基于空间光调制器的集群控制方法及一种空间光调制器

摘要

本发明公开了基于空间光调制器集群控制方法及一种空间光调制器，确定集群的主控制器；向所述主控制器输入待同步信号并开始传输；集群中节点设备接收下级设备反馈的信号，获取下级设备的信号延迟信息，同时，所有节点设备向上级节点设备进行信号反馈；各层级节点设备逐级向上层节点设备进行反馈信号，直到上层节点设备为所述主控制器；主控制器根据收到的各通道的延迟反馈，可以得知各通道延迟所需要的时间，然后结合主控制器本机延迟信息得到集群所有设备所需要控制的同步信号延迟值，使得同步信号同步输出；具备集群规模大，集群同步精度高，支持多种集群功能扩展，组网简单，集群自调整能力强等优点。

说明书

技术领域

本发明属于集群控制领域，具体涉及基于空间光调制器的集群控制方法及一种空间光调制器。

背景技术

空间光调制器作为一种动态光波调制器件和工具，能够对光波的相位、偏振、振幅、波长等进行调制或选择，其具有可编程特性、时间变换特性。因此，如何更好地控制空间光调制器，将其功能、性能特点在工业领域发挥更大价值，是本发明的关注点，特别地，当数十台甚至数百台空间光调制器阵列同时工作的大装置中，对空间光调制器的集群控制尤为重要。

科研文献中有利用少量(<50台)空间光调制器进行阵列化应用的案例，但这些应用研究都不追求绝对的时间精度同步和内容一致性，且方法非常原始，利用了很多电脑来分别控制空间光调制器，无法做到真正意义的集群工作。

当集群化应用场景要求空间光调制器彼此联动互相影响，且控制时间精度、内容同步性要求非常高时，传统空间光调制器的控制方法就面临极大缺陷。一则无法利用单台电脑控制上百台空间光调制器同时工作，二则无法保证数百台空间光调制器同时更新数据或时间同步。集群工作模式的提出，离不开空间光调制器本身控制办法的变革，本发明基于专利申请号2019110062350《一种空间光调制器控制系统及其控制方法》以及专利《一种空间光调制器集群控制系统及方法》所阐述办法，针对于空间光集群调制器树型组网提出一种新型的集群控制接口设计，不需要专用的集群控制器，可以使用带集群控制接口的空间光调制器作为集群系统的主控制器，具备组网灵活，简单，系统同步性能精度高，集群支持设备数量多，集群新增设备自适应调整等优点。

发明内容

本发明提供了基于空间光调制器的集群控制方法及一种空间光调制器，本发明针对树型的组网结构设计一种集群控制方法以及集群控制接口，实现信号的同步输出。

本发明所采用的技术方案为：

第一方面，本发明提供了基于空间光调制器的集群控制方法，包括以下步骤：

确定集群的主控制器；

主控制器向下级设备发送同步信号；

集群中节点设备接收下级设备反馈的信号，获取下级设备的信号延迟信息，同时，所有节点设备向上级节点设备进行信号反馈；

各层级节点设备逐级向上层节点设备进行反馈信号，直到上层节点设备为所述主控制器；

所述主控制器根据所述信号延迟信息及本机延迟信息，计算出各通道节点设备所需要控制的同步信号延迟值；

并将所述同步信号延迟值发送给各节点设备，各节点设备根据所述同步信号延迟值、本节点设备的上行接口延迟值和下行接口延迟值控制同步信号输出。

根据以上技术特征，通过将各节点设备的延迟信息进行信号反馈，逐级反馈至主控制器，主控制器根据收到的各通道的延迟反馈，可以得知各通道延迟所需要的时间，然后结合主控制器本机延迟信息得到集群所有设备所需要控制的同步信号延迟值，各通道上的各节点设备根据延迟值控制输出同步信号的延迟时间，使得同步信号同步输出。

进一步的，确定集群的主控制器的方法如下：

集群中各节点设备向下级设备发送同步信息试探信号同时接收上行设备发来的同步信息试探信号，若本设备没有接收到同步信息试探信号，则本设备为主控制器；或

通过上位机直接设定集群中的某一节点设备为主控制器。

通过集群中所有设备发出同步信息试探信号给下行设备，同步信息试探信号是模拟一个同步信号，可以得知，若果某个节点设备没有收到该信息，及没有信号输入，因此可以判定该节点设备为集群中的信号起始设备，定义该设备为主控制器；当然，也可以直接设定集群中的主控制器。

进一步的，集群中所有节点设备向上级节点设备进行状态信息反馈的方法如下：

通过时分复复用的方式，节点设备切换本机上行接口为输出方向，通过上行接口反馈信息给上级设备；切换本机下行接口方向为输入方向，检测下行接口接收下级设备的反馈信号；节点设备获取下行设备反馈的信号，并将本机需要反馈的信号信息进行反馈。

通过时分复用的方式切换节点设备的传输通道的传输方向，可以节约节点设备之间所需要的传输通道，简化集群连接线路。

进一步的，各节点设备根据所述同步信号延迟值控制同步信号输出的方法：

比较本机控制信号、上行接口和各下行接口返回信号的延迟，确定各设备的延迟信号，控制本机上行通道及各下级通道的输出信号的延迟值，判断本机及下行通道中个节点设备是否达到集群状态同步；

所述上行通道及各下级通道的输出信号的延迟值如下：

上行接口延迟值为本机固定延迟值加上同步信号延迟值；

各下行接口延迟值为同步信号延迟值减去同步信号从本机传输到下级设备的时间；

其中，同步信号延迟值为本机下行通道延迟最大值；

同步信号延迟值初始化为零，当检测到下行接口反馈的信号之后，调整同步信号延迟值为各下行接口延迟值的最大值；在根据所述计算公式，分别计算各下行接口延迟值及上行接口的延迟值；如此循环，可以根据下行接口的状态增加调制各延迟的值，达到系统同步。

根以上技术，在各设备节点处理延迟时，同步信号延迟值为各下行接口延迟值的最大值，通过上述各设备节点的延迟输出，可以实现各设备节点在收到同步信号后对同步信号进行延迟输出，待集群中最晚收到同步信号的节电设备收到同步信号后，所有节点延迟时间结束；可以保证主控制器的下行个通道上最晚输出同步信号的设备也可以同步输出；通过各级设备之间的逐级反馈，主控制器增加调制同步信号延迟值；当集群中性增加节点设备时，也可以通过该方法进行反馈，达到新的延迟同步操作。

进一步的，将所述延迟值发送给各节点设备的方法如下：

根据定义的集群控制协议，解析上行设备和下行设备发送的命令及状态，向上行设备和下行设备发送集群控制命令及状态。

进一步的，所述集群控制协议定义集群控制信号的命令格式和要求，集群中的设备根据相同的协议解析集群命令，产生集群控制命令。

第二方面，本发明提供了一种空间光调制器，包括上行接口、下行接口、上行接口延迟模块、上行接口信号检测模块、下行接口延迟模块、本机信号延迟模块和信号延迟比较模块，其中，

上行接口：用于连接网络中的上级设备；接收上级设备发送的集群控制信号；向上级设备反馈状态信息；

下行接口：用于连接网络中的下级设备；向下级设备发送的集群控制信号，接收设备反馈状态信息；

上行接口延迟模块：用于向所述上行接口回传信号增加延迟；把延迟信息通过集群控制信号回传给上级空间光调制器；

上行接口信号检测模块：持续检测上行接口输入的信号；用于判断本机是否为主控制器，以及是否有外部触发信号输入等，如持续检测到上行接口控制信号输入，自主判断本机为是否为集群主控制器；

下行接口延迟模块:用于适配不同的下行通道上空间光调制器的不同的延迟；

本机信号延迟模块:对于对本机设备集群信号设定延迟，使本设备的延迟后的同步信号和下级各设备最终信号保持同步；

各通道信号延迟比较模块：比较本机控制信号、上行以及各下行接口返回信号的延迟，确定各设备的延迟信号，用于控制本机上行通道及各下级通道的输出信号的延迟量，判断本机及下行通道中空间光调制器是否达到集群状态同步。

进一步的，还包括集群协议解析模块、信号产生模块和集群控制协议模块；

集群协议解析模块，根据定义的集群控制协议，解析上行及下行设备发送的命令及状态，向上行和下行设备发送集群控制命令及状态；

集群控制协议模块：集群控制协议定义集群控制信号的命令格式和要求，

信号产生模块：用于根据集群控制协议解析集群命令，产生集群控制命令。

进一步的，针对每个下行接口设定独立的下行接口可调延迟模块。

进一步的，还包括上行接口状态切换模块和下行接口状态切换模块；

上行接口状态切换模块用于控制上行端口输入输出信号方向的切换，初始态时总线上行端口为输入接口，当本机往上级设备回传集群控制信号时，通过控制总线状态的方向，控制上行接口信号为输出方向；

下行接口状态切换模块用于控制下行端口输入输出信号方向的切换，初始态时总线下行端口为输出接口，当本机往上级设备回传集群控制信号时，通过控制总线状态的方向，控制下行接口信号为输入方向。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1.本发明通过将各节点设备的延迟信息进行信号反馈，逐级反馈至主控制器，主控制器根据收到的各通道的延迟反馈，可以得知各通道延迟所需要的时间，然后结合主控制器本机延迟信息得到集群所有设备所需要控制的同步信号延迟值，各通道上的各节点设备根据延迟值控制输出同步信号的延迟时间，使得同步信号同步输出；

2.本发明通过在各设备节点处理延迟时，同步信号延迟值为各下行接口延迟值的最大值，通过上述各设备节点的延迟输出，可以实现各设备节点在收到同步信号后对同步信号进行延迟输出，待集群中最晚收到同步信号的节电设备收到同步信号后，所有节点延迟时间结束；可以保证主控制器的下行个通道上最晚输出同步信号的设备也可以同步输出；通过各级设备之间的逐级反馈，主控制器增加调制同步信号延迟值；当集群中性增加节点设备时，也可以通过该方法进行反馈，达到新的延迟同步操作；

3.本发明具备集群规模大，集群同步精度高，支持多种集群功能扩展，组网简单，集群自调整能力强等优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明方法流程图；

图2是本发明一种光调制器的模块图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并且不意在限制本发明的示例实施例。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解术语“包括”、“包括了”、“包含”、和/或“包含了”当在本文中使用时,指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性,并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加；本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

应当理解，还应当注意到在一些备选实施例中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如,取决于所涉及的功能/动作,实际上可以并发地执行,或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。

应当理解，在下面的描述中提供了特定的细节,以便于对示例实施例的完全理解。然而,本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实例中，可以不以不必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。

实施例

如图1所示，本实施例在第一方面提供了包括以下步骤：

确定集群的主控制器；

向所述主控制器输入待同步信号并开始传输；

集群中节点设备接收下级设备反馈的信号，获取下级设备的信号延迟信息，同时，所有节点设备向上级节点设备进行信号反馈；

各层级节点设备逐级向上层节点设备进行反馈信号，直到上层节点设备为所述主控制器；

所述主控制器根据所述信号延迟信息及本机延迟信息，计算出各通道节点设备所需要控制的同步信号延迟值；

并将所述同步信号延迟值发送给各节点设备，各节点设备根据所述同步信号延迟值、本节点设备的上行接口延迟值和下行接口延迟值控制同步信号输出。

例如，具体实施时，所述的延迟值为延迟控制所需要的时间值或信号值，各节点设备根据所述同步信号延迟值控制同步信号输出的方法：

比较本机控制信号、上行接口和各下行接口返回信号的延迟，确定各设备的延迟信号，控制本机上行通道及各下级通道的输出信号的延迟值，判断本机及下行通道中个节点设备是否达到集群状态同步；

所述上行通道及各下级通道的输出信号的延迟值如下：

上行接口延迟值为本机固定延迟值加上同步信号延迟值；

各下行接口延迟值为同步信号延迟值减去同步信号从本机传输到下级设备的时间；

具体实施时，所述上行通道及各下级通道的输出信号的延迟值的计算公式如下：

上行接口延迟值＝本机固定延迟值+同步信号延迟值；

各下行接口延迟值＝同步信号延迟值-(本机下行接口发出同步信号和收到同步信号反馈信号的时间差值-本机固定延迟值)/2；

其中，同步信号延迟值为本机下行通道延迟最大值；

同步信号延迟值初始化为零，当检测到下行接口反馈的信号之后，调整同步信号延迟值为各下行接口延迟值的最大值；在根据所述计算公式，分别计算各下行接口延迟值及上行接口的延迟值；如此循环，可以根据下行接口的状态增加调制各延迟的值，达到系统同步。

在一种可能的设计中，确定集群的主控制器的方法如下：

集群中各节点设备向下级设备发送同步信息试探信号同时接收上行设备发来的同步信息试探信号，若本设备没有接收到同步信息试探信号，则本设备为主控制器；或

通过上位机直接设定集群中的某一节点设备为主控制器。

在一种可能的设计中；集群中所有节点设备向上级节点设备进行状态信息反馈的方法如下：

通过时分复用的方式，节点设备切换本机上行接口为输出方向，通过上行接口反馈信息给上级设备；切换本机下行接口方向为输入方向，检测下行接口接收下级设备的反馈信号；节点设备获取下行设备反馈的信号，并将本机需要反馈的信号信息进行反馈。所述集群控制协议定义集群控制信号的命令格式和要求，集群中的设备根据相同的协议解析集群命令，产生集群控制命令。

如图2所示，本实施例第二方面提供了一种空间光调制器，包括上行接口、下行接口、上行接口延迟模块、上行接口信号检测模块、下行接口延迟模块、本机信号延迟模块和信号延迟比较模块，其中，

上行接口：用于连接网络中的上级设备；接收上级设备发送的集群控制信号；向上级设备反馈状态信息；

例如：上行接口使用3.3V TTL电平信号，集群间通过单根同轴线缆，采用时分复用的方式实现单根线缆收发信号；本实例中设备具备1个上行的接口；

下行接口：用于连接网络中的下级设备；向下级设备发送的集群控制信号，接收设备反馈状态信息；

例如：下行接口使用3.3V TTL电平信号，集群间通过单根同轴线缆，采用时分复用的方式实现单根线缆收发信号；本实例中设备具备3个下行的接口；

上行接口延迟处理模块：用于向所述上行接口回传信号增加延迟；把延迟信息通过集群控制信号回传给上级空间光调制器；例如，实施时上行接口延迟由现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)内部的计数器实现，延迟时间＝计算器值*TCLK(其中TCLK是FPGA运行下主频率)；FPGA内部对输入信号进行采样，采样后，在内部延迟计数器时间后，再输出信号；

上行接口信号检测模块：持续检测上行接口输入的信号；用于判断本机是否为主控制器，以及是否有外部触发信号输入等，如持续检测到上行接口控制信号输入，自主判断本机为是否为集群主控制器；例如，上行接口信号检测模块由FPGA的固件实现；

下行接口延迟模块：用于适配不同的下行通道上空间光调制器的不同的延迟；下行接口延迟模块由FPGA内部的计数器实现，延迟时间＝计算器值xTCLK(其中TCLK是FPGA运行下主频率)；FPGA内部对输入信号进行采样，采样后，在内部延迟计数器时间后，再输出信号；

本机信号延迟模块：对于对本机设备集群信号设定延迟，使本设备的延迟后的同步信号和下级各设备最终信号保持同步；本实例中本机信号延迟模块延迟由FPGA内部的计数器实现，延迟时间＝计算器值xTCLK(其中TCLK是FPGA运行下主频率)；FPGA内部对输入信号进行采样，采样后，在内部延迟计数器时间后，再输出信号；

各通道信号延迟比较模块：比较本机控制信号、上行以及各下行接口返回信号的延迟，确定各设备的延迟信号，用于控制本机上行通道及各下级通道的输出信号的延迟量，判断本机及下行通道中空间光调制器是否达到集群状态同步。实施时，延迟比较模块由FPGA实现，FPGA在主时钟的上升沿，对各反馈后的延迟信号进行持续采用，并根据各延迟信号边沿的上升时间，计数相对的时钟周期个数，因此计算出各延迟量的时间；

具体实施时，还包括集群协议解析模块、信号产生模块和集群控制协议模块；

集群协议解析模块，根据定义的集群控制协议，解析上行及下行设备发送的命令及状态，向上行和下行设备发送集群控制命令及状态；

集群控制协议模块：集群控制协议定义集群控制信号的命令格式和要求，

信号产生模块：用于根据集群控制协议解析集群命令，产生集群控制命令。

具体实施时，针对每个下行接口设定独立的下行接口延迟模块。

在一种可能的设计中，还包括上行接口状态切换模块和下行接口状态切换模块；

上行接口状态切换模块用于控制上行端口输入输出信号方向的切换，初始态时总线上行端口为输入接口，当本机往上级设备回传集群控制信号时，通过控制总线状态的方向，控制上行接口信号为输出方向；上下接口状态切换由总线状态切换使用三态总线控制芯片TISN74LVTH125，并由现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)输出控制总线方向的信号，进行总线状态切换。

下行接口状态切换模块用于控制下行端口输入输出信号方向的切换，初始态时总线下行端口为输出接口，当本机往上级设备回传集群控制信号时，通过控制总线状态的方向，控制上行接口信号为输出方向。

以上所描述的多个实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。