基于GPIB的多通道光功率計(jì)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐桂城，張志輝，陳曉峰

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十一研究所，山東 青島266555）

基于GPIB的多通道光功率計(jì)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐桂城，張志輝，陳曉峰

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十一研究所，山東 青島266555）

多通道光功率計(jì)是光纖通信網(wǎng)絡(luò)中的一種測(cè)試儀器，為保證測(cè)試的準(zhǔn)確性，必須對(duì)多通道光功率計(jì)進(jìn)行規(guī)范的校準(zhǔn)。針對(duì)傳統(tǒng)人工手動(dòng)校準(zhǔn)效率低、易出錯(cuò)的缺點(diǎn)，利用V S2012開發(fā)工具，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種基于G PIB的多通道光功率計(jì)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件組成及連接、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、自動(dòng)校準(zhǔn)方法與步驟，并給出了校準(zhǔn)結(jié)果。

多通道光功率計(jì)；自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)；G PIB

0　引言

光功率計(jì)是光纖通信中必備的一種測(cè)量?jī)x器，隨著現(xiàn)代化光纖網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模建設(shè)，多通道光功率計(jì)在光纖通信與測(cè)試中具有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在多通道光功率計(jì)的生產(chǎn)和使用過程中，為提高儀器測(cè)量的準(zhǔn)確度，對(duì)多通道光功率計(jì)的校準(zhǔn)必不可少[1]；由于多通道光功率計(jì)具有波長(zhǎng)多、通道多、測(cè)試范圍廣等特點(diǎn)，導(dǎo)致校準(zhǔn)過程繁瑣復(fù)雜，采用人工手動(dòng)校準(zhǔn)，效率極低且容易出錯(cuò)。因此，本文在VS2012環(huán)境下，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于GPIB的多通道光功率計(jì)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)硬件組成及連接

本系統(tǒng)是基于GPIB總線的多通道光功率計(jì)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)作為控制中心，通過GPIB線纜與受控儀器進(jìn)行連接[2]。在本自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)中，需要光源、光衰減器、標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)和光開關(guān)等測(cè)試儀器。其中，光源、光衰減器、標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)使用Agilent的可插拔式測(cè)試模塊，主機(jī)選用Agilent 8164B，光源模塊選用Agilent 81600B，衰減器模塊選用Agilent 81570A/ 81571A，標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)模塊選用Agilent 81634B，光開關(guān)選用16通道單模光開關(guān)。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

在系統(tǒng)的連接方式上，計(jì)算機(jī)使用GPIB線纜分別與帶有光源、光衰減器和標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)模塊的主機(jī)跟待校準(zhǔn)8通道光功率計(jì)進(jìn)行連接，并通過串口線與光開關(guān)進(jìn)行連接；光源、光衰減器、光開關(guān)、標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)和待校準(zhǔn)光功率計(jì)之間使用光纖跳線進(jìn)行連接。

圖1　系統(tǒng)組成框圖

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文基于Windows操作系統(tǒng)平臺(tái)，采用VS2012開發(fā)工具，設(shè)計(jì)和開發(fā)了多通道光功率計(jì)自動(dòng)校準(zhǔn)的軟件程序，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)多波長(zhǎng)、多通道、多檔位的自動(dòng)校準(zhǔn)功能。

系統(tǒng)軟件通過不同的GPIB地址與Agilent主機(jī)和待校準(zhǔn)光功率計(jì)建立通信，使用不同的GPIB命令控制儀器測(cè)試模塊和光功率計(jì)工作[3，4]。校準(zhǔn)系統(tǒng)使用NI公司的GPIB-USB-HS卡，可直接調(diào)用NI488.2驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)儀器的初始化、命令發(fā)送、數(shù)據(jù)讀取和釋放儀器等操作。系統(tǒng)軟件通過串口發(fā)送串口命令控制光開關(guān)進(jìn)行光路切換。

系統(tǒng)軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，使系統(tǒng)具有較高的獨(dú)立性、可靠性、可維護(hù)性和管理性。在軟件功能模塊的設(shè)計(jì)中，有光源、光衰減器、標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)、光開關(guān)、待校準(zhǔn)光功率計(jì)和數(shù)據(jù)處理6個(gè)模塊，用來(lái)控制相應(yīng)測(cè)試儀器，并進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算處理。系統(tǒng)軟件功能組成框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)軟件功能組成框圖

其中：光源模塊、光衰減器模塊、標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)模塊、待校準(zhǔn)光功率計(jì)模塊通過GPIB驅(qū)動(dòng)程序利用各自GPIB控制命令實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的初始化、命令發(fā)送、數(shù)據(jù)讀取等功能；光開關(guān)模塊通過串口利用串口函數(shù)實(shí)現(xiàn)光路切換功能；數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)讀取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)擬合及校準(zhǔn)參數(shù)的提取保存等功能。

3　自動(dòng)校準(zhǔn)方法與步驟

多通道光功率計(jì)的校準(zhǔn)具有多波長(zhǎng)、多通道及多檔位的特點(diǎn)，需要對(duì)每一波長(zhǎng)每一通道每一檔位進(jìn)行校準(zhǔn)[5]。對(duì)一個(gè)波長(zhǎng)一個(gè)通道而言，每個(gè)檔位的光功率呈線性特點(diǎn)，即可用公式Y(jié)=kX+b表示，其中X表示待校準(zhǔn)光功率計(jì)讀取的原始值，Y表示標(biāo)準(zhǔn)光功率，k和b即為校準(zhǔn)系數(shù)。限于篇幅，下面以波長(zhǎng)1550nm對(duì)通道1的校準(zhǔn)為例，結(jié)合圖3介紹校準(zhǔn)過程。

圖3　系統(tǒng)自動(dòng)校準(zhǔn)流程圖

設(shè)定光源模塊和光衰減器模塊波長(zhǎng)為1550nm，設(shè)定光源輸出光功率為10dBm。設(shè)置光衰減器模塊的光功率衰減為0dBm，設(shè)定多通道光功率計(jì)通道1檔位為0檔，切換光開關(guān)至標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)，讀取標(biāo)準(zhǔn)光功率值y0，切換光開關(guān)至通道1，讀取通道1光功率值x0。設(shè)置光衰減器模塊的光功率衰減為1dBm，切換光開關(guān)至標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)，讀取標(biāo)準(zhǔn)光功率值y1，切換光開關(guān)至通道1，讀取通道1光功率值x1。依次讀取標(biāo)準(zhǔn)光功率值Y和通道1光功率值X，直到光衰減器模塊的光功率衰減范圍覆蓋本檔位（一般每個(gè)檔位相差10dB，最后一檔為20dB）。利用最小二乘法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光功率值Y和通道1光功率值X進(jìn)行一次多項(xiàng)式擬合Y=kX+b，得到擬合系數(shù)k和b，即為0檔校準(zhǔn)因子，將校準(zhǔn)因子導(dǎo)入多通道光功率計(jì)中進(jìn)行記錄保存。依次設(shè)置檔位，繼續(xù)進(jìn)行光功率衰減，光功率衰減范圍覆蓋每個(gè)檔位，經(jīng)過計(jì)算即可獲得所有8個(gè)檔位的校準(zhǔn)因子。通道1校準(zhǔn)完成后，同樣可對(duì)其余7個(gè)通道進(jìn)行校準(zhǔn)。依照以上過程，即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)為1260nm、1310nm、1490nm、1650nm的所有通道校準(zhǔn)。

4　校準(zhǔn)結(jié)果

為驗(yàn)證本校準(zhǔn)系統(tǒng)的性能，對(duì)經(jīng)本校準(zhǔn)系統(tǒng)校準(zhǔn)的多通道光功率計(jì)進(jìn)行性能測(cè)試。常用的評(píng)定系統(tǒng)校準(zhǔn)性能的指標(biāo)有端口間測(cè)量不確定度[6]和端口間一致性測(cè)試。根據(jù)產(chǎn)品規(guī)范，多通道光功率計(jì)端口間測(cè)量不確定度指標(biāo)為在-60～+10dBm時(shí)誤差不超過±0.2dB，在-80～-60dBm(10～1000pW)時(shí)誤差不超過±4.5%和±5pW；端口間一致性測(cè)試指標(biāo)是，在標(biāo)準(zhǔn)光功率為-25dBm時(shí)每個(gè)端口誤差不超過±0.05dB。表1、表2為多通道光功率計(jì)在波長(zhǎng)為1550nm時(shí)的端口間測(cè)量不確定度結(jié)果；表3為多通道光功率計(jì)在波長(zhǎng)為1550nm時(shí)的端口間一致性測(cè)試結(jié)果。

根據(jù)表1、表2和表3的指標(biāo)，本系統(tǒng)滿足多通道光功率計(jì)的校準(zhǔn)要求。

表1　端口間測(cè)量不確定度結(jié)果（波長(zhǎng)1550nm，光功率-60～+10dBm）

表2　端口間測(cè)量不確定度結(jié)果（波長(zhǎng)1550nm，光功率-80～-60dBm）

5　結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于GPIB的多通道光功率計(jì)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，通過控制各個(gè)儀器之間的協(xié)調(diào)配合測(cè)試，校準(zhǔn)系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地完成對(duì)多通道光功率計(jì)的校準(zhǔn)。本系統(tǒng)可簡(jiǎn)化操作方式，大大縮短校準(zhǔn)時(shí)間，減少工作量，同時(shí)節(jié)省人力資源，降低因人為干預(yù)導(dǎo)致的操作失誤。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，本系統(tǒng)獲得了預(yù)期的校準(zhǔn)效果，運(yùn)行穩(wěn)定，使用方便，達(dá)到了多通道光功率計(jì)多波長(zhǎng)、多通道及多檔位的校準(zhǔn)要求。

[1]盧燕濤，劉明亮，郁月華，等.基于GPIB接口的模擬示波器自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2007，30(1)：86-88.

[2]姚元，葉蒼竹，曹祥鑫，等.基于GPIB技術(shù)的光插回?fù)p耗自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[J].光通信技術(shù)，2010，34（11）：1-3.

[3]王凱，李智，李名兆，等.無(wú)線通信自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，18(2)：101-104.

[4]季青，武軍，朱得華，等.基于GPIB的數(shù)字移動(dòng)通信綜合測(cè)試儀自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)[J].上海計(jì)量測(cè)試，2011（4）：22-25.

[5]冀青，孫振民，李強(qiáng).基于GPIB的智能壓力儀表自動(dòng)標(biāo)定設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀器儀表用戶，2015，22(4)：49-49.

[6]武勇生.光功率計(jì)測(cè)量不確定度評(píng)定[J].計(jì)測(cè)技術(shù)，2010，30(1)：46-48.

Design of optical multiport power meter automatic calibration system based on GPIB

XU Gui-cheng,ZHANG Zhi-hui,CHEN Xiao-feng
（The 41st Research Institute of CETC,Qingdao Shandong 266555,China）

Optical multiport power meter is widely used in measurements of the optical fiber communication network.To insure the accuracy of measurements,the optical multiport power meter must be corrected according to calibration standard.To overcome the inefficiency and inaccuracy of the traditional manual operation method,an optical multiport power meter automatic calibration system is designed and implemented using Microsoft Visual Studio 2012 programming environment based on GPIB in the paper.It introduces system hardware composition and connection,software design,automatic calibration method and procedure, and shows the results of calibration.

optical multiport power meter,automatic calibration system,GPIB

TN915.62

A

1002-5561（2016）05-0049-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.05.015

2016-01-11。

徐桂城（1987-），男，碩士，助理工程師，主要從事光電測(cè)試技術(shù)方面的工作。