CN111487910A - 一种用于太赫兹层析成像的高速波形采集及控制电路 - Google Patents

一种用于太赫兹层析成像的高速波形采集及控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于太赫兹层析成像的高速波形采集及控制电路，其FPGA通过USB控制器和USB接口与PC机连接；FPGA依次通过第一TTL电平电路和偏压源接口与偏压源连接；FPGA与ARM连接，ARM依次通过第一RS232收发器和激光器接口617与飞秒激光器连接；ARM通过第二RS232收发器和快速振荡延迟线接口与快速振荡延迟线4连接；快速振荡延迟线4通过RS422缓冲电路与FPGA连接；I‑V转换模块、信号调理模块、ADC采集和控制电路和FPGA依次连接；扫描电机依次通过差分接收器和TTL信号缓冲电路与FPGA连接；差分发送器输入端与差分接收器输出端连接，输出端与扫描电机连接。其在不影响扫描电机正常工作的前提下实时捕获扫描电机位置，采集太赫兹接收天线输出信号，用于太赫兹三维层析成像系统。

Description

一种用于太赫兹层析成像的高速波形采集及控制电路
技术领域：
本发明属于太赫兹时域光谱技术领域，具体涉及一种用于太赫兹层析成像的高速波形采集及控制电路。
背景技术：
太赫兹三维成像技术是一项新兴的无损检测技术，在高分子复合材料、轮胎生产、飞机汽车涂层、陶瓷、塑料、泡沫、纤维等材料的无损检测领域具有重要的应用价值。基于反射式太赫兹脉冲飞行时间成像的太赫兹层析成像技术，是利用脉宽小于1ps的太赫兹脉冲在目标内部不同界面的反射信号时间延迟，结合空间二维快速扫描技术实现对目标的几十微米量级的超高纵向分辨太赫兹层析成像，并且利用太赫兹光谱快扫描技术能够极大提高成像速度，进一步实现对目标的快速层析成像。太赫兹三维层析成像系统构成复杂，包含快速振荡延迟线、飞秒激光器、偏压源、太赫兹信号收发天线和扫描机构等多个模块。为了控制各个模块协同工作，并完成太赫兹光谱快扫描数据采集，本专利提出了一种用于太赫兹层析成像的高速波形采集及控制电路，完成太赫兹三维成像系统的电子学集成。
发明内容：
本发明目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种用于太赫兹层析成像的高速波形采集及控制电路，提供快速振荡延迟线、飞秒激光器、偏压源的控制接口，提供扫描电机编码器接收转发接口，在不影响扫描电机正常工作的前提下实时捕获扫描电机位置，对太赫兹接收天线输出信号进行I-V转换、放大及数据采集，能够用于实现一种太赫兹三维层析成像系统。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明涉及的一种用于太赫兹层析成像系统的高速波形采集及控制电路，包括I-V转换模块、信号调理模块、ADC采集和控制电路、FPGA、控制器模块、第一RS232收发器、第二RS232收发器、第一TTL电平电路、RS422缓冲电路、TTL信号缓冲电路、差分接收器、差分发送器、USB控制器、USB接口、激光器接口、偏压源接口、快速振荡延迟线接口和扫描电机接口；FPGA依次通过USB控制器和USB接口与PC机连接；FPGA依次通过第一TTL电平电路和偏压源接口与偏压源连接；FPGA与ARM连接，ARM依次通过第一RS232收发器和激光器接口617与飞秒激光器连接；ARM通过第二RS232收发器和快速振荡延迟线接口与快速振荡延迟线4连接；快速振荡延迟线4通过RS422缓冲电路与FPGA连接；I-V转换模块、、信号调理模块、ADC采集和控制电路和FPGA依次连接；扫描电机依次通过差分接收器和TTL信号缓冲电路与FPGA连接；差分发送器输入端与差分接收器输出端连接，输出端与扫描电机连接。
所述用于太赫兹层析成像系统的高速波形采集及控制电路，还包括第二TTL电平电路和LED灯接口，FPGA依次通过第二TTL电平电路和LED灯接口与LED指示灯连接，将PC机的控制指令转化为TTL电平信号，控制不同LED指示灯的开启和关闭。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：首先本发明结构简单，其次，能够实时获取扫描电机的位置(即三维中的X、Y坐标)，本发明可接收和转发扫描电机的位置编码信号，在FPGA内部对扫描电机的位置进行实时解码(可同时连接多达4个扫描电机)，在每一个太赫兹波形信号(Z轴信号)采集的开始时刻锁存扫描电机的位置(由此给每个Z轴波形加上了X、Y坐标)，将波形数据和对应的扫描电机位置一并上传至PC。本发明在实现上述功能的同时，不影响扫描电机自身控制系统对扫描电机的控制。也就是说，本发明使得扫描电机可独立于三维层析成像系统，用户可以按照自己的需求选择扫描电机。
附图说明：
图1为实施例1中所述的太赫兹层析成像系统结构示意图。
图2为实施例1中所述的高速波形采集及控制电路工作原理示意图。
图3为实施例1中所述的高速波形采集及控制电路结构示意图。
具体实施方式：
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，本实施例涉及的太赫兹层析成像系统，包括飞秒激光器1、太赫兹发射天线2、偏压源3、快速振荡延迟线4、太赫兹探测天线5、高速波形采集及控制电路6和PC机7。
其中，飞秒激光器1用于产生高重频飞秒脉冲激光信号，用作太赫兹发射天线2和太赫兹探测天线5的激发源，飞秒激光器1与太赫兹发射天线2连接，快速振荡延迟线4用于控制系统的扫描延迟，实现对太赫兹信号的波形取样，飞秒激光器1通过快速振荡延迟线4与太赫兹探测天线5连接；偏压源3用于产生高电压调制信号，并施加到太赫兹发射天线7上，偏压源3输出端与太赫兹发射天线连接，偏压源3输入端与高速波形采集及控制电路6连接；高速波形采集及控制电路6作为系统的主控单元，分别与快速振荡延迟线4、偏压源3、太赫兹探测天线5、PC机7连接，用于调制编码调制信号的产生，太赫兹信号的同步、采集、处理以及与PC机单元的通信；PC机7用于与高速波形采集及控制电路6进行通信，接收太赫兹时域脉冲信号数据并进行时频转换等后续处理。
本实施例涉及的一种用于太赫兹层析成像系统的高速波形采集及控制电路6，包括I-V转换模块601、信号调理模块602、ADC采集和控制电路606、FPGA、控制器模块、第一RS232收发器611、第二RS232收发器614、第一TTL电平电路615、第二TTL电平电路616、RS422缓冲电路612、TTL信号缓冲电路607、差分接收器608、差分发送器613、USB控制器603、USB接口604、激光器接口617、偏压源接口618、LED灯接口619、快速振荡延迟线接口620和扫描电机接口609。
所述控制器采用ARM，并集成flash存储介质，控制器模块实现对高速波形采集及控制电路6工作过程的控制。
FPGA负责数据采集、缓存，解码等。
FPGA依次通过USB控制器603和USB接口604与PC机7连接，接收PC机的控制指令，同时将采集的数据发送到PC机7，实现数据的交互。
FPGA依次通过第一TTL电平电路和偏压源接口618与偏压源3连接，将PC机7的控制指令转化为TTL电平信号，控制偏压源3的开启和关闭。
FPGA依次通过第二TTL电平电路和LED灯接口619与LED指示灯连接，将PC机7的控制指令转化为TTL电平信号，控制不同LED指示灯的开启和关闭。
FPGA与ARM连接，在ARM的控制下工作，将PC机7的控制指令发送到ARM，同时接收ARM发来的数据。
ARM用于实现主机的控制流程，完成系统初始化、配置参数的存储及调用等功能，
ARM依次通过第一RS232收发器611和激光器接口617与飞秒激光器连接，控制飞秒激光器的开启和关闭，同时将飞秒激光器状态数据实时返回ARM。
ARM通过第二RS232收发器614和快速振荡延迟线接口620与快速振荡延迟线4连接，控制快速振荡延迟线4的工作参数，如振荡频率，具体通过控制音圈电机驱动器实现对音圈电机的控制。
快速振荡延迟线4通过RS422缓冲电路612与FPGA连接，用于将编码器实时采集的电机位置信号编码后发送给FPGA，经由FPGA解码后发送给PC机7。
I-V转换模块601将太赫兹探测天线5输出的光电流信号转换为电压信号，然后输入到信号调理模块602；信号调理模块602对电压信号进行放大、滤波、去掉噪声，调节信号幅度使之符合ADC采集和控制电路606的输入要求；ADC采集和控制电路606在基于PC机7的设定，采集快速震荡延迟线经过设定某点时信号调理模块602输送的电压信号，并将电压信号发送到FPGA。
扫描电机依次通过差分接收器608和TTL信号缓冲电路607与FPGA连接，用于将扫描电机位置编码信号发送给FPGA，在FPGA内部对扫描电机的位置进行实时解码，然后发送给PC机7。
差分发送器613输入端与差分接收器608输出端连接，输出端与扫描电机连接，用于将扫描电机位置编码器信号转发给扫描电机控制器。
本实施例涉及的一种用于太赫兹层析成像系统的高速波形采集及控制电路6，还包括电源和电源接口。电源接口与外界电源连接为电源充电，为高速波形采集及控制电路工作提供电能。
本实施例涉及的一种用于太赫兹层析成像系统的高速波形采集及控制电路6，采用FPGA+ARM的架构，FPGA负责数据采集、传输和电机位置解码等对实时性要求较高的工作，ARM则实现主机的控制流程，完成系统初始化、配置参数的存储及调用等功能。本发明通过USB2.0接口与PC机7连接，接收来自PC机7的控制命令，控制飞秒激光器、快速振荡延迟线4和偏压源3协同工作。本发明对输入的太赫兹电流信号进行I-V转换，放大和低通滤波，得到的信号经ADC采样后送入FPGA。本发明接收来自快速振荡延迟线4的编码器信号，在FPGA内部对电机位置进行实时解码，在设定的振荡范围内进行数据采集。本发明还接收和转发扫描电机的位置编码信号，在FPGA内部对扫描电机的位置进行实时解码(可同时连接多达4个扫描电机)，在每一个太赫兹波形信号采集的开始时刻锁存扫描电机的位置，将波形数据和对应的扫描电机位置一并上传至PC机7。本发明提供的扫描电机编码器转发信号可连接至扫描电机控制器，在不影响扫描电机闭环控制的情况下实时获取扫描电机的位置。
本实施例涉及的用于太赫兹层析成像的高速波形采集及控制电路6的具体工作过程为：
(1)PC机7发出控制命令，经由USB控制器603输送到FPGA、ARM。
(2)在ARM的控制下，将对激光器的控制命令通过第一RS232收发器611转换后，发送给飞秒激光器，激光器出光。飞秒激光器输出的一路信号注入到太赫兹发射传输接收单元的发射天线，由于光电效应，将在光电导天线内部产品自由电子和空穴对，即自由载流子。
(3)在ARM的控制下，将对偏压源的控制命令通过TTL电平电路转化为TTL信号，发送给偏压源3，偏压源3打开。偏压源3将按照严格的编码规则为太赫兹发射天线提供偏置电压，编码方式包括但不限于simplex码，Golay互补码等，码元周期一般设置为百微秒量级，即码元重复频率为数千赫兹。太赫兹发射天线在飞秒激光器和调制偏压的共同作用下，将产生以编码调制信号为副载波的的太赫兹信号。经过编码调制的太赫兹信号依次经过准直透镜和聚焦透镜最终照射到太赫兹探测天线5上，为太赫兹探测天线5施加了偏置电场。
(4)在ARM的控制下，将对快速振荡延迟线4的控制命令通过第二RS232收发器614转换后，发送给快速振荡延迟线4，设置快速振荡延迟线4的振荡频率、幅度，太赫兹波形信号采集的开始位置，太赫兹波形信号采集的点数(快速振荡延迟线4经过开始位置时，开始采集波形，采集点数到达设定值之后一个波形采集完成，直到下一次快速振荡延迟线4经过开始位置时，开始采集下一个波形)。
(5)在ARM的控制下，将对快速振荡延迟线4的控制命令通过第二RS232收发器614转换后，发送给快速振荡延迟线4，使快速振荡延迟线4振荡。飞秒激光器的另一路输出光经过快速振荡延迟线4精确控制到达太赫兹探测天线5的时间，保证与编码调制的太赫兹信号在探测天线上相遇时有严格的时间延迟。太赫兹探测天线5发出的光电流信号。
(6)PC机7通过扫描电机控制器控制扫描电机运动。
(7)扫描电机控制器将扫描电机编码信号通过12路差分接收器608发送到TTL信号缓冲电路，经由TTL信号缓冲电路转换后发送到FPGA，实时解析扫描电机的位置。过程中，12路差分接收器608发出的信号经由12路差分发送器613发送到扫描电机控制器。本发明转发扫描电机编码信号使得扫描电机控制器对扫描电机的控制不受任何影响；
(8)快速振荡延迟线4的光栅编码信号通过RS422缓冲电路612发送到FPGA，实时解析快速振荡延迟线4的位置，当快速振荡延迟线4运动到开始位置时，锁存当前扫描电机位置(X、Y坐标)，并开始采集太赫兹波(Z轴信号)。具体为，太赫兹探测天线5发出的光电流信号经过I-V转换模块601进行I-V转换，发送到信号调理模块602放大和低通滤波，得到的信号经ADC采样后送入FPGA，采集到设定的点数(由软件设定)时，一个波形采集完成。重复步骤(6)-(8),将采集的数据(波形数据和对应的扫描电机位置)发送给PC机7，由PC机7处理。

Claims (2)

1.一种用于太赫兹层析成像的高速波形采集及控制电路，其特征在于，包括I-V转换模块、信号调理模块、ADC采集和控制电路、FPGA、控制器模块、第一RS232收发器、第二RS232收发器、第一TTL电平电路、RS422缓冲电路、TTL信号缓冲电路、差分接收器、差分发送器、USB控制器、USB接口、激光器接口、偏压源接口、快速振荡延迟线接口和扫描电机接口；FPGA依次通过USB控制器和USB接口与PC机连接；FPGA依次通过第一TTL电平电路和偏压源接口与偏压源连接；FPGA与ARM连接，ARM依次通过第一RS232收发器和激光器接口617与飞秒激光器连接；ARM通过第二RS232收发器和快速振荡延迟线接口与快速振荡延迟线4连接；快速振荡延迟线4通过RS422缓冲电路与FPGA连接；I-V转换模块、、信号调理模块、ADC采集和控制电路和FPGA依次连接；扫描电机依次通过差分接收器和TTL信号缓冲电路与FPGA连接；差分发送器输入端与差分接收器输出端连接，输出端与扫描电机连接。
2.根据权利要求1所述的用于太赫兹层析成像的高速波形采集及控制电路，其特征在于，所述用于太赫兹层析成像系统的高速波形采集及控制电路，还包括第二TTL电平电路和LED灯接口，FPGA依次通过第二TTL电平电路和LED灯接口与LED指示灯连接，将PC机的控制指令转化为TTL电平信号，控制不同LED指示灯的开启和关闭。
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