一种兼具VOA功能的无阻塞全光交换矩阵装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及光通信领域，尤其涉及全光交换技术、光开关技术，具体是一种兼具可调式光衰减器VOA（Variable Optical Attenuator，简称VOA）功能的无阻塞全光交换矩阵装置及其控制方法。

背景技术

全光交换是光传输网络技术发展的趋势之一，采用全光交换技术用以取代传统的光电中继技术可以有效解决通信容量的“瓶颈”问题、还可以大幅度降低设备的体积和成本。当前光交换技术主要有机械式光开关、MEMS光开关、液晶光开关、磁光光开关、全息光栅开关等，MEMS光开关在传输损耗、扩展性和体积功耗等方面都要优于其它类型，因此MEMS光开关已成为核心光交换器件中的主流发展方向，市场前景较好。

受工艺水平等方面限制，国内只能研制出交换规模不大于16×16的小型化全光交换设备。国外有交换规模为24×24的小型化全光交换设备，但采用的是多个微镜片阵列封装到一起的技术方案，这种技术方案抗冲击、震动能力差，工作温度范围窄，设备功耗大。另外，国内也没有“多阵列微镜片精密封装”这一加工工艺，无法按照国外的技术方案实现国产化。因此设计一种新的技术方案，研制出国产的交换规模为24×24的小型化全光交换设备具有很大的现实意义。

同时，如果可以把VOA功能集成到24×24小型化全光交换设备里边去，就可以进一步实现设备的小型化、低功耗、轻量化，这可以大幅拓展设备的应用领域，特别是对设备体积、功耗、重量小型化要求较高的集成设备应用领域。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种兼具VOA功能的无阻塞全光交换矩阵装置及其控制方法。这种装置低功耗、小型化、轻量化、成本低。这种方法操作方便、实用性强。

实现本发明目的的技术方案是：

一种兼具VOA功能的无阻塞全光交换矩阵装置， 包括互连的驱动控制电路板和光路切换模块，其中，所述驱动控制电路板设有嵌入式微处理器和与嵌入式微处理器连接的控制调试接口连接器、电源管理模块、复位单元、高性能通信控制器、健康管理单元及高压直流偏置电平阵列，控制调试接口连接器还与电源管理模块及高性能通信控制器连接、高压直流偏置电平阵列还与电源管理模块及复位单元连接，驱动控制电路板输入端连接外部控制、调试、供电信号端；

所述光路切换模块设有48个1×24MEMS光开关， 48个1×24MEMS光开关连接方式为：每个1×24 MEMS光开关都有24+1根尾纤，其中一根尾纤称为公共端即0号尾纤，其余N根尾纤称为切换端即1～24号尾纤，在进行光路连接时，把1至24号1×24 MEMS光开关的公共端作为光路切换单元的1～24号输入端口即光入口1～光入口24，把25至48号1×24 MEMS光开关的公共端作为光路切换模块的25～48号输出端口即光出口1～光出口24，将1号1×24MEMS光开关的1号尾纤与25号1×24 MEMS光开关的1号尾纤熔接在一起、1号1×24MEMS光开关的2号尾纤与26号1×24 MEMS光交换矩阵的1号尾纤熔接在一起、1号1×24 MEMS光开关的3号尾纤与27号1×24 MEMS光开关的1号尾纤熔接在一起、以此类推，1号1×24 MEMS光开关的24号尾纤与48号1×24 MEMS光开关的1号尾纤熔接在一起，同理，将所有N号1×24MEMS光开关的非公共端尾纤分别与M号1×24 MEMS光开关的M-N号尾纤熔接在一起，最终形成一个24×24规模的全光交换网络，其中，1≤N≤24，25≤M≤48；

驱动控制电路板内部DA阵列的96个信号输出端和光路切换单元的96个控制引脚之间通过柔性电路板一一对应连接。

所述控制调试接口连接器为高密度微型连接器，用于对外输入输出供电信号、控制信号、调试信号，型号可用SLRM2-AGM1-SB60H16S-CGM1-T1、厂家中国电科八所。

所述电源管理模块为高度集成的电源转换模块，主要作用是把12V供电电压转换成60V工作电压，为复位单元、高性能通信控制器、嵌入式微处理器、高压直流偏置电平阵列提供工作所需的电压和电流，型号可用HNSR12S60S、厂家是中国电子科技集团公司第四十三所。

所述复位单元采用复位芯片MAX6822TUK-T，主要作用是为嵌入式微处理器提供低电平复位信号。

所述高性能通信控制器为实现通信协议转换与控制功能的微型控制器，用于管控输入输出嵌入式微处理器的控制信号，器件型号为HHD65HVD230。

所述嵌入式微处理器为高度集成的低功耗高性能微处理器，主要作用是解析管控指令信号，按照管控指令信号生成高压直流偏置电平阵列控制信号，使高压直流偏置电平阵列电路输出96路数值不同的高精度的直流偏置电平，嵌入式微处理器同时接收健康管理单元6采集的工作电压、当前电路板温度健康管理信息，器件型号为：XK29085007、厂家是成都西科微波通讯有限公司。

所述健康管理单元设有互连的温度检测芯片HWD18B20-A和分压电阻。

所述高压直流偏置电平阵列设有24个并行排列的高压输出DA芯片阵列，所有DA芯片SPI控制总线接口信号管脚一一并连到一起形成一路SPI总线，通过PCB布线连接嵌入式微处理器的SPI接口，所有DA芯片输出接口输出的并行驱动电平信号采用并行连接方式接入光路切换模块。

所述1×24MEMS光开关为桂林聚联有限公司生产的FSW 1-24-SM-A。

一种兼具VOA功能的无阻塞全光交换矩阵装置的控制方法，包括上述的兼具VOA功能的无阻塞全光交换矩阵装置，所述方法包括如下步骤：

1）系统初始化：包括：

1-1）中断设置及使能：配置嵌入式微处理器的中断管理寄存器，使能CAN接收中断，并将其它闲置中断关闭；

1-2）AD控制器初始化：配置嵌入式微处理器的AD控制器寄存器，设置ADC优先级为中、时钟设置寄存器频率为200Ksps、设置连续采样时的等待周期间隔1个系统时钟、启动运行控制寄存器连续4次采样；

1-3）SPI控制器初始化：配置嵌入式微处理器的SPI控制器寄存器，配置控制寄存器采用主机模式、设置时钟相位CPOL为0即时钟空闲时为低电平和极性CPHA为0即在时钟的第一个跳变沿进行数据采集，配置SPI波特率为200bit/s，配置扩展寄存器使串行传输的数据高位在前；

1-4）CAN控制器初始化：配置嵌入式微处理器的CAN控制器寄存器使CAN通信速率为500kbps、工作模式为正常工作模式、接收滤波采用双滤波器模式，并开辟接收缓存区用于存储总线接收到的数据；

1-5）DA芯片阵列初始化：通过SPI对DA芯片阵列进行初始化配置，使每片DA芯片的4路通道全部使能，并将输出模式设置为三态模式；

1-6）光开关初始化：根据光开关切换电压参数表控制DA芯片阵列输出光开关光路切换所需电压，使光开关处于光路连通状态；

1-7）通信协议处理组件初始化：初始化通信协议处理组件的软件全局变量，使全局变量处于预定初始值；

2）系统自检：系统自检流程主要完成设备工作参数即电源电压及温度的采集，并根据预定义的阈值来判断系统状态是否正常，包括：

2-1）系统周期性的从AD中获取健康管理单元输出的电压值，每路AD均进行5次连续采样，结果取算术平均值；

2-2）采集的12位数值与输入电压的对应关系为N=(Ui*4095)/2.5，其中N为数值，Ui为输入电压；

2-3）输入电压乘以相应的系数即可得到要监测的实际参数值，计算公式为：P=Ui*α，其中P为结果参数值，Ui为输入电压，α系数由实际电路参数决定；

2-4）依据预定义的阈值来判断参数的状态为正常还是异常,工作电压的判断阈值为58.0V - 62.0V,电路板温度的判断阈值为-35℃ - 65℃；

3）通信协议解析：当接收到数据包时首先从数据包中提取出命令编码等信息，然后根据命令编码与嵌入式微处理器存储的命令编码表进行比对，最后生成光路切换表；

4）光路切换控制：按照生成光路切换表,配置高压直流偏置电平阵列中的DA芯片寄存器,控制DA芯片阵列完成96路并行偏置电平输出,驱动光路切换单元光路发生偏转，完成光路切换和输出光功率微调功能。

本技术方案成功绕开了“多个MEMS镜片阵列高精度封装”这一巨大难题，不但使交换规模扩展到了24×24，而且使设备兼具了VOA（幅度调节）功能，同时还实现了设备的低功耗、小型化、轻量化。

这种装置低功耗、小型化、轻量化、成本低。这种方法操作方便、实用性强。

附图说明

图1为实施例的结构示意图；

图2为实施例中驱动控制板内部连接原理图；

图3为实施例中光路切换模块内部连接原理框图；

图4为实施例中方法的流程示意图。

图中， 1.控制调试接口连接器 2.电源管理模块 3.复位单元高4.性能通信控制器 5. 嵌入式微处理器 6.健康管理单元 7.高压直流偏置电平阵列 100. 驱动控制电路板 200. 光路切换模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容做进一步的阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

一种兼具VOA功能的无阻塞全光交换矩阵装置， 如图1所示，包括互连的驱动控制电路板100和光路切换模块200，其中，所述驱动控制电路板100设有嵌入式微处理器5和与嵌入式微处理器5连接的控制调试接口连接器1、电源管理模块2、复位单元3、高性能通信控制器4、健康管理单元6及高压直流偏置电平阵列7，控制调试接口连接器1还与电源管理模块2及高性能通信控制器4连接、高压直流偏置电平阵列7还与电源管理模块2及复位单元3连接，驱动控制电路板100输入端连接外部控制、调试、供电信号端；

如图3所示，所述光路切换模块200设有48个1×24MEMS光开关， 48个1×24MEMS光开关连接方式为：每个1×24 MEMS光开关都有24+1根尾纤，其中一根尾纤称为公共端即0号尾纤，其余N根尾纤称为切换端即1～24号尾纤，在进行光路连接时，把1至24号1×24 MEMS光开关的公共端作为光路切换单元的1～24号输入端口即光入口1～光入口24，把25至48号1×24 MEMS光开关的公共端作为光路切换模块的25～48号输出端口即光出口1～光出口24，将1号1×24 MEMS光开关的1号尾纤与25号1×24 MEMS光开关的1号尾纤熔接在一起、1号1×24MEMS光开关的2号尾纤与26号1×24 MEMS光交换矩阵的1号尾纤熔接在一起、1号1×24 MEMS光开关的3号尾纤与27号1×24 MEMS光开关的1号尾纤熔接在一起、以此类推，1号1×24 MEMS光开关的24号尾纤与48号1×24 MEMS光开关的1号尾纤熔接在一起，同理，将所有N号1×24 MEMS光开关的非公共端尾纤分别与M号1×24 MEMS光开关的M-N号尾纤熔接在一起，最终形成一个24×24规模的全光交换网络，其中，1≤N≤24，25≤M≤48；

驱动控制电路板100内部DA阵列的96个信号输出端和光路切换模块200的96个控制引脚之间通过柔性电路板一一对应连接。

所述控制调试接口连接器1为高密度微型连接器，用于对外输入输出供电信号、控制信号、调试信号，本例中，控制调试接口连接器1型号为SLRM2-AGM1-SB60H16S-CGM1-T1，厂家中国电科八所。

所述电源管理模块2为高度集成的电源转换模块，主要作用是把12V供电电压转换成60V工作电压，为复位单元3、高性能通信控制器4、嵌入式微处理器5、高压直流偏置电平阵列7提供工作所需的电压和电流，本例中电源管理模块2型号是HNSR12S60S，厂家是中国电子科技集团公司第四十三所。

本例中复位单元3采用复位芯片MAX6822TUK-T，主要作用是为嵌入式微处理器5提供低电平复位信号。

本例中高性能通信控制器4为实现通信协议转换与控制功能的微型控制器，用于管控输入输出嵌入式微处理器5的控制信号，器件型号为HHD65HVD230。

本例中嵌入式微处理器5为高度集成的低功耗高性能微处理器，主要作用是解析管控指令信号，按照管控指令信号生成高压直流偏置电平阵列控制信号，使高压直流偏置电平阵列电路输出96路数值不同的高精度的直流偏置电平，嵌入式微处理器同时接收健康管理单元6采集的工作电压、当前电路板温度健康管理信息，器件型号为：XK29085007,厂家是成都西科微波通讯有限公司。

本例中健康管理单元6设有互连的温度检测芯片HWD18B20-A和分压电阻。

本例中高压直流偏置电平阵列7设有24个并行排列的高压输出DA芯片阵列，所有DA芯片SPI控制总线接口信号管脚一一并连到一起形成一路SPI总线，通过PCB布线连接嵌入式微处理器5的SPI接口，所有DA芯片输出接口输出的并行驱动电平信号采用并行连接方式接入光路切换单元。

本例中1×24MEMS光开关为桂林聚联有限公司生产的FSW 1-24-SM-A。

本例中，如图2所示，控制调试接口连接器1管脚1、管脚2通过PCB布线与电源管理模块2的电源输入接口相连接，控制调试接口连接器1管脚3、管脚4通过PCB布线与高性能通信控制器4的通信接口相连接，控制调试接口连接器1管脚5、管脚6通过PCB布线与嵌入式微处理器5的调试接口相连接，电源管理模块2的第一路3.3V电源输出接口通过PCB布线与复位单元3的供电接口相连接，电源管理模块2的第二路3.3V电源输出接口通过PCB布线与嵌入式微处理器5的供电接口相连接，电源管理模块2的第三路3.3V电源输出接口通过PCB布线与高性能通信控制器4的供电接口相连接，电源管理模块2的60V电源输出接口通过PCB布线与高压直流偏置电平阵列7的60V供电接口相连接，高性能通信控制器4的通信接口通过PCB布线与嵌入式微处理器5的通信接口相连接，复位单元3的复位信号输出端口通过PCB布线与嵌入式微处理器5复位接口相连接，健康管理单元6的输出接口通过PCB布线与嵌入式微处理器5数据采集接口相连接，嵌入式微处理器5的SPI总线接口通过PCB布线与高压直流偏置电平阵列的SPI接口相连接，高压直流偏置电平阵列是由24个高压输出DA芯片组成的阵列，这24个DA芯片并行排列，所有DA芯片SPI控制总线接口管脚一一对应并连到一起形成一路SPI总线，通过PCB布线接到嵌入式微处理器的SPI接口，24个DA芯片每个芯片的片选信号分别通过一根PCB走线连接到嵌入式微处理器5的一个通用输入输出接口。驱动控制电路板的主要功能是接收控制指令，驱动控制电路板按照接收到的命令正确切换光路，并实时监控兼具VOA功能的小型化无阻塞全光交换矩阵的工作状态，光路切换模块的主要功能是在控制驱动电路的驱动下，把输入端口的光信号切换到指定的输出端口输出，并动态调节输出光信号的衰减量。

一种兼具VOA功能的无阻塞全光交换矩阵装置的控制方法，包括上述的兼具VOA功能的无阻塞全光交换矩阵装置，所述方法包括如下步骤：

1）系统初始化：包括：

1-1）中断设置及使能：配置嵌入式微处理器5的中断管理寄存器，使能CAN接收中断，并将其它闲置中断关闭；

1-2）AD控制器初始化：配置嵌入式微处理器5的AD控制器寄存器，设置ADC优先级为中、时钟设置寄存器频率为200Ksps、设置连续采样时的等待周期间隔1个系统时钟、启动运行控制寄存器连续4次采样；

1-3）SPI控制器初始化：配置嵌入式微处理器的SPI控制器寄存器，配置控制寄存器采用主机模式、设置时钟相位CPOL为0即时钟空闲时为低电平和极性CPHA为0即在时钟的第一个跳变沿进行数据采集，配置SPI波特率为200bit/s，配置扩展寄存器使串行传输的数据高位在前；

1-4）CAN控制器初始化：配置嵌入式微处理器的CAN控制器寄存器使CAN通信速率为500kbps、工作模式为正常工作模式、接收滤波采用双滤波器模式，并开辟接收缓存区用于存储总线接收到的数据；

1-5）DA芯片阵列初始化：通过SPI对DA芯片阵列进行初始化配置，使每片DA芯片的4路通道全部使能，并将输出模式设置为三态模式；

1-6）光开关初始化：根据光开关切换电压参数表控制DA芯片阵列输出光开关光路切换所需电压，使光开关处于光路连通状态；

1-7）通信协议处理组件初始化：初始化通信协议处理组件的软件全局变量，使全局变量处于预定初始值；

2）系统自检：系统自检流程主要完成设备工作参数即电源电压及温度的采集，并根据预定义的阈值来判断系统状态是否正常，包括：

2-1）系统周期性的从AD中获取健康管理单元6输出的电压值，每路AD均进行5次连续采样，结果取算术平均值；

2-2）采集的12位数值与输入电压的对应关系为N=(Ui*4095)/2.5，其中N为数值，Ui为输入电压；

2-3）输入电压乘以相应的系数即可得到要监测的实际参数值，计算公式为：P=Ui*α，其中P为结果参数值，Ui为输入电压，α系数由实际电路参数决定；

2-4）依据预定义的阈值来判断参数的状态为正常还是异常,工作电压的判断阈值为58.0V - 62.0V,电路板温度的判断阈值为-35℃ - 65℃；

3）通信协议解析：当接收到数据包时首先从数据包中提取出命令编码等信息，然后根据命令编码与嵌入式微处理器5存储的命令编码表进行比对，最后生成光路切换表；

4）光路切换控制：按照生成光路切换表,配置高压直流偏置电平阵列中的DA芯片寄存器,控制DA芯片阵列完成96路并行偏置电平输出,驱动光路切换单元光路发生偏转，完成光路切换和输出光功率微调功能。

具体地，本例中，要驱动光路切换单元，需要输出96路可以动态调整的0V～60V电压，电压精度0.015V，传统方法一般采取普通DA外加运放的技术方案，该方案有两个弊端，其一，每路都须要增加运放电路，造成功耗增加，电路占用体积过大，每路功耗增加100mW，96路功耗就需要增加约10W功耗，无法做到低功耗，其二，需要增加96路运放电路，这不但给实现设备小型化带来困难，而且因增加了设备的复杂度，造成设备可靠性降低，为了实现设备的小型化和低功耗，本例采用了把12位高压DA芯片AD5504的裸片、微处理器裸片、CAN控制器裸片、CAN收发器裸片集成到一起的技术方案，大幅缩小了设备体积，降低了设备功耗，提高了设备可靠性，本例选用12位高压DA芯片AD5504代替普通DA外加运放的技术方案，这是因为，该芯片采用新的高压COMOS工艺，可以直接输出0 V～60V电压，12位的精度也保证了输出电压精度可以满足0.015V这一精度要求，对实现设备的小型化和低功耗有非常大的帮助；为了绕开“多个阵列式微镜片精确、可靠地封装到一起”这一巨大工艺难题，本例采用了48个1×24MEMS光开关通过光纤光路互联的方案，该方案用光纤传输代替国外方案中的自由空间传输模式，在保证光信号指标的前提下，提高了光信号的隔离度，同时因为该方案不要求大量微镜片时刻保持严格对齐这一难题，有效提高了设备的抗冲击振动能力以及设备的工作温度范围。

本例的有益效果为：

在主要性能指标同等于国外产品，部分指标优于国外产品的情况下，交换规模扩展到了24×24，同时具有：

1）具备无阻塞交换功能；具备温度、电压检测功能；插入损耗：≤2dB；信道串扰：优于50 dB； 开关时间：≤30mS；开关寿命：≥10

2）兼具VOA调节功能：5 dB以内调节精度优于0.2dB，5 dB到10dB内调节精度优于0.5dB；

3）实现了设备的小型化、低功耗、轻量化；设备功耗：2.85W；交换规模最大可以扩展到576×576。