基于虛擬儀器的光纖多參數(shù)自動(dòng)校準(zhǔn)測(cè)試平臺(tái)

陳　挺，周聞青，茅振華

（浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，浙江 杭州 310018）

基于虛擬儀器的光纖多參數(shù)自動(dòng)校準(zhǔn)測(cè)試平臺(tái)

陳挺，周聞青，茅振華

（浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，浙江 杭州 310018）

針對(duì)原有光纖參數(shù)測(cè)量設(shè)備獨(dú)立測(cè)試、測(cè)量效率低、光纖接口多次插拔等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)光纖多參數(shù)自動(dòng)校準(zhǔn)測(cè)試平臺(tái)。采用LabVIEW編程平臺(tái)，將多臺(tái)光纖參數(shù)測(cè)量設(shè)備互聯(lián)，集中控制，自動(dòng)設(shè)置測(cè)量參數(shù)，引入4×4光開(kāi)關(guān)矩陣，自動(dòng)切換光路，避免光接口的多次插拔，以光功率計(jì)、光源的校準(zhǔn)為例，編寫(xiě)自動(dòng)校準(zhǔn)程序，自動(dòng)記錄校準(zhǔn)結(jié)果，自動(dòng)生成校準(zhǔn)報(bào)告。實(shí)際使用結(jié)果表明：該平臺(tái)校準(zhǔn)測(cè)試效率高,功能拓展便捷，具有一定的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

虛擬儀器；自動(dòng)校準(zhǔn)測(cè)試平臺(tái)；光纖參數(shù)；ActiveX

0　引　言

光功率計(jì)、光源等設(shè)備是光纖通信行業(yè)內(nèi)使用頻率很高的測(cè)試設(shè)備，需要進(jìn)行周期性的校準(zhǔn)方可正常使用。同時(shí)，隨著光纖通信的飛速發(fā)展，對(duì)光器件的需求日益增長(zhǎng)，對(duì)光器件性能測(cè)試的準(zhǔn)確性以及測(cè)試效率提出了更高的要求。

無(wú)論是對(duì)光纖測(cè)試設(shè)備的準(zhǔn)確校準(zhǔn)，或者是對(duì)光器件的準(zhǔn)確測(cè)試，最終歸結(jié)于對(duì)光的功率、光的波長(zhǎng)、光源的光譜相關(guān)特性等光纖參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。目前，針對(duì)光纖各個(gè)參數(shù)都有各自對(duì)應(yīng)的測(cè)量設(shè)備。這些測(cè)試儀器相互孤立，而且主要是手動(dòng)調(diào)節(jié)儀器控制面板上的各種旋鈕/按鈕，肉眼觀看儀器屏幕上顯示的數(shù)據(jù)或波形，人工記錄測(cè)試結(jié)果[1]。然而，測(cè)試過(guò)程需要操作不同儀器，設(shè)置不同的測(cè)試參數(shù)，校準(zhǔn)過(guò)程會(huì)涉及重復(fù)操作，使得檢測(cè)人員工作量成倍增加，操作繁雜，容易產(chǎn)生誤操作，效率低，甚至影響校準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果[2]。

虛擬儀器技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器儀表技術(shù)相結(jié)合的新技術(shù)，它利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的功能，以軟件為核心，突破了傳統(tǒng)儀器固有的功能，可以快速搭建不同的測(cè)試系統(tǒng)，完成個(gè)性化的自動(dòng)測(cè)試任務(wù)，可對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算，測(cè)試分析結(jié)果可直觀顯示，易于保存[3]。

本文基于虛擬儀器技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室已有儀器基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了光纖多參數(shù)自動(dòng)校準(zhǔn)測(cè)試平臺(tái)，可對(duì)光功率、光源等進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，自動(dòng)生成校準(zhǔn)報(bào)告，也可對(duì)光器件進(jìn)行光纖多參數(shù)的集中測(cè)試。

1　總體設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的光纖參數(shù)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器有：Agilent 86120B型光波長(zhǎng)計(jì)；Agilent 8164A型光測(cè)量系統(tǒng)，其中包括81654A型標(biāo)準(zhǔn)光源模塊、81570A衰減器模塊、81634B型光功率計(jì)模塊、81610A型回?fù)p模塊；Agilent8163B型多模光多用計(jì)；Agilent 86142B型光譜儀。上述設(shè)備配備GPIB接口，通過(guò)Agilent 82357B型USB/GPIB轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)連接。

由于光波長(zhǎng)計(jì)、光測(cè)量系統(tǒng)、光譜儀等標(biāo)準(zhǔn)器是針對(duì)不同光纖參數(shù)的測(cè)量?jī)x器，當(dāng)需要對(duì)某一光設(shè)備進(jìn)行不同參數(shù)校準(zhǔn)時(shí)，需要用到不同的測(cè)量設(shè)備。例如，針對(duì)光源校準(zhǔn)，需要光測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量光源的輸出功率、輸出功率的穩(wěn)定度；需要光波長(zhǎng)計(jì)測(cè)量輸出光的波長(zhǎng)；有必要的時(shí)候，還需要光譜儀來(lái)測(cè)量光源的光譜圖形。為了避免校準(zhǔn)測(cè)試過(guò)程中對(duì)光接口的多次插拔，實(shí)現(xiàn)測(cè)試全程自動(dòng)化，因此增加4×4光開(kāi)關(guān)矩陣，使得光路可以在不同測(cè)試儀器之間自由切換。

測(cè)試系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。平臺(tái)光路圖如圖2所示。從81654A標(biāo)準(zhǔn)光源出來(lái)的光輸入到81570A光衰減器輸入口，再?gòu)乃p器輸出口輸出到光開(kāi)關(guān)矩陣In1輸入口。被校準(zhǔn)的光源輸出的光可接入到光開(kāi)關(guān)矩陣In2輸入口。其他被校準(zhǔn)設(shè)備或者被測(cè)器件可分別接入In3、In4輸入口。光開(kāi)關(guān)矩陣的輸出口Out1接81634B標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)模塊，Out2接被校準(zhǔn)光功率計(jì)，Out3接86120B光波長(zhǎng)計(jì)，Out4接86142B光譜儀。所有接口通過(guò)插損小、回?fù)p大的高質(zhì)量FC/UPC光纖跳線連接。由于某個(gè)時(shí)刻，光可從光開(kāi)關(guān)矩陣的任意一輸入口輸入，接通任意一輸出口輸出。因此，對(duì)于被校光源，可按照順序，分別接通2-1、2-3、2-4，由標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)、光波長(zhǎng)、光譜儀分別對(duì)光源的輸出光功率、波長(zhǎng)、光譜特性進(jìn)行校準(zhǔn)，同理也可對(duì)從In3、In4輸入的被校、被測(cè)工件進(jìn)行校準(zhǔn)或者測(cè)試。

圖1　校準(zhǔn)測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)框圖

圖2　校準(zhǔn)測(cè)試平臺(tái)光路示意圖

由于本系統(tǒng)只是對(duì)各分立測(cè)試儀器的集成及控制，沒(méi)有改變?cè)袃x器的硬件結(jié)構(gòu)，因此本系統(tǒng)基本延續(xù)了原有光測(cè)試設(shè)備的測(cè)量準(zhǔn)確度。如原標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)對(duì)功率測(cè)量的不確定度為2%（0.09dB），標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)計(jì)對(duì)波長(zhǎng)測(cè)量的不確定度為3pm。在光路中光開(kāi)關(guān)矩陣帶來(lái)的光功率損耗，可在軟件中得到補(bǔ)償。而由于光開(kāi)關(guān)矩陣光路切換的重復(fù)性為±0.01dB，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)器的不確定度，在測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定中，由此引入的不確定度分量較小，對(duì)最終測(cè)量結(jié)果影響極小。

2　軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用NI公司的LabVIEW編程環(huán)境。LabVIEW程序（VI）主要由前面板及框圖組成。前面板模擬真實(shí)儀器的面板，用于人機(jī)交互，負(fù)責(zé)用戶的參數(shù)輸入及測(cè)量結(jié)果的顯示。框圖是程序的源代碼，由子程序、函數(shù)、控制結(jié)構(gòu)等組成。整個(gè)軟件系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化、模塊化設(shè)計(jì)[4]。

2.1儀器驅(qū)動(dòng)程序

LabVIEW與外部?jī)x器可以通過(guò)不同的總線進(jìn)行通信。由于GPIB是并行傳輸數(shù)據(jù)，多個(gè)儀器可以總線級(jí)聯(lián)，傳輸速度高達(dá)1 MB/s以上，且實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的Agilent儀器均配備有GPIB接口，因此本系統(tǒng)采用GPIB接口作為L(zhǎng)abVIEW與外部?jī)x器的通信。

各個(gè)儀器通過(guò)GPIB物理互聯(lián)后，LabVIEW還需要底層的儀器驅(qū)動(dòng)程序與各個(gè)儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)相互訪問(wèn)。LabVIEW與儀器通信最簡(jiǎn)便的就是使用儀器的LabVIEW版驅(qū)動(dòng)程序。將驅(qū)動(dòng)程序文件放置在LabVIEW安裝文件夾下名為[instr.lib]驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)的文件夾里，則在函數(shù)選版-儀器I/O-Instrument Drivers選版上即可看到光波長(zhǎng)計(jì)（ag8612x）、光譜儀（ag8614x）、光測(cè)量系統(tǒng)（hp816x）的驅(qū)動(dòng)程序圖標(biāo)，將其中包含的某個(gè)子VI拖到程序框圖中，就可實(shí)現(xiàn)儀器控制的某個(gè)功能。

2.2光功率計(jì)校準(zhǔn)模塊

對(duì)于光功率計(jì)的校準(zhǔn)，參照國(guó)家檢定規(guī)程[5]，首先需要用標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)測(cè)量由標(biāo)準(zhǔn)光源出來(lái)經(jīng)過(guò)衰減器衰減后的出纖功率值，需要在不同定標(biāo)功率值下測(cè)量，再換被校的功率計(jì)測(cè)同樣的出纖功率值，兩者相比較得到校準(zhǔn)結(jié)果。

如圖3所示，在子程序代碼中，設(shè)置光源的參數(shù)，選擇光源模塊的輸出波長(zhǎng)為1310nm，再設(shè)置光衰減器的波長(zhǎng)為1310nm，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)的工作波長(zhǎng)為1310nm，功率單位為dBm。設(shè)置好參數(shù)后，將光開(kāi)關(guān)矩陣光路切換成1-1，然后，將衰減值循環(huán)輸入光衰減器，由標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)一一讀取光功率值，再將7個(gè)數(shù)據(jù)存入數(shù)組A，以備后續(xù)使用。定義好連接端子后，此子VI就可以在光功率計(jì)模塊主程序中被調(diào)用。同理，將工作波長(zhǎng)改為1550nm后，則可再生成另一子VI。

圖3　1310nm波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)讀數(shù)子程序代碼

將光開(kāi)關(guān)矩陣光路切換成1-2后，換成被校準(zhǔn)光功率計(jì)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)光源的出纖功率。由于被校準(zhǔn)光功率計(jì)有未配備自動(dòng)測(cè)試接口，因此可通過(guò)[提示用戶輸入對(duì)話框]函數(shù)，將被校功率計(jì)顯示值輸入程序中，再建立兩個(gè)子VI用來(lái)記錄兩個(gè)工作波長(zhǎng)下被校功率計(jì)測(cè)得的功率值。

光校準(zhǔn)模塊的程序代碼如圖4所示，程序開(kāi)始運(yùn)行后，設(shè)置光測(cè)量系統(tǒng)的GPIB地址20，對(duì)儀器進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入While循環(huán)，當(dāng)開(kāi)始測(cè)量按鈕按下后，條件[真]分支運(yùn)行，首先獲取工作波長(zhǎng)為1310nm時(shí)標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)的讀數(shù)，然后獲取工作波長(zhǎng)為1550nm時(shí)標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)的讀數(shù)，自動(dòng)切換光開(kāi)關(guān)光路后，獲取工作波長(zhǎng)為1550nm時(shí)被校光功率計(jì)的讀數(shù)，再獲取工作波長(zhǎng)為1310nm時(shí)被校光功率計(jì)的讀數(shù)。由于1-1與1-2光路的插損是不同的，因此需要在子VI中對(duì)獲取的功率值進(jìn)行正確的補(bǔ)償，最終自動(dòng)生成校準(zhǔn)報(bào)告。

圖4　光功率校準(zhǔn)模塊程序代碼

2.3光源校準(zhǔn)模塊

對(duì)于光源的校準(zhǔn)，參照國(guó)家檢定規(guī)程，對(duì)光源的輸出功率、輸出功率的長(zhǎng)短時(shí)間穩(wěn)定度、中心波長(zhǎng)、光譜帶寬等項(xiàng)目進(jìn)行校準(zhǔn)[6]。可分別用標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)對(duì)功率、光波長(zhǎng)計(jì)對(duì)中心波長(zhǎng)、光譜儀對(duì)光譜特性進(jìn)行檢測(cè)。軟件流程圖如圖5所示。

光波長(zhǎng)計(jì)對(duì)中心波長(zhǎng)的測(cè)量，可編寫(xiě)子VI來(lái)完成，如圖6所示。先設(shè)置光波長(zhǎng)計(jì)的GPIB地址為17，再初始化儀器。對(duì)于名義波長(zhǎng)為1310nm的光源，可設(shè)置波長(zhǎng)掃描范圍為（1310±25）nm。參數(shù)設(shè)置完畢后，開(kāi)始掃描，再獲取測(cè)量結(jié)果。

光譜儀對(duì)光源光譜特性的測(cè)量，也同樣編寫(xiě)子VI來(lái)完成，如圖7所示。設(shè)置光譜儀的GPIB的地址為23，再初始化儀器。進(jìn)入光譜儀FP光源測(cè)試模塊，再進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。設(shè)置掃描起始波長(zhǎng)為1260nm，終止波長(zhǎng)為1 360 nm，分辨率帶寬為0.1nm，設(shè)置軌跡線點(diǎn)數(shù)為999。掃描完成后，下載軌跡A（Trace A）的數(shù)據(jù)，生成波形圖。最后，調(diào)用該波形圖的節(jié)點(diǎn)，獲取圖像，根據(jù)輸入的路徑，保存圖片。

圖5　光源校準(zhǔn)模塊程序流程圖

圖6　光波長(zhǎng)計(jì)測(cè)量中心波長(zhǎng)子程序代碼

圖7　光譜儀測(cè)量光源光譜特性子程序代碼

光源校準(zhǔn)模塊的部分程序代碼如圖8所示。先設(shè)置光測(cè)量系統(tǒng)的GPIB的地址為20，再將光開(kāi)關(guān)矩陣光路切換成2-1，由標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)模塊來(lái)測(cè)量功率相關(guān)項(xiàng)目，測(cè)量完畢后，切換光路2-3，由光波長(zhǎng)計(jì)來(lái)測(cè)量中心波長(zhǎng)，再切換光路2-4，由光譜儀來(lái)測(cè)量光譜特性，保存圖片，再將測(cè)得的數(shù)據(jù)及圖片自動(dòng)插入到校準(zhǔn)報(bào)告里，生成最終的校準(zhǔn)報(bào)告。

圖8　光源校準(zhǔn)模塊部分程序代碼

2.4儀器集中控制

自動(dòng)校準(zhǔn)測(cè)試平臺(tái)除了解決日常工作中最頻繁使用的光功率計(jì)、光源的自動(dòng)校準(zhǔn)以外，也可以集中控制4臺(tái)儀器，對(duì)光開(kāi)關(guān)輸入端In3、In4的被測(cè)件（device under test，DUT）進(jìn)行光纖多參數(shù)的集中測(cè)試，將4臺(tái)儀器的測(cè)量結(jié)果集中顯示于計(jì)算機(jī)屏幕上。如圖9所示為光測(cè)量系統(tǒng)部分的儀器控制程序前面板。

圖9　光測(cè)量系統(tǒng)部分的儀器控制程序前面板

2.5報(bào)告生成模塊

將數(shù)據(jù)從LabVIEW軟件平臺(tái)自動(dòng)生成報(bào)告的方法主要有：利用Report Generation類(lèi)函數(shù)生成（不容易制作復(fù)雜報(bào)告）、利用File I/O類(lèi)函數(shù)生成（無(wú)法繪制表格）、利用LabVIEW報(bào)告生成工具包生成（附加工具包，需要額外購(gòu)買(mǎi)）、通過(guò)ActiveX技術(shù)生成（功能強(qiáng)，編程難度大）[7]。本系統(tǒng)采用基于ActiveX技術(shù)生成Word版本的校準(zhǔn)報(bào)告。LabVIEW基于ActiveX技術(shù)通過(guò)Word VBA（visual basic for application）模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)Word的完全控制[8-9]。

在函數(shù)面板-互聯(lián)接口-ActiveX中，選擇[打開(kāi)自動(dòng)化]，再將此函數(shù)獲取對(duì)Word對(duì)象的引用，則可針對(duì)各個(gè)Word對(duì)象的屬性和方法進(jìn)行編程操作，完成對(duì)Word文檔的編輯。由于校準(zhǔn)報(bào)告有固定的格式，因此將一個(gè)編輯好的復(fù)雜文檔作為模板，在此文檔中，設(shè)計(jì)幾個(gè)固定的空白表格，使得程序可以定位插入測(cè)量數(shù)據(jù)及測(cè)量圖片的位置。可將各個(gè)圖片、數(shù)據(jù)插入到任何一個(gè)表格中的任意單元格中。數(shù)據(jù)插入完畢后，再重新獲取文檔[Document]的屬性，另存為以路徑A為文件名的校準(zhǔn)報(bào)告。路徑由上級(jí)程序輸入，以被測(cè)件唯一的樣品標(biāo)識(shí)號(hào)為名自動(dòng)生成。最后，退出Word應(yīng)用程序，以樣品標(biāo)識(shí)號(hào)為文件名的校準(zhǔn)報(bào)告即可自動(dòng)生成，上傳該報(bào)告至業(yè)務(wù)平臺(tái)，完成整個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程，避免人工數(shù)據(jù)錄入的錯(cuò)誤。

2.6主程序

自動(dòng)校準(zhǔn)測(cè)試平臺(tái)的軟件系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)采用響應(yīng)菜單方式來(lái)設(shè)計(jì)[10]，以方便各個(gè)相互獨(dú)立的子模塊程序之間的相互切換，充分遵循了軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)化、模塊化的原則，系統(tǒng)具有靈活性和可擴(kuò)展性。

此平臺(tái)針對(duì)校準(zhǔn)測(cè)試對(duì)象較多，不易共用一個(gè)用戶界面，可按照具體任務(wù)分成不同模塊，每個(gè)模塊分別設(shè)計(jì)不同的子VI，每個(gè)子VI有各自的用戶界面。主程序代碼如圖10所示，用[獲取所選菜單項(xiàng)]函數(shù)來(lái)確定前面板菜單欄中用戶選擇的菜單項(xiàng)標(biāo)簽，再用條件結(jié)構(gòu)（case structure）來(lái)執(zhí)行對(duì)應(yīng)標(biāo)簽的分支，每一個(gè)分支執(zhí)行一個(gè)子VI，對(duì)應(yīng)不同的校準(zhǔn)或者測(cè)試任務(wù)。在勾選子VI屬性中[調(diào)用時(shí)顯示前面板]后，執(zhí)行每一個(gè)子VI，都會(huì)顯示該子VI的前面板，直至該子程序運(yùn)行結(jié)束而關(guān)閉，程序返回主界面。

若需增加校準(zhǔn)測(cè)試任務(wù)，只需要在菜單欄中增加一個(gè)標(biāo)簽，在條件結(jié)構(gòu)中增加對(duì)于該標(biāo)簽的分支，將子VI放入該分支中即可，而不需要對(duì)原有程序結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，易于擴(kuò)展。

圖10　光纖參數(shù)校準(zhǔn)測(cè)量平臺(tái)主程序代碼

3　結(jié)束語(yǔ)

基于虛擬儀器技術(shù)，采用LabVIEW平臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了光纖多參數(shù)校準(zhǔn)測(cè)試平臺(tái)，可對(duì)光功率計(jì)、光源等光通信測(cè)試設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，自動(dòng)生成校準(zhǔn)報(bào)告，可對(duì)光器件進(jìn)行多個(gè)參數(shù)的測(cè)試，而無(wú)需進(jìn)行光接口的多次插拔。該校準(zhǔn)測(cè)試平臺(tái)改變了原來(lái)人工設(shè)置測(cè)量參數(shù)，各儀器獨(dú)立測(cè)試，人工記錄測(cè)量結(jié)果的工作模式，提高了效率。校準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果可靠、準(zhǔn)確，軟件架構(gòu)模塊化，功能拓展方便，實(shí)用性強(qiáng)。

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Automatic platform for calibrating and testing multi-parameter of optical fiber communication based on virtual instrument technology

CHEN Ting，ZHOU Wenqing，MAO Zhenhua
（Zhejiang Institute of Metrology，Hangzhou 310018，China）

A new automatic platform for calibrating and testing multi-parameter of optical fiber communication was designed and developped to overcome the disadvantages in old testing way，such as independent testing with devices，low measurement efficiency，many times of plugging optical interface.Devices were interconnected and controlled，and the testing parameters were set automatically in this platform which was programmed by LabVIEW，4×4 optical switch matrix was used to switch the light path automatically，avoiding multiple plugging optical interface.The optical power meter、light source can be calibrated automatically，the calibration result can be record and the report can be generated automatically in this platform.Application of this platform proved that the system has high efficiency，functional expansion is convenient，has a certain application prospect and promotional value.

virtual instrument；auto calibration and test platform；optical fiber parameter；ActiveX

A

1674-5124（2015）12-0074-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.12.019

2015-07-19；

2015-09-11

浙江省計(jì)量科學(xué)研究院院立項(xiàng)目（2011YL201）

陳挺（1982-），男，浙江溫嶺市人，工程師，碩士，主要從事光通信計(jì)量、幾何量精密測(cè)試、虛擬儀器應(yīng)用于計(jì)量測(cè)試等科研工作。