通信用光功率計(jì)自動(dòng)檢定系統(tǒng)研制與應(yīng)用

張偉 黎永濤

摘要：本文介紹了基于C#編程語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)的通信用光功率計(jì)自動(dòng)檢定系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光功率計(jì)的快速自動(dòng)檢定測(cè)試以及數(shù)據(jù)結(jié)果的實(shí)時(shí)計(jì)算與結(jié)論判斷。該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)利用USB或GPIB等數(shù)據(jù)傳輸線將標(biāo)準(zhǔn)裝置、被檢儀器與計(jì)算機(jī)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的整體，實(shí)現(xiàn)對(duì)光功率計(jì)的智能自動(dòng)檢定。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)的測(cè)試速度相較傳統(tǒng)人工檢定至少提升4倍以上，明顯提高檢定員的工作效率，數(shù)據(jù)結(jié)果的實(shí)時(shí)處理與結(jié)論判斷幫助檢定員快速發(fā)現(xiàn)并定位光功率計(jì)可能存在的超差點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：通信用光功率計(jì)；自動(dòng)校準(zhǔn)；C#

一、引言

通信用光功率計(jì)是通信干線鋪設(shè)、設(shè)備維護(hù)、科研和生產(chǎn)中使用的重要儀器，主要用于測(cè)量光通信波段內(nèi)的光功率大小、穩(wěn)定性等指標(biāo)[1]。通信用光功率計(jì)在通信領(lǐng)域用途廣泛，為確保通信用光功率計(jì)關(guān)鍵參數(shù)的準(zhǔn)確、可靠，需要參照國(guó)家檢定規(guī)程JJG 965-2001《通信用光功率計(jì)檢定規(guī)程》[2]對(duì)其每年進(jìn)行周期性檢定。通信用光功率計(jì)的檢定需要由激光源、光衰減器、光開關(guān)和標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)等多個(gè)部分共同組成一套完整的標(biāo)準(zhǔn)裝置。由于光功率計(jì)檢定過(guò)程中需要頻繁對(duì)不同儀器進(jìn)行設(shè)置以對(duì)光功率進(jìn)行校正，光功率示值檢定項(xiàng)目中要求多次打開與關(guān)閉光開關(guān)后記數(shù)并重復(fù)該流程至少3次，且其記錄的原始數(shù)據(jù)需要進(jìn)行多步計(jì)算后才能得到最終測(cè)試結(jié)果，導(dǎo)致傳統(tǒng)人工方式檢定單個(gè)光功率計(jì)需要20分鐘，效率低、速度慢。本實(shí)驗(yàn)是研究基于C#語(yǔ)言[3-4]的通信用光功率計(jì)自動(dòng)檢定系統(tǒng)，將光功率計(jì)的檢定耗時(shí)縮短至5分鐘之內(nèi)（不包含熱機(jī)時(shí)間），大大降低了檢定時(shí)間，同時(shí)減少人為檢定帶來(lái)的誤差，提高了工作效率和檢測(cè)準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)了原始記錄和證書的一鍵生成功能。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

通信用光功率計(jì)自動(dòng)檢定系統(tǒng)主要組成部分可以分為是由硬件儀器設(shè)備與軟件控制系統(tǒng)。硬件儀器設(shè)備部分包括主控電腦、標(biāo)準(zhǔn)器（穩(wěn)定激光源、光衰減器、光開關(guān)和標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)等）以及被檢光功率計(jì)。本實(shí)驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備使用KEYSIGHT 8164B光測(cè)試系統(tǒng)，其集成了光源、光衰減、光開關(guān)和標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)等多個(gè)模塊，測(cè)試中各儀器設(shè)備均通過(guò)數(shù)據(jù)線（如或網(wǎng)線、USB數(shù)據(jù)線等）與主控電腦進(jìn)行連通（如圖1所示），軟件控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)器以及被檢光功率計(jì)進(jìn)行控制和操作。

按照J(rèn)JG 965-2001《通信用光功率計(jì)檢定規(guī)程》光功率示值項(xiàng)目的操作，圖2中以流程圖的方式對(duì)該操作進(jìn)行了描述，在該過(guò)程中，首先需要對(duì)光衰減器和標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)進(jìn)行閉環(huán)測(cè)試，以使標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)的顯示值為待檢功率值，其后再多次打開或關(guān)閉光開關(guān)并利用標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)測(cè)量并記錄其不同狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)值，至少重復(fù)上述流程3次后，再將標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)更換為被檢光功率計(jì)，并重復(fù)與標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)相同的流程至少3次。

該自動(dòng)化檢定系統(tǒng)采用C#編程語(yǔ)言進(jìn)行軟件系統(tǒng)的代碼編寫，同時(shí)采用數(shù)據(jù)庫(kù)形式存儲(chǔ)檢定項(xiàng)目的參數(shù)設(shè)置。檢定結(jié)果和校準(zhǔn)證書是調(diào)用Microsoft Office Word和Excel生成。圖3中展示了自動(dòng)檢定系統(tǒng)的用戶界面，本系統(tǒng)以模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)，分為設(shè)備識(shí)別與連接模塊、自動(dòng)化測(cè)試模塊以及證書生成模塊三部分，其中證書生成模板內(nèi)置在自動(dòng)化測(cè)試模塊中，在檢定過(guò)程中實(shí)時(shí)更新生成原始記錄和證書。同時(shí)，因目前市面上大部分的通信用光功率計(jì)并未配有通信接口，本測(cè)試系統(tǒng)同時(shí)兼容半自動(dòng)測(cè)試功能，即自動(dòng)完成激光源、光衰減器、光開關(guān)和標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)的全自動(dòng)操作，僅將被檢光功率計(jì)的部分操作與記數(shù)留給人工完成，其整體工作效率仍明顯高于單純的人工作業(yè)。

使用通信用光功率計(jì)自動(dòng)檢定系統(tǒng)的時(shí)候，首先通過(guò)GPIB通信接口卡將各儀器和控制電腦連接好；然后按照檢定規(guī)程要求將儀器開機(jī)30分鐘以上進(jìn)行熱機(jī)；打開軟件界面后，在地址欄輸入儀器的通訊地址后，軟件可以自動(dòng)識(shí)別出儀器的型號(hào)、制造廠和出廠編號(hào)等信息；點(diǎn)擊測(cè)試按鍵就可以完成不同波長(zhǎng)的測(cè)試項(xiàng)目，測(cè)試完成后可以自動(dòng)生成完整的原始記錄和計(jì)量證書，完成測(cè)試過(guò)程。

三、程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)檢定系統(tǒng)的核心在于程序設(shè)計(jì)，通過(guò)讀取主控電腦中的指令代碼來(lái)代替人工的手動(dòng)按鍵操作。每一條指令代表一個(gè)手動(dòng)的操作動(dòng)作，因此自動(dòng)檢定系統(tǒng)可以完整地重復(fù)人工操作，不再需要手動(dòng)按鍵，手動(dòng)記錄，而是通過(guò)指令操作儀器，完成數(shù)據(jù)采集，本自動(dòng)化檢定操作系統(tǒng)以C#語(yǔ)言設(shè)計(jì)和開發(fā)，以被檢光功率計(jì)讀數(shù)為例，其程序結(jié)構(gòu)如下：

……

if （MessageBox.Show（“必須將 激光源-衰減器-被檢光功率計(jì) 連好后才能繼續(xù)”， “提示”， MessageBoxButtons.OKCancel） == DialogResult.OK）

{

light.write（“：SOUR2：WAV 0.000001310”）; //設(shè)置激光源光波長(zhǎng)

EUT.write（“：SENSe3：POWer：WAVelength 0.000001310”）;//設(shè)置被檢光功率計(jì)光波長(zhǎng)

light.write（“：INPut4：WAVelength 0.000001310”）;//設(shè)置光衰減器光波長(zhǎng)

light.write（“SOUR2：POW 10”）; //設(shè)置激光源輸出功率

light.write（“：INPut4：ATTenuation 0”）;//設(shè)置光衰減器衰減值

light.write（“：OUTPut4 1”）;//打開光開關(guān)

for （int i = 0; i < 3; i++）

{

light.write（“：OUTPut2 0”）; //關(guān)閉光開關(guān)

light.write（“：INPut4：ATTenuation “ +ATT[i]）; //將光衰減值設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)光功率計(jì)定標(biāo)的衰減值

EUT.write（“：READ3：POWer？”）;//獲取被檢光功率計(jì)讀數(shù)

Excel.Write（Form1.light.read（）， 33 + i， “K”， “Sheet1”）;//將測(cè)試結(jié)果記入原始記錄

light.write（“：OUTPut2 1”）; //打開光開關(guān)

EUT.write（“：READ3：POWer？”）;//獲取被檢光功率計(jì)讀數(shù)

Excel.Write（Form1.light.read（）， 33 + i， “L”， “Sheet1”）;//將測(cè)試結(jié)果記入原始記錄

light.write（“：OUTPut2 0”）; //關(guān)閉光開關(guān)

EUT.write（“：READ3：POWer？”）;//獲取被檢光功率計(jì)讀數(shù)

Excel.Write（Form1.light.read（）， 33 + i， “M”， “Sheet1”）;//將測(cè)試結(jié)果記入原始記錄

}

...……

四、結(jié)果數(shù)據(jù)分析

（一）數(shù)據(jù)結(jié)果比對(duì)

在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，分別采用自動(dòng)化檢定系統(tǒng)和手動(dòng)檢定方式對(duì)同一臺(tái)通信用光功率計(jì)進(jìn)行檢定。表1列舉了功率示值數(shù)據(jù)對(duì)比，從中可以看出兩個(gè)方法得出的誤差絕對(duì)值小于擴(kuò)展不確定度，滿足比對(duì)的要求，自動(dòng)化檢定系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是真實(shí)可靠的。采用自動(dòng)化計(jì)量，可以多次測(cè)量取平均值，減少人為檢定帶來(lái)的誤差。

（二）耗時(shí)比較

實(shí)驗(yàn)中我們對(duì)全自動(dòng)檢定（面向可被程控的通信用光功率計(jì)）、半自動(dòng)檢定（面向無(wú)通信接口的通信用光功率計(jì)）以及完全人工檢定3種方式進(jìn)行了耗時(shí)統(tǒng)計(jì)與比較，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，通信用光功率計(jì)檢定平均耗時(shí)比較如表2所示。對(duì)儀器開始檢定前均需對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器和被檢儀器進(jìn)行熱機(jī)操作，熱機(jī)耗時(shí)30分鐘，該耗時(shí)未被計(jì)入表2的實(shí)際操作時(shí)間中。由表2中可以明顯看出3種方式的耗時(shí)差異，其中全自動(dòng)檢定的耗時(shí)僅為人工作業(yè)的1/4，而半自動(dòng)檢定的耗時(shí)則在全自動(dòng)和完全人工檢定之間。經(jīng)分析，有兩個(gè)原因的操作導(dǎo)致了全自動(dòng)檢定的速度比人工操作更快，其一是圖2左邊第一列中需要對(duì)光衰減器進(jìn)行調(diào)整以使最終輸出的光功率達(dá)到的功率點(diǎn)，全自動(dòng)檢定時(shí)該步驟可以通過(guò)計(jì)算誤差值一次性調(diào)整到目標(biāo)功率點(diǎn)，而人工檢定時(shí)要么心算出誤差值再手動(dòng)設(shè)置，又或是通過(guò)多次微調(diào)達(dá)到目標(biāo)功率，此處耗時(shí)明顯多于自動(dòng)檢定。第二個(gè)原因則主要是因?yàn)樽詣?dòng)檢查完中每一步操作都遠(yuǎn)快于人工按鍵操作，且數(shù)據(jù)記錄也可以瞬間完成，而人工讀數(shù)和記錄的時(shí)間都更長(zhǎng)，最終導(dǎo)致兩種方式耗時(shí)差異明顯。

五、結(jié)束語(yǔ)

隨著計(jì)量技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化計(jì)量帶來(lái)的高效率也越來(lái)越受到人們的重視，相比于人工的手動(dòng)操作，通信用光功率計(jì)自動(dòng)化檢定系統(tǒng)可以將工作效率提升4倍以上，有效地節(jié)約了人力成本。同時(shí)通信用光功率計(jì)自動(dòng)化檢定系統(tǒng)通過(guò)多次測(cè)量的方法可以有效減少人為檢定帶來(lái)的誤差，提高校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度。

作者單位：張偉? ?黎永濤? ? 廣東省計(jì)量科學(xué)研究院

東莞計(jì)量院

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]李然，李莉，傅棟博，楊琨.光功率計(jì)計(jì)量現(xiàn)狀及分析[J].現(xiàn)代電信科技，2015，45（03）：44-46.

[2]JJG 965-2001 通信用光功率計(jì)檢定規(guī)程.

[3]楊浩，楊鐵男，等譯.C#高級(jí)編程[M].北京：清華大學(xué)，2002.

[4]黎星云. 基于C#編程語(yǔ)言的頻譜儀自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].中國(guó)新通信， 2020， 22（17）：2.