产品程序分成同一类型产品通用控制应用程序、各个产品固有的独特的参数单独分成参数区、可以利用自己开发的在boot区中的独特IAP功能分别升级更新控制程序区和产品参数区，整个产品在生产调试过程中，都无须使用专用编程器，无须插拔芯片、调试、生产简单，可操作性强，适合批量生产；同时由于不须更换芯片，可以不用专用的IC插座、CPU直接贴片焊接在PCB上，节约PCB空间、提高整个产品的可靠性；

图1中2为复位电路(Reset Circuit)：，确保在电源上电后，CPU可靠复位、启动，确保系统正常运行；

图1中3为DC/DC转换电路：供给产品的电源电压为+5V，而LPC2106的电源电压为3.3V，其内核电压为1.8V，因此须采用LDO(Low Drop Out)器件进行DC/DC转换，产生系统控制所需的电压；

图1中4为电可编程存储器(EEPROM)：采用SPI总线的X5045，保存产品的一些设置量等，为非挥发性的，确保产品在重新上电后可以从其读出上次操作的设置，产品正常工作；

图1中5为温度传感器(Temp Sensor)：采用ADI公司的AD7814全数字温度传感器，对产品工作环境进行实时检测，并进行相应的处理

图1中6为JTAG调试口(JTAG Debug Port)：LPC2106提供标准的JTAG调试接口，可以通过此接口进行在线调试、仿真、在线编程等，无须将CPU拔下在专用编程器上进行编写程序，极大的方便了调试、开发。省去CPU插座，提高产品可靠性、稳定性；提高生产效率。

图1中7为模式转换开关(Switch)：为模拟开关，在CPU的控制下，实现APC/AGC/ACC模式的切换控制；其中具有APC(自动功率控制Auto PowerControl)模式、AGC(自动增益控制Auto Gain Control)模式，以及ACC(自动电流控制Auto Current Control)模式，可以配置应用到SDH传输系统或WDM传输系统，以及应用ACC模式进行生产调试，输出光功率或总增益调节范围达20dB，且控制精度高，因此通用性强，可以应用到多种系统的多种配置。

图1中8为对数放大器：对输入/输出光信号采用对数放大器，检测动态范围达80dB，在全检测范围内，检测精度都是比较小的、且无论在大信号还是小信号都是一致的，克服了原来线性放大检测电路由于进行对数运算而带来的系统固有的在小信号时检测精度很低；

图1中9为模拟/数字转换器(12Bit ADC)：为SPI总线的12Bit ADC(Analogto Digital Convert)，对输入、输出信号、泵浦各性能量、以及其他须监控的性能量进行采集，并由CPU进行相应的处理；

图1中10为数字/模拟转换器(12/16Bit DAC)：为SPI总线的12/16Bit DAC(Digital to Analog Convert)，分别在APC/AGC/ACC模式下，进行输出光功率设定/总增益设定/泵浦驱动电流设定，在CPU的控制下给PID控制内环相应的给定量，实现所需要的控制功能。

图1中11为连接器，便于在光传输系统中安装，包含一些输入控制信号及告警输出信号等；

对比附图1、2所示的电路功能框图，可以明显地知道图2所示现有光纤放大器控制装置，仅能实现一些简单的监测功能；而本发明图1所示的控制装置能够实现许多复杂的控制功能：各性能量的采集检测、模块温度的监控、工作设定参数的保存、可以实现多种控制模式(APC/AGC/ACC)适用多种应用范围、增益/功率可以大范围可调、输入/输出检测动态范围宽、实现软硬件双闭环等等新功能；本发明可以极大地提升产品的技术含量，缩小与国外同类产品的技术差距，开拓进军国际市场；

图3所示为本发明APC(Auto Power Control)模式下控制结构框图；将MCU的控制输出端依次与输出光数/模转换输出设定、输出光PIN检测、控制环、泵浦驱动及放大器、输出光相连，输出光PIN管检测输出光，其输出端分别与数/模转换器和模/数转换器、MCU连接，构成数字软件PIN控制外环。从图1中可以看出，本发明新增加了12bit数模转换器，充分发挥32Bit CPU的高速运算、处理能力，在原有硬件PID闭环控制的情况下，对输入、输出信号进行实时采样检测，一旦电路参数有变化或光路器件性能有变化，可以随时调节输出光数/模转换输出设定的输出信号，使输出光功率或总增益保持不变；也就是说，原来的PID控制环作为内环，辅以32Bit CPU高性能的检测采样、DAC给定调节和输出光PIN检测、MCU运算处理作为外环，进行双重闭环控制、实现自动纠正功能，确保产品在设计寿命内，不随器件性能参数变化而变化，具有很好的可靠性、稳定性；本发明所采用的双重闭环控制较原来的纯硬件闭环控制结构，具有明显的技术优势；

图4所示为本发明的程序存储器功能分割图。由于光纤放大器所用的光器件离散性较大，不同产品的标定参数差异较大。现有的控制装置由于受限与8bitCPU寻址空间的限制，将各自的标定参数等在源程序中定义成一些宏，一起编译生成编程代码；因此每台产品的编程代码都不相同，一旦产品须增加功能，就得每台重新进行编译生成编程代码；没有IAP(In Application Program)功能，须打开盖子取出CPU重新编程。这种结构模式影响生产效率、对控制程序的过程控制较难管理；本发明针对上述缺陷，充分利用32bit CPU的强大资源，对片上128Kflash memory进行功能上划分：0000～1FFH空间为boot区，2000H～1BFFH空间为应用控制程序(Firmware)区，1C000～1FFFH空间为每台产品的各自的标定参数区；由于将每台产品的各自的标定参数分离独立出来，因此同一型号的产品的应用控制程序(Firmware)都是相同的；如果产品功能升级，只需更新应用控制程序区，标定参数区保留不变；同时增加BOOT区空间，一旦须对应用控制程序区/参数区进行更新，程序跳回到BOOT区，对应用控制程序区/参数区进行擦除、编写工作，实现IAP(In Application Program)功能，无须取出CPU使用通用编程器进行编程，提高产品可靠性，提高生产效率，便于产品质量过程控制；本发明中的将参数、控制程序分离及IAP功能是对原有的程序结构有突破性的改进。

Claims (8)

1、一种用于光纤放大器的控制装置，包括连接端口、报警电路、复位电路、微控制器、模拟/数字转换器，其中还包括用于为电源电压提供转换的DC/DC转换器、用于在线调试、仿真、编程的调试接口、用于不同电路控制模式之间进行转换的模式转换开关、用于对输入、输出信号，泵浦能量进行采集控制的模拟/数字转换器，上述各个模块分别与微控制器连接，由微控制器进行控制处理。

2、根据权利要求1所述的用于光纤放大器的控制装置，其特征在于还包括温度传感器，用于对工作环境进行实时检测。

3、根据权利要求1或2所述的本发明用于光纤放大器的控制装置，其特征在于还包括电可擦除只读存储器，用于确保产品在重新上电后可以从其读出上次操作的设置。

4、根据权利要求1所述的用于光纤放大器的控制装置，其特征在于电路控制模式包括自动功率控制模式、自动增益控制模式和自动电流控制模式。

5、根据权利要求4所述的用于光纤放大器的控制装置，其特征在于模拟/数字转换器对输入/输出光信号采用对数放大器，检测动态范围达80dB。

6、根据权利要求5所述的用于光纤放大器的控制装置，其特征在于对输出光功率或增益具有大范围可调功能。

7、根据权利要求6所述的用于光纤放大器的控制装置，其特征在于将MCU的控制输出端依次与输出光数/模转换输出设定、输出光PIN检测、控制环、泵浦驱动及放大器、输出光相连，输出光PIN管检测输出光，其输出端分别与PID控制环负反馈输入和模/数转换器、MCU连接，构成硬件PIN控制外环，对输出光功率控制或增益控制具有硬件闭环作为内环，外加以由CPU、DAC、ADC构成的软件跟踪作为控制外环，构成双重闭环控制。

8、根据权利要求7所述的用于光纤放大器的控制装置，其特征在于将应用控制程序与参数区分离，具有IAP(In Application Program)功能。

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