原标题：基于USB的虚拟光功率计的设计方案

　　引言

　　光功率计可用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率的相对损耗。在光纤系统中，测量光功率是最基本的，这非常像电子学中的万用表。在光纤测量中，光功率计是最常使用的一种测试仪器,通过测量发射端机或光网络的绝对功率，一台光功率计就能够评价光端设备的性能;用光功率计与稳定光源组合使用,则能够测量连接损耗、检验连续性，并帮助评估光纤链路传输质量;任何光纤传输系统的生产制造、安装、运行和维护，光功率测量是必不可少的。在光纤领域，没有光功率计，任何工程、实验室、生产车间或网络维护设施都无法工作。从电子测量仪器发展史看，经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器等过程。虚拟仪器可通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体,从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，因而大大缩小了仪器硬件的成本和体积,并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。因此，采用虚拟仪器技术很符合对仪器易用廉价的要求。

　　1 系统硬件设计原理

　　所谓虚拟光功率计,就是在以计算机为核心的硬件平台上，由用户设计和定义其功能，具有虚拟面板，其测试功能可由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果。虚拟仪器可以利用计算机强大的软件功能来实现信号数据的运算、分析和处现;并利用I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。

　　虚拟光功率计的构成方式如图1所示，它包括四个模块，下面将分别介绍其主要模块的结构设计方法，以实现光功率的测试目的。

　　2 主要模块电路设计

　　2.1 数据采集电路设计

　　虚拟光功率计的数据釆集采用的是图2所示的程控比例放大电路，图中的光电二极管采用北京海特光电生产的PIN30613,该光电管工作于光伏方式，此电路可以避免PN结正向电流(即暗电流)带来的影响并使光电二极管得到最佳的信噪比,被放大的信号只与光强成正比。

　　电路中的放大芯片采用MAX4238,其输入失调电压、失调电流和温漂系数等参数都非常符合设计要求,使用零偏负反馈电路把光电二极管转换出来的电流信号用程控负反馈放大电路把电压信号进一步放大到后续电路所需要的量程，送给模数转换器进行模数转换。放大电路采用量程自动切换是实现自动测量的重要组成部分，它使测量过程自动迅速地选择在最佳量程上,这样既能防止数据溢出和系统过载，又能防止读数精度损失。

　　2.2 模数转换电路设计

　　模数转换电路是实现仪器测试精度的重要组成部分口：，根据测试误差3%的要求，本系统采用了16位模数转换器AD7715,它是三线串行可控A/D转换器，模拟信号从AIN+口输入，单片机对采集的信号进行相应计算后通过对CD4051发送控制指令来选择不同的反馈电阻，从而实现对大信号输入采用小放大倍数,对小信号则采用高放大倍数，即根据未知参数量值的范围，自动地选择合适的增益以达到自动量程选择的目的。放大信号通过串行口AIN+进入AD7715,输出的信号送到控制芯片和USB接口芯片，通过上位机LabVIEW控制软件去上位机显示。

　　由于采用了AD7715作为模数转换芯片,通过测试表明:该仪器的测试精度可以达到2%,符合高精度测试仪表的要求,具有很高的实际使用价值和参考价值。图3所示是其A/D转换电路图

　　3 AN2131的软件设计

　　由厂家提供的AN2131软件开发包为芯片的软件设计提供了比较完备的程序框架和例程库,其软件组成结构如图4所示。

　　AN2131固件应该要完成USB通讯协议的基本功能，并接受主机的要求，控制后端AD、DA芯片完成测试任务，并将采集到的数据通过USB总线发回主机瓦。图5列出了基本框架流程。首先它将初始化内部状态变量，然后，调用用户初始化函数TD_Init()。从该函数返回后，框架初始化USB接口到未配置状态并使能中断。然后每隔Is进行一次设备重枚举，直到端点0接收到一个SETUP包。一旦检测到SETUP包,框架将开始交互的任务调度，其任务调度如下：

　　首先是调用主函数来实现数据采集功能;

　　其次，判断是否有标准设备请求等待处理。如果有，则分析该请求并响应之;

　　三是判断USB内核是否接收到USB挂起信号，如果接收到，则调用挂起函数TD_Suspend()。从该函数成功返回后(返回值为TRUE),再检测是否发生USB唤醒事件;如果未检测到，则处理器进入挂起方式，如果检测到，则调用唤醒函数TD_ResumeO,程序继续运行。假如从TD_Suspend()函数返回为FALSE,则程序继续运行。

　　4 LabVIEW界面

　　在LabVIEW开发平台下，图形编程语言中的基本编程单元是VI(VirtualInstrument，虚拟仪器)，VI包括三个部分:前面板(FrontPanel)、框图程序(Block-Diagram)以及图标(Icon)/连接器(Connector)。

　　5 虚拟光功率计前面板

　　本虚拟光功率计的前面板开发窗口如图6所示。

　　前面板既接受来自框图程序的指令，又是用户与程序代码发生联系的窗口。这个窗口模拟真实仪表的前面板，用于设置输入和观察输出，输入量称为控件(Controls),用户可以使用多种图标,如旋钮、开关、按钮、图表、文本框、图形等,创建一模一样的控制面板。

　　本虚拟仪器的最终效果如图7所示。其中包括一个波形Graph指示器，可用以显示输出波形及数据表格，同时还有几个开关。

　　6 结论

　　本文设计了一个用以实现光功率测量的数据采集卡,研究了USB通讯协议和WDM驱动结构，并且编写了实现USB传输功能的单片机固件和计算机端的系统驱动程序。利用LabVIEW与NI-VISA实现了所设计的USB接口数据釆集板与主机的通讯，编写了虚拟仪器程序实现光功率计的功能。测试结果表明：所开发的基于LabVIEW和USB接口的虚拟光功率计可以正常运行,其采样速度为500次/s,系统总体误差在2%以内。整个系统可以在硬件和软件方面进行一些升级改动，以实现不同的测量功能。