（无线电物理专业论文）基于vcf的光滤波器控制系统的设计与实现.pdf

论文摘要 随着光通讯w d m 的日益广泛应用，w d m 中的关键器件也在不断的更新，尤 其是在w d m 中担当重要任务的光滤波器，对于光滤波器的要求也在不断提高。光 滤波器大多数情况下采用的是无源器件，对于滤波器不进行相关的控制。 本文采用有源控制的方法，设计并实现了基于v c f 光滤波器模块的控制系 统，包括了控制系统的硬件部分和软件部分。 本文研究了光通讯w d m ，介绍了常见的几种光滤波器的架构，分析了优点和 缺点。然后介绍了本文所使用的光滤波器模块中线性可变滤波片的一些基本特点。 然后根据步进电机厂商的公式计算了相关参数，并确定了v c f 模块中步进电机的 选型。 本文设计的控制系统分为硬件和软件两个方面。本论文的硬件设计部分按照硬 件设计的规范，对标准的电气规范，引脚分配，接口定义等进行介绍，然后将整个 硬件电路设计分为功能模块，详细给出了本文设计的硬件相关原理图。最后还介绍 了为了测试而另外设计的，为模拟h o s t ( w d m 中的控制系统) 的测试板的相关内 容。 本系统的软件设计方面，包括了总的架构设计，启动加载程序( b o o t l o a d e r ) 和固件操作系统( o p e r a t i o n a lf i r m w a r e ) 本文设计的b o o tl o a d e r ， 给出了启动时相关的操作办法以及部分流程图和程序。 o p e r a t i o nf i r m w a r e 是本文的设计重点部分。文章将其划分为模块详细叙 述。包括各种h o s t 命令的处理，u a r t 等相关驱动步进电机驱动这部分，本文 在比较了常见的几种步进电机控制曲线之后，在分析了步进电机的动力学模型的基 础上，提出了关于v c f 模块中的步进电机控制的新的曲线算法，以及具体的实现 方案。 在测试的章节，同样分为两个部分硬件测试和软件测试部分。硬件部分做了 相关的e s d 测试和e f t 测试，给出了测试的环境，指标及其结果。通过相关设计 要求的需要，做了相关的软件测试即系统测试并列出了部分测试结果。本文通过仪 器搭建了简易的w d m 环境做了测试，旨在说明整个控制系统设计的完整性和可靠 性。 本论文的设计已经在w d m 系统中有所应用。 关键词： w d m 、 线性可变滤波器、电压控制滤波器、步进电机曲线算法 a b s t r a c t s i n c e0 p u c a if i b e rc o m m u n i c a t i o nb a s e do nw d mi su s e dm o r ea n dm o r e w i d e l y ，t h ec r u c i a ld e v i c e sa r ea l s ou p d a t e da g a i na n da g a i n ，e s p e c i a l l yt h e o p t i c a lf i l t e r , w h i c hp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nw d ma n dn e e d si m p r o v i n g c o n t i n u a l l y i nm o s tc a s e s ，o p t i c a lf i l t e r sa r ed e s i g n e da sp a s s i v ec o m p o n e n t s a n dr u nw i t h o u ta n yc o n t r 0 1 i nt h i s p a p e r ，an o v e lc o n t r o l l i n gs y s t e mu s i n ga c t i v ec o m p o n e n t s i s p r e s e n t e da n di m p l e m e n t e d t h i ss y s t e mi so nt h eb a s i so ft h ev c fo p t i c a lf i l t e r m o d u l ea n di n v o l v e sb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o n t r 0 1 s t a r t e df r o mi n t r o d u c t i o no f0 p u c a if i b e rc o m m u n i c a t i o nb a s e do nw d m ， s o m ef a m i l i a rs t r u c t u r e so fo p t i c a lf i l t e r sw e r ei n t r o d u c e da n dt h e i ra d v a n t a g e sa s w e l la st h e i rd i s a d v a n t a g e sw e r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r t h ec h a r a c t e r so ft h e l i n e rv a r i a b l ef i l t e rm o d u l eu s e di nt h i ss y s t e mw e r ei l l u m i n a t e di nd e t a i l t h e r e l a t e dp a r a m e t e r so ft h es t e p p i n gm o t o rw en e e d e dw e r ec a l c u l a t e da c c o r d i n g t ot h ef o r m u l a sp r o v i d e db yt h ep r o d u c e r t h e nw ec h o s et h er i g h to n ef o rt h e v c fm o d u l e h a r d w a r ec o n t r o la n ds o f t w a r ec o n t r o lw e r ei n v o l v e di nt h i sc o n t r o l l i n g s y s t e m 1 1 1 eh a r d w a r ed e s i g nw a ss u b j e c tt ot h ed e s i g ns t a n d a r d sf o rh a r d w a r e a n de l e c t r i c a ls p e c o f i c a t i o n ，e l e c t r i c a li n t e r f a c ea s s i g n m e n t ，e l e c t i c a li n e r f a c e d e f i n i t i o n sw e r ei n t r o d u c e d t h e n ，t h ew h o l eh a r d w a r ec i r c u i tw a sd i v i d e di n t o f u n c t i o n a lb l o c k s t h ed e t a i l e ds c h e m a t i cd i a g r a m sw e r es h o w ni nt h ep a p e r a t l a s to ft h ep a r t ，s o m e t h i n ga b o u tt h et e s t i n gb o a r d ，w h i c hw a sd e s i g n e df o r t e s t i n ga n da c t e da sah o s t ，w a sa l s og i v e n t h es o f t w a r e d e s i g ni n c l u d e df i r m w a r ea r c h i t e c t u r e b o o tl o a d e ra n d o p e r a t i o n a lf i r m w a r e t h eo p e r a t i o nm e t h o d sw h e nt h eb o o tl o a d e rb e g i n st or u n w a sp r e s e n t e d ，a sw e l la ss o m ef l o wc h a r t sa n ds o m e p m g r a m s o p e r a t i o nf i r m w a r e ，w h i c hi st h ee m p h a s i si nt h i sp a p e r , w a sd i v i d e di n t o f u n c t i o n a ib l o c k sa n dw a sd e s c r i b e di nd e t a i l t h ec o n t e n ti n c l u d e dc o m m a n d h a n d l eo fh o s t ，u a r td d v e ra n ds oo n a f t e rs e v e r a lf a m i l i a rc u r v ea l g o r i t h m s w e r ec o m p a r e dw i t he a c ho t h e ra n dt h es t e p p i n gm o t o rd y n a m i cm o d e l sw a s a n a l y s e d ，an e wk i n do fc u r v ea l g o r i t h mw a sb r o u g h tf o r w a r d t h ep a p e ra l s o d e s c r i b e dh o wt oc a l c u l a t et h ef u n c t i o n ，h o wt og e tt h ed a t at a b l e ，a n dh o wt o r e a l i z ei t t h ec h a p t e ra b o u tt e s t i n gc o n s i s t e do fh a r d w a r et e s ta n ds o f t w a r et e s t i n t h eh a r d w a r et e s t ，e s da n de f tt e s tw e r ed o n ea n dt h e i rt e s te n v i r o n m e n t 。t e s t s t a n d a r d sa n dt h e r e s u l t sw e r el i s t e d a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h e d e s i g n ，s o f t w a r et e s tw a sd o n ea n dt h er e s u l tw a sg i v e n as i m p l ew d mt e s t i n g e n v i r o n m e n tw a sb u i l tw i t hs o m ei n s t r u m e n t s a f t e ra g r e a td e a lo ft e s t ，t h e i r r e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ec o n t r o ls y s t e md e s i g n e di nt h i sp a p e rw a sf u l la n d c r e d i t a b l e t h i sc o n t r o ls y s t e mh a sb e e na p p l i e di n t op r a c t i c a lu s e si nw d m s y s t e m k e y w o r d s ： w d m 、l i n e a rv a r i a b l ef i l t e r s 、v o l t a g ec o n t r o lf i l t e r s 、c u r v ea l g o r i t h mo f s t e p p i n gm o t o r 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果据我所知，除文中已经注明弓l 用的内容外，本论文不包含其他个人巳 经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名： 拇魄州6 一厂 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学 位论文的内容编入有关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出 版。保密的学位论文在解密后适用本规定 学位论文作者签名：黼师签名：缸学位论文作者签名：亿毕特师签名： 彬 日期：6 l 司雌6 f 日期：jo d 彦易乡 华东师范大学硕士学位论文 基于v c f 的光滤波器的控制系统的设计与实现 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 1 9 9 7 年美国m c i 公司采用密集光波分复用技术( d w d m ，d e n s ew a v e - l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x w d m ) 在圣路易斯到芝加哥建立了w d m4 x 1 0 g b i t s ( 4 波长也就是4 个通道，单波长的速度为1 0 g b i t s ) 商用线路，全长2 7 5 英里。 这标志着w d m 的发展进入了一个新的时代【1 】。 光纤通讯在2 0 年的发展中的速度超乎人们的想象。光纤通信系统经历了几个 发展阶段，从8 0 年代末的p d h 系统，9 0 年代中期的s d h 系统，2 1 世纪以来光 纤通信系统自身在快速地更新换代。光纤通信正在向全光传输网的方向发展，而 w d m 是全光传输网的基础与关键。他采用虚拟光纤技术，可以较低的成本极大扩 展传输信息的容量闭。 光滤波器属于w d m 中较为关键的器件【1 】，可以说滤波器的好坏直接决定了 w d m 信号传输的优劣。首先，纷繁的滤波片种类层出不穷，这些根据结构和材料 设计的滤波片提供了很好的基础，举个例子来说，就像f 1 赛车，所有的车都必须 采用同样的发动机，但是由于配件的不同，就会带来不同的速度效果。接着，对于 光滤波器的控制和使用显得更加尤为重要，车手控制才是赛车最终的决定性因素。 本文正是采用了线性可变光滤波器，通过软件设计和硬件设计控制系统，使用一定 的曲线算法，使得其达到更好的效果。 本研究的意义在于，实现了有源的控制光滤波器的微系统，采用了新的步进电 机的曲线算法，改善了w d m 中的光滤波器的控制性能。对于w d m 系统中提高发 射和接收部分的光信号的滤波质量，对w d m 信号的传输的发展具有一定的意义 1 2 研究概况 国内外几大光电通讯的大型公司，例如j d s u ( 捷迪迅) ，f i n i s a r ( 菲尼萨) ， f e ，v e e c o ( 维易科) 在w d m 中的研究都非常深入网，在光滤波器的应用研究 中，n e c ，康宁，e - t e k 等做出了很多的工作t z j 。他们的光通讯产品正被用在大型 的w d m 系统中。除此之外，更多非公司非赢利的组织与个人也在这方面分享了更 多的资源与设计理念，其中包括s t e p p e r c o n t r 0 1 c o m 网站所提供的软硬件平台问。 n e c 的w d m 部分如图1 1 所示，可以代表一部分光通讯公司对于光滤波器 部分的做法。对于此部分，n e c 的w d m 产品的做法是采用波导阵列光栅，波导 阵列光栅是无源器件，光信号通过波导阵列光栅产生四十路的光信号进入w d m 华东师m 大学碰学位文基f v c f 的光措波的控制系统的设计与实现 端。在这个系统中对于光波的滤波完全依靠于无源器件波导阵列光栅的滤波，它的 优点在于信号传输不需要控制，缺点在于由于光栅的固定性，所以在波长的选择上 线路较为单一。 图1 1 n e c w d m 端 先行产品以其曲线拟合技术和频率可控的特点，被w d m 使用厂商所认可，并 已经用在了w d m 系统当中。根据厂商提供的文档，其产品特点和本论文的系统的 设计优势如下面的表格所示 先行产品本论文的设计需求 嵌入式系统 否 是 所使用的模块 v c f 5 0 门0 0v c f - 5 0 门0 0 波段c 波段或l 波段c 波段或l 波段 设定光波的频率的误差o - 3 g h z 完成两通道转换所需虽小时间 ( 秒) 3 8 2 8 内 完成所有通道( 1 0 0 个) 扫描 一遍的时间( 秒) 1 0 s 6 s 内 硬件保护电路无有 有有 软件保护赴理( 当滤渡器无法完成设定的波 ( 当滤波器无法完成设定的波 长频率的时候，强制停下，关长频率的时候，重新选择最优 华东师范大学硕士学位论文基于y c f 的光滤波器的控制系统的设计与实现 闭)的频率停下) 无有 温度自动调节功能( 没有温度传感器电路无法完( 根据温度的变化自动调 成此项功能)节) 有所改善( 通过改变驱动电流 模块中的电机走一步的功能无( 硬件没有达到标准)和软件的开启关闭延时来改 善) 有( 当达到所设定的光的频率 临时关闭模块功能无( 上电则模块一直被供电)值后关闭模块) 成本相比较而言略高 相比较而言略低 ( 所选器件需做c o s td o w n ) 表1 1 先行产品与本论文设计的比较 相比较而言，先行的主要缺点在于：g p i o 的输出完全依赖于d e l a y 函数的空等， 甚至没有采用中断的方式，而是采用消耗资源的轮询的方式；步进电机的走位不够 精确，移动的时间周期过长等问题。 对于其中步进电机的控制i s ，包括生产先行产品的厂商在内的一些依靠机械控 制的方法实现光滤波器功能的公司，在步进电机的控制算法研究领域中也做过很多 工作。常见的几种步进电机的算法控制例如直线型，锯齿型，指数型等已经被广泛 应用，这些内容会在后续的章节中做详细介绍。本论文将提出一种新的步进电机的 曲线算法。 1 3 本论文的研究内容 1 3 1 本论文的研究内容和研究方法 本论文就是基于v c f ( v o l t a g ec o n t r o lf i l t e r s ) 模块进行的控制系统的设计，以 下是本文的设计与v c f 模块的关系图 3 华东师范大学硕士学位论文基于v c f 的光滤波器的控制系统的设计与实现 包含信息 的光波 图1 2w d m 中的光滤波部分 h o s t 端决定所需要的光 波长 关系图显示了本论文设计在整个系统中的位置。简单的描述系统，h o s t 端通过与 本论文设计的控制系统通讯给出需要的波长要求，控制系统将会控制v c f 模块中 的步进电机带动滤波片达到一定的位置，得出所需要的波长。本论文设计的控制 系统联系着总的w d m 控制系统与光滤波器。 设计要求： ( 1 ) 所有的通道( 1 0 0 个) 移动的时间( 即扫便l 波段的时间) = 1 0 s ( 2 ) 设定的滤波的频率值与实际得到的频率值的误差 = 6 g h z ( 3 ) 相邻波段的调整时间为= 2 s 设计方法与过程： ( 1 ) 基于v c f 模块，选择适合的微处理器，温度传感器等一系列的元器件。 ( 2 ) 绘制电原理图，c a n d a n c e 仿真，确定p c b ，送交工厂制作 ( 3 ) 绘制系统架构，编写b o o tl o a d e r ，编写o p e r a t i o n a lf i r m w a r e 。 ( 4 ) 在工厂中根据曲线拟合技术，针对模块计算出a d 值所对应的光波的频率 值。计算步进电机控制曲线，重点放在i s r 中断服务处理子程序上。 ( 5 ) 软硬件联调，修改硬件以及程序。 ( 6 ) 测试。 4 日日日 华东师范大学硕士学位论文基于v c f 的光滤波器的控制系统的设计与实现 1 3 2 本论文的结构 本文第二章介绍了光纤通讯w d m 的原理，然后分析研究几种w d m 中关键器 件光滤波器，包括m a c h - z e h n d e r 光滤波器、光栅滤波器，激光可调谐光滤波器， 声光可调谐滤波器，以及法布里一珀罗光滤波器，之后提出了本文所使用模块中采 用的线性可变滤波器。最后对于模块进行了介绍以及根据步进电机的计算公式确定 了步进电机选型。 第三章是控制系统的硬件设计部分。叙述了本设计遵从的电气规范和电接口规 范，然后分成功能模块对控制系统的硬件进行了介绍并给出原理图。包括电源传换 部分的处理，m c u 的选择，a d c 接口以及参考电压的设计，u a r t 1 2 c 接口的电 路图，以及重启、温度传感器、硬件保护电路步进电机的驱动电路等等。最后，介 绍了为了测试而设计的测试板( 模拟h o s t 的硬件) 硬件部分的设计介绍主要是 功能的描述，构成了实现软件的基础。 第四章是控制系统的软件设计部分，按照设计的顺序，首先阐述了b o o t l o a d e r 的实现方法，然后重点介绍了o p e r a t i o n a lf i r m w a r e 的架构。在 o p e r a t i o n a lf i r m w a r e 中具体描述了每个功能模块的实现方法，同时列出了部分流 程图。在步进电机的驱动部分，本文提出了一种新的曲线速度控制方法。最后介绍 了为模拟h o s t 而设计的使用q t 编写的测试程序。 测试章节分为了硬件测试和软件测试部分。控制系统硬件测试包括e s d 测试 和e f t 测试。软件测试则包括a d 的读取测试以及设定频率即步进电机的移动测 试等等。最后还将本设计置于w d m 的设备中进行了测试。 最后一章进行了总结与展望，提出了本设计更待改进的方面。 1 3 3 本论文的工作和创新点 ( 1 ) 研究了光滤波器相关性能，分析比较了常见的光滤波器和本文基于法布里滤 波器的线性可变滤波器，指出了各个滤波器的优缺点。对于v c f 模块中的滤波器 进行了分析。 ( 2 ) 设计并实现了基于该模块的控制系统，在硬件方面具体阐述了控制系统的实 现与方法。绘制p c b ，送交工厂制作。 ( 3 ) 解决了a d 读取不准确的问题，解决步进电机走位不准确的问题 ( 4 ) 为模拟h o s t 而设计的测试电路板，绘制p c b ，送交工厂制作。 ( 5 ) 设计了控制系统的软件部分，包括b o o tl o a d e r 和o p e r a u o n a lf i r m w a r e 。 5 华东师范大学硕士学位论文 基于v c f 的光滤波器的控制系统的设计与实现 ( 6 ) 增加了温度自动调节的功能。 ( 7 ) 为模拟h o s t 而用q t 编写了测试程序。 ( 8 ) 结合步进电机的特点提出了一种新的步进电机的曲线算法，并给出了具体实 现的过程。 6 华东师范大学硕士学位论文基于v c f 的光滤波器的控制系统的设计与实现 第二章w d m 光滤波器及v c f 模块的研究 2 1 光纤通讯概述 w d m 波分复用技术。是一种超高速的光缆技术。波分复用技术，就是在单一 的光纤内同步传输多个不同波长的光波，让数据传输速度和容量获得倍增，它充分 的利用单模光纤低损耗区的巨大带宽资源，采用合波器，在发送端将不同规定波长 的光载波进行合并，然后传入单模光纤。在接收部分再由分波器将不同波长的光载 分开的复用方式 6 1 。不同的波长的载波是相互独立的，所以在双向传输中不会出现 问题。 2 1 1 发展历史陶 在8 0 年代初，光纤通信兴起之初，人们想到并首先采用的是在光纤的两个低 损耗窗口1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m 窗口各传送1 路光波长信号，也就1 3 1 0 n m 1 5 5 0 n m 两波分的w d m 系统，应用在了美国的a t & t 网中。 1 9 9 5 年开始，w d m 技术的发展快速发展，随着1 5 5 0 n m 窗口e d f a 的商用 化，w d m 系统的应用进入了一个新时期。人们不再利用1 3 1 0 n m 窗口，而只在 1 5 5 0 n m 窗口传送多路光载波信号。由于这些w d m 系统的相邻波长间隔比较窄 ( 一般1 6 n m ) ，且工作在一个窗口内共享e d f a 光放大器，为了区别于传统的 w d m 系统，人们称这种波长间隔更紧密的w d m 系统为密集波分复用系统。所谓 密集，是对相临波长间隔而言的。过去w d m 系统是几十n m 的波长间隔，现在的 波长间隔小多了，只有( 0 8 2 ) n m ，甚至 - 光光 一 长 份份 长 分 一 器 光功率光线路光线路光前置 器 d 1 祷- k 放大放大 前士 图2 2 d w d m 光缆系统 t j 功率放大器，线路上的光放大器、线路放大器，接收侧解复用器之前的光放大器 前置放大器。现在人们研制的放大器有3 种即半导体激光放大器、非线性光纤拉曼 放大器和掺稀土元素的光纤放大器。 9 华东师范大学硕士学位论文基于v c f 的光滤波器的控制系统的设计与实现 光滤波器，光滤波器有两类，一类为干涉滤波器，另一类是吸收滤波器，两者 均可由介质薄膜构成。下一节将详细介绍光滤波器。中国工程院院士赵梓森也在他 的文章【1 】中提到。当前，光纤光栅型的光滤波器的温度性能不够好，只能用于波长 较少的w d m 系统。大多采用高质量的干涉滤光片型的光滤波器，性能比较稳定。 本文研究的正是使用滤光片型光滤波器。 2 3 光滤波器的研究 w d m 系统中，光纤中不同波长传输的信号需要进行复用或解复用的方法。即 每个接受机都必须选择需要的信道，完成这项工作的任务由光滤波器来完成。这是 w d m 系统中的关键。滤波器需要关注的参数有：插入损耗、带宽、边带抑制、动 态范围、可调速度、控制机理、尺寸等等。国际电信联盟标准( i t u ) 规定了设置 信号波长的具体数值，光滤波器的设计就需要结合这样的标准。光滤波器的种类层 出不穷，有些复杂而且成本高的滤波器就不在这里赘述，这里研究的几种滤波器属 于比较常见的类型，意在比较本论文所使用的滤波器的特性。 以下简单介绍几种常见的滤波器： 2 3 1 几种常见的光滤波器的比较分析 ( 1 ) m a c h - z e h n d e r 光滤波器阻9 - 1 伽 m a c h - z e h n d e r 光滤波器如图1 3 所示，由两个输入端，两个输出端和两个 3 d b 耦合器组成。两个3 d b 耦合器中间的两臂光纤长度不等，相差l 。调整l 的方法为在光臂上贴上热敏膜或加上p z t 。两个相干单色光经过不同的光程传输 后的干涉理论是该光滤波器的原理。光经过第一个3 d b 耦合器均匀地分配到干涉 仪的两臂上。由于两臂的长度差为l ，那么经过两臂传输过来的光就有满足一定 的相位差， 即， 妒= 2 石n a l 2 ( 式2 - 1 ) 1 0 3 4 华东师范大学硕士学位论文基于v c f 的光滤波器的控制系统的设计与实现 那么在右边的输出端两个输出光纤中一个相长干涉，一个相消干涉。举例说明，有 1 两个波长复用后的光信号由光纤送入光滤波器输入端，经过3 d b 耦合，如果 在输出端e l3 满足 t 消输条件，则输出几，相反如果在端口4 ，匕满足相消 条件，而输出 i m a c h - z e h n d e r 光滤波器优点有：信道间的间隔可以做的很小，制造成本也非常 低，对于偏正不灵敏，一般也不会发生串音。 缺点：是对于波长或者频率的间隔要求非常的苛刻，且所有信道的频率必须是间隔 的倍数，随着信道数的增加光滤波器成指数倍的增加，为调谐和设备复杂度带来了 难题。 ( 2 ) 光栅滤波器【 住1 3 1 光栅滤波器利用光栅的反射特性的原理，每条光栅条纹均通过f r e s n e l 反射对 如入射光提供反射的作用。当入射光满足光栅条纹的谐振加强条件的时候，光栅的 反射率将达到最大值。此时的峰值波长也称为布喇格波长。随着光栅距离的移动， 布喇格波长也会发生改变 特点：结构非常简单，且已经达到较高的工艺水平。f s b 宽( 5 0 0 n m ) 能充分利 用各信道的光功率，使用n 个接收器接受n 个波长的信号，不会有功率的损失， 不需要控制系统。 缺点：需要与信道相同个数的光接收器，不同的信道有可能损耗不同会带来误差， 分辨率低。 ( 3 ) 激光可调谐光滤波器【1 4 1 5 1 6 1 激光可调谐光滤波器的典型结构由三部分组成：d f b ( 分布式反馈式) 增益 区，相位调制区，反射区。通过激光的选模特性，依据改变注入电流的方法来改变 激光器的可调谐部分。远超过激射阀值的电流的条件下，d f b 增益区提供光信 号，反射区由于没有明显的吸收和增益，当忽略光子与载流子的相互作用后，这就 像一面镜子。相位调制区通过调节光相位，控制脉动的产生。 优点为：作为有源器件，可同时提供增益；调谐速度很快。 缺点：分辨率比较低，f s r 小，对偏正敏感。 ( 4 ) 声光可调谐滤波器【1 声光可调谐滤波器由声光偏振器和偏振分波器所组成。他将输入的光谱分成两 束输出，包括了被滤波的部分。当超声波加载于光波导上的时候，就会引起光波导 介质折射率周期性的变化，就如同光栅的作用。利用只有当满足布拉格条件的偏振 模式的光能量，于是光的传输模式发生了改变。可以知道，声波的频率决定了发生 偏振转换的光波长。如图2 4 中偏振分波器用来分离输入波，并将它们路由导不同 华东师范大学硕士学位论文基于v c f 的光滤波器的控制系统的设计与实现 的波导中。遵循分集原理便形成单级带通滤波器。若将两个滤波器级联起来，便可 形成两级波长可调的滤波器。 图2 4 声光可调谐滤波器结构图 特点：调谐的范围比较宽，插入的损耗小，调谐的速度快，利用声波信号进行调谐 输出多路信号。 虽然优点很多，但其还处于发展阶段，在未来的全光网络中是很有前途的。 ( 5 ) 法布里珀罗( f a b 妒p e ”o t ) 【1 8 1 9 2 q 法布里珀罗滤波器有两个端口，一个为输入一个为输出。当大量的波长通道通过 他的时候，只有一个波长通道被选择。一个波长通道配备一个波长，那么需要多少 的数量的波长就会有同等数量的f p 滤波器。其由两个平行放置的高反射板构 成。平行板对入射光的多次反射，形成干涉。当两束相邻光束的相位差满足 尹22 m 石其中m 为整数，此时可以得到光强分布的极大值。 如果经过平板输出的波长关系满足： 小2 z 棚 ( 式2 - 2 ) 其中，d 为两反射面的间距( 介质厚度或者腔长) ，m 为整数，是入射光在真空 中的波长，n 是反射面之间介质的折射率。 从上面的式子中不难看出通过改变反射面的距离d 以及改变两平面板之间的介质 就可以得到相应的波长从而选择出相应频率的光波 f p 滤波器的传输特性表示如下，即自由光谱范围f s r 就为， 。麟：笠 2 r i d ( 式2 - 3 ) 目前f - p 滤波器的主要有微型电动机械系统( m e m s ) f - p 滤波器、波导f - p 滤波 器、光纤光栅f p 滤波器、液晶f - p 滤波器、固体腔f p 滤波器和光纤f p 滤波器。 接下来介绍的本论文所使用的线性可变滤波器就是运用的这一原理。 1 2 华东师范太学硕士学位论文基于v c f 的光游眭的控制系统的设计与宴现 2 , 3 2l v f ( l i n e a rv a r i a b l ef j l t e r s ) 线性可变滤波器刚 图2 5 线性可滤波片 此线性可变滤波器，关键特点是连续可变波长选择，使得器件的设计可以复杂 和多功能。它是在一个方向上有目的的楔入涂层( c o a n g ) 的带通滤波器，由于 带通中心波长( b a n d p a s s 。sc e n t e rw a v d e n g t h ，c w l ) 由涂层的厚度来决定，穿 过滤波器峰值的波长将随着滤波片位置的不同而会有一个线性的变化。中心波长的 变化可以保持在05 的范围内。 一个特定的波长可以通过调整滤波器到个需要的线性位置的方式而选择。通 过源或者光栅扫描，可以得到一个持续快速的滤波器的全波长范围的扫描。l v f 涂层田1 的制造决定了它可以调整的波长的范围，从3 0 0 h m 的光谱中的可见光谱 ( v i s ) 部分到2 0 u r n 的红外线i r 。标准的l v f 有一个特殊的波长范围即滤波 器开始波长的两倍。比如说，如果需要l v f 开始的波长为3 8 0 n m ，那么结束的波 长为7 6 0 h m 。这样l v f 设计就可以允许用多个滤波器的方法，从而得到波长范 围可以超过两倍。l v f 的分辨率被指定在中心波长的1 - 2 ，更高或更低的分辨率 都有可能。根据近红外光谱( n i r n e a r - i n f r a r e ds p e c t r u m ) 的需求，l v f 的分辨 率可咀达到00 0 5 。根据不同的应用供应商可以提供不同的分辨率。 11 囊霍 & 长( n m 圈2 , 6 线性可变带通滤波器测试光谱图2 7 滤光片的结构固 华东师范大学硕士学位论文 基于v c f 的光滤波器的控制系统的设计与实现 本论文设计中采用的滤光片属于l 波段( 1 5 6 5 - 1 6 1 0 n m ) 2 4 v c f 模块 2 4 1v c f 模块概述 该模块简称v c f ( v o l t a g e - c o n t r o l l e do p t i c a lf i l t e r ) ，可以用来光信号的放 大自发辐射光源( a s e ) 的抑制，也可以在d w d m 多信道中分路出单个信道。当 然它也能用在复杂动力学中光波长的增减的应用。该器件的原理是通过调节线性可 变滤波器来调整通过滤波器的光的长度。通过微机接口，使用者直接输入波长来校 准v c f 从而得到所需要的光波 中心波长的选择依靠的是精确的使用外部集成电路驱动的步进电机。驱动使得 滤波器在中心波长上下移动来找到最佳的点而提供了更好的分辨率。v c f 很小的 体积对于做p c b 来说非常的方便。v c f 只需要很小的电压。v c f 的引脚如下图所 示，对于检测和焊接非常方便。v c f 的传输光谱已经被优化为低插入损耗，高阻 和低的色散。 。 r 、 ijj 多 l 们 炭 一 c e 乃嘲 6 l - c 入 3 一 5 a 图2 8v c f 侧面及其放大引脚部分图图2 9v c f 外观图 v c f 内部包含这样的几个部分：步进电机( s t e p p e rm o t o r ) ，光学部件 ( o p u c s ) 一其中主要是上文提到的l v f ，电位计( 滑线变阻器) ( p o t e n t i o m e t e r ) 以下是v c f 模块内部的结构原理图 1 4 华东师范大学硕士学位论文 基于v c f 的光滤波器的控制系统的设计与实现 f a 旷，心嚼 嘴嚣筠 ； 一一嘲灌； ： ：f 附 图2 1 0v c f 模块内部结构原理图 2 4 2v c f 中的步进电机 步进电机圈，是可以将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。如 果没有负载，电机的转速以及停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，不受负 载变化的影响。电机得到一个脉冲信号后，转过一个步距角。这是一种线性关系。 步进电机的只有周期性误差而没有累计误差的特点，非常有益于各种器件对它的要 求，有着广泛的应用。由于不如直流或交流电机那样容易控制，它需要由双环形脉 冲信号来控制，要很好的控制它需要采取一定的方法。 本文采用的步进电机的结构图如下所示逻辑。1 。为+ 3 3 v ，对于逻辑”0 。，引脚要 提供满额定电流才可驱动( 例如，浮动或低压t t l 或c m o s 的0 都无法驱动) np + 一； 厂v 、褪。 4 1 珏 | 1 。 + 一 图2 1 l 步进电机结构图 使用下列状态表中的数据来决定电机的初始状态。表2 1 描述了步进电机的运 动逻辑。按照自上到下的顺序执行此序列就可以使电机前进，使波长增加；反之， 按照自下到上下的顺序执行此序列就可以使电机后退，使波长减少。按照此原理编 写驱动程序，就可使电机运转起来。阉 1 5 哪岫咐雌 一睁两一 二“卜h黑嚣 华东师范大学硕士学位论文基于v c f 的光滤波器的控制系统的设计与实现 00 1 1 101o 11oo 表2 1 步进电机全步驱动逻辑表 对应一个脉冲信号，电机转子转过的步距角位移用e 表示。6 = 3 6 0 度( ，转子齿 数j 运行拍数) ，以常规二、四相，转子齿为5 0 齿电机为例。四拍运行时步距角 为e = 3 6 0 度，( 5 0 4 ) = 1 8 度( 俗称整步) ，八拍运行时步距角为e = 3 6 0 度， ( 5 0 8 ) = 0 9 度( 俗称半步) ，由于步进电机移动一整步，滤波器中心频率变化 为3 3 g h z ，不能满足控制精度的要求，所以使用半步驱动来控制，这样v c f 的机 械精度为1 7 g h z 半步。 v c f 引脚 l ( a - )2 ( b + )3 ( b 一)4 ( a + ) o0l0 l0l0 l000 lloo olo o olol oool ooll 表2 2 步进电机半步驱动逻辑表 整个v c f 模块中的机械结构可以简化成入图所示的结构模型。 m o t o rs h a f t ： 图2 1 2 步进电机结构模型图 考虑到知识产权的问题和论文研究的核心问题，这里并不给出计算材料的具体参数 而是给出分析过程所需要的公式。 1 6 华东师范大学硕士学位论文基于v c f 的光滤波器的控制系统的设计与实现 如图2 1 2 所示t i l t 为质量，f 为驱动力，7 为传输效率，p 为螺纹间的间距 则惯量j 为网， j = m ( p 2 i t ) 2 k g m ( 式2 - 4 ) 扭矩m 为网， 转动角度为胆3 i ， 角速度为嗍， 功率为昭3 l ， 角加速度为伫3 l ， m = f p 2 翻r r l n m ( 式2 5 ) 秒= 2 石d l p r a d ( 式2 - 6 ) 0 3 = 2 t r v l p r a d ( 式2 - 7 ) 厶= 2 石厄_ m 】 ( 式柏) a = 2 爿r 。a p r a d s 2 】 ( 式2 - 9 ) 本文选用的步进电机是丹纳赫传动公司出品的p o r t e s c a p t u r b o d i s c 步进电机， 摹 暑 图4 1 7 步进电机规格图【2 3 】 1 7 华东师范大学硕士学位论文基于v c f 的光滤波器的控制系统的设计与实现 步进电机的相关参数如- f e 2 习 线圈独立参数 电阻 o h m1 9 5 电感 m h 1 4 8 额定电流 ao 1 5 ( 2 p h 0 n ) 额定电流( 1 ao 2 l p h o n ) 力矩参数 保持力矩 m n m1 6 8 定位力矩 m n mo 3 摩擦力 m n mo 2 步迸电机参数 步数，每圈 4 0 步进角d e g r e e 9 角度误差( 全 + 1 0 步) 惯性e - 7 k g m 2 0 0 7 自有共振频率 略2 机械时间常数 m s 电时间常数 m so 6 表2 3 步进电机参数裂明 2 4 3 电位器闭环控制原理 电位器闭环控制即通过对步进电机的驱动，使滤波器移动到相应的位置，同 时实时监测一起在滑线变阻器上移动的滑片的位置，这样就形成了以电压位置定位 的闭环控制。 步进电机一般应用于低速的场合，每分钟转速不超过1 0 0 0 转，最好在1 0 0 0 - 3 0 0 0 p p s 间使用，可通过减速装置使其在此间工作，因为此刻的电机的工作效率 高而且噪音低。v c f 使用的电机转速为4 0 0 p p s 时走完全程需要5 秒，但试验中 发现，在电机运行时，由于电流突然增大造成的干扰及振动，使电位器的a ，d 采集 数据不稳定。于是采用了低速- 常速一低速的方式，即在启动时采用逐渐升频提速，一 来电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。关于速度控制的曲 线算法会在后续章节中详细叙述。 1 8 华东师范大学硕士学位论文 基于v c f 的光滤波器的控稍系统的设计与宴现 第三章控制系统的硬件设计与实现 硬件设计思想 对v c f 中的步进电机控制的实现，需要m c u 通过驱动电路进行控制。对于 器件的温度感应，需要温度传感器电路与m c u 进行通讯。而存储温度与电压对应 表等内容的e e p r o m 通过1 2 c 被m c u 读取。监测v c f 中滑线变阻器的位置的 功能通过保护电路与m c u 的硬件中断i n t 相连而实现。其余包括一些l e d 显示 状态功能，电源的分配等等。当然为了用p c 模拟h o s t ，还需要设计测试板来与 控制系统进行通讯。