一种基于现场可编程门阵列的多路复用光子相关器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及可用于光子相关光谱测量技术领域，具体涉及一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的多路复用光子相关器。
【背景技术】
[0002]目前，应用在光子相关光谱技术中的光子相关器通过获取单点散射光强信号自相关函数，再由上位机的反演算法程序得到颗粒的大小和粒径分布，该类光子相关器在测量均匀样品时能够很好得到准确的结果。例如，在专利文献1(CN101726452A)中，提供一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的光子相关器，能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；在专利文献2(CN102313604A)中，提供一种基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)和现场可编程门阵列(FPGA)的自适应光子相关器，用于光子相关光谱技术中光强信号相关函数的硬件实现，其与计算机上的软件结合，根据获取到的默认配置的相关函数，自适应地调整采样时间、相关运算时间、延迟通道分配方案，最终获得最优化的相关函数。
[0003]但是，对于不均匀的样品，例如测量在空间上发生化学反应的蛋白质或者温度分布不均匀的纳米小球，只能获取单点散射光强信号自相关函数的传统的光子相关器，并不能准确反演出样品的颗粒大小和粒径分布。
[0004]本发明设计的基于现场可编程门阵列(FPGA)的多路复用光子相关器，能够实现多采样点，通过获取不同点的多路散射光强信号的自相关函数，实现二维或三维区域的多点计算，可以同时得到样品中不同位置颗粒大小和粒径分布。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的多路复用光子相关器，通过获取样品的多路散射光强信号的自相关函数，可同时探测平面内不同点的纳米颗粒的大小和粒径分布；根据待测样品的特点，多路复用光子相关器可以通过计算机程序设置复用路数，并配置二维光子相关器的最小采样时间和相关运算时间。
[0006]本发明的目的通过如下技术方案实现。
[0007]—种基于现场可编程门阵列的多路复用光子相关器，其包括:
[0008]系统同步运行模块，固化在FPGA内，实现多路光子计数同步、多路相关运算同步、相关结果输出同步和系统复位同步；
[0009]多路光子计器数器模块，固化在FPGA内，按设定的时序，对多路复用的光子信号进行计数，并锁存输出，送入下述多路相关运算模块；
[0010]多路相关运算模块，固化在FPGA内，能实时对多路光子计器数器模块传来的多路复用的光子信号数据进行自相关运算，分别得到各路信号的自相关曲线，并锁存输出；
[0011]计算机接口模块，固化在FPGA内，通过接口电路与计算机通信，实现相关运算结果的数据输出。
[0012]进一步地，所述系统同步运行模块(synchronizat1n_signal)的输入端与时钟晶振连接并输出其他各个模块的同步信号，所述其他各个模块的同步信号包括多路光子计数同步信号、多路相关运算同步信号、相关数据输出同步信号和系统复位同步信号。
[0013]进一步地，所述多路光子计数模块(PhotonCounter)接收的信号包括时钟晶振信号、多路光子脉冲，以及系统复位同步信号中的清零信号iCLR，同时所述多路光子计数模块的采样时间可调。
[0014]进一步地，所述多路相关运算模块(Correlat1n)由多路移位寄存器(shift_register)与多路乘法累加器(mac_16b)构成，可实现多路信号的同时自相关运算。
[0015]进一步地，所述计算机接口模块(ProOutputl)由串口接收单元(RxdAll)和发送单元(TXDCont1l)构成，可实现多路复用光子相关器与上位机的通信。
[0016]进一步地，所述多路复用光子相关器中，由多路光子计数模块产生的多路复用的光子信号，包括复用路数、最小采样时间、相关运算时间参数；多路复用光子相关器与计算机连接，所述参数通过计算机接口模块进行设定。
[0017]进一步地，所述多路复用光子相关器的多路光子计数器模块通过单个端口输入光子信号。
[0018]进一步地，所述多路复用光子相关器既能通过单个端口输入多路光子信号，也能通过多端口输入各路光子信号。
[0019]与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果:
[0020]多路复用光子相关器的探测像素点可以设置为任意二维或者三维扫描形式，实现多点探测和计算。
[0021]多路复用光子相关器能够同时获取各个探测点的散射光强信号的自相关函数，通过上位机的反演程序可以同时得到各个探测点的颗粒的大小和颗粒分布。
[0022]多路复用光子相关器能够获取不均匀待测样品的颗粒粒径的分布图。
【附图说明】
[0023]图1为实例中于现场可编程门阵列的多路复用光子相关器的系统框图。
[0024]图2固化在FPGA芯片内多路复用光子相关器的程序框图。
[0025]图3为固化在FPGA芯片内的同步系统同步运行模块电路图。
[0026]图4为固化在FPGA芯片内的多路光子计数模块电路图。
[0027]图5为是多路光子计数模块仿真波形图。
[0028]图6为多路相关器的原理图。
[0029]图7为固化在FPGA芯片内的多路相关运算模块电路图。
[0030]图8为固化在FPGA芯片内的最小单元的多路移位寄存模块电路图。
[0031]图9为三个最小单元的多路移位寄存模块串联的示意图。
[0032]图10为固化在芯片内的多路乘法累加器模块示意图。
[0033]图11为是固化在芯片内的计算机接口接收模块电路图。
[0034]图12为是固化在芯片内的计算机接口发送模块电路图。
【具体实施方式】
[0035]以上内容以及对本发明的技术方案作了充分的公开，以下再结合附图对本发明的实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。
[0036]本实例的系统框图如图1，多路光子信号进入FPGA里的多路光子计数模块。多路复用光子相关器采用默认配置复用路数、最小采样时间和相关运算时间。对不同采样区域的光子脉冲信号分别进行等间隔的计数，在开始运算后，多路光子计数器模块就处于无间断的工作，将各路光子数据源源不断地送入多路相关运算模块。多路相关运算模块首先将采集的多路光子数据送入多路移位寄存器，并按照设定的通道分配方案，启动乘法累加器进行运算，由同步信号控制其移位到多路乘法累加器中进行运算，完成各路的相关运算后可获得不同区域的自相关函数，并将本次结果送入计算机接口模块。最后计算机通信接口模块将各个区域的相关结果送入计算机，完成一次相关运算过程。系统同步运行模块用于协调整个系统运行的同步，包括多路光子计数同步、多路相关运算同步、相关数据输出同步和系统复位同步。
[0037]本发明中固化在FPGA芯片的电路模块如图2所示，具体说明如下:
[0038](I)系统同步运行模块
[0039]系统同步运行模块用于协调整个系统运行的同步，包括光子计数同步、多路相关运算同步、相关数据输出同步和系统复位同步。系统同步运行模块是否正常运行，关系到整个系统输出数据的稳定性和正确性。如图3所示，synchronizat1n_signal为固化在FPGA芯片上系统同步运行模块。其中，iCLK50M为外部硬件输入时钟脉冲，iRST为输入复位信号，oRST为输出复位信号，oEn为系统模块使能输出信号，oCLR为系统模块清零信号。
[0040]当多路复用光子相关器上电后，系统同步运行模块即对iCLK50M进行计数，当小于设定的值时，oRST输出为低电平，各模块在这期间处于复位阶段，同时加载默认的初始值数据。其后oRST输出高电平，各模块正常工作。当系统加载好系统采样时间后，oEn用于驱动多路相关运算模块和串口通?目模块的运行。在运算的过程中，当小于最小米样时间，oEn输出低电平，此时光子计数模块开始计数。当完成计数后，oEn输出高电平。oCLR —开始输出高电平，当完成系统的采样后，oCLR输出低电平用于将各个模块的数据清零。
[0041](2)多路光子计数器模块
[0042]多路光子计数器模块用于对光电倍增管输出的多路光子数据进行不间断的计数，是多路复用光子相关器进行相关运算的重要组成部分之一。多路光子计数模块设计为两个工作模式相同的光子计数器，通过周期性地轮流开启能够实现不间断地对各路光子数进行计数和输出。
[0043]多路光子计数模块实现的功能除了对光子信号进行计数外，还包括启动相关运算模块的多路移位寄存器进行移位和多路乘法累加器进行相乘累加运算的功能，同时也控制着对不同的探测点进行运算。如图4所示，PhotonCounter为固化在FPGA芯片上多路光子计数模块。该电路有4根输入线，3根输出线。其中iRST为复位信号输入，1CLK50M为50M的时钟输入，iCLR为模块清零信号，iPhotonPulse为光子脉冲信号。oDataCLK为数据的输出时钟，oMacWork为控制不同区域进行相关运算的区域标志信号。oData[7..0]为计数结果的输出。
[0044]多路光子计数模块仿真波形如图5。iRST为高电平时，计数模块正常工作，以最小采样时间5us为例，当5us计时到，oDataCLK拉为高电平，从oData[7..0]输出数据。此时完成一个区域采样，oMacffork输出高电平的区域标志信号给多路相关运算模块。
[0045](3)多路相关运算模块
[0046]多路相关运算模块是该系统的核心模块，它实现的功能主要是对不同探测点的光子数据进行自相关运算，包括了多路移位寄存器模块与多路乘法累加器模块。多路移位寄存器模块完成多路光子数据