基于单片机ADuCM320i的光电收发模块控制设计

李万军

（索尔思光电（成都）有限公司，四川 成都 611731）

0 引 言

近年来，在光通信领域中随着大数据和海量数据的通信传递需求，大容量光通信的需求愈加迫切，光电收发模块作为光纤传输系统中的心脏，其各项指标决定了传输系统的整体性能[1-6]。而光电收发模块中，激光器的工作稳定性，特别是发射光功率的稳定性对光通信的质量有较为明显的影响。温度对半导体激光器的特性有很大的影响，特别是在高速光通信系统中。为了使得激光器的输出光功率稳定，必须对其温度进行高精度控制[7-10]。同时在光通信系统中，一旦作为关键器件的光电收发模块出现故障或告警，则将对光通信系统产生重大故障，因此对其进行实时监控和数字诊断（Digital Diagnostic Monitoring，DDM）显得尤为必要[11,12]。开展光电收发模块中半导体器件稳定工作的控制设计和研究温度补偿算法对模块自身工作的稳定度提升有重要意义，同时对整个光通信系统是否能稳定、高质量地工作也有重要意义。

1 控制电路设计

本控制电路中的MCU选用ADI公司的ADuCM320i，其内核采用ARM Cortex-M3架构，工作频率可达80 MHz，内部集成了高精度ADC、VDAC以及IDAC。VDAC的可输出范围为0～2.5 V，IDAC的可输出范围为0～150 mA，同时片上还集成了Flash、SRAM、I2C、SPI、UART及PLA等，可开发自定义功能的控制软件。

如图1所示，MCU通过多个GPIO管脚控制光电收发模块的子模块上电时序，其中InitMode、ModSelL以及ResetL来自光电模块的金手指信号，可使模块工作在低功耗状态或进行硬复位。ModSelL为支持多模块访问的选择信号，IntL为模块输出给外部的中断信号，用于监控数据及告警的实时上报。P0.4和P0.5提供一路外部I2C总线接口供上位机配置及查询模块相关信息，P0.6和P0.7提供一路内部I2C总线接口配置和访问内部相关模块。同时，通过片上ADC对光电模块的接收光功率RSSI、模块温度、激光器温度以及TEC工作电流等进行实时监控，通过片上的VDAC对激光器工作点和光电接收管工作点等提供偏置补偿。

图1 MCU外接控制及监控电路

该模块中所使用的激光器驱动电路如图2所示，LD_Bias_Lx为激光器工作偏置输出，EA_Bias_Lx为电吸收调制器工作偏置输出。MCU通过SCL_INT、SDA_INT信号可进行激光器工作点的调谐及补偿，使得激光器长期工作于线性工作状态，达到最好的信号调制状态。

图2 激光器驱动芯片电路

激光器的光功率通过背光电流进行监控，如图3所示，TX_PDx为激光器背光电流产生的电压，通过AD5593的8通道ADC进行模数转换，可对激光器的当前的发射光功率进行实时监测。

图3 激光器光功率监控芯片电路

随着激光器的长时间工作，会导致工作温度逐渐上升，特别是大功率的激光器，其发射光功率的稳定性会受到较大影响，影响光通信的质量。因此，本设计中采用图4中的ADN8834对激光器内部的TEC单元进行自动PID控制，使得激光器基本处于恒温工作状态，保证发射光功率的稳定性和信号的线性调制。

图4 激光器温度控制芯片电路

2 控制软件设计

2.1 DDM及告警上报

DDM是数字诊断监控的缩写，是对光电模块工作状态关键参数的实时监测值，对于某些敏感参数值不在合理范围内，将会上报告警。具体监控和上报流程如图5所示，该软件流程开始后更新监控目标参数的ADC值，并经过校准后得到目标参数的DDM值，然后判别该值是否不在门限范围内，如果不在则设置对应的告警标志并产生上报中断信号，如果监控值在门限范围内则取消产生的上报中断信号。目标监控参数一般包括模块的工作温度、电压、电流、发射光功率以及接收光功率等。

图5 DDM监控及告警上报

2.2 温度补偿流程

光电模块的工作线性度与温度关系最为密切，其工作参数需要随温度变化得到实时补偿才能一直处于良好工作状态。图6中是本设计中的温度补偿流程，软件开始后先更新激光器的实时温度，并计算出补偿表的当前索引值，然后根据索引值查得当前的目标补偿值，最后将补偿值更新到硬件中生效。

图6 温度补偿流程

2.3 发射光功率自动控制

光电模块中激光器所发射的光功率大小会随温度的变化而变化，为了保证模块在不同温度环境下发射光功率的稳定，设计了图7所示的自动控制流程。软件开始后先更新激光器的当前工作温度并计算出查找表的索引值，然后根据索引值查得当前的发射功率目标值，再更新当前的实时发射功率值，接着判断当前发射功率是否在锁定范围内，如果已经锁定则不再进行误差调整，如果没有锁定则使用PID算法计算误差值，然后根据误差值调整激光器的偏置值，直到发射功率锁定。

图7 发射光功率自动控制流程

3 测试结果及分析

在上位机上使用软件访问光电模块的I2C接口，得到该光电模块的DDM值监控正常，修改报警门限使得报警条件满足后可以正常上报告警中断信号，测试中对应的I2C时序如图8所示。

图8 2C访问测试时序图

本测试中对模块中激光器发射光功率的稳定度也进行了监测，测试方法是使用光接收机持续监测模块的发射光功率，每间隔1 s记录一个功率值，将1 min内采样得到的60个样点值求均值，然后计算出该均值的绝对误差百分比值进行观察。如图9所示，图9（a）、图9（b）以及图9（c）分别是环境温度为65 ℃、25 ℃和-40 ℃下的发射光功率误差百分比，3种环境温度下激光器的输出光功率的误差均小于5%，工作稳定，能正常满足光通信的发射功率要求。

图9 不同温度下发射光功率稳定度测试

4 结 论

基于单片机ADuCM320i对光电收发模块的控制电路和控制软件进行了设计，同时对电路的工作原理和控制算法进行了详细介绍。最后，对设计的光电收发模块进行了测试和结果分析，测试内容包括该模块的I2C访问功能、DDM查询及告警上报功能以及发射光功率稳定度等，测试结果显示功能均正常且光功率误差在高温、低温及常温环境下均小于5%，满足工程应用要求。