摘要: 基于光開關(guān)在光傳輸交換中所起的重要作用，本文簡要介紹光開關(guān)驅(qū)動電路的硬件連接，重點闡述光開關(guān)工作時序的FPGA 實現(xiàn)方法。

0 引言
光開關(guān)是按一定要求將光信號從一個光通道轉(zhuǎn)換到另一個光通道的器件。隨著通信網(wǎng)絡(luò)的容量和速度的提高，組建全光網(wǎng)絡(luò)( All Optical Network，AON) 成為通信技術(shù)的發(fā)展方向。全光網(wǎng)［1-2］的主要特征之一就是光分插復(fù)用( OADM) 和光交叉互聯(lián)( OXC) 模塊的廣泛應(yīng)用，光開關(guān)是OADM 和OXC 的核心器件，研制高性能、低成本的光開關(guān)和光開關(guān)模塊對于光纖通信技術(shù)的發(fā)展具有重大意義。光開關(guān)是較為重要的無源光學器件，省去光/電、電/光轉(zhuǎn)換過程，簡化設(shè)備，提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，提供靈活的信號路由平臺。光開關(guān)的作用包括信號在同一通道中的通斷、光信號在同一通道中的波長轉(zhuǎn)換和光信號在不同通道間的轉(zhuǎn)換。

除了光開關(guān)模塊本身的設(shè)計原理與結(jié)構(gòu)外，其控制和驅(qū)動電路也是影響光開關(guān)模塊［3-4］性能的重要因素。目前光開關(guān)控制系統(tǒng)［5-10］通常由單片機實現(xiàn)，由一臺PC 機的相應(yīng)程序模擬本地控制，發(fā)出相應(yīng)的路由信息。PC 機的信息通過串口發(fā)送給單片機，單片機再進行進一步的控制動作。MEMS 光開關(guān)路由成功與否等信息由單片機讀取其內(nèi)部寄存器中控制數(shù)據(jù)，與原始的正確數(shù)據(jù)進行對比完成。操作完成后，又由單片機通過串口向PC 機產(chǎn)生相應(yīng)的反饋信息。

本文提出一種光開關(guān)模塊控制電路的FPGA 設(shè)計方法。通過硬件設(shè)置通道，由FPGA 讀入通道信息后對其進行譯碼，并送到光開關(guān)的驅(qū)動電路。光開關(guān)通道切換成功標志信息由光開關(guān)反饋回的狀態(tài)信號與FPGA 所讀入的原始數(shù)據(jù)比較而得: 如果兩者相同，則通道切換正確，若兩者不同，則通道切換錯誤。

用FPGA 實現(xiàn)專用集成電路，不僅可以快速、靈活地修改和實現(xiàn)各種邏輯功能，還可以簡化接口和控制，有利于提高系統(tǒng)的整體性能和工作可靠性，同時還能很好地滿足各種高速設(shè)計的速度要求。另外在實際的使用過程中，如果產(chǎn)品在客戶那里硬件邏輯上有問題或需要升級，不需要重新開發(fā)產(chǎn)品，只需讓客戶下載一個程序即可，節(jié)約了售后維護和升級成本。

1 、1 ×8 光開關(guān)模塊的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1． 1 MEMS 1 × 2 光開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)

MEMS 光開關(guān)［11-12］是利用MEMS 技術(shù)在硅晶上刻出若干微小的鏡片，通過靜電力或電磁力的作用，使可以活動的微鏡產(chǎn)生升降、旋轉(zhuǎn)或移動，從而改變輸入光的傳播方向，以實現(xiàn)光路通斷的功能。如圖1、圖2 所示: MEMS 1 × 2 光開關(guān)由一種受靜電控制的微小鏡面和繼電器組成。光束在二維空間傳輸微鏡的排列只有兩個狀態(tài)，即經(jīng)過通道2 或通道3 兩種狀態(tài)。在控制電路中只要提供足夠的驅(qū)動電壓使繼電器工作繼而使微鏡偏轉(zhuǎn)即可改變光傳輸?shù)耐ǖ溃?3］。

1． 2 MEMS 1 × 8 光開關(guān)模塊的組成

MEMS 1 × 8 光開關(guān)是由3 組1 × 2 光開關(guān)級聯(lián)而成，如圖3 所示，該模塊的功能是光從SW1 的Port1進入，可從Channel1-Channel8 中的任一個通道輸出。

2、 1 × 8 光開關(guān)模塊控制電路

2． 1 總體結(jié)構(gòu)

光開光模塊電路的總體結(jié)構(gòu)如圖4 所示，整個電路主要分為3 個模塊: FPGA 控制模塊、光開關(guān)驅(qū)動電路、1 × 8 光開關(guān)模塊。

( 1) FPGA 控制模塊: 該模塊主要實現(xiàn)光開關(guān)工作的時序、輸入通道的譯碼、光開關(guān)通道選擇正誤的
提示等功能。

下面對該模塊各信號進行說明:
ControlWord: 選擇通道的控制字，可通過手動設(shè)置實現(xiàn)。
Start: 啟動信號，低電平有效即此時光開關(guān)進行通道切換。
StatusIndication: 狀態(tài)指示信號，指出經(jīng)過驅(qū)動電路后反饋回FPGA 的狀態(tài)信號是否與所要求的通道一致，如果不一致則報警處理。
CLK: FPGA 的時鐘輸入，在此CLK 為3． 17kHz。
Ready: 轉(zhuǎn)換開始到結(jié)束的標志位。
Error: 通道轉(zhuǎn)換正確與否的標志位。
Ctrl0-Ctrl7: FPGA 的譯碼信號。

( 2) 光開關(guān)驅(qū)動電路: 該驅(qū)動電路主要是對通道的譯碼信號進行電流放大，使其轉(zhuǎn)換成能夠驅(qū)動光開關(guān)的信號，如圖5 所示。

在圖5 中，Ctrl0 和Ctrl1 為FPGA 輸入的控制信號，控制信號加載到驅(qū)動電路，輸出的脈沖電信號
OUTa 和OUTb 控制繼電器開或者關(guān)，然后驅(qū)動微鏡的轉(zhuǎn)動，進而進行光輸出通道的選擇。Status 為反饋的狀態(tài)信號。

在1 × 8 光開關(guān)模塊中采用4 組驅(qū)動電路對通道的譯碼信號進行電流放大，OUTa1 和OUTb1 驅(qū)動SW1，OUTa2 和OUTb2 驅(qū)動SW2 和SW3，OUTa3 和OUTb3 驅(qū)動SW4 和SW5，OUTa4 和OUTb4 驅(qū)動SW6和SW7。

( 3) 1 × 8 光開關(guān)模塊: 接收到驅(qū)動信號后進行通道選擇，使輸入的光從所設(shè)置通道輸出。

整個控制電路的基本原理為: 由手動設(shè)置光通道的序號，按下Start( 啟動信號) 光開關(guān)工作，進行通道切換，F(xiàn)PGA 模塊將所設(shè)置的通道信號譯號成驅(qū)動信號經(jīng)過驅(qū)動電路對光開關(guān)進行控制。最后由光開關(guān)反饋給FPGA 其當前的狀態(tài)信息，F(xiàn)PGA 將其與所設(shè)置通道信號比較是否相同，若相同，則通道切換成功，Error 為低電平; 若不相同，通道切換失敗，則Error 為高電平。

2． 2 FPGA 的時鐘選擇

時鐘電路如圖6 所示。

時鐘信號通過14 位計數(shù)器實現(xiàn)，此電路中晶振為13MHz，由Q12 作為FPGA 的時鐘CLK 的輸入信號，此時頻率= 13MHz /2^12 = 3． 17kHz。通過FPGA形成開關(guān)動作約需10ms 的等待時間，只要在軟件程序中設(shè)計一個計數(shù)程序，從0 計數(shù)到31，即等待時間= ( 1 /3． 17) * 32 = 10ms，此時10ms 的等待時間則形成。

2． 3 光開關(guān)通道選擇真值表

光開關(guān)通道選擇各信號真值表如圖7 所示。

ControlWord 為所設(shè)置的通道，Ctrl0-Ctrl7 為FPGA對通道的譯碼信號加在驅(qū)動電路上，以Status1-Status4 為反饋的狀態(tài)信號。

2． 4 光開關(guān)控制時序的FPGA 實現(xiàn)

光開關(guān)工作的一項重要參數(shù)為開關(guān)響應(yīng)速度( Switch Speed) ，它反應(yīng)了開關(guān)切換通道過程的快慢。本設(shè)計中選擇開關(guān)響應(yīng)速度約為10ms 的光開關(guān)，要實現(xiàn)整個光開關(guān)的控制過程則設(shè)計了以下時序，如圖8所示。

圖8 中Start 為啟動信號，低電平有效，Data 為光開關(guān)通道信號即ControlWord 的譯碼信號，Ready 作為光開關(guān)通道切換的開始及結(jié)束的提示，Error 用于指出通道切換是否正確，“0”表示錯誤，“1”表示正確。

2． 5 光開關(guān)通道切換狀態(tài)圖

光開關(guān)通道切換狀態(tài)圖［14］如圖9 所示。

狀態(tài)圖共分為4 個狀態(tài): IDLE、START _ SW、WAIT_10MS、FINISH_SW。在按下啟動信號之前初始狀態(tài)為IDLE，此時通道的譯碼信號位都為0，且Ready = 0，Convert_Falg = 0，Error = 1。當按下啟動信號時狀態(tài)轉(zhuǎn)到START_SW，此時光開關(guān)開始切換通道，將設(shè)置的通道號( ControlWord) 經(jīng)FPGA 譯碼成驅(qū)動信號進入驅(qū)動器再送到光開關(guān)模塊，并且此時將光開關(guān)的4、9 引腳作為狀態(tài)位反饋給FPGA。同時置Ready = 1，Convert_Falg = 1，然后進行等待約10ms，即進入狀態(tài)WAIT_10MS，等待完成即進入FINISH_SW，此時通道切換完成，置Ready = 0，Convert_Flag = 0。

另外，當光開關(guān)通道切換完成后，F(xiàn)PGA 將反饋回的狀態(tài)與之前所設(shè)置的通道信號相比較是否一致，若不一致，則置Error = 0，否則Error = 1。

2． 6 FPGA 模塊軟件實現(xiàn)

程序采用Verilog HDL 語言，流程圖如圖10所示。

3 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖11 所示。

從仿真結(jié)果可看出當設(shè)置通道為channel8 時，對應(yīng)的驅(qū)動信號ctrl0 ～ ctrl7 為10101010，與真值表一致，且輸出的Ready 與Error 信號也滿足時序要求。

4 結(jié)束語

本文介紹了MEMS 1 × 8 光開關(guān)模塊的整體結(jié)構(gòu)，詳細闡述了FPGA 在光開關(guān)模塊控制電路的具體應(yīng)用，分析了FPGA 如何配合光開關(guān)響應(yīng)速度產(chǎn)生光開關(guān)的工作時序，并分析了如何將所需通道譯碼成光開關(guān)驅(qū)動信號的方法。此控制電路整體結(jié)構(gòu)簡單，有利于提高系統(tǒng)的整體性能和工作可靠性，同時還能很好地滿足各種高速設(shè)計的速度要求。