CN101149597A - 一种apd单光子探测的控制模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种APD单光子探测器的控制模块，该控制模块包括控制模块MCU及其外围电路和FPGA及其外围电路，还包括与MCU相连接的存储器电路、FPGA及其外围电路、外部接口电路、输入输出设备，其优点是，能够实现对近红外波段单光子的探测器各个电路参数的调节，可以使用嵌入式操作系统作为软件内核，并行算法可以同时对探测器的诸多工作参数进行控制，可对探测器时钟和数据进行精确的控制和计数，两者协同工作，可以对各个电路参数进行高速的、精确的、并行控制。

Description

一种APD单光子探测的控制模块

技术领域

本发明涉及量子保密通信类，具体的讲是涉及APD单光子探测器的控制模块，能够控制调整APD的各项工作参数，实现近红外波段单光子的探测。

背景技术

量子保密通信是基于光量子的通信，信息加载于单光子上，并由单光子进行传输，未知量子态是不可克隆的，测量量子会改变量子态，这样窃听者就不可能得到信息而不被发现，因此在量子保密通信中，单光子探测有着很重要的作用。量子保密通信系统中使用的单光子探测器主要是雪崩光电二极管(APD)。

在单光子探测中，APD一般是工作在所谓的“盖革模式”下，在这种模式下，在没有光子的时候，APD的偏压小于雪崩电压，当有光子信号到达APD时，偏置电压叠加窄门脉冲使雪崩光电二极管两端的偏压大于雪崩电压从而引起雪崩，通过后级电路的甄别，整形可以得到单光子计数的脉冲信号。在工作频率较高时，对于InGaAs/InP APD，会有很强的后脉冲导致误计数，通过调整死时间的长短将APD关闭一段时间，来减小后脉冲的影响。

对于一个成熟的单光子探测的模块，涉及的可调的物理量有：触发信号，门脉冲，偏压，死时间，温度等，它们中的任何一项对探测器的性能都有至关重要的影响。

所以，在实际的应用中，为了得到好的信噪比，合理的选择和设置APD的工作参数是至关重要的，而一种好的控制方法，无论在控制速度，算法和并行控制方面显得更为重要。现有的绝大多数的实验仪器都采用单片或多片8位/16位单片机或专有的控制芯片来完成，受限于单片机的运算速度，复杂算法的实现是以时间为代价的，对于响应速度较高的应用，这种方式已经不适合，同时多任务的并行控制只能用多个单片机协同工作完成，方法复杂，成本较高。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种APD单光子探测的控制模块，采用32位高性能处理器和高速可编程逻辑器件为核心，协同外部控制芯片，实现对单光子探测器各个电路参数高速精确并行控制。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种APD单光子探测的控制模块，其特征在于该控制模块包括控制模块MCU及其外围电路和FPGA及其外围电路，还包括与MCU相连接的存储器电路、FPGA及其外围电路、外部接口电路、输入输出设备。

所述控制模块MCU的核心采用的是32位工业级处理芯片。

所述控制模块MCU的外围电路包括MCU的复位电路。

所述控制模块MCU的外围电路包括时钟基准电路。

本发明的优点是，能够实现对近红外波段单光子的探测器各个电路参数的调节，采用高性能的32位高性能处理器和大容量的内存和存储器件，可以使用嵌入式操作系统作为软件内核，并行算法可以同时对探测器的诸多工作参数进行控制，而采用高速可编程逻辑器件可以发挥其在时序处理上的优势，对探测器时钟和数据进行精确的控制和计数，两者协同工作，可以对各个电路参数进行高速的、精确的、并行控制。

附图说明

附图1为本发明实施例控制电路框图；

附图2为本发明MCU及外围电路；

附图3为本发明FPGA及外围电路；

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-3所示：

本实施例由微处理器MCU及外围电路、存储器电路、FPGA及外围电路、外部接口电路、输入输出设备构成。其中MCU及外围电路负责整个模块的控制，算法和调度，FPGA及外围电路负责数字逻辑部分的功能，外部接口电路提供和信号检测部分的IO和调试接口，输出设备提供外部显示设备的控制器。

下面详细说明本发明各个电路模块及其作用。

MCU及外围电路：控制模块的主核心采用的是32位ARM9工业级处理芯片AT91RM9200，主频可达180MHz，拥有很强的计算能力，且集成了丰富的控制器，可以在外围节省很多控制芯片。复位芯片Max6390、C16构成了MCU的复位电路，用于芯片的复位和调试时系统的重启。C4、C5、C6、C7、晶振M1、晶振M2构成了两个时钟基准电路，用于提供MCU的工作时钟，Key0-Key8为输入键盘。芯片的供电需求为3.3V，1.8V，连接在电源和地之间的电源均为退耦滤波电容。本模块是整个控制模块的核心，负责程序运算和其他模块的协同工作，从MCU上引出的23根输入输出端口对外部控制器进行控制和输入，在实际运用中，可以使用数模转换器和模数转换器等外部设备对外部物理量进行控制和反馈，例如门脉冲宽度、偏压大小和温度控制等。

存储器电路：板上的内存SDRAM和存储器FLASH分别为MCU提供了工作时的内存空间和程序存储的空间，SDRAM采用的是hynix的HY57V561620B(L/S)T，FLASH采用的是SST39VF3201，各两片总共提供32M的SDRAM和64M的FLASH。

FPGA及外围电路：可编程逻辑门阵列FPGA主要完成时钟的产生和逻辑处理，采用的是xilinx公司的spartan3 XC3S50-4TQ144C，用来存放代码的同样是xilinx公司的XCF04SV020存储器，M6为FPGA工作的时钟基准。FPGA用于产生内部时钟源和调节死时间的长短，还可以做为对探测结果计数的光子计数器。实际应用中，FPGA与MCU进行通讯，受控于MCU，产生相应的时钟频率和死时间长度或设置计数模式，并将计数的结果返回。

以太网接口：以太网用于MCU程序的下载和调试，主芯片为DM9161E，M2、C72提供时钟基准，FC-618为网络滤波器，三个LED显示网络工作状态。

电源及调试端口：该部分为供电电源进行滤波，并将MCU和FPGA的调试端口通过插件引导出去。

RS-232串口及A/D转换电路：两片MAXIM公司的MAX3232提供标准RS-232串口，分别作为调试时的命令行串口和计算机通讯串口。模数转换芯片TLC3544为14位A/D，能够将探测器检测电路返回的模拟量转化成数字量送入MCU进行处理。用于温控模块的温度采集。

USB接口电路：AT91RM9200片上提供完整的USB2.0控制器，能够实现全速传输方式，所以在外围仅需提供合适的电源接口标准。配备USB接口可以实现模块和计算机之间以及其他设备的通讯，进行计算机控制或者连接外部存储或通信设备。

触摸控制器：ADS7843为TI生产的触摸屏控制芯片，采用四线界面，能够对电阻式触摸屏提供很好的支持。用于触摸输入设备的控制。

液晶屏控制电路：S1D13506为EPSON公司生产的彩色液晶屏控制器件，显存选用的是IC41LV16100S，ICD2061是双路可编程图形时钟发生器，为S1D13506提供显示时钟。用于显示输出设备的控制。

如图1，虚线框内表示的是本实施例内部各电路模块的连接关系，虚线框外为单光子探测的各部分电路模块。如前所述，对于基于低温工作APD的门模式探测器来说，涉及的可调的物理量有：触发信号，门脉冲，偏压，死时间，温度，延时等，还应该有计数和保存结果等功能。

时钟产生：时钟的产生可以由FPGA内部产生，也可以外触发经过FPGA切换或者整形后为后级门脉冲产生提供触发源。

延时：延时的作用是使光子到达的时间和门脉冲开启的时间同步，可选的方案是采用数控延时线或者是AD9500数控延时芯片，通过MCU引出的IO控制延时量的大小。

门脉冲产生：采用D/A控制方式，时钟信号经过整形转换成触发脉冲，由MCU控制D/A输出的电压改变门脉冲产生器输出的门脉冲宽度，典型的方式是用一个高速的比较器，触发脉冲为锯齿波或者类似的波形，D/A输出作为阈值电平，阈值电平的改变，使得输出脉冲宽度的改变。

温度控制：温度检测模块将温度的误差转换成电压值，由A/D转换成数字量在MCU中处理、运算后，由MCU引出的IO控制D/A的输出电压，转成4-20mA电流控制可调电源的电压，改变制冷器的制冷功率，由此构成一个环路，使温度达到预定值。典型检测模块是一个热敏电阻加上电桥电路，即可将温度变化转成电压变化，4-20mA电流控制开关电源的方式是一种很成熟的控制方式，而PID算法则可以在软件上加以实现。

偏压控制：偏压采用主动控制的方式，预设的输出电压经过算法转成电压值，由MCU引出的IO控制D/A控制偏压模块的输出，达到预设值。偏压模块方案可以采用MAXIM的APD偏压产生芯片，例如：MAX1932，用D/A控制反馈端电阻网络的电压就可以改变输出电压。

死时间控制：死时间的作用是抑制后脉冲引起误计数，这个可以在FPGA中完成，在每一个有效的探测后，将时钟“关闭”一段指定的时间，指定时间的长度在FPGA中以计数的方式完成，对于FPGA的高频率时钟来说，有很高的精度。

计数：APD探测到的光子信号经过检测电路后转换成计数脉冲，输入FPGA就可以完成计数的功能。

数据的保存：利用本发明模块的RS-232接口和USB接口可以和计算机进行通信，实时的将计数的结果保存在计算机上。

整个工作的过程为：

1.FPGA产生时钟信号，经过转换整形成触发脉冲，由MCU控制D/A进而控制门脉冲的产生；

2.MCU控制D/A调整APD的工作偏压；

3.实时的温度由温度检测模块返回给A/D，采样后在MCU中经过PID算法计算，反馈控制D/A改变制冷器制冷功率调整稳定APD工作温度；

4.MCU调整延时量的大小使门脉冲和光子同步，APD就可以对光子进行探测，雪崩信号经过甄别，整形转换成计数信号送入FPGA计数，计数结果通过RS-232或者USB接口送入计算机保存。

软件实现：

本实施例的控制都可以通过相应的代码来实现，由于核心的高处理速度和大容量的存储器，可以在模块中基于嵌入式操作系统进行编程，对各项参数进行并行控制，代码可以通过相应的JTAG口进行编程调试，通过下载口将程序下载至存储器中运行。由于本发明RS-232和USB的通讯功能，可以在计算机中进行远程控制，调整APD的各项工作参数。

Claims (4)

1.一种APD单光子探测的控制模块，其特征在于该控制模块包括控制模块MCU及其外围电路，还包括与MCU相连接的存储器电路、FPGA及其外围电路、外部接口电路、输入输出设备。

2.根据权利要求1所述的一种APD单光子探测的控制模块，其特征在于所述控制模块MCU的核心采用的是32位工业级处理芯片。

3.根据权利要求1所述的一种APD单光子探测的控制模块，其特征在于所述控制模块MCU的外围电路包括MCU的复位电路。

4.根据权利要求1所述的一种APD单光子探测的控制模块，其特征在于所述控制模块MCU的外围电路包括时钟基准电路。

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