[发明专利]基于现场可编程门阵列(FPGA)的光子相关器

说明书

技术领域

本发明涉及光子相关光谱法粒度测量技术中获取散射光信号自相关函数的装置，具体是基于 现场可编程门阵列(FPGA)的光子相关器。

背景技术

目前，光子相关光谱法粒度测量技术中获取散射光强信号自相关函数的装置，主要有 Brookhaven Instruments Corporation的BI-9010AT、BI-9000AT和最新的TurboCorr，德国ALV 公司ALV-6000、ALV-7000系列数字相关器和美国www.correlator.com网站上提供的FLEX02等系 列相关器。

上述相关器装置大多是基于专门定制的芯片，或基于DSP芯片，价格昂贵。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的光子相关器，用于光子相关光谱 技术中光强自相关函数的硬件实现，达到采样时间、相关运算时间可调，延迟通道数目满足纳米 颗粒测量与反演的要求。

FPGA是一种可根据应用场合灵活配置资源的一种通用芯片，且大多嵌入有数字运算模块，适 用于相关运算。

如图1、2所示，本发明的基于现场可编程门阵列(FPGA)的光子相关器包括

-FPGA芯片电路，实现多个线性独立的数字相关器。

-时钟、复位电路，实现各电路模块的驱动，同步复位。

-串口与USB电路，实现与计算机通信。

-同步复位模块，固化在FPGA内，完成在硬件上电后各模块及多个FPGA芯片同步复位与 默认初始值的加载；

-光子计数模块，固化在FPGA内，用于统计一定时间间隔内光子的数目，并锁存输出，送 入相关运算模块。

-相关运算模块，固化在FPGA内，将光子计数模块输出的数据进行相关运算，得到相关曲 线，并锁存输出，通过计算机接口模块，与计算机通信，实现数据的输出。

-计算机接口模块，固化在FPGA内，通过串口与USB电路接口与计算机通信，实现相关器 参数设置与相关运算结果数据输出。

本发明的工作原理如下：

本发明的系统框图如图1，从光子探测器(例如光电倍增管、雪崩光电二极管等)出来的脉 冲信号，进入FPGA里的光子计数模块。光子计数模块通过预设的采样时间间隔，对光子脉冲信号 进行等间隔的计数，计数结果送入相关运算模块。相关运算模块首先将数据送入移位寄存器，并 按照设定的通道分配方案，启动乘法累加器进行运算，完成指定的相关运算时间后，将本次结果 送入计算机接口模块，计算机接口模块将结果送入计算机，完成一次相关运算过程。

多片FPGA级联可较易地扩展资源，提高光子相关器的性能。图2是本发明以三片FPGA级联 为例的硬件电路连接总图，Block1模块产生50M的全局时间与复位信号，并且完成光电倍增管与 本电路的连接，硬件电路连接如图3。FPGA1、FPGA2、FPGA3为三片FPGA芯片及其外围电路，用 于实现三个线性独立的相关器，UART&USB是与计算机接口模块，硬件电路连接如图4，完成计算 机与相关器进行参数设置与相关运算曲线数据传输。

由于各个线性相关器原理是一致的，因此，以FPGA1为例来说明其原理。图5中，有6根输 入线，5根输出线。有四个主要功能模块：ResetDelay为同步复位模块；PhotonCounter为光子 计数模块；ProCorrelaton为相关运算模块；ProOutput为计算机接口模块。iCLK50M为50M的全 局时钟输入，用于驱动各模块电路。iRST为外部复位输入线，与ResetDelay模块产生的复位信号 进行相与运算后作为全局的复位信号，同时为低电平有效。iPhotonPulse为光子脉冲信号输入， 用于与光子探测器相连。iRX与iUSBRX进行相与运算后作为输入，可与串口与USB电路转串口芯 片相连，同时通过oSRX与FPGA2相连，在参数设置阶段，可实现并行设置。iSTXDBIT与FPGA2 的数据输出线oTXDBIT相连，通过输出控制线oTXDEn控制传输数据的时序，将三片的结果数据通 过一个接口传输入计算机。oTXD与oUSBTXD为串口与USB电路转串口芯片与计算机接口相连的输 出线。oRSTSyn为同步复位输出线，控制三片FPGA同步工作。

本发明的光子相关器的各部分更详细的说明如下：

同步复位模块