CN107463085B - 一种CPT原子钟伺服控制SoC - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种CPT原子钟伺服控制SoC，包括微处理器、光电信号解调功能模块、温度控制环路功能模块、激光和微波环路控制功能模块、C场控制功能模块和总线桥；所述总线桥与系统总线和外围总线相连，用于连接不同速度的总线；光电信号解调功能模块提取出微波和激光的功率变化信息；温度控制环路功能模块控制吸收泡和激光管的温度；激光和微波环路控制功能模块实现激光频率锁定和微波环路的锁定；C场控制功能模块为吸收泡提供稳定的C场；微处理器与系统总线相连，用于控制光电信号解调模块、温度控制环路模块、激光和微波环路控制模块和C场控制模块。本发明具有通用性强、集成度高、外设接口丰富的特点，具有高度灵活可编程性和微弱信号处理能力。
Description
技术领域
本发明涉及CPT原子钟，具体涉及一种CPT原子钟伺服控制SoC。
背景技术
CPT原子钟是利用原子的相干布局囚禁原理实现的一种新型原子钟，该种原子钟实现不需要微波谐振腔，因此可以将体积做到很小，被认为可以集成到一个芯片上，因此也称为芯片级原子钟。CPT原子钟在导航定位、计时、同步通信等领域有着广泛的应用前景。
专利《一种CPT原子钟伺服电路》申请号：201120043582.3，该专利公布了一种CPT原子钟伺服电路，包括微控制器，微控制器的信号输入端与原子钟物理单元的光电探测器相连，微控制器的信号输出端依次通过频率信号输出电路、频率变换级电路与原子钟物理单元的激光器相连，微机控制器的信号输出端通过恒定的电流源电路与原子钟物理单元的激光器相连，微控制器的信号输入输出端分别与温控电路、磁场检测电路相连。所述的频率信号输出电路采用压控温度补偿晶振，所述频率变换级电路采用直接数字式频率合成器和锁相环，所述恒定电流源电路采用恒流源控制器。
专利201120043582.3公开的技术方案，以微控制器为核心，负责监控温度和磁场、数字器件的控制、相敏检波、产生方波调制信号、调控恒流源电流，实现了对激光频率和微波频率的自动扫描和锁定控制。但该技术方案在小型化、低功耗、可靠性设计方面已经不能满足现代武器装备发展的需求和趋势了。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供一种CPT原子钟伺服控制SoC。
本发明的目的通过如下技术方案来实现的：一种CPT原子钟伺服控制SoC，包括微处理器1、光电信号解调功能模块5、温度控制环路功能模块6、激光和微波环路控制功能模块7、C场控制功能模块8和总线桥12；所述总线桥与系统总线和外围总线相连，用于连接不同速度的总线；所述光电信号解调功能模块与外围总线相连，用于对原子钟的物理系统光电信号进行解调，并从中提取出微波和激光的功率变化信息；所述温度控制环路功能模块与外围总线相连，用于分别控制原子钟的物理系统中吸收泡和激光管的温度；所述激光和微波环路控制功能模块与外围总线相连，用于对微波和VCSEL的驱动直流电流作低频调制，然后把一定功率和频率的被调制的微波信号和被调制的直流电流通过Bias-T合成后输入原子钟的物理系统的VCSEL中，以实现激光频率锁定；在激光频率锁定后，对微波进行调制相敏解调获得负电压反馈信号施加于压控晶振的压控电极，实现微波环路的锁定；所述C场控制功能模块与外围总线相连，通过CPU配置DAC，输出一个稳定可调的电压，再通过V-I转换电路转换为电流信号驱动螺线管，为吸收泡提供稳定的C场；所述微处理器与系统总线相连，用于控制上述光电信号解调功能模块、温度控制环路功能模块、激光和微波环路控制功能模块和C场控制功能模块。
进一步，还包括静态随机存储器2、串行闪存控制器3、时钟/复位管理模块4、通用外设子系统9、时间数字转换模块10、时钟输出模块11和直接存储器访问控制器13；所述直接存储器访问控制器与系统总线相连，用于在微处理器的控制下访问静态随机存储器；所述静态随机存储器与系统总线相连，用于内部高速数据缓存；所述串行闪存控制器与系统总线相连，用于连接外部存储器；所述时钟/复位管理模块与系统总线相连，用于设定工作模式，设定各个模块的时钟以及实现时钟门控管理，完成上电复位、按键复位以及看门狗复位；所述通用外设子系统与外围总线相连，用于实现通信接口控制及与外界计算机的互连；所述时间数字转换模块与外围总线相连，用于精确测量时差；所述时钟输出模块与外围总线相连，用于输出不同时钟频率和实现时钟信号移项；所述微处理器用于控制静态随机存储器、串行闪存器控制器、时钟/复位管理模块、通用外设子系统、时间数字转换模块以及时钟输出模块。
进一步，所述光电信号解调功能模块包括模数转换器I51、数据选择器I52、微波解调通路53、激光解调通路54和数字振荡器55；
所述模数转换器I与前端光电信号放大器相连，用于采集放大后的光电信号；所述数据选择器I与模数转换器I相连，用于将模数转换器I输出数据分成两路，一路数据直接连接到系统总线上，另一路数据送入后续正交解调电路；所述微波解调通路与数据选择器I相连，包含I、Q两个支路，每支路由混频器I531和低通滤波器I532组成，用于解调出所需的微波信号；所述激光解调通路与数据选择器I相连，包含I、Q两个支路，每支路由混频器II541和低通滤波器II542组成，用于解调出所需的微波信号；所述数字振荡器分别与微波解调通路和激光解调通路中的混频器相连，用于提供解调所需要的本振信号。
进一步，所述温度控制环路功能模块包括数据选择器II61、模数转换器II62、吸收泡温度电压控制支路63和VCSEL温度电压控制支路64；
所述数据选择器II分别与吸收泡温度电压信号放大器和VCSEL温度电压信号放大器相连，用于选择吸收泡温度电压信号或者VCSEL温度电压信号，送入后续模数转换器II进行采样；所述模数转换器II与数据选择器II相连，用于采样吸收泡温度电压信号或者VCSEL温度电压信号；所述吸收泡温度电压控制支路通过总线与微处理器相连，用于将微处理器输出的控制信号转换成模拟控制信号；所述VCSEL温度电压控制支路通过总线与微处理器相连，用于将微处理器输出的控制信号转换成模拟控制信号。
进一步，所述激光和微波环路控制功能模块包括激光环路控制支路71和微波环路控制支路72，
所述激光环路控制支路通过总线与微处理器相连，用于将微处理器输出的控制信号转换成模拟控制信号；所述微波环路控制支路通过总线与微处理器相连，用于将微处理器输出的控制信号转换成模拟控制信号。
进一步，所述C场控制功能模块包括模数转换器III81，所述模数转换器III通过总线和微处理器相连，用于将微处理器输出的控制信号转换成模拟控制信号。
进一步，所述通用外设子系统包括通用输入/输出91、通用异步收发传输器92、串行外设接口93、定时器模块94和看门狗模块95，
所述通用输入/输出与外围总线相连，用于实现端口的中断管脚或数据管脚的配置；所述通用异步收发传输器与外围总线相连，用于实现与外部设备的通信；所述串行外设接口与外围总线相连，用于连接外部通信设备；所述定时器模块与外围总线相连，用于实现时间控制；所述看门狗模块与外围总线连接，用于监视复位整个系统。
进一步，所述时钟/复位管理模块包括：所述时钟/复位管理模块包括时钟/复位41和锁相环42，
所述时钟/复位模块用于产生各模块运作时所需的时钟，实现时钟门控管理、上电复位、外部按键复位以及看门狗复位；
所述锁相环用于产生所需高相位精度的时钟信号。
进一步，所述时钟输出模块包括分频器111和相移电路112，
所述分频器用于产生所需频率的时钟信号；所述相移电路用于时钟信号的相位控制。
由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益技术效果：
本发明具有通用性强、集成度高、外设接口丰富的特点，具有高度灵活可编程性和微弱信号处理能力。本发明有利于实现CPT原子钟系统的小型化设计、低功耗设计、高可靠性设计，此外本发明也是伺服控制系统应用的理想选择，可广泛的应用于各类探测、遥测遥控、导航、无线电测量等控制系统中。本发明采用单片集成电路设计技术，将实现光电信号解调、温度环路控制、激光和微波环路控制以及C场控制和微处理器集成到一个芯片上，并提供丰富的外设接口，具有高度灵活的可编程性，通用性大大提高。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为原子钟系统结构图；
图2为本发明的原理框图；
图3为光电信号解调功能模块原理框图；
图4为温度控制环路功能模块原理框图；
图5为激光和微波环路控制功能模块与光电信号解调功能模块连接的原理框图；
图6为C场控制功能模块原理框图；
图7为通用外设子系统原理框图；
图8为时钟/复位管理模块原理框图；
图9为时钟输出模块原理框图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
如图2所示，一种CPT原子钟伺服控制SoC，包括
一光电信号解调功能模块5，所述光电信号解调功能模块与外围总线相连，用于对物理系统输出的光电信号进行解调，以采集物理系统输出的光电信号，并从中提取出微波和激光的功率变化信息；
一温度控制环路功能模块6，所述温度控制环路功能模块与外围总线相连，用于对物理系统内的吸收泡和激光管等分别控温，使其各自稳定地工作在合适的温度；
一激光和微波环路控制功能模块7，所述激光和微波环路控制功能模块与外围总线相连，用于对微波和VCSEL的驱动直流电流作了低频调制，然后把一定功率和频率的被调制的微波信号和被调制的直流电流通过Bias-T合成后输入物理系统中的VCSEL，以实现激光频率锁定；在激光频率锁定后，对微波进行调制相敏解调获得负电压反馈信号施加于压控晶振的压控电极，实现微波环路的锁定；
一C场控制功能模块8，所述C场控制功能模块与外围总线相连，通过CPU配置DAC，输出一个稳定可调的电压，再通过V-I转换电路转换为电流信号驱动螺线管，为吸收泡提供C场，保证当螺线管的阻值随物理系统温度变化时，通过螺线管的电流保持不变，从而为吸收泡提供稳定的C场；
一直接存储器访问控制器13，所直接存储器访问控制器与系统总线相连，用于在微处理器的控制下访问静态随机存储器；
一静态随机存储器2，所述静态随机存储器与系统总线相连，用于内部高速数据缓存；
一串行闪存器控制器3，所述串行闪存器控制器与系统总线相连，用于连接外部存储器；
一时钟/复位管理模块4，所述时钟/复位管理模块与系统总线相连，用于设定工作模式，设定各个模块的时钟以及实现时钟门控管理，完成上电复位、按键复位以及看门狗复位；
一通用外设子系统9，所述通用外设子系统与外围总线相连，用于实现通信接口控制及与外界计算机的互连；
一时间数字转换模块10，所述时间数字转换模块与外围总线相连，用于精确测量时差；
一时钟输出模块11，所述时钟输出模块与外围总线相连，用于输出不同时钟频率和实现时钟信号移项；
一总线桥12，所述总线桥与系统总线和外围总线相连，用于连接不同速度的总线；以及
一微处理器1，所述微处理器与系统总线相连，用于控制上述光电信号解调模块、温度控制环路模块、激光和微波环路控制模块、C场控制模块、静态随机存储器、串行闪存器控制器、时钟/复位管理模块、通用外设子系统、时间数字转换模块以及时钟输出模块。
如图3所示，所述光电信号解调功能模块5包括模数转换器I51，数据选择器I(MUX)52，微波解调通路53，激光解调通路54和数字振荡器55。所述模数转换器I51与前端光电信号放大器相连，用于采集放大后的光电信号；所述数据选择器I52与模数转换器I相连51，用于将模数转换器I输出数据分成两路，一路数据直接连接到系统总线上，另一路数据送入后续正交解调电路；所述数字振荡器55分别与微波解调通路53和激光解调通路54相连，用于提供解调所需要的本振信号；所述微波解调通路53与数据选择器I52相连，所述激光解调通路54与数据选择器I52相连。
所述微波解调通路53包括I、Q两个并行支路，所述I支路包括一混频器531串接一低通滤波器533，所述Q支路包括一混频器532串接一低通滤波器534。
所述激光解调通路54包括I、Q两个并行支路，所述I支路包括一混频器541串接一低通滤波器544，所述Q支路包括一混频器542串接一低通滤波器543。
如图4所示，所述温度控制环路功能模块6包括数据选择器II(MUX)61，模数转换器II62，吸收泡温度电压控制支路63和VCSEL温度电压控制支路64。
所述模数转换器II62与数据选择器II61相连，，用于采样吸收泡温度电压信号或者VCSEL温度电压信号；
所述数据选择器II61与片外吸收泡温度电压信号放大器和VCSEL温度电压信号放大器相连，用于选择吸收泡温度电压信号或者VCSEL温度电压信号，送入后续模数转换器进行采样；
所述吸收泡温度电压控制支路63通过总线与微处理器1相连，用于将微处理器输出的控制信号转换成模拟控制信号。
所述VCSEL温度电压控制支路64通过总线与微处理器1相连，用于将微处理器输出的控制信号转换成模拟控制信号。
如图5所示，所述激光和微波环路控制功能模块7包括激光环路控制支路71，微波环路控制支路72。所述激光环路控制支路71通过总线与微处理器相连，所述微波环路控制支路72通过总线与微处理器相连。
所述激光环路控制支路71包括两路并行的数模转换器711和数模转换器712，用于将微处理器输出的控制信号转换成模拟控制信号。
所述激光环路控制支路72包括两路并行的数模转换器721和数模转换器722，用于将微处理器输出的控制信号转换成模拟控制信号。
如图6所示，所述C场控制功能模块包括一模数转换器81，所述模数转换器通过总线和微处理器相连，用于将微处理器输出的控制信号转换成模拟控制信号。
如图7所示，所述通用外设子系统包括：
一通用输入/输出91，所述通用输入/输出与外围总线相连，用于实现端口的中断管脚或数据管脚的配置；
一通用异步收发传输器92，所述通用异步收发传输器与外围总线相连，用于实现与外部设备的通信；
一串行外设接口93，所述串行外设接口与外围总线相连，用于连接外部通信设备；
一定时器模块94，所述定时器模块与外围总线相连，用于实现时间控制；以及
一看门狗模块95，所述看门狗模块与外围总线连接，用于监视复位整个系统。
如图8所示，所述时钟/复位管理模块包括：
一时钟/复位模块41，所述时钟/复位模块和外部时钟信号以及复位信号相连，用于产生各模块运作时所需的时钟，实现时钟门控管理、上电复位、外部按键复位以及看门狗复位；
一锁相环42，所述锁相环和时钟/复位41相连，用于产生所需高相位精度的时钟信号。
如图9所示，所述时钟输出模块11包含分频器111和相移电路112。所述分频器111和外围总线相连，所述相移电路112和分频器111相连。所述分频器用于产生所需频率的时钟信号；所述相移电路用于时钟信号的相位控制。
下面将对上述CPT原子钟伺服控制SoC的工作原理进行简单的说明：本实施方式中，基于上述CPT原子钟伺服控制SoC的控制过程，包括以下步骤：
1)CPT原子钟物理系统部分输出的光信号，经过光检电路即V/I转换、前置放大，其信号为一个直流叠加了两个调制信号；
光电信号经过放大后，由一路模数转换器I51进行采集模数转换器I51采用16bits，采样率≥40Ksps。模数转换器I51输出的信号分为两路供用户选择使用：一路直接连接到SoC总线上，通过直接存储器访问控制器13或者微处理器1存储到静态随机存储器2上，供后续微处理器1处理，另外一路通过光电信号解调功能模块5正交解调后存储到静态随机存储器2。
2)物理系统是CPT原子钟的核心，温控电路用于对物理系统内的吸收泡和激光管等分别控温，使其各自稳定地工作在合适的温度，温度控制是CPT原子钟正常工作的前提条件，提高温控性能是改善原子钟的一个重要途径。
温控有两个环路：吸收泡温控与VCSEL(激光器)温控。采集热敏电阻输出信号需要使用高精度的模数转换器II62，吸收泡温度环路控制需要两路数模转换器63输出，VCSEL(激光器)温度环路需要两路数模转换器64输出，在片外实现两路信号合成实现高精度(24位)输出。温度环路控制采用定时器定时查询的方式进行温度信号采集和补偿控制方式工作。
3)为了实现激光频率锁定，分别对微波和VCSEL的驱动直流电流作了低频调制，然后把一定功率和频率的被调制的微波信号和被调制的直流电流通过Bias-T合成后输入物理系统中的VCSEL。与原子作用后的激光通过光电二极管转换为电流信号，经过电流转电压、AD采集、正交解调得到数字信号送到处理器。经过一系列数字信号处理，完成激光频率扫描获得鉴频信号后，处理器将相敏解调处理后获得的频率纠偏信号通过DA输出控制直流源，实现激光频率锁定，激光环路的控制；
在激光频率锁定后，对微波进行调制相敏解调获得负电压反馈信号施加于压控晶振的压控电极，实现微波环路的锁定。
4)通过微处理器1配置数模转换器81，输出一个稳定可调的电压，再通过V-I转换电路转换为电流信号驱动螺线管，为吸收泡提供C场。这样可以保证当螺线管的阻值随物理系统温度变化时，通过螺线管的电流保持不变，从而为吸收泡提供稳定的C场。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种CPT原子钟伺服控制SoC，包括微处理器(1)、光电信号解调功能模块(5)、温度控制环路功能模块(6)、激光和微波环路控制功能模块(7)，其特征在于：还包括C场控制功能模块(8)和总线桥(12)；所述总线桥与系统总线和外围总线相连，用于连接不同速度的总线；
所述光电信号解调功能模块与外围总线相连，用于对原子钟的物理系统光电信号进行解调，并从中提取出微波和激光的功率变化信息；
所述温度控制环路功能模块与外围总线相连，用于分别控制原子钟的物理系统中吸收泡和激光管的温度；
所述激光和微波环路控制功能模块与外围总线相连，用于对微波和VCSEL的驱动直流电流作低频调制，然后把一定功率和频率的被调制的微波信号和被调制的直流电流通过Bias-T合成后输入原子钟的物理系统的VCSEL中，以实现激光频率锁定；在激光频率锁定后，对微波进行调制相敏解调获得负电压反馈信号施加于压控晶振的压控电极，实现微波环路的锁定；
所述C场控制功能模块与外围总线相连，通过CPU配置DAC，输出一个稳定可调的电压，再通过V-I转换电路转换为电流信号驱动螺线管，为吸收泡提供稳定的C场；
所述微处理器与系统总线相连，用于控制上述光电信号解调功能模块(5)、温度控制环路功能模块(6)、激光和微波环路控制功能模块(7)、C场控制功能模块(8)。
2.根据权利要求1所述的一种CPT原子钟伺服控制SoC，其特征在于：还包括静态随机存储器(2)、串行闪存控制器(3)、时钟/复位管理模块(4)、通用外设子系统(9)、时间数字转换模块(10)、时钟输出模块(11)和直接存储器访问控制器(13)；
所述直接存储器访问控制器与系统总线相连，用于在微处理器的控制下访问静态随机存储器；
所述静态随机存储器与系统总线相连，用于内部高速数据缓存；
所述串行闪存控制器与系统总线相连，用于连接外部存储器；
所述时钟/复位管理模块与系统总线相连，用于设定工作模式，设定各个模块的时钟以及实现时钟门控管理，完成上电复位、按键复位以及看门狗复位；
所述通用外设子系统与外围总线相连，用于实现通信接口控制及与外界计算机的互连；
所述时间数字转换模块与外围总线相连，用于精确测量时差；
所述时钟输出模块与外围总线相连，用于输出不同时钟频率和实现时钟信号移项；
所述微处理器用于控制静态随机存储器、串行闪存器控制器、时钟/复位管理模块、通用外设子系统、时间数字转换模块以及时钟输出模块。
3.根据权利要求1所述的一种CPT原子钟伺服控制SoC，其特征在于：所述光电信号解调功能模块包括模数转换器I(51)、数据选择器I(52)、微波解调通路(53)、激光解调通路(54)和数字振荡器(55)；
所述模数转换器I与前端光电信号放大器相连，用于采集放大后的光电信号；
所述数据选择器I与模数转换器I相连，用于将模数转换器I输出数据分成两路，一路数据直接连接到系统总线上，另一路数据送入后续正交解调电路；
所述微波解调通路与数据选择器I相连，包含I、Q两个支路，每支路由混频器I(531)和低通滤波器I(532)组成，用于解调出所需的微波信号；
所述激光解调通路与数据选择器I相连，包含I、Q两个支路，每支路由混频器II(541)和低通滤波器II(542)组成，用于解调出所需的微波信号；
所述数字振荡器分别与微波解调通路和激光解调通路中的混频器相连，用于提供解调所需要的本振信号。
4.根据权利要求1所述的一种CPT原子钟伺服控制SoC，其特征在于：所述温度控制环路功能模块包括数据选择器II(61)、模数转换器II(62)、吸收泡温度电压控制支路(63)和VCSEL温度电压控制支路(64)；
所述数据选择器II分别与吸收泡温度电压信号放大器和VCSEL温度电压信号放大器相连，用于选择吸收泡温度电压信号或者VCSEL温度电压信号，送入后续模数转换器II进行采样；
所述模数转换器II与数据选择器II相连，用于采样吸收泡温度电压信号或者VCSEL温度电压信号；
所述吸收泡温度电压控制支路通过总线与微处理器相连，用于将微处理器输出的控制信号转换成模拟控制信号；
所述VCSEL温度电压控制支路通过总线与微处理器相连，用于将微处理器输出的控制信号转换成模拟控制信号。
5.根据权利要求1所述的一种CPT原子钟伺服控制SoC，其特征在于：所述激光和微波环路控制功能模块包括激光环路控制支路(71)和微波环路控制支路(72)，
所述激光环路控制支路通过总线与微处理器相连，用于将微处理器输出的控制信号转换成模拟控制信号；
所述微波环路控制支路通过总线与微处理器相连，用于将微处理器输出的控制信号转换成模拟控制信号。
6.根据权利要求1所述的一种CPT原子钟伺服控制SoC，其特征在于：所述C场控制功能模块包括模数转换器III(81)，所述模数转换器III通过总线和微处理器相连，用于将微处理器输出的控制信号转换成模拟控制信号。
7.根据权利要求2所述的一种CPT原子钟伺服控制SoC，其特征在于：所述通用外设子系统包括通用输入/输出(91)、通用异步收发传输器(92)、串行外设接口(93)、定时器模块(94)和看门狗模块(95)，
所述通用输入/输出与外围总线相连，用于实现端口的中断管脚或数据管脚的配置；
所述通用异步收发传输器与外围总线相连，用于实现与外部设备的通信；
所述串行外设接口与外围总线相连，用于连接外部通信设备；
所述定时器模块与外围总线相连，用于实现时间控制；
所述看门狗模块与外围总线连接，用于监视复位整个系统。
8.根据权利要求2所述的一种CPT原子钟伺服控制SoC，其特征在于：所述时钟/复位管理模块包括时钟/复位(41)和锁相环(42)；
所述时钟/复位(41)用于产生各模块运作时所需的时钟，实现时钟门控管理、上电复位、外部按键复位以及看门狗复位；
所述锁相环(42)用于产生所需高相位精度的时钟信号。
9.根据权利要求2所述的一种CPT原子钟伺服控制SoC，其特征在于：所述时钟输出模块包括分频器(111)和相移电路(112)，
所述分频器用于产生所需频率的时钟信号；
所述相移电路用于时钟信号的相位控制。
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