基于虛擬儀器的光纖多參數自動校準測試平臺

陳　挺，周聞青，茅振華

（浙江省計量科學研究院，浙江 杭州 310018）

基于虛擬儀器的光纖多參數自動校準測試平臺

陳挺，周聞青，茅振華

（浙江省計量科學研究院，浙江 杭州 310018）

針對原有光纖參數測量設備獨立測試、測量效率低、光纖接口多次插拔等缺點，設計開發光纖多參數自動校準測試平臺。采用LabVIEW編程平臺，將多臺光纖參數測量設備互聯，集中控制，自動設置測量參數，引入4×4光開關矩陣，自動切換光路，避免光接口的多次插拔，以光功率計、光源的校準為例，編寫自動校準程序，自動記錄校準結果，自動生成校準報告。實際使用結果表明：該平臺校準測試效率高,功能拓展便捷，具有一定的應用前景和推廣價值。

虛擬儀器；自動校準測試平臺；光纖參數；ActiveX

0　引　言

光功率計、光源等設備是光纖通信行業內使用頻率很高的測試設備，需要進行周期性的校準方可正常使用。同時，隨著光纖通信的飛速發展，對光器件的需求日益增長，對光器件性能測試的準確性以及測試效率提出了更高的要求。

無論是對光纖測試設備的準確校準，或者是對光器件的準確測試，最終歸結于對光的功率、光的波長、光源的光譜相關特性等光纖參數進行準確的測量。目前，針對光纖各個參數都有各自對應的測量設備。這些測試儀器相互孤立，而且主要是手動調節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據或波形，人工記錄測試結果[1]。然而，測試過程需要操作不同儀器，設置不同的測試參數，校準過程會涉及重復操作，使得檢測人員工作量成倍增加，操作繁雜，容易產生誤操作，效率低，甚至影響校準測試結果[2]。

虛擬儀器技術是計算機技術與儀器儀表技術相結合的新技術，它利用計算機強大的功能，以軟件為核心，突破了傳統儀器固有的功能，可以快速搭建不同的測試系統，完成個性化的自動測試任務，可對測試數據進行復雜運算，測試分析結果可直觀顯示，易于保存[3]。

本文基于虛擬儀器技術，在實驗室已有儀器基礎上，開發了光纖多參數自動校準測試平臺，可對光功率、光源等進行自動校準，自動生成校準報告，也可對光器件進行光纖多參數的集中測試。

1　總體設計

實驗室現有的光纖參數校準標準器有：Agilent 86120B型光波長計；Agilent 8164A型光測量系統，其中包括81654A型標準光源模塊、81570A衰減器模塊、81634B型光功率計模塊、81610A型回損模塊；Agilent8163B型多模光多用計；Agilent 86142B型光譜儀。上述設備配備GPIB接口，通過Agilent 82357B型USB/GPIB轉換器與計算機連接。

由于光波長計、光測量系統、光譜儀等標準器是針對不同光纖參數的測量儀器，當需要對某一光設備進行不同參數校準時，需要用到不同的測量設備。例如，針對光源校準，需要光測量系統測量光源的輸出功率、輸出功率的穩定度；需要光波長計測量輸出光的波長；有必要的時候，還需要光譜儀來測量光源的光譜圖形。為了避免校準測試過程中對光接口的多次插拔，實現測試全程自動化，因此增加4×4光開關矩陣，使得光路可以在不同測試儀器之間自由切換。

測試系統的硬件系統框圖如圖1所示。平臺光路圖如圖2所示。從81654A標準光源出來的光輸入到81570A光衰減器輸入口，再從衰減器輸出口輸出到光開關矩陣In1輸入口。被校準的光源輸出的光可接入到光開關矩陣In2輸入口。其他被校準設備或者被測器件可分別接入In3、In4輸入口。光開關矩陣的輸出口Out1接81634B標準光功率計模塊，Out2接被校準光功率計，Out3接86120B光波長計，Out4接86142B光譜儀。所有接口通過插損小、回損大的高質量FC/UPC光纖跳線連接。由于某個時刻，光可從光開關矩陣的任意一輸入口輸入，接通任意一輸出口輸出。因此，對于被校光源，可按照順序，分別接通2-1、2-3、2-4，由標準光功率計、光波長、光譜儀分別對光源的輸出光功率、波長、光譜特性進行校準，同理也可對從In3、In4輸入的被校、被測工件進行校準或者測試。

圖1　校準測試平臺系統框圖

圖2　校準測試平臺光路示意圖

由于本系統只是對各分立測試儀器的集成及控制，沒有改變原有儀器的硬件結構，因此本系統基本延續了原有光測試設備的測量準確度。如原標準光功率計對功率測量的不確定度為2%（0.09dB），標準波長計對波長測量的不確定度為3pm。在光路中光開關矩陣帶來的光功率損耗，可在軟件中得到補償。而由于光開關矩陣光路切換的重復性為±0.01dB，遠小于標準器的不確定度，在測量結果的不確定度評定中，由此引入的不確定度分量較小，對最終測量結果影響極小。

2　軟件系統設計

本系統采用NI公司的LabVIEW編程環境。LabVIEW程序（VI）主要由前面板及框圖組成。前面板模擬真實儀器的面板，用于人機交互，負責用戶的參數輸入及測量結果的顯示。框圖是程序的源代碼，由子程序、函數、控制結構等組成。整個軟件系統采用結構化、模塊化設計[4]。

2.1儀器驅動程序

LabVIEW與外部儀器可以通過不同的總線進行通信。由于GPIB是并行傳輸數據，多個儀器可以總線級聯，傳輸速度高達1 MB/s以上，且實驗室現有的Agilent儀器均配備有GPIB接口，因此本系統采用GPIB接口作為LabVIEW與外部儀器的通信。

各個儀器通過GPIB物理互聯后，LabVIEW還需要底層的儀器驅動程序與各個儀器進行數據相互訪問。LabVIEW與儀器通信最簡便的就是使用儀器的LabVIEW版驅動程序。將驅動程序文件放置在LabVIEW安裝文件夾下名為[instr.lib]驅動程序庫的文件夾里，則在函數選版-儀器I/O-Instrument Drivers選版上即可看到光波長計（ag8612x）、光譜儀（ag8614x）、光測量系統（hp816x）的驅動程序圖標，將其中包含的某個子VI拖到程序框圖中，就可實現儀器控制的某個功能。

2.2光功率計校準模塊

對于光功率計的校準，參照國家檢定規程[5]，首先需要用標準光功率計測量由標準光源出來經過衰減器衰減后的出纖功率值，需要在不同定標功率值下測量，再換被校的功率計測同樣的出纖功率值，兩者相比較得到校準結果。

如圖3所示，在子程序代碼中，設置光源的參數，選擇光源模塊的輸出波長為1310nm，再設置光衰減器的波長為1310nm，設置標準功率計的工作波長為1310nm，功率單位為dBm。設置好參數后，將光開關矩陣光路切換成1-1，然后，將衰減值循環輸入光衰減器，由標準光功率計一一讀取光功率值，再將7個數據存入數組A，以備后續使用。定義好連接端子后，此子VI就可以在光功率計模塊主程序中被調用。同理，將工作波長改為1550nm后，則可再生成另一子VI。

圖3　1310nm波長標準光功率計讀數子程序代碼

將光開關矩陣光路切換成1-2后，換成被校準光功率計測量標準光源的出纖功率。由于被校準光功率計有未配備自動測試接口，因此可通過[提示用戶輸入對話框]函數，將被校功率計顯示值輸入程序中，再建立兩個子VI用來記錄兩個工作波長下被校功率計測得的功率值。

光校準模塊的程序代碼如圖4所示，程序開始運行后，設置光測量系統的GPIB地址20，對儀器進行初始化，然后進入While循環，當開始測量按鈕按下后，條件[真]分支運行，首先獲取工作波長為1310nm時標準光功率計的讀數，然后獲取工作波長為1550nm時標準光功率計的讀數，自動切換光開關光路后，獲取工作波長為1550nm時被校光功率計的讀數，再獲取工作波長為1310nm時被校光功率計的讀數。由于1-1與1-2光路的插損是不同的，因此需要在子VI中對獲取的功率值進行正確的補償，最終自動生成校準報告。

圖4　光功率校準模塊程序代碼

2.3光源校準模塊

對于光源的校準，參照國家檢定規程，對光源的輸出功率、輸出功率的長短時間穩定度、中心波長、光譜帶寬等項目進行校準[6]。可分別用標準功率計對功率、光波長計對中心波長、光譜儀對光譜特性進行檢測。軟件流程圖如圖5所示。

光波長計對中心波長的測量，可編寫子VI來完成，如圖6所示。先設置光波長計的GPIB地址為17，再初始化儀器。對于名義波長為1310nm的光源，可設置波長掃描范圍為（1310±25）nm。參數設置完畢后，開始掃描，再獲取測量結果。

光譜儀對光源光譜特性的測量，也同樣編寫子VI來完成，如圖7所示。設置光譜儀的GPIB的地址為23，再初始化儀器。進入光譜儀FP光源測試模塊，再進行參數設置。設置掃描起始波長為1260nm，終止波長為1 360 nm，分辨率帶寬為0.1nm，設置軌跡線點數為999。掃描完成后，下載軌跡A（Trace A）的數據，生成波形圖。最后，調用該波形圖的節點，獲取圖像，根據輸入的路徑，保存圖片。

圖5　光源校準模塊程序流程圖

圖6　光波長計測量中心波長子程序代碼

圖7　光譜儀測量光源光譜特性子程序代碼

光源校準模塊的部分程序代碼如圖8所示。先設置光測量系統的GPIB的地址為20，再將光開關矩陣光路切換成2-1，由標準光功率計模塊來測量功率相關項目，測量完畢后，切換光路2-3，由光波長計來測量中心波長，再切換光路2-4，由光譜儀來測量光譜特性，保存圖片，再將測得的數據及圖片自動插入到校準報告里，生成最終的校準報告。

圖8　光源校準模塊部分程序代碼

2.4儀器集中控制

自動校準測試平臺除了解決日常工作中最頻繁使用的光功率計、光源的自動校準以外，也可以集中控制4臺儀器，對光開關輸入端In3、In4的被測件（device under test，DUT）進行光纖多參數的集中測試，將4臺儀器的測量結果集中顯示于計算機屏幕上。如圖9所示為光測量系統部分的儀器控制程序前面板。

圖9　光測量系統部分的儀器控制程序前面板

2.5報告生成模塊

將數據從LabVIEW軟件平臺自動生成報告的方法主要有：利用Report Generation類函數生成（不容易制作復雜報告）、利用File I/O類函數生成（無法繪制表格）、利用LabVIEW報告生成工具包生成（附加工具包，需要額外購買）、通過ActiveX技術生成（功能強，編程難度大）[7]。本系統采用基于ActiveX技術生成Word版本的校準報告。LabVIEW基于ActiveX技術通過Word VBA（visual basic for application）模型可以實現對Word的完全控制[8-9]。

在函數面板-互聯接口-ActiveX中，選擇[打開自動化]，再將此函數獲取對Word對象的引用，則可針對各個Word對象的屬性和方法進行編程操作，完成對Word文檔的編輯。由于校準報告有固定的格式，因此將一個編輯好的復雜文檔作為模板，在此文檔中，設計幾個固定的空白表格，使得程序可以定位插入測量數據及測量圖片的位置。可將各個圖片、數據插入到任何一個表格中的任意單元格中。數據插入完畢后，再重新獲取文檔[Document]的屬性，另存為以路徑A為文件名的校準報告。路徑由上級程序輸入，以被測件唯一的樣品標識號為名自動生成。最后，退出Word應用程序，以樣品標識號為文件名的校準報告即可自動生成，上傳該報告至業務平臺，完成整個校準過程，避免人工數據錄入的錯誤。

2.6主程序

自動校準測試平臺的軟件系統主程序設計采用響應菜單方式來設計[10]，以方便各個相互獨立的子模塊程序之間的相互切換，充分遵循了軟件設計結構化、模塊化的原則，系統具有靈活性和可擴展性。

此平臺針對校準測試對象較多，不易共用一個用戶界面，可按照具體任務分成不同模塊，每個模塊分別設計不同的子VI，每個子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]函數來確定前面板菜單欄中用戶選擇的菜單項標簽，再用條件結構（case structure）來執行對應標簽的分支，每一個分支執行一個子VI，對應不同的校準或者測試任務。在勾選子VI屬性中[調用時顯示前面板]后，執行每一個子VI，都會顯示該子VI的前面板，直至該子程序運行結束而關閉，程序返回主界面。

若需增加校準測試任務，只需要在菜單欄中增加一個標簽，在條件結構中增加對于該標簽的分支，將子VI放入該分支中即可，而不需要對原有程序結構進行修改，易于擴展。

圖10　光纖參數校準測量平臺主程序代碼

3　結束語

基于虛擬儀器技術，采用LabVIEW平臺，在實驗室現有儀器基礎上，開發了光纖多參數校準測試平臺，可對光功率計、光源等光通信測試設備進行自動校準，自動生成校準報告，可對光器件進行多個參數的測試，而無需進行光接口的多次插拔。該校準測試平臺改變了原來人工設置測量參數，各儀器獨立測試，人工記錄測量結果的工作模式，提高了效率。校準測試結果可靠、準確，軟件架構模塊化，功能拓展方便，實用性強。

[1]宗德才，肖鐵軍，史智青.虛擬儀器技術在光模塊自動測試系統中的應用[J].微計算機信息，2005，21（2）：131-133.

[2]楊慧玉，任兵，合燁，等.基于LabVIEW的數字采集儀在線校準系統設計[J].中國測試，2013，39（1）：64-68.

[3]Jeffery T，Jim K.LabVIEW大學實用教程[M].北京：電子工業出版社，2008：203-211.

[4]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW8.20程序設計從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2007：59-67.

[5]JJG 965—2013通信用光功率計檢定規程[S].北京：中國質檢出版社，2013.

[6]JJG 958—2000光傳輸用穩定光源檢定規程[S].北京：中國計量出版社，2000.

[7]李磊，楊峰，何耀.基于LabVIEW的檢測報告自動生成方法研究[J].自動化儀表，2012，33（1）：66-69.

[8]蔡共宣.LabVIEW環境下Word格式測試報告生成模塊開發及應用[J].西南師范大學學報：自然科學版，2011，36（6）：141-145.

[9]孟宏.LabVIEW下基于Word VBA模型的報表技術研究[J].國外電子測量技術，2006，25（4）：48-50.

[10]周順斌，劉瑩.基于LabVIEW軟件的菜單形式用戶界面的設計[J].工業控制計算機，2008，21（3）：25-26.

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

浙江省計量科學研究院院立項目（2011YL201）

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