基于虚拟仪器的光纤多参数自动校准测试平台

陈　挺，周闻青，茅振华

（浙江省计量科学研究院，浙江 杭州 310018）

基于虚拟仪器的光纤多参数自动校准测试平台

陈挺，周闻青，茅振华

（浙江省计量科学研究院，浙江 杭州 310018）

针对原有光纤参数测量设备独立测试、测量效率低、光纤接口多次插拔等缺点，设计开发光纤多参数自动校准测试平台。采用LabVIEW编程平台，将多台光纤参数测量设备互联，集中控制，自动设置测量参数，引入4×4光开关矩阵，自动切换光路，避免光接口的多次插拔，以光功率计、光源的校准为例，编写自动校准程序，自动记录校准结果，自动生成校准报告。实际使用结果表明：该平台校准测试效率高,功能拓展便捷，具有一定的应用前景和推广价值。

虚拟仪器；自动校准测试平台；光纤参数；ActiveX

0　引　言

光功率计、光源等设备是光纤通信行业内使用频率很高的测试设备，需要进行周期性的校准方可正常使用。同时，随着光纤通信的飞速发展，对光器件的需求日益增长，对光器件性能测试的准确性以及测试效率提出了更高的要求。

无论是对光纤测试设备的准确校准，或者是对光器件的准确测试，最终归结于对光的功率、光的波长、光源的光谱相关特性等光纤参数进行准确的测量。目前，针对光纤各个参数都有各自对应的测量设备。这些测试仪器相互孤立，而且主要是手动调节仪器控制面板上的各种旋钮/按钮，肉眼观看仪器屏幕上显示的数据或波形，人工记录测试结果[1]。然而，测试过程需要操作不同仪器，设置不同的测试参数，校准过程会涉及重复操作，使得检测人员工作量成倍增加，操作繁杂，容易产生误操作，效率低，甚至影响校准测试结果[2]。

虚拟仪器技术是计算机技术与仪器仪表技术相结合的新技术，它利用计算机强大的功能，以软件为核心，突破了传统仪器固有的功能，可以快速搭建不同的测试系统，完成个性化的自动测试任务，可对测试数据进行复杂运算，测试分析结果可直观显示，易于保存[3]。

本文基于虚拟仪器技术，在实验室已有仪器基础上，开发了光纤多参数自动校准测试平台，可对光功率、光源等进行自动校准，自动生成校准报告，也可对光器件进行光纤多参数的集中测试。

1　总体设计

实验室现有的光纤参数校准标准器有：Agilent 86120B型光波长计；Agilent 8164A型光测量系统，其中包括81654A型标准光源模块、81570A衰减器模块、81634B型光功率计模块、81610A型回损模块；Agilent8163B型多模光多用计；Agilent 86142B型光谱仪。上述设备配备GPIB接口，通过Agilent 82357B型USB/GPIB转换器与计算机连接。

由于光波长计、光测量系统、光谱仪等标准器是针对不同光纤参数的测量仪器，当需要对某一光设备进行不同参数校准时，需要用到不同的测量设备。例如，针对光源校准，需要光测量系统测量光源的输出功率、输出功率的稳定度；需要光波长计测量输出光的波长；有必要的时候，还需要光谱仪来测量光源的光谱图形。为了避免校准测试过程中对光接口的多次插拔，实现测试全程自动化，因此增加4×4光开关矩阵，使得光路可以在不同测试仪器之间自由切换。

测试系统的硬件系统框图如图1所示。平台光路图如图2所示。从81654A标准光源出来的光输入到81570A光衰减器输入口，再从衰减器输出口输出到光开关矩阵In1输入口。被校准的光源输出的光可接入到光开关矩阵In2输入口。其他被校准设备或者被测器件可分别接入In3、In4输入口。光开关矩阵的输出口Out1接81634B标准光功率计模块，Out2接被校准光功率计，Out3接86120B光波长计，Out4接86142B光谱仪。所有接口通过插损小、回损大的高质量FC/UPC光纤跳线连接。由于某个时刻，光可从光开关矩阵的任意一输入口输入，接通任意一输出口输出。因此，对于被校光源，可按照顺序，分别接通2-1、2-3、2-4，由标准光功率计、光波长、光谱仪分别对光源的输出光功率、波长、光谱特性进行校准，同理也可对从In3、In4输入的被校、被测工件进行校准或者测试。

图1　校准测试平台系统框图

图2　校准测试平台光路示意图

由于本系统只是对各分立测试仪器的集成及控制，没有改变原有仪器的硬件结构，因此本系统基本延续了原有光测试设备的测量准确度。如原标准光功率计对功率测量的不确定度为2%（0.09dB），标准波长计对波长测量的不确定度为3pm。在光路中光开关矩阵带来的光功率损耗，可在软件中得到补偿。而由于光开关矩阵光路切换的重复性为±0.01dB，远小于标准器的不确定度，在测量结果的不确定度评定中，由此引入的不确定度分量较小，对最终测量结果影响极小。

2　软件系统设计

本系统采用NI公司的LabVIEW编程环境。LabVIEW程序（VI）主要由前面板及框图组成。前面板模拟真实仪器的面板，用于人机交互，负责用户的参数输入及测量结果的显示。框图是程序的源代码，由子程序、函数、控制结构等组成。整个软件系统采用结构化、模块化设计[4]。

2.1仪器驱动程序

LabVIEW与外部仪器可以通过不同的总线进行通信。由于GPIB是并行传输数据，多个仪器可以总线级联，传输速度高达1 MB/s以上，且实验室现有的Agilent仪器均配备有GPIB接口，因此本系统采用GPIB接口作为LabVIEW与外部仪器的通信。

各个仪器通过GPIB物理互联后，LabVIEW还需要底层的仪器驱动程序与各个仪器进行数据相互访问。LabVIEW与仪器通信最简便的就是使用仪器的LabVIEW版驱动程序。将驱动程序文件放置在LabVIEW安装文件夹下名为[instr.lib]驱动程序库的文件夹里，则在函数选版-仪器I/O-Instrument Drivers选版上即可看到光波长计（ag8612x）、光谱仪（ag8614x）、光测量系统（hp816x）的驱动程序图标，将其中包含的某个子VI拖到程序框图中，就可实现仪器控制的某个功能。

2.2光功率计校准模块

对于光功率计的校准，参照国家检定规程[5]，首先需要用标准光功率计测量由标准光源出来经过衰减器衰减后的出纤功率值，需要在不同定标功率值下测量，再换被校的功率计测同样的出纤功率值，两者相比较得到校准结果。

如图3所示，在子程序代码中，设置光源的参数，选择光源模块的输出波长为1310nm，再设置光衰减器的波长为1310nm，设置标准功率计的工作波长为1310nm，功率单位为dBm。设置好参数后，将光开关矩阵光路切换成1-1，然后，将衰减值循环输入光衰减器，由标准光功率计一一读取光功率值，再将7个数据存入数组A，以备后续使用。定义好连接端子后，此子VI就可以在光功率计模块主程序中被调用。同理，将工作波长改为1550nm后，则可再生成另一子VI。

图3　1310nm波长标准光功率计读数子程序代码

将光开关矩阵光路切换成1-2后，换成被校准光功率计测量标准光源的出纤功率。由于被校准光功率计有未配备自动测试接口，因此可通过[提示用户输入对话框]函数，将被校功率计显示值输入程序中，再建立两个子VI用来记录两个工作波长下被校功率计测得的功率值。

光校准模块的程序代码如图4所示，程序开始运行后，设置光测量系统的GPIB地址20，对仪器进行初始化，然后进入While循环，当开始测量按钮按下后，条件[真]分支运行，首先获取工作波长为1310nm时标准光功率计的读数，然后获取工作波长为1550nm时标准光功率计的读数，自动切换光开关光路后，获取工作波长为1550nm时被校光功率计的读数，再获取工作波长为1310nm时被校光功率计的读数。由于1-1与1-2光路的插损是不同的，因此需要在子VI中对获取的功率值进行正确的补偿，最终自动生成校准报告。

图4　光功率校准模块程序代码

2.3光源校准模块

对于光源的校准，参照国家检定规程，对光源的输出功率、输出功率的长短时间稳定度、中心波长、光谱带宽等项目进行校准[6]。可分别用标准功率计对功率、光波长计对中心波长、光谱仪对光谱特性进行检测。软件流程图如图5所示。

光波长计对中心波长的测量，可编写子VI来完成，如图6所示。先设置光波长计的GPIB地址为17，再初始化仪器。对于名义波长为1310nm的光源，可设置波长扫描范围为（1310±25）nm。参数设置完毕后，开始扫描，再获取测量结果。

光谱仪对光源光谱特性的测量，也同样编写子VI来完成，如图7所示。设置光谱仪的GPIB的地址为23，再初始化仪器。进入光谱仪FP光源测试模块，再进行参数设置。设置扫描起始波长为1260nm，终止波长为1 360 nm，分辨率带宽为0.1nm，设置轨迹线点数为999。扫描完成后，下载轨迹A（Trace A）的数据，生成波形图。最后，调用该波形图的节点，获取图像，根据输入的路径，保存图片。

图5　光源校准模块程序流程图

图6　光波长计测量中心波长子程序代码

图7　光谱仪测量光源光谱特性子程序代码

光源校准模块的部分程序代码如图8所示。先设置光测量系统的GPIB的地址为20，再将光开关矩阵光路切换成2-1，由标准光功率计模块来测量功率相关项目，测量完毕后，切换光路2-3，由光波长计来测量中心波长，再切换光路2-4，由光谱仪来测量光谱特性，保存图片，再将测得的数据及图片自动插入到校准报告里，生成最终的校准报告。

图8　光源校准模块部分程序代码

2.4仪器集中控制

自动校准测试平台除了解决日常工作中最频繁使用的光功率计、光源的自动校准以外，也可以集中控制4台仪器，对光开关输入端In3、In4的被测件（device under test，DUT）进行光纤多参数的集中测试，将4台仪器的测量结果集中显示于计算机屏幕上。如图9所示为光测量系统部分的仪器控制程序前面板。

图9　光测量系统部分的仪器控制程序前面板

2.5报告生成模块

将数据从LabVIEW软件平台自动生成报告的方法主要有：利用Report Generation类函数生成（不容易制作复杂报告）、利用File I/O类函数生成（无法绘制表格）、利用LabVIEW报告生成工具包生成（附加工具包，需要额外购买）、通过ActiveX技术生成（功能强，编程难度大）[7]。本系统采用基于ActiveX技术生成Word版本的校准报告。LabVIEW基于ActiveX技术通过Word VBA（visual basic for application）模型可以实现对Word的完全控制[8-9]。

在函数面板-互联接口-ActiveX中，选择[打开自动化]，再将此函数获取对Word对象的引用，则可针对各个Word对象的属性和方法进行编程操作，完成对Word文档的编辑。由于校准报告有固定的格式，因此将一个编辑好的复杂文档作为模板，在此文档中，设计几个固定的空白表格，使得程序可以定位插入测量数据及测量图片的位置。可将各个图片、数据插入到任何一个表格中的任意单元格中。数据插入完毕后，再重新获取文档[Document]的属性，另存为以路径A为文件名的校准报告。路径由上级程序输入，以被测件唯一的样品标识号为名自动生成。最后，退出Word应用程序，以样品标识号为文件名的校准报告即可自动生成，上传该报告至业务平台，完成整个校准过程，避免人工数据录入的错误。

2.6主程序

自动校准测试平台的软件系统主程序设计采用响应菜单方式来设计[10]，以方便各个相互独立的子模块程序之间的相互切换，充分遵循了软件设计结构化、模块化的原则，系统具有灵活性和可扩展性。

此平台针对校准测试对象较多，不易共用一个用户界面，可按照具体任务分成不同模块，每个模块分别设计不同的子VI，每个子VI有各自的用户界面。主程序代码如图10所示，用[获取所选菜单项]函数来确定前面板菜单栏中用户选择的菜单项标签，再用条件结构（case structure）来执行对应标签的分支，每一个分支执行一个子VI，对应不同的校准或者测试任务。在勾选子VI属性中[调用时显示前面板]后，执行每一个子VI，都会显示该子VI的前面板，直至该子程序运行结束而关闭，程序返回主界面。

若需增加校准测试任务，只需要在菜单栏中增加一个标签，在条件结构中增加对于该标签的分支，将子VI放入该分支中即可，而不需要对原有程序结构进行修改，易于扩展。

图10　光纤参数校准测量平台主程序代码

3　结束语

基于虚拟仪器技术，采用LabVIEW平台，在实验室现有仪器基础上，开发了光纤多参数校准测试平台，可对光功率计、光源等光通信测试设备进行自动校准，自动生成校准报告，可对光器件进行多个参数的测试，而无需进行光接口的多次插拔。该校准测试平台改变了原来人工设置测量参数，各仪器独立测试，人工记录测量结果的工作模式，提高了效率。校准测试结果可靠、准确，软件架构模块化，功能拓展方便，实用性强。

[1]宗德才，肖铁军，史智青.虚拟仪器技术在光模块自动测试系统中的应用[J].微计算机信息，2005，21（2）：131-133.

[2]杨慧玉，任兵，合烨，等.基于LabVIEW的数字采集仪在线校准系统设计[J].中国测试，2013，39（1）：64-68.

[3]Jeffery T，Jim K.LabVIEW大学实用教程[M].北京：电子工业出版社，2008：203-211.

[4]陈锡辉，张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2007：59-67.

[5]JJG 965—2013通信用光功率计检定规程[S].北京：中国质检出版社，2013.

[6]JJG 958—2000光传输用稳定光源检定规程[S].北京：中国计量出版社，2000.

[7]李磊，杨峰，何耀.基于LabVIEW的检测报告自动生成方法研究[J].自动化仪表，2012，33（1）：66-69.

[8]蔡共宣.LabVIEW环境下Word格式测试报告生成模块开发及应用[J].西南师范大学学报：自然科学版，2011，36（6）：141-145.

[9]孟宏.LabVIEW下基于Word VBA模型的报表技术研究[J].国外电子测量技术，2006，25（4）：48-50.

[10]周顺斌，刘莹.基于LabVIEW软件的菜单形式用户界面的设计[J].工业控制计算机，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

浙江省计量科学研究院院立项目（2011YL201）

陈挺（1982-），男，浙江温岭市人，工程师，硕士，主要从事光通信计量、几何量精密测试、虚拟仪器应用于计量测试等科研工作。