專利名稱：一種apd單光子探測(cè)的控制模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及量子保密通信類，具體的講是涉及APD單光子探測(cè)器的控制 模塊，能夠控制調(diào)整APD的各項(xiàng)工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)近紅外波段單光子的探測(cè)。
技術(shù)背景量子保密通信是基于光量子的通信，信息加載于單光子上，并由單光子 進(jìn)行傳輸，未知量子態(tài)是不可克隆的，測(cè)量量子會(huì)改變量子態(tài)，這樣竊聽(tīng)者 就不可能得到信息而不被發(fā)現(xiàn)，因此在量子保密通信中，單光子探測(cè)有著很 重要的作用。量子保密通信系統(tǒng)中使用的單光子探測(cè)器主要是雪崩光電二極 管(APD)。在單光子探測(cè)中，APD—般是工作在所謂的"蓋革模式"下，在這種模 式下，在沒(méi)有光子的時(shí)候，APD的偏壓小于雪崩電壓，當(dāng)有光子信號(hào)到達(dá)APD 時(shí)，偏置電壓疊加窄門(mén)脈沖使雪崩光電二極管兩端的偏壓大于雪崩電壓從而 引起雪崩，通過(guò)后級(jí)電路的甄別，整形可以得到單光子計(jì)數(shù)的脈沖信號(hào)。在 工作頻率較高時(shí)，對(duì)于InGaAs/InP APD，會(huì)有很強(qiáng)的后脈沖導(dǎo)致誤計(jì)數(shù)， 通過(guò)調(diào)整死時(shí)間的長(zhǎng)短將APD關(guān)閉一段時(shí)間，來(lái)減小后脈沖的影響。對(duì)于一個(gè)成熟的單光子探測(cè)的模塊，涉及的可調(diào)的物理量有觸發(fā)信 號(hào)，門(mén)脈沖，偏壓，死時(shí)間，溫度等，它們中的任何一項(xiàng)對(duì)探測(cè)器的性能都 有至關(guān)重要的影響。所以，在實(shí)際的應(yīng)用中，為了得到好的信噪比，合理的選擇和設(shè)置APD 的工作參數(shù)是至關(guān)重要的，而一種好的控制方法，無(wú)論在控制速度，算法和 并行控制方面顯得更為重要?，F(xiàn)有的絕大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)儀器都采用單片或多片 8位/16位單片機(jī)或?qū)Ｓ械目刂菩酒瑏?lái)完成，受限于單片機(jī)的運(yùn)算速度，復(fù) 雜算法的實(shí)現(xiàn)是以時(shí)間為代價(jià)的，對(duì)于響應(yīng)速度較高的應(yīng)用，這種方式已經(jīng) 不適合，同時(shí)多任務(wù)的并行控制只能用多個(gè)單片機(jī)協(xié)同工作完成，方法復(fù)雜， 成本較高
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種APD單光子探 測(cè)的控制模塊，采用32位高性能處理器和高速可編程邏輯器件為核心，協(xié) 同外部控制芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)單光子探測(cè)器各個(gè)電路參數(shù)高速精確并行控制。本發(fā)明目的實(shí)現(xiàn)由以下技術(shù)方案完成一種APD單光子探測(cè)的控制模塊，其特征在于該控制模塊包括控制模塊 MCU及其外圍電路和FPGA及其外圍電路，還包括與MCU相連接的存儲(chǔ)器電路、 FPGA及其外圍電路、外部接口電路、輸入輸出設(shè)備。所述控制模塊MCU的核心采用的是32位工業(yè)級(jí)處理芯片。所述控制模塊MCU的外圍電路包括MCU的復(fù)位電路。所述控制模塊MCU的外圍電路包括時(shí)鐘基準(zhǔn)電路。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)近紅外波段單光子的探測(cè)器各個(gè)電路參數(shù) 的調(diào)節(jié)，采用高性能的32位高性能處理器和大容量的內(nèi)存和存儲(chǔ)器件，可以 使用嵌入式操作系統(tǒng)作為軟件內(nèi)核，并行算法可以同時(shí)對(duì)探測(cè)器的諸多工作 參數(shù)進(jìn)行控制，而采用高速可編程邏輯器件可以發(fā)揮其在時(shí)序處理上的優(yōu) 勢(shì)，對(duì)探測(cè)器時(shí)鐘和數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的控制和計(jì)數(shù)，兩者協(xié)同工作，可以對(duì)各 個(gè)電路參數(shù)進(jìn)行高速的、精確的、并行控制。


附圖1為本發(fā)明實(shí)施例控制電路框圖； 附圖2為本發(fā)明MCU及外圍電路； 附圖3為本發(fā)明FPGA及外圍電路；具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明特征及其它相關(guān)特征作進(jìn)一步詳細(xì) 說(shuō)明，以便于同行業(yè)技術(shù)人員的理解如圖1-3所示本實(shí)施例由微處理器MCU及外圍電路、存儲(chǔ)器電路、FPGA及外圍電路、 外部接口電路、輸入輸出設(shè)備構(gòu)成。其中MCU及外圍電路負(fù)責(zé)整個(gè)模塊的控 制，算法和調(diào)度，F(xiàn)PGA及外圍電路負(fù)責(zé)數(shù)字邏輯部分的功能，外部接口電路 提供和信號(hào)檢測(cè)部分的10和調(diào)試接口，輸出設(shè)備提供外部顯示設(shè)備的控制器。下面詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明各個(gè)電路模塊及其作用。MCU及外圍電路控制模塊的主核心采用的是32位ARM9工業(yè)級(jí)處理芯 片AT91RM9200，主頻可達(dá)180MHz，擁有很強(qiáng)的計(jì)算能力，且集成了豐富的 控制器，可以在外圍節(jié)省很多控制芯片。復(fù)位芯片Max6390、 C16構(gòu)成了 MCU 的復(fù)位電路，用于芯片的復(fù)位和調(diào)試時(shí)系統(tǒng)的重啟。C4、 C5、 C6、 C7、晶 振Ml、晶振M2構(gòu)成了兩個(gè)時(shí)鐘基準(zhǔn)電路，用于提供MCU的工作時(shí)鐘， Key0-Key8為輸入鍵盤(pán)。芯片的供電需求為3. 3V， 1. 8V，連接在電源和地之 間的電源均為退耦濾波電容。本模塊是整個(gè)控制模塊的核心，負(fù)責(zé)程序運(yùn)算 和其他模塊的協(xié)同工作，從MCU上引出的23根輸入輸出端口對(duì)外部控制器 進(jìn)行控制和輸入，在實(shí)際運(yùn)用中，可以使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等外部 設(shè)備對(duì)外部物理量進(jìn)行控制和反饋，例如門(mén)脈沖寬度、偏壓大小和溫度控制 等。存儲(chǔ)器電路板上的內(nèi)存SDRAM和存儲(chǔ)器FLASH分別為MCU提供了工 作時(shí)的內(nèi)存空間和程序存儲(chǔ)的空間，SDRAM采用的是hynix的 HY57V561620B(L/S)T， FLASH采用的是SST39VF3201，各兩片總共提供32M 的SDRAM和64M的FLASH 。FPGA及外圍電路可編程邏輯門(mén)陣列FPGA主要完成時(shí)鐘的產(chǎn)生和邏輯 處理，采用的是xilinx公司的spartan3 XC3S50-4TQ144C，用來(lái)存放代碼 的同樣是xilinx公司的XCF04SV020存儲(chǔ)器，M6為FPGA工作的時(shí)鐘基準(zhǔn)。 FPGA用于產(chǎn)生內(nèi)部時(shí)鐘源和調(diào)節(jié)死時(shí)間的長(zhǎng)短，還可以做為對(duì)探測(cè)結(jié)果計(jì) 數(shù)的光子計(jì)數(shù)器。實(shí)際應(yīng)用中，F(xiàn)PGA與MCU進(jìn)行通訊，受控于MCU,產(chǎn)生 相應(yīng)的時(shí)鐘頻率和死時(shí)間長(zhǎng)度或設(shè)置計(jì)數(shù)模式，并將計(jì)數(shù)的結(jié)果返回。以太網(wǎng)接口以太網(wǎng)用于MCU程序的下載和調(diào)試，主芯片為DM9161E， M2、 C72提供時(shí)鐘基準(zhǔn)，F(xiàn)C-618為網(wǎng)絡(luò)濾波器，三個(gè)LED顯示網(wǎng)絡(luò)工作狀 態(tài)。電源及調(diào)試端口該部分為供電電源進(jìn)行濾波，并將MCU和FPGA的調(diào) 試端口通過(guò)插件引導(dǎo)出去。RS-232串口及A/D轉(zhuǎn)換電路兩片MAXIM公司的MAX3232提供標(biāo)準(zhǔn) RS-232串口，分別作為調(diào)試時(shí)的命令行串口和計(jì)算機(jī)逋*訊串口。鎮(zhèn)數(shù)轉(zhuǎn)換 芯片TLC3544為14位A/D，能夠?qū)⑻綔y(cè)器檢測(cè)電路返回的模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù) 字量送入MCU進(jìn)行處理。用于溫控模塊的溫度采集。USB接口電路AT91RM9200片上提供完整的USB2. 0控制器，能夠?qū)?現(xiàn)全速傳輸方式，所以在外圍僅需提供合適的電源接口標(biāo)準(zhǔn)。配備USB接 口可以實(shí)現(xiàn)模塊和計(jì)算機(jī)之間以及其他設(shè)備的通訊，進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制或者連 接外部存儲(chǔ)或通信設(shè)備。觸摸控制器ADS7843為T(mén)I生產(chǎn)的觸摸屏控制芯片，采用四線界面， 能夠?qū)﹄娮枋接|摸屏提供很好的支持。用于觸摸輸入設(shè)備的控制。液晶屏控制電路S1D13506為EPSON公司生產(chǎn)的彩色液晶屏控制器件， 顯存選用的是IC41LV16100S ， ICD2061是雙路可編程圖形時(shí)鐘發(fā)生器，為 S1D13506提供顯示時(shí)鐘。用于顯示輸出設(shè)備的控制。如圖1，虛線框內(nèi)表示的是本實(shí)施例內(nèi)部各電路模塊的連接關(guān)系，虛線 框外為單光子探測(cè)的各部分電路模塊。如前所述，對(duì)于基于低溫工作APD的 門(mén)模式探測(cè)器來(lái)說(shuō)，涉及的可調(diào)的物理量有觸發(fā)信號(hào)，門(mén)脈沖，偏壓，死 時(shí)間，溫度，延時(shí)等，還應(yīng)該有計(jì)數(shù)和保存結(jié)果等功能。時(shí)鐘產(chǎn)生時(shí)鐘的產(chǎn)生可以由FPGA內(nèi)部產(chǎn)生，也可以外觸發(fā)經(jīng)過(guò)FPGA 切換或者整形后為后級(jí)門(mén)脈沖產(chǎn)生提供觸發(fā)源。延時(shí)延時(shí)的作用是使光子到達(dá)的時(shí)間和門(mén)脈沖開(kāi)啟的時(shí)間同步，可選 的方案是采用數(shù)控延時(shí)線或者是AD9500數(shù)控延時(shí)芯片，通過(guò)MCU引出的10 控制延時(shí)量的大小。門(mén)脈沖產(chǎn)生采用D/A控制方式，時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)整形轉(zhuǎn)換成觸發(fā)脈沖， 由MCU控制D/A輸出的電壓改變門(mén)脈沖產(chǎn)生器輸出的門(mén)脈沖寬度，典型的 方式是用一個(gè)高速的比較器，觸發(fā)脈沖為鋸齒波或者類似的波形，D/A輸出 作為閾值電平，閾值電平的改變，使得輸出脈沖寬度的改變。溫度控制溫度檢測(cè)模塊將溫度的誤差轉(zhuǎn)換成電壓值，由A/D轉(zhuǎn)換成 數(shù)字量在MCU中處理、運(yùn)算后，由MCU引出的10控制D/A的輸出電壓，轉(zhuǎn) 成4-20mA電流控制可調(diào)電源的電壓，改變制冷器的制冷功率，由此構(gòu)成一 個(gè)環(huán)路，使溫度達(dá)到預(yù)定值。典型檢測(cè)模塊是一個(gè)熱敏電阻加上電橋電路， 即可將溫度變化轉(zhuǎn)成電壓變化，4-20mA電流控制開(kāi)關(guān)電源的方式是一種恨 成熟的控制方式，而PID算法則可以在軟件上加以實(shí)現(xiàn)。偏壓控制偏壓采用主動(dòng)控制的方式，預(yù)設(shè)的輸出電壓經(jīng)過(guò)算法轉(zhuǎn)成電 壓值，由MCU引出的10控制D/A控制偏壓模塊的輸出，達(dá)到預(yù)設(shè)值。偏壓 模塊方案可以采用MAXIM的APD偏壓產(chǎn)生芯片，例如MAX1932，用D/A控 制反饋端電阻網(wǎng)絡(luò)的電壓就可以改變輸出電壓。死時(shí)間控制死時(shí)間的作用是抑制后脈沖引起誤計(jì)數(shù)，這個(gè)可以在FPGA 中完成，在每一個(gè)有效的探測(cè)后，將時(shí)鐘"關(guān)閉"一段指定的時(shí)間，指定時(shí) 間的長(zhǎng)度在FPGA中以計(jì)數(shù)的方式完成，對(duì)于FPGA的高頻率時(shí)鐘來(lái)說(shuō)，有 很高的精度。計(jì)數(shù)APD探測(cè)到的光子信號(hào)經(jīng)過(guò)檢測(cè)電路后轉(zhuǎn)換成計(jì)數(shù)脈沖，輸入 FPGA就可以完成計(jì)數(shù)的功能。數(shù)據(jù)的保存利用本發(fā)明模塊的RS-232接口和USB接口可以和計(jì)算機(jī) 進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)的將計(jì)數(shù)的結(jié)果保存在計(jì)算機(jī)上。整個(gè)工作的過(guò)程為1. FPGA產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換整形成觸發(fā)脈沖，由MCU控制D/A 進(jìn)而控制門(mén)脈沖的產(chǎn)生；2. MCU控制D/A調(diào)整APD的工作偏壓；3. 實(shí)時(shí)的溫度由溫度檢測(cè)模塊返回給A/D，采樣后在MCU中經(jīng)過(guò)PID 算法計(jì)算，反饋控制D/A改變制冷器制冷功率調(diào)整穩(wěn)定APD工作溫度；4. MCU調(diào)整延時(shí)量的大小使門(mén)脈沖和光子同步，APD就可以對(duì)光子進(jìn) 行探測(cè)，雪崩信號(hào)經(jīng)過(guò)甄別，整形轉(zhuǎn)換成計(jì)數(shù)信號(hào)送入FPGA計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié) 果通過(guò)RS-232或者USB接口送入計(jì)算機(jī)保存。軟件實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例的控制都可以通過(guò)相應(yīng)的代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于核心的高處理速 度和大容量的存儲(chǔ)器，可以在模塊中基于嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行編程，對(duì)各項(xiàng) 參數(shù)進(jìn)行并行控制，代碼可以通過(guò)相應(yīng)的JTAG 口進(jìn)行編程調(diào)試，通過(guò)下載 口將程序下載至存儲(chǔ)器中運(yùn)行。由于本發(fā)明RS-232和USB的通訊功能，可 以在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，調(diào)整APD的各項(xiàng)工作參數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種APD單光子探測(cè)的控制模塊，其特征在于該控制模塊包括控制模塊MCU及其外圍電路，還包括與MCU相連接的存儲(chǔ)器電路、FPGA及其外圍電路、外部接口電路、輸入輸出設(shè)備。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種APD單光子探測(cè)的控制模塊，其特征在于所 述控制模塊MCU的核心采用的是32位工業(yè)級(jí)處理芯片。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種APD單光子探測(cè)的控制模塊，其特征在于所 述控制模塊MCU的外圍電路包括MCU的復(fù)位電路。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種APD單光子探測(cè)的控制模塊，其特征在于所 述控制模塊MCU的外圍電路包括時(shí)鐘基準(zhǔn)電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種APD單光子探測(cè)器的控制模塊，該控制模塊包括控制模塊MCU及其外圍電路和FPGA及其外圍電路，還包括與MCU相連接的存儲(chǔ)器電路、FPGA及其外圍電路、外部接口電路、輸入輸出設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)是，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)近紅外波段單光子的探測(cè)器各個(gè)電路參數(shù)的調(diào)節(jié)，可以使用嵌入式操作系統(tǒng)作為軟件內(nèi)核，并行算法可以同時(shí)對(duì)探測(cè)器的諸多工作參數(shù)進(jìn)行控制，可對(duì)探測(cè)器時(shí)鐘和數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的控制和計(jì)數(shù)，兩者協(xié)同工作，可以對(duì)各個(gè)電路參數(shù)進(jìn)行高速的、精確的、并行控制。
文檔編號(hào)G05B19/04GK101149597SQ20071004796
公開(kāi)日2008年3月26日 申請(qǐng)日期2007年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月8日
發(fā)明者光 吳, 曾和平, 許黎霖 申請(qǐng)人:華東師范大學(xué)