基于單片機(jī)ADuCM320i的光電收發(fā)模塊控制設(shè)計(jì)

李萬(wàn)軍

（索爾思光電（成都）有限公司，四川 成都 611731）

0 引 言

近年來(lái)，在光通信領(lǐng)域中隨著大數(shù)據(jù)和海量數(shù)據(jù)的通信傳遞需求，大容量光通信的需求愈加迫切，光電收發(fā)模塊作為光纖傳輸系統(tǒng)中的心臟，其各項(xiàng)指標(biāo)決定了傳輸系統(tǒng)的整體性能[1-6]。而光電收發(fā)模塊中，激光器的工作穩(wěn)定性，特別是發(fā)射光功率的穩(wěn)定性對(duì)光通信的質(zhì)量有較為明顯的影響。溫度對(duì)半導(dǎo)體激光器的特性有很大的影響，特別是在高速光通信系統(tǒng)中。為了使得激光器的輸出光功率穩(wěn)定，必須對(duì)其溫度進(jìn)行高精度控制[7-10]。同時(shí)在光通信系統(tǒng)中，一旦作為關(guān)鍵器件的光電收發(fā)模塊出現(xiàn)故障或告警，則將對(duì)光通信系統(tǒng)產(chǎn)生重大故障，因此對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)字診斷（Digital Diagnostic Monitoring，DDM）顯得尤為必要[11,12]。開展光電收發(fā)模塊中半導(dǎo)體器件穩(wěn)定工作的控制設(shè)計(jì)和研究溫度補(bǔ)償算法對(duì)模塊自身工作的穩(wěn)定度提升有重要意義，同時(shí)對(duì)整個(gè)光通信系統(tǒng)是否能穩(wěn)定、高質(zhì)量地工作也有重要意義。

1 控制電路設(shè)計(jì)

本控制電路中的MCU選用ADI公司的ADuCM320i，其內(nèi)核采用ARM Cortex-M3架構(gòu)，工作頻率可達(dá)80 MHz，內(nèi)部集成了高精度ADC、VDAC以及IDAC。VDAC的可輸出范圍為0～2.5 V，IDAC的可輸出范圍為0～150 mA，同時(shí)片上還集成了Flash、SRAM、I2C、SPI、UART及PLA等，可開發(fā)自定義功能的控制軟件。

如圖1所示，MCU通過(guò)多個(gè)GPIO管腳控制光電收發(fā)模塊的子模塊上電時(shí)序，其中InitMode、ModSelL以及ResetL來(lái)自光電模塊的金手指信號(hào)，可使模塊工作在低功耗狀態(tài)或進(jìn)行硬復(fù)位。ModSelL為支持多模塊訪問(wèn)的選擇信號(hào)，IntL為模塊輸出給外部的中斷信號(hào)，用于監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及告警的實(shí)時(shí)上報(bào)。P0.4和P0.5提供一路外部I2C總線接口供上位機(jī)配置及查詢模塊相關(guān)信息，P0.6和P0.7提供一路內(nèi)部I2C總線接口配置和訪問(wèn)內(nèi)部相關(guān)模塊。同時(shí)，通過(guò)片上ADC對(duì)光電模塊的接收光功率RSSI、模塊溫度、激光器溫度以及TEC工作電流等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)片上的VDAC對(duì)激光器工作點(diǎn)和光電接收管工作點(diǎn)等提供偏置補(bǔ)償。

圖1 MCU外接控制及監(jiān)控電路

該模塊中所使用的激光器驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示，LD_Bias_Lx為激光器工作偏置輸出，EA_Bias_Lx為電吸收調(diào)制器工作偏置輸出。MCU通過(guò)SCL_INT、SDA_INT信號(hào)可進(jìn)行激光器工作點(diǎn)的調(diào)諧及補(bǔ)償，使得激光器長(zhǎng)期工作于線性工作狀態(tài)，達(dá)到最好的信號(hào)調(diào)制狀態(tài)。

圖2 激光器驅(qū)動(dòng)芯片電路

激光器的光功率通過(guò)背光電流進(jìn)行監(jiān)控，如圖3所示，TX_PDx為激光器背光電流產(chǎn)生的電壓，通過(guò)AD5593的8通道ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，可對(duì)激光器的當(dāng)前的發(fā)射光功率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖3 激光器光功率監(jiān)控芯片電路

隨著激光器的長(zhǎng)時(shí)間工作，會(huì)導(dǎo)致工作溫度逐漸上升，特別是大功率的激光器，其發(fā)射光功率的穩(wěn)定性會(huì)受到較大影響，影響光通信的質(zhì)量。因此，本設(shè)計(jì)中采用圖4中的ADN8834對(duì)激光器內(nèi)部的TEC單元進(jìn)行自動(dòng)PID控制，使得激光器基本處于恒溫工作狀態(tài)，保證發(fā)射光功率的穩(wěn)定性和信號(hào)的線性調(diào)制。

圖4 激光器溫度控制芯片電路

2 控制軟件設(shè)計(jì)

2.1 DDM及告警上報(bào)

DDM是數(shù)字診斷監(jiān)控的縮寫，是對(duì)光電模塊工作狀態(tài)關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值，對(duì)于某些敏感參數(shù)值不在合理范圍內(nèi)，將會(huì)上報(bào)告警。具體監(jiān)控和上報(bào)流程如圖5所示，該軟件流程開始后更新監(jiān)控目標(biāo)參數(shù)的ADC值，并經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后得到目標(biāo)參數(shù)的DDM值，然后判別該值是否不在門限范圍內(nèi)，如果不在則設(shè)置對(duì)應(yīng)的告警標(biāo)志并產(chǎn)生上報(bào)中斷信號(hào)，如果監(jiān)控值在門限范圍內(nèi)則取消產(chǎn)生的上報(bào)中斷信號(hào)。目標(biāo)監(jiān)控參數(shù)一般包括模塊的工作溫度、電壓、電流、發(fā)射光功率以及接收光功率等。

圖5 DDM監(jiān)控及告警上報(bào)

2.2 溫度補(bǔ)償流程

光電模塊的工作線性度與溫度關(guān)系最為密切，其工作參數(shù)需要隨溫度變化得到實(shí)時(shí)補(bǔ)償才能一直處于良好工作狀態(tài)。圖6中是本設(shè)計(jì)中的溫度補(bǔ)償流程，軟件開始后先更新激光器的實(shí)時(shí)溫度，并計(jì)算出補(bǔ)償表的當(dāng)前索引值，然后根據(jù)索引值查得當(dāng)前的目標(biāo)補(bǔ)償值，最后將補(bǔ)償值更新到硬件中生效。

圖6 溫度補(bǔ)償流程

2.3 發(fā)射光功率自動(dòng)控制

光電模塊中激光器所發(fā)射的光功率大小會(huì)隨溫度的變化而變化，為了保證模塊在不同溫度環(huán)境下發(fā)射光功率的穩(wěn)定，設(shè)計(jì)了圖7所示的自動(dòng)控制流程。軟件開始后先更新激光器的當(dāng)前工作溫度并計(jì)算出查找表的索引值，然后根據(jù)索引值查得當(dāng)前的發(fā)射功率目標(biāo)值，再更新當(dāng)前的實(shí)時(shí)發(fā)射功率值，接著判斷當(dāng)前發(fā)射功率是否在鎖定范圍內(nèi)，如果已經(jīng)鎖定則不再進(jìn)行誤差調(diào)整，如果沒(méi)有鎖定則使用PID算法計(jì)算誤差值，然后根據(jù)誤差值調(diào)整激光器的偏置值，直到發(fā)射功率鎖定。

圖7 發(fā)射光功率自動(dòng)控制流程

3 測(cè)試結(jié)果及分析

在上位機(jī)上使用軟件訪問(wèn)光電模塊的I2C接口，得到該光電模塊的DDM值監(jiān)控正常，修改報(bào)警門限使得報(bào)警條件滿足后可以正常上報(bào)告警中斷信號(hào)，測(cè)試中對(duì)應(yīng)的I2C時(shí)序如圖8所示。

圖8 2C訪問(wèn)測(cè)試時(shí)序圖

本測(cè)試中對(duì)模塊中激光器發(fā)射光功率的穩(wěn)定度也進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，測(cè)試方法是使用光接收機(jī)持續(xù)監(jiān)測(cè)模塊的發(fā)射光功率，每間隔1 s記錄一個(gè)功率值，將1 min內(nèi)采樣得到的60個(gè)樣點(diǎn)值求均值，然后計(jì)算出該均值的絕對(duì)誤差百分比值進(jìn)行觀察。如圖9所示，圖9（a）、圖9（b）以及圖9（c）分別是環(huán)境溫度為65 ℃、25 ℃和-40 ℃下的發(fā)射光功率誤差百分比，3種環(huán)境溫度下激光器的輸出光功率的誤差均小于5%，工作穩(wěn)定，能正常滿足光通信的發(fā)射功率要求。

圖9 不同溫度下發(fā)射光功率穩(wěn)定度測(cè)試

4 結(jié) 論

基于單片機(jī)ADuCM320i對(duì)光電收發(fā)模塊的控制電路和控制軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)電路的工作原理和控制算法進(jìn)行了詳細(xì)介紹。最后，對(duì)設(shè)計(jì)的光電收發(fā)模塊進(jìn)行了測(cè)試和結(jié)果分析，測(cè)試內(nèi)容包括該模塊的I2C訪問(wèn)功能、DDM查詢及告警上報(bào)功能以及發(fā)射光功率穩(wěn)定度等，測(cè)試結(jié)果顯示功能均正常且光功率誤差在高溫、低溫及常溫環(huán)境下均小于5%，滿足工程應(yīng)用要求。