基于改进的PID算法的光模块设计和实现

余子敬 肖程望 吴健学

摘 要：讨论了基于100G可调谐激光器光模块的设计与实现，简单介绍了MCU中各个模块功能。主要的技术涉及TEC控制、波长锁定、波长调谐和功率补偿等。通过分析传统的位置式PID算法，改良PID算法并使用该算法实现波长锁定，这样可以防止在系统调整过程中，因调整量过冲而发生的波长漂移甚至失锁。

关键词：PID;波长锁定;可调谐激光器;TEC

中图分类号：TN248

文献标志码：A

随着现代科技的发展，扩大速率通信网络传输容量的增大光纤通信已经成为了现代信息网络的主要传输途径。在现代光通信网络中，WAN（广域网）、LAN（局域网）和MAN（城域网）的发展都伴随着越来越多种类的以光收发模块为核心的光电子设备、越来越高的要求和复杂性、越来越多样性的光模块，现代的光模块的发展趋势主要有高速率、小型化、低成本、低功耗、远距离、热插拔等多个方面。本文详细介绍了100G可调谐光模块的软件框架和主要控制算法。

1 系统结构

1.1 系统的硬件结构

本模块如图1所示，采取可调谐的激光器作为光源，该光源通过电流和温度共同控制系统波长。通过Finger供给供电回路、实现模块热插拔功能、为模块高低速的信号提供连接[1]，通过MCU控制芯片与TX CDR、RX CDR和一个control芯片进行信息交互，控制光模块的电压、电流、功率、系统波长等等，从而实现模块在C温度（-5℃～70℃）下，进行多波长、远距离、高速率的信号传输。

1.2 系统软件结构

由于没有操作系统，采用一个无限循环方式的软件架构。

1.3

MCU内部的外设驱动及其功能

微控制单元（MCU），又称单片微型计算机或者单片机，是把中央处理器（CPU）的频率与规格做适当缩减，并将内存（memory）、计数器（Timer）、A/D转换、I2C、DMA等周边接口都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机[2]。光模块的MCU的功能如表1：

2 模块中部分算法的设计和实现

本章主要讲述MCU中的监控模块和TEC控制模块中的主要算法。

2.1 监控（Monitor）功能

该功能实现对光模块中各个监控量的原始值、DDM值进行采样和平均等处理，保证MCU监测和控制各个模块，如图2所示。在监控模块中，我们引入一些算法，使得到的值更加精确。

2.1.1 采样值的平均

2.1.2 模块温度的计算

假设T为模块连续两次ADC采样的均值，则模块温度的计算公式为Temp=（T* （25+273.15）/（2292+TREF） - 273.15）*256，单位为1/256℃。计算出模块温度值后，需要补偿该计算值。补偿的时候分为3种情况：常温下，即为Tcom=Temp+Offset;在高温下，Tcoml=Tcom+（ Temp/256 - 25）*256，在低温下，Tcom2 -Tcom+ （Temp/256 - 25）*TL。参数TH，TL，Offset的取值都是事先测量的，已经写入相应的寄存器中。

2.1.3 发送接收端功率补偿

模块在不同的温度和模式下，其发送接收的光功率也会受到影响，但这种影响不会直接反映到采样值，所以需要做一些补偿。在高低温条件下，功率的补偿公式为：RxPower—RxPW*Ml/M2+ol/02+（T/256-25）*TCF;

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

其中，RxPW/TxPW为采样值的平均值，M1/M2为斜率值，ol/02为校准截距值，T为当前模块温度值，TCF为高低温补偿系数（即TH，TL）。

2.2

TEC控制功能

本模块是基于DBR激光器设计和实现的。DBR激光器采用温度控制和电流注入两种机制共同实现波长调谐的目的。选取PID算法实现系统的自动校正，通过对系统不同时刻模块温度值、输入的电流值的差异和设置值与采样值的差异的校正，实现自动校正误差的功能，保证TOSA的温度稳定和系统的波长稳定[3]。

2.2.1 PID算法原理单元会瞬间矫正误差。控制单元作用的强弱与比例系数K_p。成正比。但K_p设置过大，系统越易发生振荡。所以需要选取一个适宜的K_p，既使得过渡时间短，误差小，而且尽量不影响系统稳定性[4]。

PID控制器的积分单元为

，控

制过去值。只要偏差存在，控制作用就会不断累加，只有在偏差为零时，积分单元保持不变。积分单位的可以消除偏差，也会减慢系统的响应速度，增加系统超调量。积分常数T_i越大，积分的积累作用越弱，即系统过渡时不会产生振荡;增大积分常数T_i，会延长静态误差消除的过程，延长消除偏差所需时间，但减少超调量可以增加系统的稳定性;当积分常数T_i较小时，会缩短消除偏差所需的时间，但会降低系统的稳定性[4]。

PID控制器的微分单元为K_d[e（k）-e（k-1）]，控制将来值。微分单元的作用是控制偏差变化的趋势，尽可能减缓偏差的变化趋势。微分单元的引入有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定。微分时间常数Td和抑制偏差的力度成正比[4]。

2.2.2 PID算法參数的选取

PID控制器的参数选取是PID系统设计的关键，设计的控制器要求对系统的震荡降至最小。

PID算法参数的选取遵循一般性选取规则：1.将积分、微分时间常数设为O，输入值设为系统最大值的60%～70%，从零逐渐增大K_p1，直到系统出现振荡，再从此时K_p1逐渐减小直至振荡消失，记录K_p1p1ip1d

2.2.3 PID算法实现

本课题采用位置式PID算法，当前的控制量根据当前误差、累计误差和前向误差共同决定。ADC定时每隔一段时间采样一次TOSA的温度（一般为1Oms），TEC循环控制功能每隔60ms执行一次（一般为60ms，根据具体的情况设置值），将采样得到的温度（电压）与目标温度（电压）做差值比较，调整TEC_SET值，改变TEC电流大小，最后达到TEC进行制冷制热的目的。（TEC的温度控制功能只有在TEC循环控制程序执行时才起作用，即每60ms执行一次）。

位置式PID算法流程如图3。

3 PID算法的改进

在实际应用中常采用传统位置式PID算法校正采样值，但是这种算法每次输出均与过去的状态有关，计算时要对偏差e（k）累加，这样不仅计算量大，而且容易飽和积分。在实际应用的过程中，总会遇到一些问题，如在一定范围内调整量和被控量会成单调递增的关系，但是超过这一范围，调整量和被控量的关系可能会呈递减的关系[8]。

如图5所示，如果控制量的目标值为B，当前控制量的值为A，若系统可能出现较大振荡，可能出现下一次控制量跳转为C的情况，这样系统误差会越来越大甚至出现失锁。

为了避免上述情况的发生，依照传统的位置式PID算法，提出一种改良后的PID算法。具体的思路如下：假设系统算法的参数设置适宜，则第一次系统进行调整时最容易出现漂移问题，则在第一次系统调整时要保证在安全的范围内，即对第一次调整量设置一个阈值Uk，即防止第一次调整量设置过大而产生漂移。在后续系统调整过程中，对偏差值设置一个阈值ε，只有当调整量和目标值之差小于阈值时，积分单元才会累加，这样在进入积分饱和后，因积分累计小，系统能较快退出。这样，一方面可以保证一开始不会有过大的控制量，另一方面可以避免累计误差过大而造成系统振荡时间延长，即减小超调量，缩短系统振荡周期，提高系统稳定性。具体的数学公式如下：

TECFrist—false;//清除标志位

}

If（ Error<一ThresV）

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

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

temp=temp+InitV;

}

当调整量在一定范围内时，控制量与调整量呈单调递增的关系。当调整量超过某个临界值时，控制量可能变为其他值，即控制量偏差可能突然变大，然后重新与调整量建立单调关系，并且不同通道的临界值有差异。在此情况下，系统在调制的过程中会出现比较大的震荡，即系统的精确度下降，最终会造成波长漂移而失锁。改良的系统可以阻止发生调整过程中控制量过冲的问题，避免了调整量和控制量的可能出现的非线性的问题，从而避免了可能出现因电流过调最终导致的失锁的情况。

参考文献

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