CN108123757B - 一种基于mcvoa的快速自动标定及衰减控制的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MCVOA的快速自动标定装置，包括MCVOA小板、光功率计、上位机、激光源，需要标定的MEMSVOA安置在MCVOA小板上，MCVOA小板上MEMSVOA的两根光纤一根连接激光源，一根连接光功率计，上位机通过可供电串口转接小板与MCVOA小板进行连接，同时上位机通过串口连接线同光功率计连接。本发明还公开了一种基于MCVOA的快速自动标定装置进行自动标定的方法，以及公开了一种基于自动标定进行衰减控制的方法。本发明相比现有技术具有以下优点：MCVOA模块具有强替换性，当MCVOA模块出现故障后可替换为已经标定好的MCVOA模块，不需再重新标定；自动标定大大提高了MEMSVOA衰减下发的精确度；只需要用户输入目标dB值，便可以通过数学函数精确的算出对应的DAC值，从而大大节省了操作时间。

Description

一种基于MCVOA的快速自动标定及衰减控制的装置和方法

技术领域

本发明涉及量子通信领域，尤其涉及的是可变光衰减器的标定及衰减控制的装置和方法。

背景技术

量子通信种类产品中都有对光纤链路进行衰减控制的需求，现有的控制量子光路衰减器多采用加拿大OZOPTICS公司生产的可调衰减器(以下简称OZ衰减器)，此方案有以下弊端：

1)OZ衰减器体积较大，不便于集成在整机产品中；

2)OZ衰减器采用步进电机遮挡光的机械方式实现衰减调节，对量子光路的衰减反应速度较慢，一般为1秒左右；

3)相比于其它光衰减器来说，OZ衰减器价格较高，加大了生产成本；

4)OZ衰减器为已标定的衰减器，功能固化封闭，模块灵活性、可扩展性较差。

可变光衰减器(Variable Optical Attenuator，VOA)是光纤通信中一种重要的光无源器件，通过衰减传输光功率来实现对信号的实时控制，可与光波分复用器(WDM)、分光探测器(TAP-PD)、掺铒光纤放大器(EDFA)等光器件构成ROADM、VMUX、增益平坦EDFA等模块，还可直接用于光接收机的过载保护。根据制造工艺进行区分，常见的VOA类型有传统机械型、液晶型、平面波导型、微机电系统(Micro-Electro-Micromechanical System，MEMS)型、磁光型、高分子可调衍射光栅型和高光电系数材料型。

基于以上问题，现有采用MEMSVOA(微机电系统型可变光衰减器)控制量子光路衰减。MEMSVOA可通过配置直流模拟电压实现所需的光衰减。MEMSVOA具有体积较小，价格较低，响应速度较快(通常为毫秒级)，可扩展性、灵活性较高等优点。但由于MEMSVOA生产时没有进行标定，而设备出厂时又无法保证性能的一致性，使用者无法知道需要配置多少电压才能实现所需的光衰减，因此，有必要对MEMSVOA进行自动标定。

另外，由于MEMSVOA在使用时受温度影响较大，通常MEMSVOA在出厂时会给出温度相关衰减，所述温度相关衰减反映的是MEMSVOA的衰减值在常温下与最低、最高工作温度下的最大差值；而在实际应用中，当需要对MEMSVOA在不同工作温度下给出精密调节时，只给出温度相关衰减无法满足操作要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种基于微处理器补偿型数控MEMS衰减器(以下简称MCVOA)的自动标定装置和方法，实现在MCVOA控制模块里下发需要衰减的目标值，即可实现实际衰减值。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种基于MCVOA的快速自动标定装置，包括MCVOA小板、光功率计、上位机、激光源，需要标定的MEMSVOA安置在MCVOA小板上，MCVOA小板上MEMSVOA的两根光纤一根连接激光源，一根连接光功率计，上位机通过可供电串口转接小板与MCVOA小板进行连接，同时上位机通过串口连接线同光功率计连接。

该基于MCVOA的快速自动标定装置还包括DAC(数字模拟转换器)，所述DAC连接到MEMSVOA。

该基于MCVOA的快速自动标定装置可以包括1块或多块级联的MCVOA小板，每块MCVOA小板具有一个对应的通道号，从而可以1个或多个模块一起进行自动标定。

串口转接小板连接MCVOA小板上的串口0，若两块或以上的MCVOA小板进行级联，则第一块MCVOA小板串口0连接串口转接小板，上一块MCVOA小板串口1和下一块MCVOA小板的串口0进行连接。

进一步地，上位机上安装有调试标定软件，在上位机调试标定软件中选择需要标定的MCVOA小板，在上位机调试标定软件中设定需要标定的DAC数值范围，该范围由MEMSVOA的额定电压换算而来，上位机从0开始以先粗步进扫描再细步进扫描方式对DAC下发值，以获取VOA衰减值，到DAC上限值为止，通过光功率计在粗扫描和细扫描过程中获取整数衰减值对应的DAC值，并将DAC值与整数衰减值的对应表储存起来，扫描完毕后，在两个整数衰减值之间通过线性拟合，获取完整的衰减曲线，标定结束后，将标定结果即衰减值校准表发送给MCVOA中的MCU模块存储。

本发明还公开了一种采用如上述任一种技术方案所述的基于MCVOA的快速自动标定装置进行自动标定的方法，包括如下步骤：

步骤1：将需要标定的MEMSVOA安置在MCVOA小板上，MCVOA小板上MEMSVOA的两根光纤一根连接激光源，一根连接光功率计，上位机通过可供电串口转接小板与MCVOA小板进行连接，同时上位机通过串口连接线同光功率计连接；

步骤2：上位机上安装有调试标定软件，在上位机调试标定软件中选择需要标定的MCVOA小板；

步骤3：在上位机调试标定软件中设定需要标定的DAC数值范围，该范围由MEMSVOA的额定电压换算而来；

步骤4：上位机从0开始以先粗步进扫描再细步进扫描方式对DAC下发值，以获取VOA衰减值，到DAC上限值为止；

步骤5：通过光功率计在粗扫描和细扫描过程中获取整数衰减值对应的DAC值，并将DAC值与整数衰减值的对应表储存起来；

步骤6：扫描完毕后，在两个整数衰减值之间通过线性拟合，获取完整的衰减曲线；

步骤7：标定结束后，将标定结果即衰减值校准表发送给MCVOA中的MCU模块存储。

作为优化的技术方案，所述步骤1中：1个或多个MCVOA小板级联，每个MCVOA小板具有一个对应的通道号；

所述步骤2中：在上位机调试标定软件中选择需要标定的MCVOA小板，选择通道号。

作为优化的技术方案，该基于MCVOA的快速自动标定装置进行自动标定的方法中，

所述步骤3中，MEMSVOA的额定电压0-13V对应DAC数值范围0–40000；

所述步骤4中，上位机从0开始以先500步进扫描再50步进扫描方式对DAC下发值，以获取VOA衰减值，到40000为止。

作为进一步优化的技术方案，还可以对不同温度条件下的MEMSVOA进行自动标定，不同温度自动标定的工作流程如下：

步骤10：将MCVOA小板放置在恒温空间；

步骤20：MCVOA小板里的温度查询模块记录下当前的温度；

步骤30：以所述步骤2-7的方法获取当前温度下的衰减曲线；

步骤40：再将放置MCVOA小板的恒温箱的温度进行调节，再重复步骤20-30；

步骤50：以此类推，最终产生不同温度下的衰减曲线。

本发明还公开了一种基于上述任一项所述的快速自动标定方法进行衰减控制的方法，包括如下步骤：

步骤100：用户通过上位机调试标定软件，选择MCVOA小板，给MCVOA小板下发所需的衰减值；

步骤200：上位机调试标定软件通过串口转接小板将目标数据帧发送给MCVOA中的MCU模块；

步骤300：MCU模块回复给上位机调试标定软件原始数据帧，表示已经接收到数据；

步骤500：MCU模块根据FLASH内的MEMSVOA的衰减值校准表得到与衰减值对应的DAC值；

步骤600：MCU模块通过控制DAC实现MEMSVOA的衰减值控制，从而实现用户所需的衰减值。

作为进一步优化的技术方案，自动标定方法还包括不同温度自动标定的工作，具体流程如下：

步骤10：将MCVOA小板放置在恒温空间；

步骤20：MCVOA小板里的温度查询模块记录下当前的温度；

步骤30：以所述步骤2-7的方法获取当前温度下的衰减曲线；

步骤40：再将放置MCVOA小板的恒温箱的温度进行调，再重复步骤20-30；

步骤50：以此类推，最终产生不同温度下的衰减曲线；

则所述衰减控制的方法的步骤300和步骤500之间还包括步骤400：MCVOA小板里的温度查询模块自动查询当前温度；且步骤500中：MCU模块根据FLASH内的MEMSVOA当前温度下的衰减值校准表得到与衰减值对应的DAC值。

作为进一步优化的技术方案，所述步骤1中：1个或多个MCVOA小板级联，每个MCVOA小板具有一个对应的通道号；

所述步骤2中：在上位机调试标定软件中选择需要标定的MCVOA小板，选择通道号，则衰减控制的方法的步骤100中：用户通过上位机调试标定软件，选择MCVOA小板和通道号，给MCVOA小板下发所需的衰减值。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1、MCVOA模块具有强替换性，当MCVOA模块出现故障后可替换为已经标定好的MCVOA模块，不需再重新标定。

2、MEMSVOA具有可扩展性，可根据所需的光衰减值对MEMSVOA通道进行通道扩展。

3、支持级联标定，可以n个模块一起进行自动标定。上位机软件会自动识别对应的MCVOA小板。

4、跟以往的手动下发电压相比，利用拟合数学函数的方法，自动标定大大提高了MEMSVOA衰减下发的精确度，也可以实现更精细粒度的衰减的下发。

5、节省了操作时间。现在下发衰减，只需要用户输入目标dB值，便可以通过数学函数精确的算出对应的DAC值，从而大大节省了操作时间。

6、开发者可将产品的相关数据从标定软件中导出，因此便于产品的维护和管理。

7、可以根据MCVOA小板温度的不同，画出不同的拟合曲线。

附图说明

图1是本发明基于MCVOA的衰减控制的方法的模块整体框架图；

图2是上位软件自动标定结构连接示意图；

图3是本发明实施例中的自动标定结果图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1所示，首先配置好各标定装置，将需要标定的MEMSVOA安置在MCVOA小板上，MCVOA小板上MEMSVOA的两根光纤一根连接激光源，一根连接光功率计。上位机通过可供电串口转接小板与MCVOA小板进行连接，同时上位机通过串口连接线同光功率计连接。系统可根据实际的衰减需求接一块或多块MCVOA小板，即可以n(n为正整数)块MCVOA小板进行级联，每块MCVOA小板具有一个对应的通道号。

各模块功能如下：

激光源：为MEMSVOA提供输入光。

MCVOA小板：即微控制光纤衰减器模块，主要由MEMSVOA、硬件电路、MCU模块以及UI软件组成，最终实现用户下发所需衰减目标值，即可实现光衰减值的目标。

MEMSVOA：MCVOA里的一个功能模块。通过配置直流模拟电压即可实现光衰减，分为亮态和暗态两种模式。

MCU模块：芯片内部集成FLASH及多路ADC，用于存储产品属性信息及MEMSVOA衰减值校准表，设计中还选用ADC对温度信息进行采集。MCU模块通过串口接收衰减控制命令，查FLASH中衰减值校准表，经过MCU模块控制DAC实现MEMSVOA的衰减值控制，衰减值误差±0.3dB，衰减值调节步进0.1dB。MCU模块还可通过ADC采集MEMSVOA的温度及MCU模块的温度，并可进行查询上报，查询信息包括PCB序列号及温度类型(MEMSVOA温度/MCU模块温度)。上述DAC可以是集成在MCU模块中，也可以是MCVOA小板上的硬件电路。

UI软件：通过UI软件下发各通道MEMSVOA衰减值并对各通道MEMSVOA进行衰减拟合校准，并将校准数据存储于UI软件中和单板的MCU模块的FLASH中，校准数据信息中包含校准表及MEMSVOA序列号(编号)。UI软件可向MCU模块的FLASH中写入产品属性：包括PCB序列号、MEMSVOA序列号，还可查询MEMSVOA/MCU模块的温度。

上位机上安装有调试标定软件，是MCVOA自动标定的平台。

光功率计：用于采集经过MEMSVOA衰减后的光功率值(dBm)。

串口转接小板连接MCVOA小板上的串口0。如果两块MCVOA小板进行级联和上位机进行通信的话，则第一块MCVOA小板串口0连接串口转接小板，第一块MCVOA小板串口1和第二块MCVOA小板的串口0进行连接。

如图2所示，自动标定的工作流程包括如下步骤：

步骤1：将需要标定的MEMSVOA安置在MCVOA小板上，MCVOA小板上MEMSVOA的两根光纤一根连接激光源，一根连接光功率计，上位机通过可供电串口转接小板与MCVOA小板进行连接，可为n个MCVOA小板级联，每个MCVOA小板具有一个对应的通道号，同时上位机通过串口连接线同光功率计连接；

步骤2：上位机上安装有调试标定软件，在上位机调试标定软件中选择需要标定的MCVOA小板，选择通道号；

步骤3：在上位机调试标定软件中设定需要标定的DAC数值范围，该范围由MEMSVOA的额定电压换算而来，例如0-13V对应数值0–40000；

步骤4：上位机从0开始以先粗步进(如500)扫描再细步进(如50)扫描方式对DAC下发值，以获取VOA衰减值，到DAC上限值(如40000)为止；

步骤5：通过光功率计在粗扫描和细扫描过程中获取整数衰减值对应的DAC值，并将DAC值与整数衰减值的对应表储存起来；

步骤6：扫描完毕后，在两个整数衰减值之间通过线性拟合，获取完整的衰减曲线；

步骤7：标定结束后，将标定结果即衰减值校准表发送给MCVOA中的MCU模块存储。

根据MCVOA小板温度的不同，可画出不同的拟合曲线，不同温度自动标定的工作流程如下：

步骤10：将MCVOA小板放置在恒温空间，如5摄氏度；

步骤20：MCVOA小板里的温度查询模块记录下当前的温度；

步骤30：以上述步骤2-7的方法获取当前温度下的衰减曲线；

步骤40：再将放置MCVOA小板的恒温箱的温度进行调节，如10摄氏度，再重复步骤20-30；

步骤50：以此类推，最终产生不同温度下的衰减曲线。

考虑到实际要求，本方案中每个MEMAVOA的衰减光功率范围选择0–30dB，标定精度为1dB，当选定的dB值介于两个整数dB值之间时，则通过线性插值的方法选择其中一个整数dB值，得到与之对应的DAC值。

自动标定结果如图3所示，其中横坐标为DAC值，纵坐标为衰减值(dB)。

基于上述自动标定的衰减控制过程如下：

步骤100：用户通过上位机调试标定软件，选择MCVOA小板和通道号，给MCVOA小板下发所需的衰减值；

步骤200：上位机调试标定软件通过串口转接小板将目标数据帧发送给MCVOA中的MCU模块；

步骤300：MCU模块回复给上位机调试标定软件原始数据帧，表示已经接收到数据；

步骤400：MCVOA小板里的温度查询模块自动查询当前温度；

步骤500：MCU模块根据FLASH内的MEMSVOA当前温度下的衰减值校准表得到与衰减值对应的DAC值；

步骤600：MCU模块通过控制DAC实现MEMSVOA的衰减值控制，从而实现用户所需的衰减值。

当然，如果不对不同温度进行标定，则衰减控制过程中查询的衰减值校准表为没有对不同温度进行标定的衰减值校准表，同样可以完成衰减控制的过程。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于MCVOA的快速自动标定装置，包括光功率计、上位机、激光源，需要标定的MEMSVOA的两根光纤一根连接激光源，一根连接光功率计，上位机通过串口连接线同光功率计连接，其特征在于，还包括MCVOA小板，需要标定的MEMSVOA安置在MCVOA小板上，MCVOA小板主要由所述MEMSVOA、DAC、MCU模块以及UI软件组成，实现用户下发所需衰减目标值，实现光衰减值的目标；

所述MEMSVOA为MCVOA里的一个功能模块，通过配置直流模拟电压即实现光衰减，所述DAC连接到MEMSVOA，MCU模块内部集成FLASH及多路ADC，用于存储产品属性信息及MEMSVOA衰减值校准表，通过UI软件下发各通道MEMSVOA衰减值并对各通道MEMSVOA进行衰减拟合校准，并将校准数据存储于UI软件中和单个MCVOA小板的MCU模块的FLASH中，上位机上安装有调试标定软件，是MCVOA自动标定的平台，多路ADC一端分别连接MEMSVOA和MCU模块，另一端连接MCU，MCU模块通过ADC采集MEMSVOA的温度及MCU模块的温度；

上位机通过可供电串口转接小板与MCVOA小板进行连接，所述MCVOA小板为1块或多块级联，每块MCVOA小板具有一个对应的通道号，上位机上安装有调试标定软件，在上位机调试标定软件中选择需要标定的MCVOA小板，在上位机调试标定软件中设定需要标定的DAC数值范围，该范围由MEMSVOA的额定电压换算而来，上位机从0开始以先粗步进扫描再细步进扫描方式对DAC下发值，以获取VOA衰减值，到DAC上限值为止，通过光功率计在粗扫描和细扫描过程中获取整数衰减值对应的DAC值，并将DAC值与整数衰减值的对应表储存起来，扫描完毕后，在两个整数衰减值之间通过线性拟合，获取完整的衰减曲线，标定结束后，将标定结果即衰减值校准表发送给MCVOA小板上的MCU模块存储。

2.根据权利要求1所述的一种基于MCVOA的快速自动标定装置，其特征在于，串口转接小板连接MCVOA小板上的串口0，若两块或以上的MCVOA小板进行级联，则第一块MCVOA小板串口0连接串口转接小板，上一块MCVOA小板串口1和下一块MCVOA小板的串口0进行连接。

3.一种采用如权利要求1-2任一项所述的基于MCVOA的快速自动标定装置进行自动标定的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将需要标定的MEMSVOA安置在MCVOA小板上，MCVOA小板上MEMSVOA的两根光纤一根连接激光源，一根连接光功率计，上位机通过可供电串口转接小板与MCVOA小板进行连接，同时上位机通过串口连接线同光功率计连接，1个或多个MCVOA小板级联，每个MCVOA小板具有一个对应的通道号；

步骤2：上位机上安装有调试标定软件，在上位机调试标定软件中选择需要标定的MCVOA小板，选择通道号；

步骤3：在上位机调试标定软件中设定需要标定的DAC数值范围，该范围由MEMSVOA的额定电压换算而来；

步骤4：上位机从0开始以先粗步进扫描再细步进扫描方式对DAC下发值，以获取VOA衰减值，到DAC上限值为止；

步骤5：通过光功率计在粗扫描和细扫描过程中获取整数衰减值对应的DAC值，并将DAC值与整数衰减值的对应表储存起来；

步骤6：扫描完毕后，在两个整数衰减值之间通过线性拟合，获取完整的衰减曲线；

步骤7：标定结束后，将标定结果即衰减值校准表发送给MCVOA小板上的MCU模块存储。

4.如权利要求3所述的基于MCVOA的快速自动标定装置进行自动标定的方法，其特征在于，

所述步骤3中，MEMSVOA的额定电压0-13V对应DAC数值范围0–40000；

所述步骤4中，上位机从0开始以先500步进扫描再50步进扫描方式对DAC下发值，以获取VOA衰减值，到40000为止。

5.如权利要求3所述的基于MCVOA的快速自动标定装置进行自动标定的方法，其特征在于，不同温度自动标定的工作流程如下：

步骤10：将MCVOA小板放置在恒温空间；

步骤20：MCVOA小板里的温度查询模块记录下当前的温度；

步骤30：以所述步骤2-7的方法获取当前温度下的衰减曲线；

步骤40：再将放置MCVOA小板的恒温箱的温度进行调节，再重复步骤20-30；

步骤50：以此类推，最终产生不同温度下的衰减曲线。

6.一种基于如权利要求3-5任一项所述的自动标定方法进行衰减控制的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤100：用户通过上位机调试标定软件，选择MCVOA小板，给MCVOA小板下发所需的衰减值；

步骤200：上位机调试标定软件通过串口转接小板将目标数据帧发送给MCVOA小板上的MCU模块；

步骤300：MCU模块回复给上位机调试标定软件原始数据帧，表示已经接收到数据；

步骤500：MCU模块根据FLASH内的MEMSVOA的衰减值校准表得到与衰减值对应的DAC值；

步骤600：MCU模块通过控制DAC实现MEMSVOA的衰减值控制，从而实现用户所需的衰减值。

7.如权利要求6所述的衰减控制的方法，其特征在于：自动标定方法还包括不同温度自动标定的工作，具体流程如下：

步骤10：将MCVOA小板放置在恒温空间；

步骤20：MCVOA小板里的温度查询模块记录下当前的温度；

步骤30：以所述步骤2-7的方法获取当前温度下的衰减曲线；

步骤40：再将放置MCVOA小板的恒温箱的温度进行调节，再重复步骤20-30；

步骤50：以此类推，最终产生不同温度下的衰减曲线；

则所述衰减控制的方法的步骤300和步骤500之间还包括步骤400：MCVOA小板里的温度查询模块自动查询当前温度；且步骤500中：MCU模块根据FLASH内的MEMSVOA当前温度下的衰减值校准表得到与衰减值对应的DAC值。

8.如权利要求6或7所述的衰减控制的方法，其特征在于：

所述步骤2中：在上位机调试标定软件中选择需要标定的MCVOA小板，选择通道号，则衰减控制的方法的步骤100中：用户通过上位机调试标定软件，选择MCVOA小板和通道号，给MCVOA小板下发所需的衰减值。

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