基于改進(jìn)的PID算法的光模塊設(shè)計和實現(xiàn)

余子敬 肖程望 吳健學(xué)

摘 要：討論了基于100G可調(diào)諧激光器光模塊的設(shè)計與實現(xiàn)，簡單介紹了MCU中各個模塊功能。主要的技術(shù)涉及TEC控制、波長鎖定、波長調(diào)諧和功率補(bǔ)償?shù)取Ｍㄟ^分析傳統(tǒng)的位置式PID算法，改良PID算法并使用該算法實現(xiàn)波長鎖定，這樣可以防止在系統(tǒng)調(diào)整過程中，因調(diào)整量過沖而發(fā)生的波長漂移甚至失鎖。

關(guān)鍵詞：PID;波長鎖定;可調(diào)諧激光器;TEC

中圖分類號：TN248

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，擴(kuò)大速率通信網(wǎng)絡(luò)傳輸容量的增大光纖通信已經(jīng)成為了現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)的主要傳輸途徑。在現(xiàn)代光通信網(wǎng)絡(luò)中，WAN（廣域網(wǎng)）、LAN（局域網(wǎng)）和MAN（城域網(wǎng)）的發(fā)展都伴隨著越來越多種類的以光收發(fā)模塊為核心的光電子設(shè)備、越來越高的要求和復(fù)雜性、越來越多樣性的光模塊，現(xiàn)代的光模塊的發(fā)展趨勢主要有高速率、小型化、低成本、低功耗、遠(yuǎn)距離、熱插拔等多個方面。本文詳細(xì)介紹了100G可調(diào)諧光模塊的軟件框架和主要控制算法。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

本模塊如圖1所示，采取可調(diào)諧的激光器作為光源，該光源通過電流和溫度共同控制系統(tǒng)波長。通過Finger供給供電回路、實現(xiàn)模塊熱插拔功能、為模塊高低速的信號提供連接[1]，通過MCU控制芯片與TX CDR、RX CDR和一個control芯片進(jìn)行信息交互，控制光模塊的電壓、電流、功率、系統(tǒng)波長等等，從而實現(xiàn)模塊在C溫度（-5℃～70℃）下，進(jìn)行多波長、遠(yuǎn)距離、高速率的信號傳輸。

1.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

由于沒有操作系統(tǒng)，采用一個無限循環(huán)方式的軟件架構(gòu)。

1.3

MCU內(nèi)部的外設(shè)驅(qū)動及其功能

微控制單元（MCU），又稱單片微型計算機(jī)或者單片機(jī)，是把中央處理器（CPU）的頻率與規(guī)格做適當(dāng)縮減，并將內(nèi)存（memory）、計數(shù)器（Timer）、A/D轉(zhuǎn)換、I2C、DMA等周邊接口都整合在單一芯片上，形成芯片級的計算機(jī)[2]。光模塊的MCU的功能如表1：

2 模塊中部分算法的設(shè)計和實現(xiàn)

本章主要講述MCU中的監(jiān)控模塊和TEC控制模塊中的主要算法。

2.1 監(jiān)控（Monitor）功能

該功能實現(xiàn)對光模塊中各個監(jiān)控量的原始值、DDM值進(jìn)行采樣和平均等處理，保證MCU監(jiān)測和控制各個模塊，如圖2所示。在監(jiān)控模塊中，我們引入一些算法，使得到的值更加精確。

2.1.1 采樣值的平均

2.1.2 模塊溫度的計算

假設(shè)T為模塊連續(xù)兩次ADC采樣的均值，則模塊溫度的計算公式為Temp=（T* （25+273.15）/（2292+TREF） - 273.15）*256，單位為1/256℃。計算出模塊溫度值后，需要補(bǔ)償該計算值。補(bǔ)償?shù)臅r候分為3種情況：常溫下，即為Tcom=Temp+Offset;在高溫下，Tcoml=Tcom+（ Temp/256 - 25）*256，在低溫下，Tcom2 -Tcom+ （Temp/256 - 25）*TL。參數(shù)TH，TL，Offset的取值都是事先測量的，已經(jīng)寫入相應(yīng)的寄存器中。

2.1.3 發(fā)送接收端功率補(bǔ)償

模塊在不同的溫度和模式下，其發(fā)送接收的光功率也會受到影響，但這種影響不會直接反映到采樣值，所以需要做一些補(bǔ)償。在高低溫條件下，功率的補(bǔ)償公式為：RxPower—RxPW*Ml/M2+ol/02+（T/256-25）*TCF;

TxPower - TxPW*Ml/M2+ol/02+（T/256 - 25）*TCF.

其中，RxPW/TxPW為采樣值的平均值，M1/M2為斜率值，ol/02為校準(zhǔn)截距值，T為當(dāng)前模塊溫度值，TCF為高低溫補(bǔ)償系數(shù)（即TH，TL）。

2.2

TEC控制功能

本模塊是基于DBR激光器設(shè)計和實現(xiàn)的。DBR激光器采用溫度控制和電流注入兩種機(jī)制共同實現(xiàn)波長調(diào)諧的目的。選取PID算法實現(xiàn)系統(tǒng)的自動校正，通過對系統(tǒng)不同時刻模塊溫度值、輸入的電流值的差異和設(shè)置值與采樣值的差異的校正，實現(xiàn)自動校正誤差的功能，保證TOSA的溫度穩(wěn)定和系統(tǒng)的波長穩(wěn)定[3]。

2.2.1 PID算法原理單元會瞬間矯正誤差?？刂茊卧饔玫膹?qiáng)弱與比例系數(shù)K_p。成正比。但K_p設(shè)置過大，系統(tǒng)越易發(fā)生振蕩。所以需要選取一個適宜的K_p，既使得過渡時間短，誤差小，而且盡量不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性[4]。

PID控制器的積分單元為

，控

制過去值。只要偏差存在，控制作用就會不斷累加，只有在偏差為零時，積分單元保持不變。積分單位的可以消除偏差，也會減慢系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)超調(diào)量。積分常數(shù)T_i越大，積分的積累作用越弱，即系統(tǒng)過渡時不會產(chǎn)生振蕩;增大積分常數(shù)T_i，會延長靜態(tài)誤差消除的過程，延長消除偏差所需時間，但減少超調(diào)量可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性;當(dāng)積分常數(shù)T_i較小時，會縮短消除偏差所需的時間，但會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性[4]。

PID控制器的微分單元為K_d[e（k）-e（k-1）]，控制將來值。微分單元的作用是控制偏差變化的趨勢，盡可能減緩偏差的變化趨勢。微分單元的引入有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。微分時間常數(shù)Td和抑制偏差的力度成正比[4]。

2.2.2 PID算法參數(shù)的選取

PID控制器的參數(shù)選取是PID系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，設(shè)計的控制器要求對系統(tǒng)的震蕩降至最小。

PID算法參數(shù)的選取遵循一般性選取規(guī)則：1.將積分、微分時間常數(shù)設(shè)為O，輸入值設(shè)為系統(tǒng)最大值的60%～70%，從零逐漸增大K_p1，直到系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，再從此時K_p1逐漸減小直至振蕩消失，記錄K_p1p1ip1d

2.2.3 PID算法實現(xiàn)

本課題采用位置式PID算法，當(dāng)前的控制量根據(jù)當(dāng)前誤差、累計誤差和前向誤差共同決定。ADC定時每隔一段時間采樣一次TOSA的溫度（一般為1Oms），TEC循環(huán)控制功能每隔60ms執(zhí)行一次（一般為60ms，根據(jù)具體的情況設(shè)置值），將采樣得到的溫度（電壓）與目標(biāo)溫度（電壓）做差值比較，調(diào)整TEC_SET值，改變TEC電流大小，最后達(dá)到TEC進(jìn)行制冷制熱的目的。（TEC的溫度控制功能只有在TEC循環(huán)控制程序執(zhí)行時才起作用，即每60ms執(zhí)行一次）。

位置式PID算法流程如圖3。

3 PID算法的改進(jìn)

在實際應(yīng)用中常采用傳統(tǒng)位置式PID算法校正采樣值，但是這種算法每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時要對偏差e（k）累加，這樣不僅計算量大，而且容易飽和積分。在實際應(yīng)用的過程中，總會遇到一些問題，如在一定范圍內(nèi)調(diào)整量和被控量會成單調(diào)遞增的關(guān)系，但是超過這一范圍，調(diào)整量和被控量的關(guān)系可能會呈遞減的關(guān)系[8]。

如圖5所示，如果控制量的目標(biāo)值為B，當(dāng)前控制量的值為A，若系統(tǒng)可能出現(xiàn)較大振蕩，可能出現(xiàn)下一次控制量跳轉(zhuǎn)為C的情況，這樣系統(tǒng)誤差會越來越大甚至出現(xiàn)失鎖。

為了避免上述情況的發(fā)生，依照傳統(tǒng)的位置式PID算法，提出一種改良后的PID算法。具體的思路如下：假設(shè)系統(tǒng)算法的參數(shù)設(shè)置適宜，則第一次系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整時最容易出現(xiàn)漂移問題，則在第一次系統(tǒng)調(diào)整時要保證在安全的范圍內(nèi)，即對第一次調(diào)整量設(shè)置一個閾值Uk，即防止第一次調(diào)整量設(shè)置過大而產(chǎn)生漂移。在后續(xù)系統(tǒng)調(diào)整過程中，對偏差值設(shè)置一個閾值ε，只有當(dāng)調(diào)整量和目標(biāo)值之差小于閾值時，積分單元才會累加，這樣在進(jìn)入積分飽和后，因積分累計小，系統(tǒng)能較快退出。這樣，一方面可以保證一開始不會有過大的控制量，另一方面可以避免累計誤差過大而造成系統(tǒng)振蕩時間延長，即減小超調(diào)量，縮短系統(tǒng)振蕩周期，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。具體的數(shù)學(xué)公式如下：

TECFrist—false;//清除標(biāo)志位

}

If（ Error<一ThresV）

temp - PIDCal（ stPID*pPID， U32 Next-Point）：

else temp= PDCal（stPID *pPID，U32 Nex-tPoint）;

temp=temp+InitV;

}

當(dāng)調(diào)整量在一定范圍內(nèi)時，控制量與調(diào)整量呈單調(diào)遞增的關(guān)系。當(dāng)調(diào)整量超過某個臨界值時，控制量可能變?yōu)槠渌?，即控制量偏差可能突然變大，然后重新與調(diào)整量建立單調(diào)關(guān)系，并且不同通道的臨界值有差異。在此情況下，系統(tǒng)在調(diào)制的過程中會出現(xiàn)比較大的震蕩，即系統(tǒng)的精確度下降，最終會造成波長漂移而失鎖。改良的系統(tǒng)可以阻止發(fā)生調(diào)整過程中控制量過沖的問題，避免了調(diào)整量和控制量的可能出現(xiàn)的非線性的問題，從而避免了可能出現(xiàn)因電流過調(diào)最終導(dǎo)致的失鎖的情況。

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