CN102072774B - 一种用于电介质微弱发光测量的单光子计数系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电介质微弱发光测量的单光子计数系统，包括单光子光电转换模块、输入信号光电隔离模块、脉冲信号输出模块、外部触发信号采集模块、触发阈值调节模块、可编程逻辑门阵列模块和PCI接口模块。本发明采用了可编程逻辑门阵列(FPGA)模块，将复杂的控制电路在一个芯片中完成，减小了设备的体积，简化了电路设计，便于生产调试。同时本发明采用了PCI接口和PC进行数据传输，凭借PCI接口通信速率和良好的抗干扰性，满足了聚合物微弱发光光子测量的需求。
Description
技术领域
本发明属于电气绝缘技术中电介质老化特性研究领域，具体涉及一种用于电介质微弱发光测量的计数系统。
背景技术
电介质材料是几乎所有电气电子系统必不可少的重要组成部分，用于实现带电体在电气上的绝缘和机械上的固定。电介质在电场作用下会逐渐出现老化而产生局部放电，近年来的研究表明，电介质在产生局部放电之前会先发生微弱发光现象，因此，微弱发光现象与电介质老化的初始阶段有密切的关系。
由于电介质的微弱发光不同于微弱发光器件的发光，其发光强度非常微弱，通常以光子个数表示，因此，实际试验中需要采用单光子探测技术以测量其强度。一般常用的单光子测量系统由两部分组成，包含光子探测器和光子计数器。光子探测器主要采用光电倍增管和雪崩光电二级管。而目前市场上光子计数产品有美国斯坦福公司SR400系列和日本滨松公司的C8855等仪器，而这些仪器无法满足电介质微弱发光实验的需求。首先，这些仪器本身都具有很高的输入带宽，但是仪器本身所具有的存储能力有限，无法长时间自动进行计数工作；其次，SR400采用RS232和GPIB接口与PC机进行通信，无法满足大量数据实时采集存储任务的要求，而C8855采用USB接口通信，USB接口抗干扰性能无法满足聚合物微弱发光实验的要求；再次，上述设备价格十分昂贵。
发明内容
针对现有聚合物微弱发光研究中光子计数设备价格昂贵，并且数据存储容量和抗干扰性能无法满足大量数据实时准确采集、存储的需求，本发明的目的在于提出一种用于电介质微弱发光测量的计数系统，该系统采用可编程逻辑门阵列模块，将复杂的控制电路在一个芯片中完成，不仅能够减小设备体积，而且能够满足聚合物微弱发光光子测量的需求。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
该种用于电介质微弱发光测量的单光子计数系统，包括单光子光电转换模块、输入信号光电隔离模块、脉冲信号输出模块、外部触发信号采集模块、触发阈值调节模块、可编程逻辑门阵列模块和PCI接口模块。
所述单光子光电转换模块输出的脉冲信号经过输入信号光电隔离模块输出端接到可编程逻辑门阵列模块的I/O输入端，所述的脉冲信号输出模块的输入端连接到可编程逻辑门阵列模块的I/O输出端上，外部触发信号采集模块的AD数字结果输出端接到可编程逻辑门阵列模块的I/O总线输入端，外部触发信号采集模块的AD芯片控制输入端接到可编程逻辑门阵列模块的I/O输出端，外部触发信号采集模块的模拟信号输出端连接到触发阈值调节模块的模拟信号输入端，阈值结果输出端连接到可编程逻辑门阵列模块的I/O输入端上，可编程逻辑门阵列模块的I/O输出端接到触发阈值调节模块的DA控制输入端上，可编程逻辑门阵列模块通过I/O总线输出端与PCI接口模块实现双向连接，PCI接口模块与PC机之间双相连接。
上述的脉冲输入信号光电隔离模块具有4路独立的输入通道，每一路通道由BNC标准接口，防静电保护电路和光电隔离电路连接组成，外部脉冲源信号通过同轴电缆与BNC标准接口相连，通过防静电保护电路送入光电隔离电路的输入端，经过光电隔离电路之后再送入可编程逻辑门阵列模块的输入端。
上述的脉冲信号输出模块的实现电路由电平转换电路、保护电路及BNC标准接口构成，其中，电平转换电路的输入端接到可编程逻辑门阵列模块的输出端，电平转换电路的输出端接到保护电路的输入端，保护电路的输出端接到BNC标准接口上。
外部触发信号采集模块的模拟信号输入范围为±5V，通过BNC接口和保护电路后，送入跟随运算放大器进行阻抗转换，一路模拟信号送入触发阈值调节模块中模拟信号输入端，一路送入模数转换芯片进行模数转换，AD转换结果送入可编程逻辑门阵列模块的I/O总线输入端。
触发阈值调节模块，包含DA转换电路，电压基准电路，阻抗转换电路，比较电路和光电隔离电路构成，其中，DA转换电路的输入端接到可编程逻辑门阵列模块的输出端，电压基准电路接到DA转换电路的基准输入端，DA转换电路的输出端接到阻抗转换电路的输入端，阻抗转换电路的输出端接到比较电路的一路输入端，比较电路的第二路输入端接到外部触发信号采集模块的模拟信号输出端上，比较电路的比较结果接到光电隔离电路的输入端，光电隔离电路的输出端接到可编程逻辑门阵列模块的输入端。
可编程逻辑门阵列模块内部实现由计数测量单元、ADC芯片控制单元、DAC芯片控制单元、计数控制单元、第一数据缓存器、第二数据缓存器和PCI数据接口单元构成，其中，计数测量单元、ADC芯片控制单元、DAC芯片控制单元、PCI数据接口单元、第一数据缓存器和第二数据缓存器均与计数控制单元构成信号及数据的双向连接。
上述的计数控制单元系统采用50MHz的晶振驱动，所述驱动计数测量单元和ADC芯片控制单元按照既定的时序采集数据。
本发明具有以下有益效果：
本发明采用了可编程逻辑门阵列(FPGA)模块，将复杂的控制电路在一个芯片中完成，减小了设备的体积，简化了电路设计，便于生产调试。同时本发明采用了PCI接口和PC进行数据传输，凭借PCI接口通信速率和良好的抗干扰性，满足了聚合物微弱发光光子测量的需求。
附图说明
图1为单光子计数系统的结构框图；
图2为脉冲输入光电隔离模块电路框图；
图3为脉冲输出模块电路框图；
图4为模拟信号采集模块示意图，其中(a)为电路图，(b)为结构框图；
图5为触发阈值调节模块电路框图；
图6为可编程逻辑门阵列(FPGA)模块逻辑框图；
图7为可编程逻辑门阵列(FPGA)模块中计数控制单元状态机图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的内容作进一步的详细说明。
图1为单光子计数系统的结构框图。它包括单光子光电转换模块100、脉冲输入信号光电隔离模块101、脉冲信号输出模块102、外部触发信号采集模块103、触发阈值调节模块104、可编程逻辑门阵列模块105和PCI接口模块106。除单光子光电转换模块100之外，其他模块均集成到一块PCI板卡上。各模块之间的连接关系如下：
单光子光电转换模块100输出的脉冲信号经过输入信号光电隔离模块101输出端接到可编程逻辑门阵列模块105的I/O输入端110，脉冲信号输出模块102的输入端连接到可编程逻辑门阵列模块105的I/O输出端113上，外部触发信号采集模块103的AD数字结果输出端120接到可编程逻辑门阵列模块105的I/O总线输入端111，外部触发信号采集模块103的AD芯片控制输入端122接到可编程逻辑门阵列模块105的I/O输出端114，外部触发信号采集模块103的模拟信号输出端121连接到触发阈值调节模块104的模拟信号输入端123，阈值结果输出端124连接到可编程逻辑门阵列模块105的I/O输入端112上，可编程逻辑门阵列模块105的I/O输出端115接到触发阈值调节模块104的DA控制输入端125上，可编程逻辑门阵列模块105通过I/O总线输出端116与PCI接口模块106实现双向连接，PCI接口模块106与PC机107之间双相连接。
以下对各个模块之间进行详细说明：
脉冲输入信号光电隔离模块101
脉冲输入信号光电隔离模块101具有4路独立的输入通道，每一路通道由的电路构成分为三部分，如图2所示，分别是BNC标准接口201，防静电保护电路202和光电隔离电路203。单光子光电转换模块100的输出端通过同轴电缆和BNC标准接口201相连，通过防静电保护电路202送入光电隔离电路203的输入端，经过光电隔离电路203之后再送入可编程逻辑门阵列模块105的输入端110。
脉冲信号输出模块102
脉冲信号输出模块102实现电路见图3。它由电平转换电路301、防静电保护电路302和输出BNC接口303构成。其中，电平转换电路301的输入端接到可编程逻辑门阵列(FPGA)模块105的输出端，电平转换电路301的输出端接到保护电路302的输入端，保护电路302的输出端接到BNC标准接口303上。
脉冲信号由可编程逻辑门阵列模块105上的输出端113输出，接到电平转换电路301的输入端，电平转换电路301将3.3V电平转换为5V电平。之后信号通过防静电保护电路302输出采用BNC标准接口303，用于输出测量所得的脉冲信号，为其他测量系统提供接口。
外部触发信号采集模块103
外部触发信号采集模块103实现电路见图4。它由四部分构成，BNC标准接口401，防静电保护电路402，跟随运算放大器403和模数转换电路404。直流或交流模拟信号由被测对象的电源分压获得，输入范围为±5V。直流或交流模拟信号通过BNC标准接口和防静电保护电路402之后送入跟随运算放大器403进行阻抗转换，一路模拟信号送入触发阈值调节模块104中模拟信号输入端123，一路送入模数转换芯片404进行模数转换，模数转换电路404的AD7865芯片能提供250kSPS的采样速率和±5V的范围输入，AD转换结果送入可编程逻辑门阵列模块105的I/O总线输入端111。
触发阈值调节模块104
所述的触发阈值调节模块104组成参见图5。它包含DA转换电路501，电压基准电路502，阻抗转换电路503，比较电路504和光电隔离电路505。DA转换电路501的输入端接到可编程逻辑门阵列(FPGA)模块105的输出端115，电压基准电路502接到DA转换电路501的基准输入端，DA转换电路501的输出端接到阻抗转换电路503的输入端，阻抗转换电路503的输出端接到比较电路504的一路输入端，比较电路504的第二路输入端接到外部触发信号采集模块103的模拟信号输出端121上，比较电路504的比较结果接到光电隔离电路505的输入端，光电隔离电路505的输出端接到可编程逻辑门阵列(FPGA)模块105的输入端112。
DA转换电路501由芯片TLV5618A实现，DA转换电路501的输入控制信由可编程逻辑门阵列模块105的第三输出端115发出。DA转换电路501所需要的基准电压由电压基准电路502提供。电压基准电路502由TL431CLP芯片及标准外围电路组成。DA转换电路501输出的模拟电压信号送入阻抗转换电路503，之后送入比较电路504的3脚。比较电路504的第二路输入端接到外部触发信号采集模块103的模拟信号输出端121上，两个信号进行比较得到的电平信号通过光电隔离电路505将比较结果转换为0V或5V的标准电平信号送入可编程逻辑门阵列模块第三输入端112。
PCI接口模块106
PCI接口模块106采用通用的PCI芯片和其外围电路构成。能够将PCI总线数据转换为32位的本地数据，方便电脑系统和板卡电路的通信。
可编程逻辑门阵列模块105
可编程逻辑门阵列(FPGA)模块105内部实现由计数测量单元601、ADC芯片控制单元602、DAC芯片控制单元603、计数控制单元605、第一数据缓存器606、第二数据缓存器607和PCI数据接口单元604构成，其中，计数测量单元601、ADC芯片控制单元602、DAC芯片控制单元603、PCI数据接口单元604、第一数据缓存器606和第二数据缓存器607均与计数控制单元605构成信号及数据的双向连接。
可编程逻辑门阵列模块105是板卡的核心模块，负责数据的存储转发，对模块101～104的进行时序控制和数据采集，并完成和PCI接口模块106的通信，将执行结果通过PCI总线芯片连接送入PC机。
所述的可编程逻辑门阵列模块105采用Altera公司的EP2C20F484C8。其芯片内部由硬件描述语言实现，见图6所示。图中编号110～116与图1中可编程逻辑门阵列(FPGA)模块105的输入输出I/O相对应，分别对应芯片EP2C20F484C8的引脚。110代表芯片单一引脚A4，111表示13位模数转换数据总线ADC_DBUS，112代表芯片单一引脚W4，113代表芯片单一引脚A6，114代表模数转换4位控制总线ADC_CBUS，115代表与DAC芯片连接的4位控制总线DAC_CBUS。116表示与PCI控制器连接的总线PCB_BUS。计数控制单元605系统采用50MHz的晶振驱动，所述驱动计数测量单元601和ADC芯片控制单元602按照既定的时序采集数据。
可编程逻辑门阵列模块105的具体工作原理如下：
计数测量单元601以1μs为一个周期记录外部输入的脉冲个数，在1μs最多能够记录16个外部脉冲信号，记录结果送至计数控制单元605。计数测量单元601中采用了两级D触发器，用于消除周期控制信号所可能带来的测量脉冲个数丢失现象。ADC芯片控制单元602用于控制外部ADC芯片进行数据采集，采集周期为4μs，采集结果送入计数控制单元605。计数控制单元605将4μs为周期对采集数据进行打包，每4组脉冲数据和一组ADC采集的数据组合成一条32位的数据，存入数据缓冲区。数据缓冲单元包含第一数据缓存器606和第二数据缓存器607，分别是8k字节的RAM，包含在可编程逻辑门阵列(FPGA)模块中。数据缓冲区的存储方式采用乒乓操作，在第一数据缓存器606存放满之后，在计数控制单元的协调下，立刻向第二数据缓存器607中存放数据，同时向PC机发送消息，请求读取第一数据缓存器606的数据；而当第二数据缓存器607中存满之后，立刻向第一数据缓存器606存放，同时向PC发送消息请求读取第二数据缓存器607中的数据。这样保证PC机在读取数据时仍然能够进行脉冲计数，不存在脉冲计数的死区，保证了计数的完整性。DAC芯片控制单元603用于控制外部DAC芯片，当PC机设定阈值电压时，通过该单元写入DAC芯片，实现触发阈值的设定。PCI数据接口单元604负责PCI模块106中的芯片PCI9052和计数器控制模块605的双向通信功能。
可编程逻辑门阵列模块105中的计数控制单元605采用的状态机结构如图7所示。系统采用50MHz的晶振进行驱动。在系统时钟的每个上升沿到来时，都会驱动可编程逻辑门阵列模块105中的定时器进行计时，当计时值每增加50时，即时间增加1μs，则状态机转换到下一步状态，从而驱动计数测量单元601、ADC芯片控制单元602按照既定的时序采集数据。如图7状态所示，在计时器T＝0时，给计数测量单元601发送驱动信号，读取计数值，将该值放入32位整型数据(设定为TData)中的低4位。在计时器T＝50时，即时间增加1μs，则将TData中数据左移4位，同时再次给计数测量单元601发送驱动信号，读取计数值，将该值放入TData中的低4位。重复上述工作，并当计时器T＝150时，将TData数据左移4位，读取计数测量单元601的测量值，同时读取ADC芯片控制单元602的测量值，将其放入TData数据的高16位。在计时器T＝199时，将T置零，判断当前缓冲区是第一缓冲区606还是第二缓冲器607，将TData放入当前工作的数据缓冲区。如果当前缓冲器已满，则发送中断信号给PCI数据接口单元604，通知PC机读取缓冲区数据。
综上所述，本发明各模块功能及信号流简述如下：
实验测量时，光子发射装置108中电源在绝缘材料上施加交流或直流电压，光子就会从材料中发射出来，被单光子光电转换模块100接收，转换为脉冲信号，脉冲输出频率最高达10MHz。该脉冲信号通过同轴电缆连接到脉冲输入信号光电隔离模块101，脉冲输入信号光电隔离模块101完成光电隔离和电平转换，输出的脉冲信号送入可编程逻辑门阵列模块105进行计数，同时可编程逻辑门阵列模块105可将脉冲信号通过脉冲信号输出模块102对外输出，方便其它脉冲计量设备测量。光子发射装置108中的电阻分压器的输出接到外部触发信号采集模块103，它将外部模拟信号转换为数字信号送入触发阈值调节模块104和可编程逻辑门阵列模块105中。触发阈值调节模块将可编程逻辑门阵列模块中的设定值转换为模拟信号和外部触发信号采集模块103的输出值进行比较，其比较结果送入可编程逻辑门阵列模块105中进行处理。可编程逻辑门阵列模块105将处理结果进行编码组合通过PCI接口模块106发送给PC机107。
Claims (7)
1.一种用于电介质微弱发光测量的单光子计数系统，包括单光子光电转换模块(100)、输入信号光电隔离模块(101)、脉冲信号输出模块(102)、外部触发信号采集模块(103)、触发阈值调节模块(104)、可编程逻辑门阵列模块(105)和PCI接口模块(106)，其特征在于：
所述单光子光电转换模块(100)输出的脉冲信号经过输入信号光电隔离模块(101)输出端接到可编程逻辑门阵列模块(105)的第一I/O输入端(110)，所述的脉冲信号输出模块(102)的输入端连接到可编程逻辑门阵列模块(105)的第一I/O输出端(113)上，外部触发信号采集模块(103)的AD数字结果输出端(120)接到可编程逻辑门阵列模块(105)的I/O总线输入端(111)，外部触发信号采集模块(103)的AD芯片控制输入端(122)接到可编程逻辑门阵列模块(105)的第I/O输出端(114)，外部触发信号采集模块(103)的模拟信号输出端(121)连接到触发阈值调节模块(104)的模拟信号输入端(123)，阈值结果输出端(124)连接到可编程逻辑门阵列模块(105)的第I/O输入端(112)上，可编程逻辑门阵列模块(105)的第三I/O输出端(115)接到触发阈值调节模块(104)的DA控制输入端(125)上，可编程逻辑门阵列模块(105)通过I/O总线输出端(116)与PCI接口模块(106)实现双向连接，PCI接口模块(106)与PC机(107)之间双相连接。
2.根据权利要求1所述的用于电介质微弱发光测量的单光子计数系统，其特征在于：所述的输入信号光电隔离模块(101)具有4路独立的输入通道，每一路通道由BNC标准接口(201)，防静电保护电路(202)和光电隔离电路(203)连接组成，外部脉冲源信号通过同轴电缆与BNC标准接口(201)相连，通过防静电保护电路(202)送入光电隔离电路 (203)的输入端，经过光电隔离电路(203)之后再送入可编程逻辑门阵列模块(105)的输入端(110)。
3.根据权利要求1所述的用于电介质微弱发光测量的单光子计数系统，其特征在于：所述的脉冲信号输出模块(102)的实现电路由电平转换电路(301)、保护电路(302)及BNC标准接口(303)构成，其中，电平转换电路(301)的输入端接到可编程逻辑门阵列模块(105)的输出端，电平转换电路(301)的输出端接到保护电路(302)的输入端，保护电路(302)的输出端接到BNC标准接口(303)上。
4.根据权利要求1所述的用于电介质微弱发光测量的单光子计数系统，其特征在于：所述外部触发信号采集模块(103)包括BNC标准接口(401)，防静电保护电路(402)，跟随运算放大器(403)和模数转换电路(404)；所述外部触发信号采集模块(103)的模拟信号输入范围为±5V，通过BNC接口(401)和保护电路(402)后，送入跟随运算放大器(403)进行阻抗转换，一路模拟信号送入触发阈值调节模块(104)中模拟信号输入端(123)，一路送入模数转换芯片(404)进行模数转换，AD转换结果送入可编程逻辑门阵列模块(105)的I/O总线输入端(111)。
5.根据权利要求1所述的用于电介质微弱发光测量的单光子计数系统，其特征在于：所述触发阈值调节模块(104)包含DA转换电路(501)，电压基准电路(502)，阻抗转换电路(503)，比较电路(504)和光电隔离电路(505)，其中，DA转换电路(501)的输入端接到可编程逻辑门阵列(FPGA)模块(105)的输出端(115)，电压基准电路(502)接到DA转换电路(501)的基准输入端，DA转换电路(501)的输出端接到阻抗转换电路(503)的输入端，阻抗转换电路(503)的输出端接到比 较电路(504)的第一路输入端，比较电路(504)的第二路输入端接到外部触发信号采集模块(103)的模拟信号输出端(121)上，比较电路(504)的比较结果接到光电隔离电路(505)的输入端，光电隔离电路(505)的输出端接到可编程逻辑门阵列(FPGA)模块(105)的输入端(112)。
6.根据权利要求1所述的用于电介质微弱发光测量的单光子计数系统，其特征在于：所述可编程逻辑门阵列模块(105)，其内部实现由计数测量单元(601)、ADC芯片控制单元(602)、DAC芯片控制单元(603)、计数控制单元(605)、第一数据缓存器(606)、第二数据缓存器(607)和PCI数据接口单元(604)构成，其中，计数测量单元(601)、ADC芯片控制单元(602)、DAC芯片控制单元(603)、PCI数据接口单元(604)、第一数据缓存器(606)和第二数据缓存器(607)均与计数控制单元(605)构成信号及数据的双向连接。
7.根据权利要求6所述的用于电介质微弱发光测量的单光子计数系统，其特征在于：所述的计数控制单元(605)系统采用50MHz的晶振驱动，所述计数测量单元(601)和ADC芯片控制单元(602)按照既定的时序采集数据。
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