毕业设计（论文）-多路光开关阵列控制系统的研究
武汉理工大学毕业设计（论文）武汉理工大学毕业设计（论文）全套设计加扣 3346389411或3012250582多路光开关阵列控制系统的研究学院（系）： 信息工程学院 专业班级： 电子0902班 学生姓名： 指导教师： 本科生毕业设计(论文)任务书学生姓名 专业班级 电子0902 指导教师 工作单位 信息工程学院 设计(论文)题目: 多路光开关阵列控制系统的研究 设计（论文）主要内容：1. 多路光开关阵列控制系统总体设计；2. 多路光开关阵列控制系统软硬件设计；3. 多路光开关阵列控制系统软硬件实现；4. 多路光开关阵列控制系统运行调试，并对其进行改进；要求完成的主要任务:1. 多个光开光组合成阵列，选择合适的拓扑结构。2. 完成单块MEMS Optical Switch Module控制板设计；3. 根据实际情况自定义协议包，编写相关的协议程序并进行注释，在软件设计上，提高稳定性，降低安装和维护成本；4. 查阅相关文献15篇，其中外文文献不少于2篇，完成不少于2万（5000汉字）印刷符、且与选题相关的文献翻译工作；5. 根据毕业设计有关规范，按时完成所有有关文档，并完成不少于3张1-2#图纸的绘制工作；所有文档、论文、图纸一律用计算机打印，并遵守有关国标及规范，论文字数不少于1.5万字。必读参考资料:1. Optical Switch Controller Using Embedded Internet Based System. Ab-Rahman M.S. , Saupe M.N.M. , Jumari, K. Computer Technology and Development. 2009: 103 1062. Mach-Zehnder interferometric optical switchwith MEMS phase shifter. Makoto Inamoto, Takeo Maruyama, Koichi Iiyama. Springer Science Business Media. 2010(10):1-43. 樊婷婷，邹琼. FPGA在光开关模块控制电路中的应用. 计算机与现代化. 2012(01).指导教师签名 系主任签名 院长签名(章) 武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）1.1 研究对象光纤是二十世纪后半叶人类最重要的发明之一，以光纤为基石的光通信技术、光传感技术在光纤出现后的几十年里日新月异，获得了飞速的发展。当今社会信息的爆炸性增长必然促使光通信技术和计算机技术正在向全光化的方向发展，光子信息技术的发展，迫切需要低功耗、高速度、低吸收、小尺寸和低成本的实用化的全光开关。光开关是管线通信系统重要的光器件之一，具有一个或多个可选择的传输端口，可对光传输线路或集成光路的光信号进行互相转换或逻辑操作。光开关可用于光纤通信系统、光纤测量系统以及光纤传感系统中，起到切换光路的作用。光开关的引入使未来全光网络更具灵活性、智能性、生存性。光开关技术已经成为未来光联网、光交换的关键技术，在通信、自动控制等领域发挥着越来越重要的作用。 在众多种类的光开关中，微机械(MEMS)光开关被认为最有可能成为光开关的主流器件。它是微机电系统和传统光技术相结合的新型开关，特别是具有光信号的数据格式透明、与偏振无关、差损小、可靠性好、速度快、容易集成的优点。 微机械(MEMS)光开关在民用、工业、国防等众多领域具有非常广泛的应用前景，但是其多通道时插损大，远距离控制准备度不高等问题，严重制约了光开关的发挥和应用。光开关的拓扑结构和控制已成为限制光开关应用的一大障碍，也使它成为亟待解决的关键问题之一。另外，一些特殊场合下的应用，如矿井下光开关的控制也是我们十分关注和亟待解决的问题。1.2 设计目的 本设计是一个矿井信息检测监测系统的一部分，整个系统需要采集煤矿矿井下CO、C2H2、CH4气体的浓度，各点温度及水位。需要从矿井下引出多根光纤到检测仪器，考虑到长距离铺纤难度较大，故而在矿井下使用光开关进行光路切换，以减少矿井到监测仪器的光纤数，降低工程难度。光开关部分需要安装在矿井下，故而设计的重点在于安全性、稳定性，并尽量降低安装难度。安全性表现在矿井下气体成分复杂，包含大量易燃易爆气体，需参考相关标准，进行相应的设计。稳定性表现在，矿井下不准许随意开箱，设备维护是一件非常困难的事情，因此要求设备能够长时间稳定的工作。易安装和稳定性类似，矿井下条件复杂，易于安装的设计会大大降低施工的难度和成本。1.3 相关技术国内外研究现状全球光纤通信市场在经历了近三年的冬眠期之后，随着朗讯市场份额的好转和市值的抬头，使人们重新燃起了春天的希望。尽管近年来MEMS光器件制造商风云变幻，潮起潮落，但MEMS技术的应用领域不仅仅是光通信，依然保持着强劲的生命力。以其研究方向多元化、加工工艺多样化、系统单片集成化、制造与封装统一化、应用领域全面化为标志的固有特征和先天优势，必将在通信、导航、传感、医用、交通、航空航天等军事和民用领域得到广泛的推广和应用。典型的MEMS光开关器件可分为二维和三维结构。二维MEMS的空间旋转镜通过表面微机械制造技术集成在单片硅基底上，准直光通过微镜的适当旋转被接到适当的输出端。转换状态通过调节梳妆电极使微镜发生转动，当微镜为水平时，可使光束从该微镜上面通过，当微镜旋转到与硅基底垂直时，它将反射入射到它表面的光束，从而使该光束从该微镜对应的输出端口输出。在多种可能的驱动方法中，静电和磁感应法为主选方案。静电法依赖于电荷极性相反的机械元素之间的相互吸引，这是MEMS技术中使用的主要的驱动方法，它具有可重复性和容易屏蔽等优点。磁感应驱动依赖于磁体或者电磁体之间的相互吸引。尽管磁感应驱动方式能够产生更大的驱动力并具有较高的线性度 , 但由于磁感应应用系统中还有许多问题有待于解决，所以目前静电驱动方案仍然是可靠设备的最佳选择方式。MEMS 4×4光开关是OXC节点设备中的核心子系统之一。其在整个系统中负责将4种波长的光按照要求进行路由切换，以达到光交换的目的，应用十分广泛，市面上现有的光开关控制模块也大多是针对二维结构、采用静电法驱动的MEMS 4×4光开关做的设计。2、基本内容和技术方案2.1 基本内容多路光开关阵列是由M个MEMS 1×8光开关级联组成，根据实际需要通道数，确定M的大小，可方便不同场合下的应用，具有较强的通用性。考虑到多根光纤在接纤、盘纤时较为复杂，系统最多只可设置二级分机，即最多可接8个1×8 MEMS光开关，构成一个1×64 MEMS光开关。一级分机和二级分机只存在配置文件上的差异，只需改变接线方式和配置文件即可轻松构建不同通道数的光开关，满足多种不同应用下的需求。各级光开关控制板通过RS485总线进行控制命令的通信，完成通道的切换，自定义通信协议，保证通道切换的准确性。2.2 光开关拓扑结构研究光开关以1*8 MEMS OSW和其控制板为最小单位，通过级联的方式来实现多通道的光开关。井上PC监控主机与井下一级分机，通过光纤485模块进行总线控制。井下一级分机与井下二级分机，通过电路板之间连接的通信总线进行控制，下图为方案的系统拓扑图及光路图。图一 系统拓扑图图二 光路图2.3 光开关控制电路设计考虑到应用场合的特殊性，光开关控制电路需要做安全认证。一级从机和二级从机电路上保持一致，只在软件上做不同的配置可减少大量认证方面的工作。光开关的控制电路主要包括了MCU微控制器、配置EEPROM、上级通信接口、下级通信接口和电源模块。考虑到矿井下供电及安全等方面的考虑，对电路有一定的要求。对MCU微控制器的要求包括低功耗和稳定性，上下级通信接口的要求包括准确性、稳定性和安全性，电源模块的要求则更加的苛刻，包含了浪涌电流的控制，宽的输入电压范围等。2.4 软件设计自定通信协议，一个完整协议包包含：控制指令类型、一级分机地址（井下主机）、二级分机地址（井下分机）、一级分机光开关导通通道数、二级分机光开关导通通道数及相应的确认信号。从机开机读取EEPROM中的配置文件，确定该模块为一级从机还是二级从机及该从机的ID。一级分机通过上级通信接口与主机通信，通过下级通信接口与二级分机进行通信，确认信息后做出相应操作。二级分机只需通过上级通信接口与一级分机进行通信，确认信息后做出相应操作。主机有一个广播ID、分机在EEPROM中有各自唯一的从机ID，主机广播协议包，分机接收到协议包后通过解析协议包，分析是否自己的ID与协议包中ID相同，相同则产生相应的控制信号，检测到已切换，向主机发送应答；若不是则继续等待接收下一次协议包。3、进度安排第13周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需专业知识。确定方案，完成开题报告。第45周：分析不同拓扑结构的优缺点并提出方案第68周：了解光迅科技MEMS Optical Switch Module的控制机制，并参考国家标准GB3836.1-2010爆炸性环境设备通用要求完成单块控制板的设计。第911周：自定义通信协议包，完成主机到一级分机、一级分机到二级分机的双向通信。第1214周：整机联调，完善功能。第1517周：完成并修改毕业论文，准备毕业答辩。4、指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日目 录摘 要IAbstractII1绪论11.1 研究背景及目的、意义11.2 国内外研究现状21.3 主要研究内容21.4 论文组织结构32光开关阵列控制系统需求分析及总体方案设计42.1 光开关阵列控制系统需求分析42.2 光开关阵列控制系统总体方案设计52.3 光开关阵列控制系统基本原理62.3.1 光开关导通通道切换及控制基本理论62.3.2 RS485通信总线73光开关阵列控制系统硬件设计与实现83.1 光开关控制板硬件整体方案设计83.2 光开关选型及拓扑结构设计93.3 MCU及光开关控制模块设计113.4 稳压电源模块设计133.5 总线通信模块设计144光开关阵列控制系统软件设计与实现164.1 协议包自定义164.2 从机地址及默认值写入174.3 二级从机软件设计184.4 一级从机软件设计204.5 主机软件设计215光开关阵列控制系统调试与测试235.1 光开关阵列控制系统调试235.1.1 光开关阵列控制系统硬件调试235.1.2 光开关阵列控制系统软件调试245.2 光开关阵列控制系统测试255.2.1 光开关性能测试255.2.2 控制板硬件测试265.2.3上位机测试环境搭建275.2.4 二级从机功能测试285.2.5 一级从机功能测试305.2.6 系统测试总结326总结与展望336.1 总结336.2 展望34参考文献35致谢36附录一 光开关控制板电路图37摘 要光纤
