引言
光功率計可用于測量絕對光功率或通過一段光纖的光功率的相對損耗。在光纖系統中，測量光功率是最基本的，這非常像電子學中的萬用表。在光纖測量中，光功率計是最常使用的一種測試儀器,通過測量發(fā)射端機或光網絡的絕對功率，一臺光功率計就能夠評價光端設備的性能;用光功率計與穩(wěn)定光源組合使用,則能夠測量連接損耗、檢驗連續(xù)性，并幫助評估光纖鏈路傳輸質量;任何光纖傳輸系統的生產制造、安裝、運行和維護，光功率測量是必不可少的。在光纖領域，沒有光功率計，任何工程、實驗室、生產車間或網絡維護設施都無法工作。從電子測量儀器發(fā)展史看，經歷了由模擬儀器、智能儀器到虛擬儀器等過程。虛擬儀器可通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機的融合為一體,從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在一起，因而大大縮小了儀器硬件的成本和體積,并通過軟件實現對數據的顯示、存儲以及分析處理。因此，采用虛擬儀器技術很符合對儀器易用廉價的要求。
1 系統硬件設計原理
所謂虛擬光功率計,就是在以計算機為核心的硬件平臺上，由用戶設計和定義其功能，具有虛擬面板，其測試功能可由測試軟件實現的一種計算機儀器系統。虛擬儀器的實質是利用計算機顯示器的顯示功能來模擬傳統儀器的控制面板，以多種形式表達輸出檢測結果。虛擬儀器可以利用計算機強大的軟件功能來實現信號數據的運算、分析和處現；并利用I/O接口設備完成信號的采集、測量與調理，從而完成各種測試功能的一種計算機儀器系統。
虛擬光功率計的構成方式如圖1所示，它包括四個模塊，下面將分別介紹其主要模塊的結構設計方法，以實現光功率的測試目的。
2 主要模塊電路設計
2.1 數據采集電路設計
虛擬光功率計的數據釆集采用的是圖2所示的程控比例放大電路，圖中的光電二極管采用北京海特光電生產的PIN30613,該光電管工作于光伏方式，此電路可以避免PN結正向電流(即暗電流)帶來的影響并使光電二極管得到最佳的信噪比,被放大的信號只與光強成正比。
電路中的放大芯片采用MAX4238,其輸入失調電壓、失調電流和溫漂系數等參數都非常符合設計要求,使用零偏負反饋電路把光電二極管轉換出來的電流信號用程控負反饋放大電路把電壓信號進一步放大到后續(xù)電路所需要的量程，送給模數轉換器進行模數轉換。放大電路采用量程自動切換是實現自動測量的重要組成部分，它使測量過程自動迅速地選擇在最佳量程上,這樣既能防止數據溢出和系統過載，又能防止讀數精度損失。
2.2 模數轉換電路設計
模數轉換電路是實現儀器測試精度的重要組成部分口：，根據測試誤差3%的要求，本系統采用了16位模數轉換器AD7715,它是三線串行可控A/D轉換器，模擬信號從AIN+口輸入，單片機對采集的信號進行相應計算后通過對CD4051發(fā)送控制指令來選擇不同的反饋電阻，從而實現對大信號輸入采用小放大倍數,對小信號則采用高放大倍數，即根據未知參數量值的范圍，自動地選擇合適的增益以達到自動量程選擇的目的。放大信號通過串行口AIN+進入AD7715,輸出的信號送到控制芯片和USB接口芯片，通過上位機LabVIEW控制軟件去上位機顯示。
由于采用了AD7715作為模數轉換芯片,通過測試表明:該儀器的測試精度可以達到2%,符合高精度測試儀表的要求,具有很高的實際使用價值和參考價值。圖3所示是其A/D轉換電路圖
3 AN2131的軟件設計
由廠家提供的AN2131軟件開發(fā)包為芯片的軟件設計提供了比較完備的程序框架和例程庫,其軟件組成結構如圖4所示。
AN2131固件應該要完成USB通訊協議的基本功能，并接受主機的要求，控制后端AD、DA芯片完成測試任務，并將采集到的數據通過USB總線發(fā)回主機瓦。圖5列出了基本框架流程。首先它將初始化內部狀態(tài)變量，然后，調用用戶初始化函數TD_Init()。從該函數返回后，框架初始化USB接口到未配置狀態(tài)并使能中斷。然后每隔Is進行一次設備重枚舉，直到端點0接收到一個SETUP包。一旦檢測到SETUP包,框架將開始交互的任務調度，其任務調度如下：
首先是調用主函數來實現數據采集功能；
其次，判斷是否有標準設備請求等待處理。如果有，則分析該請求并響應之；
三是判斷USB內核是否接收到USB掛起信號，如果接收到，則調用掛起函數TD_Suspend()。從該函數成功返回后(返回值為TRUE),再檢測是否發(fā)生USB喚醒事件;如果未檢測到，則處理器進入掛起方式，如果檢測到，則調用喚醒函數TD_ResumeO,程序繼續(xù)運行。假如從TD_Suspend()函數返回為FALSE,則程序繼續(xù)運行。
4 LabVIEW界面
在LabVIEW開發(fā)平臺下，圖形編程語言中的基本編程單元是VI(VirtualInstrument，虛擬儀器)，VI包括三個部分:前面板(FrontPanel)、框圖程序(Block-Diagram)以及圖標(Icon)/連接器(Connector)。
5 虛擬光功率計前面板
本虛擬光功率計的前面板開發(fā)窗口如圖6所示。
前面板既接受來自框圖程序的指令，又是用戶與程序代碼發(fā)生聯系的窗口。這個窗口模擬真實儀表的前面板，用于設置輸入和觀察輸出，輸入量稱為控件(Controls),用戶可以使用多種圖標,如旋鈕、開關、按鈕、圖表、文本框、圖形等,創(chuàng)建一模一樣的控制面板。
本虛擬儀器的最終效果如圖7所示。其中包括一個波形Graph指示器，可用以顯示輸出波形及數據表格，同時還有幾個開關。
6 結論
本文設計了一個用以實現光功率測量的數據采集卡,研究了USB通訊協議和WDM驅動結構，并且編寫了實現USB傳輸功能的單片機固件和計算機端的系統驅動程序。利用LabVIEW與NI-VISA實現了所設計的USB接口數據釆集板與主機的通訊，編寫了虛擬儀器程序實現光功率計的功能。測試結果表明：所開發(fā)的基于LabVIEW和USB接口的虛擬光功率計可以正常運行,其采樣速度為500次/s,系統總體誤差在2%以內。整個系統可以在硬件和軟件方面進行一些升級改動，以實現不同的測量功能。
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