CN110968005A - 基于fpga远程调控调节pmt增益 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种调节PMT增益的方法，主要工作过程如下：用户编辑上位机数据发出指令，串口通讯模块发送指令至FPGA驱动控制模块。紧接着FPGA的时序控制模块为串口通讯控制模块、数据处理模块、DA控制模块提供正常的工作时序；同时上位机发出的指令通过串口通讯控制模块传达至数据处理模块；然后数据处理模块将接收到的数据通过从数据的开始符到结束符的扫描方式分为多组并分别发送至DA控制芯片中。最后DA控制芯片将接收到的上位机传来的数字信号指令转换为PMT模块各路控制电压端的模拟电压信号。
Description
技术领域
本发明涉及光电转换技术领域，尤其涉及一种PMT增益调整方法。
技术背景
光电倍增管(Photomultiplier Tube,PMT)是一种将光信号转换为电信号的光电转换器，是海洋激光雷达接收电路中光电检测模块中的重要组成部分之一。
在海洋测试实验时，海水中存在很多鱼群海草等生物，以及海水介质比较复杂，激光射向海面时很大一部分被海水反射和吸收了，打入海底的光是非常微弱的。而在设计激光雷达的接收电路过程中，对微弱光检测的精度要求是越来越高的。微弱光信号的检测需要搭建光电检测系统。而PMT的灵敏度高，暗电流小，噪声系数低，在微弱光探测系统中得到广泛应用。
PMT的光电转换效应一般处于15％到20％之间。PMT具有增益高、灵敏度高等优点，其增益依赖于光电倍增管内光阴极的电子数量和它的控制电压，光阴极的电子数量越多，控制电压越高，增益则越大，最高可达107。
以光学测量领域为例，PMT模块主要被用于检测射入海底的蓝绿光信号。由于信号自身十分微弱，且幅值动态范围较大，甚至会相差几个量级，若PMT模块增益调节不当，可能采集到的信号会出现因局部过大或过小而造成激光信号失真或消失的现象。因此，PMT模块增益的适当调节，对保证待采集信号的完整性与准确性具有十分重要的意义。
PMT的增益是与控制电压呈线性关系的，一般通过手动调节PMT 模块的控制电压来调节其增益，这种方法依赖于实验者的经验法，真正实验过程中误差很大。并且必须要实验者前往现场通过调节电位器观测PMT模块的控制电压来完成对PMT增益的控制。
发明内容
针对这一问题，设计了一种基于FPGA调节PMT增益的控制方法。
为了实现上述功能，本设计使用如下解决方案：
一种基于FPGA调节PMT增益的方法，主要分为基于FPGA的硬件设计和基于JAVA的软件设计，具体框图如图1所示。
所述FPGA硬件电路包括：数模转换(DA)电路，时序模块控制电路，串口通讯模块电路，缓冲电路。
所述基于JAVA的软件设计包括：软件的开发环境，通讯模块子程序，上位机主控页面程序设计，各个模块功能分析设计。
进一步，所述数模转换(DA)电路可以将离散的数字量转换为连接变化的模拟量。
进一步，所述时序模块控制电路时序逻辑电路对于组合逻辑的毛刺具有容忍度，从而改善电路的时序特性。
进一步，所述串口通讯模块电路主要负责FPGA和上位机之间的通讯。
进一步，所述缓冲电路多用在总线上，提高驱动能力、隔离前后级，缓冲器多半有三态输出功能。
进一步，所述软件开发环境是选用的JAVA。
本发明是一种调节PMT增益的方法，主要工作过程如下：用户编辑上位机数据发出指令，串口通讯模块发送指令至FPGA驱动控制模块。紧接着FPGA的时序控制模块为串口通讯控制模块、数据处理模块、DA控制模块提供正常的工作时序；同时上位机发出的指令通过串口通讯控制模块传达至数据处理模块；然后数据处理模块将接收到的数据通过从数据的开始符到结束符的扫描方式分为多组并分别发送至DA控制芯片中。最后DA控制芯片将接收到的上位机传来的数字信号指令转换为PMT模块各路控制电压端的模拟电压信号。
附图说明
图1为本发明的系统总体设计结构框图；
图2为本发明使用的滨松电子公司的H11526-01 PMT增益和控制电压
图3为本发明实验过程中在ModelSim中添加波形信号
图4为本发明利用ModelSim给XC7A35T-1FTG256I芯片做出的 DA时序仿真图
图5为本发明上位界面图
图6为本发明上位机开发界面部分程序截图
图7为本发明增益随控制电压调节的波形图
具体实施方式
下面结合实施例说明本发明一种基于FPGA调节PMT增益的方法。
本发明是一种基于FPGA调节PMT增益的方法。具体实施过程如图1所示。整个系统的工作过程如下：当光信号输入时，PMT模块将光信号转化为电信号，经由电流放大器输出被放大后的电压信号。根据信号采集系统显示的信号状态来适当调节PMT模块的增益，若输出信号幅值过高，则减小上位机软件界面中的控制电压值，上位机软件通过串口通讯将数据发送给硬件电路；通过JAVA语言编写的程序控制硬件电路输出模拟电压，然后将输出电压供给PMT模块控制电压端，完成一次PMT模块增益的调节。
硬件电路中DA模块采用的是TI[Texas Instruments]公司的 TLC5617芯片，它是一个双10位电压输出数模转换器(DAC),具有缓冲参考输入(高阻抗)。DAC的输出电压范围是基准电压的两倍,并且 DAC是单调的。该装置使用简单，由一个5伏的电源供电。带有上电复位功能，以确保可重复启动条件。TLC5617的数字控制是通过3线 CMOS兼容串行总线实现的。设备接收16位字进行编程并产生模拟输出。数字输入采用施密特触发器，具有高抗噪性。数字通信协议包括 SPI、QSPI和MICROEIRE标准。TLC5617的数据侧是串行输入，支持SPI，你可以将数据以SPI协议接口提供给ADC，如果时钟频率高的话精度也会更高.
FPGA驱动控制模块的核心板主芯片采用XILINX公司的 XC7A35T-1FTG256I芯片。该芯片供高性能,高收发器线路速率,DSP 处理,集成AMS。该产品针对需要串行收发器,高DSP和逻辑吞吐量的低功耗应用进行了优化。具有高达215K逻辑单元,13Mb BRAM,740 DSP片,929GMAC/s,16个收发器,6.6Gb/s收发器速度,211Gb/s 串行带宽,500个I/O引脚。
-7FPGA支持多种配置选项,包括支持商品存储器,HMAC/SHA-256认证的256位AES加密,以及内置SEU检测和校正功能。
串口通讯模块采用RS232芯片，现在常用的FPGA的IO电平一般都在1.8/2.5/3.3V，不满足RS232的电平要求，所以我们要通过一个RS232的串口电平转换芯片，将FPGA的IO输出电平转换为RS232 的电平。这里我们采用一片MAX3232实现两路串口的电平转换。
FPGA系统程序主要包括时序控制模块、串口通讯控制模块、数据处理模块、数模(DA)控制模块四个部分。在JAVA软件的开发环境下，采用元件例化的设计方法，使用软件语言独立设计各个功能模块，将各个功能模块集成到顶层设计文件进行综合、编译与系统验证。为验证DA控制模块程序是否正确，以及能否实现理想的逻辑功能，设计了测试基准程序，通过JAVA软件直接调用仿真工具，设定一个 50MHz的时钟作为激励源，写入信号。输出信号仿真结果准确无误，满足TLC5617芯片的时序要求，DA可以正常工作。
具体实验中PMT模块型号采用的是日本滨松公司的H11526模块，供电电压0.4V-1.0V，电源为15V线性电压源，它的PMT增益和控制电压的关系图如图2所示。测试仪器采用的是美国Tektronix公司的差分信号示波器，可以提供高达200MHz的带宽和1GS/s采样率。
在做时序仿真时，先提前编译Xilnx的库文件，通过在Xilinx 的网站上下载的xilinx_lib_4.tcl脚本进行的，选择菜单中的执行宏或者在命令行中输入source xilinx_lib_4.tcl，接着选择所要编译的语言后，再进行库的编译。
FPGA的时序控制直接影响到外围电路的工作顺序，它通常是在做完布局布线后进行，仿真中包含布局布线产生的延时信息，一般布局布线后会用SDF(Standard DelayFormat)文件来存储timing数据，它通常是由布局布线工具产生，ModelSim仿真出的时序仿真图如图3和图4所示。输出信号仿真结果准确无误，满足TLC5617芯片的时序要求，DA模块可以正常工作。
通过JAVA语言编辑的上位机的操作界面主要由波特率，控制电压，串口开关，和启停按钮以及指示灯组成，如图5所示，实现了上位机的串口模块和DA模块完成通讯。通过改变波特率，控制电压等参数来调节PMT模块的增益。主页面相关程序如图6所示。
通过上位机软件界面调节控制电压，以0.1V为单位等间隔增加的方式调节到1V，然后再依次递减至0时的实验波形图。由图7可以看出，控制电压在0到0.4V之间信号的增益的增大变化不是很明显，控制电压在0.7时，信号的增益变化十分明显，控制电压在0.7-1V之间信号进入饱和状态。
以上介绍的实施方式可实现PMT模块增益的多通道远程调节，且可实现PMT模块增益有较大幅度变化的调整。但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (4)
1.一种基于FPGA调节PMT增益的方法，主要分为基于FPGA的硬件设计和基于JAVA的软件设计；其中FPGA硬件电路包括：数模转换(DA)电路，时序模块控制电路，串口通讯模块电路，缓冲电路；而基于JAVA的软件设计包括：软件的开发环境，通讯模块子程序，上位机主控页面程序设计，各个模块功能分析设计。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的硬件设计，其中数模转换(DA)电路可以将离散的数字量转换为连接变化的模拟量；时序模块控制电路时序逻辑电路对于组合逻辑的毛刺具有容忍度，从而改善电路的时序特性；串口通讯模块电路主要负责FPGA和上位机之间的通讯；缓冲电路多用在总线上，提高驱动能力、隔离前后级，缓冲器多半有三态输出功能。
3.根据权利要求1所述的基于JAVA的软件设计，上位机操作界面开发环境是选用的JAVA；编辑上位机数据发出指令，串口通讯模块发送指令至FPGA驱动控制模块；紧接着FPGA的时序控制模块为串口通讯控制模块、数据处理模块、DA控制模块提供正常的工作时序；同时上位机发出的指令通过串口通讯控制模块传达至数据处理模块；然后数据处理模块将接收到的数据通过从数据的开始符到结束符的扫描方式分为多组并分别发送至DA控制芯片中；最后DA控制芯片将接收到的上位机传来的数字信号指令转换为PMT模块各路控制电压端的模拟电压信号。
4.根据权利要求3所述的DA时序控制模块，它通常是在做完布局布线后进行，在使用ModelSim仿真中包含布局布线产生的延时信息，一般布局布线后会用SDF(Standard DelayFormat)文件来存储timing数据，它通常是由布局布线工具产生；输出信号仿真结果必须准确无误，才能满足芯片的时序要求，这样DA模块可以正常工作。
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