基于改進的PID算法的光模塊設計和實現

余子敬 肖程望 吳健學

摘 要：討論了基于100G可調諧激光器光模塊的設計與實現，簡單介紹了MCU中各個模塊功能。主要的技術涉及TEC控制、波長鎖定、波長調諧和功率補償等。通過分析傳統的位置式PID算法，改良PID算法并使用該算法實現波長鎖定，這樣可以防止在系統調整過程中，因調整量過沖而發生的波長漂移甚至失鎖。

關鍵詞：PID;波長鎖定;可調諧激光器;TEC

中圖分類號：TN248

文獻標志碼：A

隨著現代科技的發展，擴大速率通信網絡傳輸容量的增大光纖通信已經成為了現代信息網絡的主要傳輸途徑。在現代光通信網絡中，WAN（廣域網）、LAN（局域網）和MAN（城域網）的發展都伴隨著越來越多種類的以光收發模塊為核心的光電子設備、越來越高的要求和復雜性、越來越多樣性的光模塊，現代的光模塊的發展趨勢主要有高速率、小型化、低成本、低功耗、遠距離、熱插拔等多個方面。本文詳細介紹了100G可調諧光模塊的軟件框架和主要控制算法。

1 系統結構

1.1 系統的硬件結構

本模塊如圖1所示，采取可調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波長。通過Finger供給供電回路、實現模塊熱插拔功能、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芯片進行信息交互，控制光模塊的電壓、電流、功率、系統波長等等，從而實現模塊在C溫度（-5℃～70℃）下，進行多波長、遠距離、高速率的信號傳輸。

1.2 系統軟件結構

由于沒有操作系統，采用一個無限循環方式的軟件架構。

1.3

MCU內部的外設驅動及其功能

微控制單元（MCU），又稱單片微型計算機或者單片機，是把中央處理器（CPU）的頻率與規格做適當縮減，并將內存（memory）、計數器（Timer）、A/D轉換、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[2]。光模塊的MCU的功能如表1：

2 模塊中部分算法的設計和實現

本章主要講述MCU中的監控模塊和TEC控制模塊中的主要算法。

2.1 監控（Monitor）功能

該功能實現對光模塊中各個監控量的原始值、DDM值進行采樣和平均等處理，保證MCU監測和控制各個模塊，如圖2所示。在監控模塊中，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T為模塊連續兩次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，需要補償該計算值。補償的時候分為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TH，TL，Offset的取值都是事先測量的，已經寫入相應的寄存器中。

2.1.3 發送接收端功率補償

模塊在不同的溫度和模式下，其發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，所以需要做一些補償。在高低溫條件下，功率的補償公式為：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為校準截距值，T為當前模塊溫度值，TCF為高低溫補償系數（即TH，TL）。

2.2

TEC控制功能

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

2.2.1 PID算法原理單元會瞬間矯正誤差。控制單元作用的強弱與比例系數K_p。成正比。但K_p設置過大，系統越易發生振蕩。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穩定性[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，也會減慢系統的響應速度，增加系統超調量。積分常數T_i越大，積分的積累作用越弱，即系統過渡時不會產生振蕩;增大積分常數T_i，會延長靜態誤差消除的過程，延長消除偏差所需時間，但減少超調量可以增加系統的穩定性;當積分常數T_i較小時，會縮短消除偏差所需的時間，但會降低系統的穩定性[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量，克服振蕩，使系統趨于穩定。微分時間常數Td和抑制偏差的力度成正比[4]。

2.2.2 PID算法參數的選取

PID控制器的參數選取是PID系統設計的關鍵，設計的控制器要求對系統的震蕩降至最小。

PID算法參數的選取遵循一般性選取規則：1.將積分、微分時間常數設為O，輸入值設為系統最大值的60%～70%，從零逐漸增大K_p1，直到系統出現振蕩，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

本課題采用位置式PID算法，當前的控制量根據當前誤差、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循環控制功能每隔60ms執行一次（一般為60ms，根據具體的情況設置值），將采樣得到的溫度（電壓）與目標溫度（電壓）做差值比較，調整TEC_SET值，改變TEC電流大小，最后達到TEC進行制冷制熱的目的。（TEC的溫度控制功能只有在TEC循環控制程序執行時才起作用，即每60ms執行一次）。

位置式PID算法流程如圖3。

3 PID算法的改進

在實際應用中常采用傳統位置式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有關，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。在實際應用的過程中，總會遇到一些問題，如在一定范圍內調整量和被控量會成單調遞增的關系，但是超過這一范圍，調整量和被控量的關系可能會呈遞減的關系[8]。

如圖5所示，如果控制量的目標值為B，當前控制量的值為A，若系統可能出現較大振蕩，可能出現下一次控制量跳轉為C的情況，這樣系統誤差會越來越大甚至出現失鎖。

為了避免上述情況的發生，依照傳統的位置式PID算法，提出一種改良后的PID算法。具體的思路如下：假設系統算法的參數設置適宜，則第一次系統進行調整時最容易出現漂移問題，則在第一次系統調整時要保證在安全的范圍內，即對第一次調整量設置一個閾值Uk，即防止第一次調整量設置過大而產生漂移。在后續系統調整過程中，對偏差值設置一個閾值ε，只有當調整量和目標值之差小于閾值時，積分單元才會累加，這樣在進入積分飽和后，因積分累計小，系統能較快退出。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振蕩時間延長，即減小超調量，縮短系統振蕩周期，提高系統穩定性。具體的數學公式如下：

TECFrist—false;//清除標志位

}

If（ Error<一ThresV）

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

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

temp=temp+InitV;

}

當調整量在一定范圍內時，控制量與調整量呈單調遞增的關系。當調整量超過某個臨界值時，控制量可能變為其他值，即控制量偏差可能突然變大，然后重新與調整量建立單調關系，并且不同通道的臨界值有差異。在此情況下，系統在調制的過程中會出現比較大的震蕩，即系統的精確度下降，最終會造成波長漂移而失鎖。改良的系統可以阻止發生調整過程中控制量過沖的問題，避免了調整量和控制量的可能出現的非線性的問題，從而避免了可能出現因電流過調最終導致的失鎖的情況。

參考文獻

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