一种用于光放大器的基于fpga的温度控制装置和方法
【专利摘要】本发明提供一种用于光放大器的基于可编程逻辑器件（FPGA）的温度控制装置和方法，包括 ADC模数转换芯片、FPGA器件、H桥电路、低通滤波器、TEC电路、温度传感器、通信接口。其利用FPGA器件和TEC控制电路等，实现光放大器的恒定温度需求。ADC模数转换芯片采样温度传感器信号，得到实际温度值。FPGA器件实现控制算法，根据目标温度和实际温度的差值，输出相应的脉冲宽度调制信号（PWM波），H桥电路提高FPGA器件的负载能力，输出大电流，低通滤波器减缓PWM波的陡峭边沿，滤除PWM波有害的高频噪声。当目标温度高于实际温度，电流从TEC的正端流入，TEC处于加热状态，提升温度，反之则降低温度。同时，通过调节PWM波占空比，控制H桥电流大小，满足温度精度和调整时间要求。
【专利说明】
一种用于光放大器的基于FPGA的温度控制装置和方法
技术领域
[0001] 本发明属于光通信技术领域，特别涉及一种用于光放大器的基于FPGA的温度控制 装置和方法。
【背景技术】
[0002] TEC是一种利用半导体的热-电效应制取冷量的器件。当半导体连接不同的金属并 接通直流电，则一个接点处温度降低，另一个接点处温度升高。若电流方向相反，则温度变 化相反。将TEC集成到芯片或者模块内部，即可控制温度的变化
[0003] 光放大器是光通信网络中的关键模块之一，其中栗浦激光器和稀土掺杂光纤是光 放大器的核心器件，直接决定光放大器的光学特性。栗浦激光器在工作中会产生大量热量， 温度会急剧上升，输出波长会发生漂移，同时输出功率不稳定。稀土掺杂光纤工作温度不稳 定，直接影响光放大器的噪声、平坦度等，因此，温度控制是光放大器的基础控制模块。
[0004] 温度控制可从硬件及软件两个方面进行研究，不同的硬件和软件控制电路，影响 成本和效果。例如专利《一种用于光纤系统的基于单片机的TEC温度控制器》（专利号 201410465948.4)，采用单片机进行温度控制，软件运算容易受外部中断影响，环路控制时 间长且不确定，实现多路控制功能时，控制时间与路数成线性增长关系。专利《基于TEC的激 光器温度控制电路》（专利号201410479411.3)采用专用集成芯片MAX1978完成温度控制， MAX1978的驱动电流有限，PID控制采用运算放大器、电容和电阻等完成比例、积分、微分等 功能，模拟器件存在一致性问题且容易受噪声影响，实现多路控制需成倍地增加MAX1978芯 片，成本显著上升。
[0005] 本发明在传统采用专用芯片控制电路基础上，结合数字电路控制的优点，提出一 种用于光放大器的基于FPGA的温度控制装置和方法。
【发明内容】
[0006] 为了克服现有温度控制的一些缺陷，本发明提出了一种用于光放大器的基于FPGA 的温度控制装置和方法。
[0007] 本发明解决的是光放大器中实现恒定温度控制的问题，主要用于在环境或者模块 温度发生变化时，光放大器中栗浦激光器和稀土掺杂光纤处于恒定设定温度，延长器件工 作寿命，提高光放大器的光学性能，保证整个光通信系统的稳定可靠。
[0008] 为了实现上述目的，本发明提出了一种用于光放大器的温度控制装置，包括:ADC 模数转换芯片（104)、可编程逻辑器件FPGA(105)、H桥电路（106)、低通滤波器（107)、TEC电 路（108)、温度传感器（103);
[0009] 温度传感器置于控制目标之后，用于将温度信号转为电压信号，ADC模数转换芯片 (104)转化电压信号为数字量，输入到FPGA JPGA计算实际温度和目标温度的差值，并根据 精度要求产生不同方向和占空比的PWM波，以此控制TEC电路的电流大小和方向，实现数字 运算和算法控制。H桥电路用于提升FPGA的负载驱动能力，满足不同TEC电路的电流要求。低 通滤波器滤除噪声和抑制PffM的高频分量，减少对TEC电路的冲击，通过控制TEC电流大小和 流入方向，改变温度，从而使激光器和稀土掺杂光纤工作在恒定温度；
[0010]加热目标置于金属盒内，金属盒与温度传感器（103)相连，温度传感器（103)输出 模拟信号，与ADC模数转换芯片（104)相连，ADC模数转换芯片（104)输出数字信号到可编程 逻辑器件FPGA(105)，FPGA计算结果，输出控制信号到H桥电路（106)，H桥电路（106)与低通 滤波器（107)相连，低通滤波器（107)输出信号到TEC电路（108)，TEC电路（108)控制金属盒 的温度。
[0011] 还包括有通信接口，所述的通信接口用于可编程逻辑器件FPGA(105)与CPU或者计 算机相连，以设定控制参量，例如：目标温度参数、时钟频率、计算周期、控制系数、控制精 度。
[0012] 本发明还提出了一种用于光放大器的温度控制的全数字控制方法，它主要包括： 目标温度通过通信接口采用数字量设置，实际温度采用ADC芯片转换为数字信号发送给 FPGA，FPGA根据预存在参数表中的目标温度，计算误差Err n = Expect-Actualn，读取PID控制 器的系数，根据公式？10 = 口。。：￡^1'1'11+2；[。。￡吨1'1'11+(1。。：￡^六￡1'1'11计算？10结果，输出相应的1 3丽 信号；如果实际温度和目标温度相等，则误差Errn = 0，PID结果为恒定值，系统进入稳态，当 实际温度和目标温度不相等，误差值不为零，PID结果动态地发生变化，最终使温度趋向恒 定值;其中Expect代表期望温度，Actual n表示第η次采样的实际温度，pcxjf代表PID算法中p 参量系数，即线性系数；代表i参量系数，即积分系数，CUf代表d参量系数，即差分系数， Σ ic0f*Er;rn表示积分结果。
[0013] 上述温度控制的FPGA控制方法具体过程为:首先设定目标温度，FPGA接收ADC传过 来的实际温度数据，在第一个时钟周期计算出误差信号Er rn=EXpect-ACtualn，第二个时钟 周期计算出P分量等Pn = Pc〇f *Errn in = ic〇f *Errn Δ Errn = Errn-Errn-I，第三个时钟周期计 算出I、D分量In=I n-Win Dn = cUf* AErrn第四个时钟周期计算出PID数值PIDn = Pn+In+Dn，第 五个时钟周期根据PID数值输出PffM波，环路输出的时间周期为常量。
[0014] PID的运算为数字计算，PffM波为数字信号，上述运算处理过程采用纯数字方法，通 过数字量的计算控制温度变化，输出信号为PWM波的数字信号。
[0015] 本发明还包括通信接口和参数表，可根据实际温度曲线需求，动态的控制PID系数 大小、精度、以及计算结果的精度;根据TEC控制电路实际性能，计算时钟频率、通过动态地 调整PffM波控制时钟频率，提升PffM波占空比分辨率，提高温度控制精度。通过动态地调整运 算时钟频率，缩短数字控制环路时间，提升系统对温度变化的响应时间。通过调整各种参 量，满足温度控制的精度和时间要求。
[0016] 本发明还包括简单地在FPGA器件内部复制控制模块，利用FPGA器件同时对多路 TEC控制电路进行控制，实现多路TEC电路同时工作，环路控制时间和性能没有变化，所用外 部器件显著减少。
[0017] 本发明基于FPGA的温度控制装置及方法的优点在于：
[0018] 首先它能避免模拟控制方案中元器件不一致性带来的影响。即使同一模拟器件， 工作在不同环境下，参数性能也会发生变化，这对规模生产非常不利。本发明中基于数字控 制方案的装置，只需简单的校准就可达到一致性的要求。
[0019] 其次模拟方案的元器件一旦固定，电路性能也就固定。一旦发现性能不能满足要 求，只能通过更换元器件的方式，调试过程很繁琐复杂，周期长。本发明的数字控制方案可 动态的配置参数，满足不同性能和精度的要求。
[0020]另外纯软件的控制，计算周期长，而且时间不定，容易受硬件工作条件如中断影 响。本发明中基于FPGA的控制方法，时序严格，环路控制时间固定，充分利用FPGA器件的特 性，可同时进行多路控制，而不影响性能。
【附图说明】
[0021 ]图1是本发明一种于光放大器的基于FPGA的温度控制装置结构原理图；
[0022] 图2为图1中的TEC电路示意图；
[0023]图3为P丽波生成的流程图；
[0024]图4为参数存储示意图；
[0025] 其中，101 -第一路TEC控制电路，102-栗浦激光器或者稀土掺杂光纤，103-温度 传感器，104-ADC模数转换芯片，105-可编程逻辑器件FPGA，106 - H桥电路，107-低通滤 波器，108-TEC电路，109-第N路TEC控制电路。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本发明用于光放大器的基于FPGA的温度控制装置和方法作进一 步说明。
[0027]本发明实施例一如图1所示，一种用于光放大器的基于FPGA的温度控制装置包括： 加热目标如栗浦激光器或者稀土掺杂光纤102,温度传感器103、高精度ADC模数转换芯片 104、FPGA器件105、H桥电路106、低通滤波器107、TEC电路108;加热目标置于金属盒内，并与 温度传感器相连;温度传感器输出模拟信号，与ADC模数转换芯片相连;ADC输出数字信号到 FPGA;FPGA计算结果，输出控制信号到H桥;H桥与低通滤波器相连，低通滤波器输出信号到 TEC电路，TEC电路控制金属盒的温度。
[0028] 温度传感器103、高精度ADC模数转换芯片104、H桥电路106、低通滤波器107、TEC电 路108构成一路TEC控制电路，FPGA器件105共控制N个TEC控制电路。
[0029]本发明原理：图2作为图1中的TEC电路示意图，当电流从正端流入到负端时，A面发 热，B面制冷，如果电流相反，则效果也相反，控制电流大小和方向，即可调整温度。图1中 FPGA器件根据实际温度和目标温度，动态的调整PWM信号。H桥对PWM信号进行线性变化，增 大FPGA器件的电流驱动能力。低通滤波器滤除高频信号，减少对TEC电路的冲击。当目标温 度与实际温度差异很大，PWM信号占空比较大，H桥一直导通，TEC电流较大，温度快速上升或 者降低，当目标温度等于实际温度，P丽信号占空比恒定，TEC电流也恒定，系统处于稳定状 ??τ O
[0030]本发明控制装置控制流程(在FPGA中实现）如图3所示：实际温度的模拟信号经过 ADC模数转换芯片，转为数字信号DATAl 301，FPGA根据预存在参数表中的目标温度DATA2 302,计算Error = DATA2_DATAl 303,同时读取PID系数表，根据公式P = pc〇f*Error I= Σ ic〇f*Error 0 = (1?：ε*Ε;γ;γογ305，和公式PID = P+I+D306计算PID结果，并在高频时钟发生器 308作用下输出相应的PffM信号307,继而控制H桥309的电流大小和方向。如果实际温度和目 标温度相等，则误差Error = 0，PID结果为恒定值，系统进入稳态，当实际温度和目标温度不 相等，误差值不为零，PID结果会动态的变化，最终使温度趋一恒定值。
[0031] FPGA在第一个时钟周期计算出误差信号Error = DATA2-DATAl，第二个时钟周期计 算出PI分量和 AErrn等Pn = pc〇f*Errn in=ic〇f*Errn AErrn = Errn-Errn-1，第三个时钟周期 计算出I、D分量In=I n-Win Dn = cUf* AErrn第四个时钟周期计算出PID数值PIDn = Pn+In+ Dn，第五个时钟周期根据PID数值输出PffM波，整个环路控制时间恒定。如果改变运算时钟频 率，则会改变环路控制时间。调整PWM生成器的时钟频率，则改变PWM信号占空比的分辨率， 提升温度控制精度；其中in是第η次积分系数和误差的乘积，1"是累计值，在数值上 η 1,,= Σ i?或者采用另一种数学表示In=In-l+in。 m：=0·
[0032] 图4为参数存储示意图，CPU或者计算机401通过通信接口 402，往参数表403写入数 据404,数据会动态地更新高频时钟发生器405参数或者PID系数406。通过参数的改变，适应 不同的环路控制系统和温度要求。
【主权项】
1. 一种用于光放大器的基于FPGA的温度控制装置，其特征在于，包括:ADC模数转换芯 片（104)、可编程逻辑器件FPGA(105)、H桥电路（106)、低通滤波器（107)、TEC电路（108)、温 度传感器（103); 温度传感器（103)用于将温度信号转为电压信号，ADC模数转换芯片（104)将电压信号 转为数字量输入到可编程逻辑器件FPGA(105)，FPGA器件计算目标温度和实际温度的差值， 并根据精度要求输出相应的PWM波，实现数字运算和算法控制，Η桥电路（106)提升电流输出 能力，低通滤波器（107)滤除噪声，抑制PWM波高频信号，通过控制TEC电路（108)电流大小和 流入方向，改变温度； 加热目标置于金属盒内，金属盒与温度传感器（103)相连，温度传感器（103)输出模拟 信号，与ADC模数转换芯片（104)相连，ADC模数转换芯片（104)输出数字信号到可编程逻辑 器件FPGA(105)，FPGA计算结果，输出控制信号到Η桥电路（106)，Η桥电路（106)与低通滤波 器（107)相连，低通滤波器（107)输出信号到TEC电路（108)，TEC电路（108)控制金属盒的温 度。2. 根据权利1要求所述的一种用于光放大器的基于FPGA的温度控制装置，其特征在于： 还包括有通信接口，所述的通信接口用于可编程逻辑器件FPGA(105)与CPU或者计算机相 连，以设定控制参量。3. -种基于权利要求2所述装置的温度控制方法，其特征在于:实际温度的模拟信号经 过ADC模数转换芯片，转为数字信号，发送给FPGA，FPGA根据预存在参数表中的目标温度，计 算误差Err n = Expect-Actualn，读取PID控制器的系数，根据公式PID = pc。f*Errn+Σic。f* Errn+cUf* △ Errn计算PID结果，输出相应的PWM信号；如果实际温度和目标温度相等，则误差 Errn = 0，PID结果为恒定值，系统进入稳态，当实际温度和目标温度不相等，误差值不为零， PID结果动态地发生变化，最终使温度趋向恒定值;其中Expect代表期望温度，Actualn表示 第η次采样的实际温度，pd代表PID算法中p参量系数，即线性系数;代表i参量系数，即 积分系数，dcrf代表d参量系数，即差分系数，Σ icx)f*E;r;rn表不积分结果。4. 根据权利要求3所述的温度控制方法，其特征在于:运算处理过程采用纯数字方法， 通过数字量的计算控制温度变化，输出信号为PWM波的数字信号。5. 根据权利要求3所述的温度控制方法，其特征在于:根据实际温度曲线需求，动态地 调整PID系数的大小、精度以及计算结果的精度。6. 根据权利要求3所述的温度控制方法，其特征在于:根据TEC控制电路实际性能，通过 动态地调整PWM波生成时钟频率，提升PWM波占空比分辨率，提高温度控制精度。7. 根据权利要求3所述的温度控制方法，其特征在于:通过动态地调整运算时钟频率， 缩短数字控制环路时间，提升系统对温度变化的响应时间。8. 根据权利要求3所述的温度控制方法，其特征在于：利用FPGA器件同时对多路TEC控 制电路进行控制。
【文档编号】G05D23/20GK105843282SQ201610171024
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月23日
【发明人】于龙, 余春平
【申请人】武汉光迅科技股份有限公司