CN115326790B - 一种光电流和单光子检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光电流和单光子检测装置及方法，涉及弱化学发光检测技术领域。本系统包括电源模块、信号探测模块、信号放大模块、AD采集模块、信号甄别模块、分频计数模块、控制模块、通讯模块以及上位机模块。其中电源模块分别与信号探测模块、信号放大模块、AD采集模块、信号甄别模块、分频计数模块、控制模块和通讯模块的电源端连接，信号探测模块的输出端连接信号放大模块的输入端，信号放大模块的输出端分别连接所述信号甄别模块以及AD采集模块的输入端，信号甄别模块的输出端与分频计数模块、控制模块、通讯模块依次连接，AD采集模块的输出端与控制模块的输入端进行连接；通讯模块输出数据发送至上位机模块。

Description

一种光电流和单光子检测装置及方法

技术领域

本发明涉及弱化学发光检测技术领域，尤其涉及一种光电流和单光子检测装置及方法。

背景技术

弱化学发光是指在某些化学反应过程中，某些分子能级状态发生改变，当分子由具有较高能量的状态向能量较低的状态改变时，向外以光子的形式发射多余的能量。根据化学反应发出的光子的速率可以推测出反应的剧烈程度、底物浓度等信息，这种分析方法被称为化学发光分析法。化学发光分析法在环境科学、生命科学、食品安全、物理学等领域均有广泛的应用，比如在生命科学领域使用化学发光分析法进行抗原抗体检测。

在单光子计数方面，多种光电转换器的输出信号往往非常轻微，以至于低于转换器自身的热噪声，这会使我们期望得到的信号完全淹没在噪声信号中，很难被提取和利用，一般的检测方法很难去除这种干扰，所以需要专业的传感器才能进行单光子检测。

所谓微弱光信号，是指在室温下光电流强度比光电探测器本身的热噪声水平(10^-14W)还要低的光，在对微弱光进行检测时，多种光电转换器的输出信号往往非常轻微，以至于低于转换器自身的热噪声，这会使我们期望得到的信号完全淹没在噪声信号中，很难被提取和利用，一般的检测方法很难去除这种干扰，所以需要专业的传感器才能进行单光子检测。为了能够有效地从背景噪声中将微弱的有用信号检测出来，设计精确的检测系统十分重要。当前对弱化学发光信号的检测主要采用单光子计数的方法，但是当发光信号功率比较大时，采集的信号接近于连续的发光信号，此时不能在采用单光子计数的方法来探测发光信号，连续的发光信号会出现大量的光子叠加现象，导致当前存在的单光子计数器难以实现准确的计数。

目前国内的弱光检测系统正处于刚刚起步阶段，在很多领用使用的是外国进口设备。目前国内主要的光子检测技术主要有信号平均器、锁相放大器等技术，这些技术的检测灵敏度低、检测范围小，不适合通用光子计数。同时国内单光子计数设计研究以激光雷达测距和医学透视成像方向居多。这些研究方向的光子计数系统，大多体积庞大无法满足小型实验室或者基层医疗诊断的使用。

发明内容

针对现有光子计数系统存在的问题，本发明专利提供了一种光电流和单光子检测装置及方法，能够对单光子信号和光电流信号进行检测，避免了发光信号功率较大导致计数器无法实现准确的计数。

本发明所采取的技术方案是：

1、一种光电流和单光子检测装置，其特征在于，包括电源模块、信号探测模块、信号放大模块、AD采集模块、信号甄别模块、分频计数模块、控制模块、通讯模块以及上位机模块；

所述电源模块分别与信号探测模块、信号放大模块、AD采集模块、信号甄别模块、分频计数模块、控制模块和通讯模块的电源端连接，信号探测模块的输出端连接信号放大模块的输入端，信号放大模块的输出端分别连接所述信号甄别模块以及AD采集模块的输入端，信号甄别模块的输出端与分频计数模块、控制模块、通讯模块依次连接，AD采集模块的输出端与控制模块的输入端进行连接；通讯模块输出数据发送至上位机模块；所述的电源模块分为低压电源模块和高压电源模块；其中高压电源部分单独给信号探测模块供电；低压电源部分给信号放大模块、AD采集模块、信号甄别模块、分频计数模块、控制模块、通讯模块供电；

所述的高压电源模块包括CC228电源芯片和第二十四分压电阻R24；CC228电源芯片的一号引脚与12V电源连接，二号引脚接地，三号引脚与第二十四分压电阻A端连接，4号引脚与第二十四分压电阻P端连接，5号引脚与第二十四分压电阻B端连接，6号引脚与信号探测模块连接。

所述低压电源模块包括F1方形保险丝、F2方形保险丝、拨片开关S1、拨片开关S2、热敏电阻R1、热敏电阻R6、12V电源芯片U1、正负12V电源芯片U5、正5V电源芯片L7805、负5V电源芯片L7905、电源芯片LM1117、AC220V电源、发光二极管D1-D4、限流电阻R2-R5、二极管D5-D6、滤波电容C1-C2、滤波电容C7-C9、滤波电容C11-C15、滤波电容C18-C21；方形保险丝F1一端与AC220V电源一端连接，另一端与拨片开关S1的二号引脚连接，拨片开关S1的三号引脚与12V电源芯片U1的一号引脚连接，12V电源芯片U1的二号引脚与AC220V电源的二号引脚连接，12V电源芯片U1的三号引脚与12V电源连接，12V电源芯片U1的四号引脚接地，滤波电容C1、C2的一端与12V电源连接，另一端接地；方形保险丝F2一端与AC220V电源一号端口连接，另一端与拨片开关S2的二号引脚连接，拨片开关S2的三号引脚与热敏电阻R6的一端连接，热敏电阻R6的另一端与电源芯片U5的二号引脚连接，电源芯片U5的一号引脚与AC220V电源的二号端口连接，三号引脚与电源芯片L7805的一号引脚连接，四号引脚与二极管D5的负极连接，五号引脚接地；电源芯片L7805的二号引脚接地，三号引脚与电源芯片LM1117的三号引脚连接，二极管D6的负极接地，负极与-12V电源连接，电源芯片L7905的一号引脚接地，二号引脚与二极管D6的正极连接，三号引脚输出-5V电源；电源芯片LM1117的一号引脚接地，二号引脚输出3.3V电源，三号引脚与5V电源连接；滤波电容C7和滤波电容C9一端与正12V电源连接，另一点接地；滤波电容C8和滤波电容C11一端与正5V电源连接，另一端接地；滤波电容C12和滤波电容C14一端与负12V电源连接，另一端接地；滤波电容C13和滤波电容C15一端与负V电源连接，另一端接地；滤波电容C19和滤波电容C21一端与3.3V电源连接，另一端接地；滤波电容C18和滤波电容C20一端与5V电源连接，另一端接地；发光二极管D1负极与负5V电源连接，正极与限流电阻R2连接，限流电阻R2的另一端接地；发光二极管D2正极与5V电源连接，负极与限流电阻R3连接，限流电阻R3的另一端接地；发光二极管D3正极与3.3V电源连接，负极与限流电阻R4连接，限流电阻R4的另一端接地；发光二极管D4正极与12V电源连接，负极与限流电阻R5连接，限流电阻R5的另一端接地。

所述的信号探测模块包括光电倍增管CR1、分压电阻R12-R23、稳压电容C26-C28；分压电阻R12-R20的一端分别与与光电倍增管的一号引脚到九号引脚连接，另一端分别与光电倍增管二号引脚到十号引脚连接；压电阻R21和稳压电容C26的一端与光电倍增管的十号引脚连接，另一端与光电倍增管的十一号引脚连接；分压电阻R22和稳压电容C27的一端与光电倍增管的十一号引脚连接，另一端与光电倍增管的十二号引脚连接；分压电阻R23和稳压电容C28的一端与光电倍增管的十二号引脚连接，另一端接地；光电倍增管的十三号引脚悬空，一号引脚与高压电源的输出连接，十四号引脚与信号放大模块连接。

所述的信号放大模块和信号甄别模块包括：运算放大器THS4601、电压比较器MAX913CPA、滤波电容C10、反馈电阻R9、滤波电容C16-C17、滤波电容C23、分压电阻R7、分压电阻R8、采样电阻R10、模式选择器P9；运算放大器THS4601的一号引脚、八号引脚、五号引脚悬空，二号引脚与信号检测模块的输出信号连接，三号引脚接地，四号引脚与负五伏电源连接，七号引脚与五伏电源连接，六号引脚与电压比较器MAX913CPA的二号引脚连接，同时与模式选择器P9连接；电压比较器MAX913CPA的一号引脚与低压电源模块连接，二号引脚与运算放大器THS4601的六号引脚连接，三号引脚与分压电阻R7连接，四号引脚与负五伏电源连接，五号引脚、六号引脚接地，七号引脚与采样电阻R10的一端连接，八号引脚悬空；滤波电容C10一端与运算放大器THS4601的二号引脚连接，另一端与运算放大器THS4601的六号引脚连接；反馈电阻R9的二号引脚与第九反馈电阻R9的三号引脚连接，三号引脚与运算放大器THS4601的六号引脚连接，一号引脚与运算放大器THS4601的二号引脚连接；滤波电容C23和滤波电容C22的一端与低压电源模块连接，另一端接地；滤波电容C17和滤波电容C16的一端与低压电源模块连接，另一端接地；分压电阻R8一端与电压比较器MAX913CPA的三号引脚连接，另一端与低压电源模块连接，分压电阻R7的一号引脚与电压比较器MAX913CPA的三号引脚连接。

所述的分频计数模块分为单片机脉冲计数和分频芯片组成，SN74F163AN芯片的一号引脚与单片机的PB14引脚连接，九号引脚与5V电源连接，七号和十号引脚与单片机的PB15引脚连接，二号引脚与R10的输出端连接，三号引脚、四号引脚、五号引脚、六号引脚、八号引脚接地；十一号引脚单片机PB6引脚连接，十二号引脚与单片机PB7引脚连接，十三号引脚与单片机PB8引脚连接，十四号引脚与单片机PB9引脚连接，十五号引脚与单片机的PA12引脚连接，十六号引脚与5V电源连接。

所述的AD采集模块包括运算放大器OPA2350、限流电阻R11、滤波电容C24和滤波电容C25；运算放大器OPA2350的一号引脚与二号引脚连接，三号引脚与信号甄别模块连接，四号引脚接地，五号引脚、六号引脚和七号引脚悬空，八号引脚与低压电源模块连接；滤波电容C25一端与低压电源模块连接，另一端接地；滤波电容C24一端与单片机PB0引脚连接，另一端接地；限流电阻R11一端与单片机PB0引脚连接，另一端与运算放大器OPA2350的一号引脚连接。

所述的通讯模块包括MAX232芯片、连接器、滤波电容C3-C6；滤波电容C4一端与MAX232芯片的一号引脚连接，另一端与MAX232芯片的三号引脚连接；滤波电容C5一端与MAX232芯片的四号引脚连接，另一端与MAX232芯片的五号引脚连接；MAX232芯片的十一号引脚与单片机的PA9引脚连接，十号引脚悬空，十二号引脚与单片机的PA10引脚连接，九号引脚悬空，十五号引脚接地，七号引脚和八号引脚悬空，六号引脚与滤波电容C6连接，滤波电容C6另一端接地，十三号引脚与连接器的三号引脚连接，十四号引脚与连接器的二号引脚连接，十六号引脚与低压电源模块连接，二号引脚与滤波电容C3连接,滤波电容C3的另一端与低压电源模块连接。

所述控制模块为单片机。

另一方面，一种光电流和单光子检测方法，基于前述的一种光电流和单光子检测装置实现，包括以下步骤：

步骤1：对上位机模块进行设置，设置单采集时间、采集间隔，控制参数，点击开始采集按钮，信号探测模块检测单光子或光电流，并对单光子或光电流进行数据采集；

步骤2：信号放大模块将采集到的单光子或光电流的电流信号转化成电压信号，并将信号放大；

步骤3：信号甄别模块对放大之后的电压信号进行甄别，去除其中的热噪声信号；

当每秒打在光电倍增管光阴极上的光子超过每秒百万级时，在每秒百万级的光子射入时采用光电流模式检测光照强度，将信号传递给AD采集模块；

步骤4：分频计数模块对去除热噪声之后的信号进行分频处理；

步骤5：将分频计数模块或AD采集模块的输出信号传递给控制模块，控制模块将信号转换成单光子个数或光电流强度；

步骤6：将采集到的数据发送到上位机模块，上位机对采集数据进行实时更新，并进行显示以及绘图，数据采集结束之后，上位机将自动保存接收到的文件，文件以TXT格式存储，实现对光电流以及单光子的检测。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明提出一种光电流和单光子检测装置及方法，能够进行单光子信号计数，也可以对光电流信号进行检测。每秒百万个光子以下，是单光子计数模式；每秒百万个光子以上，是光电流模式；当一系列光子时间离散的打到光电倍增管阴极上，就会在阳极形成一个时间轴上的脉冲序列，通过对脉冲序列的计数，可以计算出一段时间内的光子的数量，这是单光子模式；当光信号功率比较大时，光电倍增管输出信号接近于连续的发光信号，导致出现大量的光子叠加现象，对于连续的发光信号应当采用高速AD转换，将发光信号准确的转化为模拟电压值，这是光电流模式。与现有技术相比，本发明提供了两种测量模式，分别是单光子模式和光电流模式，且对单光子和光电流的检测更加的准确。

附图说明

图1为本发明实施例中检测装置整体系统框图；

图2为本发明实施例中的信号检测模块原理图；

图3为本发明实施例中的信号放大模块和信号甄别模块原理图；

图4为本发明实施例中的分频计数模块的原理图；

图5为本发明实施例中的AD采集模块的原理图；

图6为本发明实施例中的通信模块的原理图；

图7为本发明实施例中的光电倍增管的高压电源模块的原理图；

图8为本发明实施例中的低压电源模块的原理图；

图9为本发明实施例中的控制模块；

图10为本发明实施例中的系统控制流程图；

图11为本发明实施例中的通讯流程图；

图12为本发明实施例中的上位机结构图；

图13为本发明实施例中的上位机界面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。

一方面，一种光电流和单光子检测装置，如图1所示，包括电源模块、信号探测模块、信号放大模块、AD采集模块、信号甄别模块、分频计数模块、控制模块、通讯模块以及上位机模块。所述电源模块分别与信号探测模块、信号放大模块、AD采集模块、信号甄别模块、分频计数模块、控制模块和通讯模块的电源端连接，信号探测模块的输出端连接信号放大模块的输入端，信号放大模块的输出端分别连接所述信号甄别模块以及AD采集模块的输入端，信号甄别模块的输出端与分频计数模块、控制模块、通讯模块依次连接，AD采集模块的输出端与控制模块的输入端进行连接；通讯模块输出数据发送至上位机模块；

所述的电源模块分为低压电源模块和高压电源模块；其中高压电源部分单独给信号探测模块供电；低压电源部分给信号放大模块、AD采集模块、信号甄别模块、分频计数模块、控制模块、通讯模块供电。

如图7所示，所述的高压电源模块包括CC228电源芯片和第二十四分压电阻R24。CC228电源芯片的一号引脚与12V电源连接，二号引脚接地，三号引脚与第二十四分压电阻A端连接，4号引脚与第二十四分压电阻P端连接，5号引脚与第二十四分压电阻B端连接，6号引脚与信号探测模块连接。

如图8所示，低压电源模块包括F1方形保险丝、F2方形保险丝、拨片开关S1、拨片开关S2、热敏电阻R1、热敏电阻R6、12V电源芯片U1、正负12V电源芯片U5、正5V电源芯片L7805、负5V电源芯片L7905、电源芯片LM1117、AC220V电源、发光二极管D1-D4、限流电阻R2-R5、二极管D5-D6、滤波电容C1-C2、滤波电容C7-C9、滤波电容C11-C15、滤波电容C18-C21。方形保险丝F1一端与AC220V电源一端连接，另一端与拨片开关S1的二号引脚连接，拨片开关S1的三号引脚与12V电源芯片U1的一号引脚连接，12V电源芯片U1的二号引脚与AC220V电源的二号引脚连接，12V电源芯片U1的三号引脚与12V电源连接，12V电源芯片U1的四号引脚接地，滤波电容C1、C2的一端与12V电源连接，另一端接地；方形保险丝F2一端与AC220V电源一号端口连接，另一端与拨片开关S2的二号引脚连接，拨片开关S2的三号引脚与热敏电阻R6的一端连接，热敏电阻R6的另一端与电源芯片U5的二号引脚连接，电源芯片U5的一号引脚与AC220V电源的二号端口连接，三号引脚与电源芯片L7805的一号引脚连接，四号引脚与二极管D5的负极连接，五号引脚接地。电源芯片L7805的二号引脚接地，三号引脚与电源芯片LM1117的三号引脚连接，二极管D6的负极接地，负极与-12V电源连接，电源芯片L7905的一号引脚接地，二号引脚与二极管D6的正极连接，三号引脚输出-5V电源。电源芯片LM1117的一号引脚接地，二号引脚输出3.3V电源，三号引脚与5V电源连接。滤波电容C7和滤波电容C9一端与正12V电源连接，另一点接地。滤波电容C8和滤波电容C11一端与正5V电源连接，另一端接地。滤波电容C12和滤波电容C14一端与负12V电源连接，另一端接地。滤波电容C13和滤波电容C15一端与负V电源连接，另一端接地。滤波电容C19和滤波电容C21一端与3.3V电源连接，另一端接地。滤波电容C18和滤波电容C20一端与5V电源连接，另一端接地。发光二极管D1负极与负5V电源连接，正极与限流电阻R2连接，限流电阻R2的另一端接地。发光二极管D2正极与5V电源连接，负极与限流电阻R3连接，限流电阻R3的另一端接地。发光二极管D3正极与3.3V电源连接，负极与限流电阻R4连接，限流电阻R4的另一端接地。发光二极管D4正极与12V电源连接，负极与限流电阻R5连接，限流电阻R5的另一端接地。

所述信号探测模块采用光电倍增管PMT作为信号探测器。光电倍增管由三部分组成：阳极P、阴极K和倍增极Dy组成；当在阳极和阴极之间加上负高压时，分压电阻与高压电源模块连接，将高压电源模块产生的电压分割成倍增电压，各个倍增极间就会形成梯度递增的倍增电压。因为采用串联电阻分压方式为倍增极电极提供工作电压，每条倍增极之路上都会因倍增极发射电子产生电流，每条之路上的电流大小与倍增极发射的电子数成正比，而每条之路上电流为前一之路电流的3～6倍。当有光子照射到光阴极时，分压偏执电路的输出电压会因倍增极消耗部分电流而造成输出电压产生变化，进而影响系统稳定性和输出的线性度，为防止信号输出端产生的瞬时电流增大，导致倍增电压发生突变，在最后三个分压电阻两端分别并联稳压电容，通过电容的充放电过程维持分压电阻上电压的稳定。为了保证高压电源的稳定工作和各倍增极电压比例恒定，所述分压电阻阻值选取330K，滤波电容容量选取0.05uf，所述光电倍增管为端窗式光电倍增管，感光面积大，具有高量子效率、高信噪比、高稳定性和高增益的特点。

信号探测模块如图2所示，包括光电倍增管CR1、分压电阻R12-R23、稳压电容C26-C28。分压电阻R12-R20的一端分别与与光电倍增管的一号引脚到九号引脚连接，另一端分别与光电倍增管二号引脚到十号引脚连接；压电阻R21和稳压电容C26的一端与光电倍增管的十号引脚连接，另一端与光电倍增管的十一号引脚连接。分压电阻R22和稳压电容C27的一端与光电倍增管的十一号引脚连接，另一端与光电倍增管的十二号引脚连接。分压电阻R23和稳压电容C28的一端与光电倍增管的十二号引脚连接，另一端接地；光电倍增管的十三号引脚悬空，一号引脚与高压电源的输出连接，十四号引脚与信号放大模块连接。

如图3所示，所述的信号放大模块和信号甄别模块包括：运算放大器THS4601、电压比较器MAX913CPA、滤波电容C10、反馈电阻R9、滤波电容C16-C17、滤波电容C23、分压电阻R7、分压电阻R8、采样电阻R10、模式选择器P9。运算放大器THS4601的一号引脚、八号引脚、五号引脚悬空，二号引脚与信号检测模块的输出信号连接，三号引脚接地，四号引脚与负五伏电源连接，七号引脚与五伏电源连接，六号引脚与电压比较器MAX913CPA的二号引脚连接，同时与模式选择器P9连接。电压比较器MAX913CPA的一号引脚与低压电源模块连接，二号引脚与运算放大器THS4601的六号引脚连接，三号引脚与分压电阻R7连接，四号引脚与负五伏电源连接，五号引脚、六号引脚接地，七号引脚与采样电阻R10的一端连接，八号引脚悬空。滤波电容C10一端与运算放大器THS4601的二号引脚连接，另一端与运算放大器THS4601的六号引脚连接。反馈电阻R9的二号引脚与第九反馈电阻R9的三号引脚连接，三号引脚与运算放大器THS4601的六号引脚连接，一号引脚与运算放大器THS4601的二号引脚连接。滤波电容C23和滤波电容C22的一端与低压电源模块连接，另一端接地。滤波电容C17和滤波电容C16的一端与低压电源模块连接，另一端接地。分压电阻R8一端与电压比较器MAX913CPA的三号引脚连接，另一端与低压电源模块连接，分压电阻R7的一号引脚与电压比较器MAX913CPA的三号引脚连接。

光电倍增管在受到光子照射时会输出脉冲电流信号，每收到一个光子，会输出一个短暂的电流脉冲，为了进行后面的分频计数或AD采集，将PMT的输出信号进行放大，并将电流信号转化成电压信号。采用跨阻型运算放大器将电流信号放大为电压信号，具有一阶低通滤波器滤除噪声信号。输出电压与输入电流有如下关系：

V_o＝-l×R_f

光电倍增管输出电流信号约为20uA，可以设置反馈电阻R_f的大小为10KΩ，放大电路输出信号Vo可达百毫伏级，输出信号足以驱动信号甄别电路。同时在反馈电阻上并联上一个滤波电容，使电路形成带有通滤波功能的放大电路。这样就可以消除环境噪声和宇宙高频射线对光电倍增管输出信号的影响。信号放大电路的工作截止频率可由下面公式计算：

除此之外，运算放大器的输出电压摆率也直接影响信号放大电路的工作状态。输出电压摆率是指运算放大器输出电压的变化速率。本发明中，采用TI公司生产的型号为THS4601CD的运算放大器，具有高达180MHz的增益带宽积，可充分的满足信号放大电路的需求。

所述的信号甄别模块由电压比较器组成，光电倍增管输出信号主要受到系统热噪声和暗电流的干扰，放大器放大的信号不只有光电倍增管检测到的光信号，同时还有噪声信号等，设置电压比较器、选择合适的参数可以滤除这些噪声信号。光电倍增管暗电流输出信号约为10nA，经放大电路放大后的电压值约为1mV远远小于正常输出信号。因此信号甄别电路主要功能为去除热噪声信号，因热噪声信号远小于正常输出信号，正常输出信号应为200mV。这里选择100mV作为电压比较电路的基准电压。本发明采用MAXIM公司生产的型号为MAX913的电压比较器，具有低功耗、超高速、传输延迟段、互补TTL电平输出等特点，可以有效地滤除噪声。

所述的分频计数模块分为单片机脉冲计数和分频芯片组成，单片机型号为STM32F103CBT6，系统计数部分需要对十几兆赫兹的脉冲频率进行高速计数，虽然STM32F103CBT6的最大输入技术频率可以高达20MHz以上，但是考虑到计数的稳定性、准确性和对更高频率的信号进行计数，将外部脉冲信号进行分频，然后将分频后的信号输入到单片机进行分频计数。本发明采用SN74F163AN作为外部分频电路的分频计数芯片，SN74F163AN是16进制自动重载装的加法计数器，芯片每接收到16个脉冲在其TC引脚输出一个脉冲信号，因此TC输出信号为原信号频率的1/16。同时芯片四个输出引脚QA～QD为当前计数值，单片机可以读取当前四个引脚的电平状态得到芯片精确的计数值，SN74F163AN的最大工作计数频率可高达100MHz。如图4所示，SN74F163AN芯片的一号引脚与单片机的PB14引脚连接，九号引脚与5V电源连接，七号和十号引脚与单片机的PB15引脚连接，二号引脚与R10的输出端连接，三号引脚、四号引脚、五号引脚、六号引脚、八号引脚接地。十一号引脚单片机PB6引脚连接，十二号引脚与单片机PB7引脚连接，十三号引脚与单片机PB8引脚连接，十四号引脚与单片机PB9引脚连接，十五号引脚与单片机的PA12引脚连接，十六号引脚与5V电源连接。

如图5所示，所述的AD采集模块包括运算放大器OPA2350、限流电阻R11、滤波电容C24和滤波电容C25。运算放大器OPA2350的一号引脚与二号引脚连接，三号引脚与信号甄别模块连接，四号引脚接地，五号引脚、六号引脚和七号引脚悬空，八号引脚与低压电源模块连接。滤波电容C25一端与低压电源模块连接，另一端接地。滤波电容C24一端与单片机PB0引脚连接，另一端接地。限流电阻R11一端与单片机PB0引脚连接，另一端与运算放大器OPA2350的一号引脚连接。AD采集模块的作用是缓冲输入信号，对信号做必要的幅度调整和平移以满足ADC输入信号的电平要求。当每秒打在光电倍增管光阴极上的光子超过每秒百万级别时，经放大电路放大之后的信号很容易发成重叠，进而影响系统检测的准确率。本设计在每秒百万个以上光子射入时采用光电流模式检测光照强度，以牺牲部分检测精度的前提下，得到更高的检测能力。AD采集电路包含一阶低通滤波电路和信号保持电路，为了增加电路驱动能力，使得单片机AD采集数据更加准确，增加由电压跟随器组成的电压保持电路，电压跟随器使用TI公司生产的高速轨到轨运算放大器OPA2350。

如图6所示，所述的通讯模块包括MAX232芯片、连接器、滤波电容C3-C6；滤波电容C4一端与MAX232芯片的一号引脚连接，另一端与MAX232芯片的三号引脚连接。滤波电容C5一端与MAX232芯片的四号引脚连接，另一端与MAX232芯片的五号引脚连接。MAX232芯片的十一号引脚与单片机的PA9引脚连接，十号引脚悬空，十二号引脚与单片机的PA10引脚连接，九号引脚悬空，十五号引脚接地，七号引脚和八号引脚悬空，六号引脚与滤波电容C6连接，滤波电容C6另一端接地，十三号引脚与连接器的三号引脚连接，十四号引脚与连接器的二号引脚连接，十六号引脚与低压电源模块连接，二号引脚与滤波电容C3连接,滤波电容C3的另一端与低压电源模块连接。通讯模块将MCU采集到的实时数据发送到PC端进行数据处理，在本发明中，采用串行通信方式来实现MCU与PC端的通信，使得装置无需额外设备开销就可实现通信功能，采用MAX232作为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，RS232接口支持最高256000bps的波特率，转换为传输速度大约为25KB/S，完全满足数据传送需求。

如图9所示，本实施例中控制模块为stm32f103c8t6单片机，主要负责定时采集分频计数模块的输出信号和AD采集电路的电压值。

该系统包括上述所述的硬件部分以及单片机软件和电脑上位机软件部分，其中单片机负责接收电脑发送的控制信号，执行响应功能通过串口发送到电脑端；电脑上位机软件主要负责设置系统硬件的工作状态、接收下位机发送的数据。

另一方面，一种光电流和单光子检测方法，基于前述一种光电流和单光子检测装置实现，包括以下步骤：

步骤1：对上位机模块进行设置，设置单采集时间、采集间隔，控制参数，点击开始采集按钮，信号探测模块检测单光子或光电流，并对单光子或光电流进行数据采集；

步骤2：信号放大模块将采集到的单光子或光电流的电流信号转化成电压信号，并将信号放大；

步骤3：信号甄别模块对放大之后的电压信号进行甄别，去除其中的热噪声信号；

当每秒打在光电倍增管光阴极上的光子超过每秒百万级别时，经放大电路放大之后的信号很容易发成重叠，进而影响系统检测的准确率。所以在每秒百万级的光子射入时采用光电流模式检测光照强度，将信号传递给AD采集模块；

步骤4：分频计数模块对去除热噪声之后的信号进行分频处理；降低中断速率、减轻单片机负担；

步骤5：将分频计数模块或AD采集模块的输出信号传递给控制模块，控制模块将信号转换成单光子个数或光电流强度。

步骤6：将采集到的数据发送到上位机模块，上位机对采集数据进行实时更新，并进行显示以及绘图。数据采集结束之后，上位机将自动保存接收到的文件，文件以TXT格式存储。实现对光电流以及单光子的检测；

该单光子和光电流检测系统的控制流程如图10所示，单片机主要负责接收来自上位机的控制信息，进行光子计数或者AD采集，将收集到的数据发送的上位机上。系统上电之后首先进行系统时钟初始化和外设初始化，需要初始化的外设有定时器、ADC和串口模块。系统初始化完成之后，等待上位机的控制信息。当设置为当光子模式时，开启定时器定时读取计数器的数据，判断数据是否达到光电流标准，切换工作模式。同时将采集到的数据进行打包，开启串口DMA，进行数据发送。

该单光子和光电流检测系统的通讯流程如图11所示，此系统采用串口方式与电脑进行通信，本系统使用串口以数据包的形式进行数据交换，因此在进行数据发送之前要对数据进行打包操作。包头中第一个字节为数据、控制信息标志，后四个字节构成一个32位的数据，该数据为串口发送的次数，单片机每次发送完成之后该数字应增加1，后两位构成一个16位的数据，这个数据代表本次发送的数据的长度，之后的内容为采集到的光子数。电脑向单片机发送控制命令同样采用数据包的形式，单片机接收到电脑端发送的数据包要进行相应的解包操作，提取数据包中的有用信息。

该单光子和光电流检测系统的上位机结构如图12所示，上位机界面如图13所示，电脑端上位机主要实现接收来自下位机的数据，同时还应具备向下位机发送控制信息的能力。本设计使用QT软件进行上位机软件设计。上位机界面一共分为5个部分：第一部分为串口设置区。下位机通过数据线连接到电脑上时电脑将识别到一个串行端口，通过设置此区域内容，可以与下位机建立连接。第二部分为下位机控制区，主要为对下位机进行设置的参数，包括采集时间、采集间隔和采集模式。只有下位机与上位机建立连接之后才可以对下位机进行参数设置。第三部分为命令显示区，这部分会显示发送给下位机的控制参数和下位机发送的响应数据。第四部分为数据绘图区，接收到的数据经过解包之后绘制成连续的曲线，该曲线图可以利用鼠标放大或缩小，有利于查看曲线细节信息。第五部分为数据显示区，接收到的数据经解包和格式化之后显示在这个区域。具体使用方法如下：

1.当下位机连接到电脑后，会在电脑上增加一个串行端口(需要正确安装串口驱动程序)，软件会自动检测电脑上存在的串口并显示到串口设置区的串口下拉菜单中，用户只需选择对应的串口号，和其他信息点击打开串口就可以建立连接。

2.设置好单光子采集的采集时间、采集间隔，点击发送数据，控制参数就会被发送到下位机。

3.当一切准备就绪之后，就可以开始采集了。点击开始采集按钮，下位机开始采集数据，此时绘图区和数据显示区将实时更新接收到的数据。

4.数据采集结束之后，上位机将自动保存接收到的文件，文件以TXT格式存储。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种光电流和单光子检测装置，其特征在于，包括电源模块、信号探测模块、信号放大模块、AD采集模块、信号甄别模块、分频计数模块、控制模块、通讯模块以及上位机模块；

所述电源模块分别与信号探测模块、信号放大模块、AD采集模块、信号甄别模块、分频计数模块、控制模块和通讯模块的电源端连接，信号探测模块的输出端连接信号放大模块的输入端，信号放大模块的输出端分别连接所述信号甄别模块以及AD采集模块的输入端，信号甄别模块的输出端与分频计数模块、控制模块、通讯模块依次连接，AD采集模块的输出端与控制模块的输入端进行连接；通讯模块输出数据发送至上位机模块；所述的电源模块分为低压电源模块和高压电源模块；其中高压电源部分单独给信号探测模块供电；低压电源部分给信号放大模块、AD采集模块、信号甄别模块、分频计数模块、控制模块、通讯模块供电；所述的高压电源模块包括CC228电源芯片和第二十四分压电阻R24；CC228电源芯片的一号引脚与12V电源连接，二号引脚接地，三号引脚与第二十四分压电阻A端连接，4号引脚与第二十四分压电阻P端连接，5号引脚与第二十四分压电阻B端连接，6号引脚与信号探测模块连接；

所述低压电源模块包括F1方形保险丝、F2方形保险丝、拨片开关S1、拨片开关S2、热敏电阻R1、热敏电阻R6、12V电源芯片U1、正负12V电源芯片U5、正5V电源芯片L7805、负5V电源芯片L7905、电源芯片LM1117、AC220V电源、发光二极管D1-D4、限流电阻R2-R5、二极管D5-D6、滤波电容C1-C2、滤波电容C7-C9、滤波电容C11-C15、滤波电容C18-C21；方形保险丝F1一端与AC220V电源一端连接，另一端与拨片开关S1的二号引脚连接，拨片开关S1的三号引脚与12V电源芯片U1的一号引脚连接，12V电源芯片U1的二号引脚与AC220V电源的二号引脚连接，12V电源芯片U1的三号引脚与12V电源连接，12V电源芯片U1的四号引脚接地，滤波电容C1、C2的一端与12V电源连接，另一端接地；方形保险丝F2一端与AC220V电源一号端口连接，另一端与拨片开关S2的二号引脚连接，拨片开关S2的三号引脚与热敏电阻R6的一端连接，热敏电阻R6的另一端与电源芯片U5的二号引脚连接，电源芯片U5的一号引脚与AC220V电源的二号端口连接，三号引脚与电源芯片L7805的一号引脚连接，四号引脚与二极管D5的负极连接，五号引脚接地；电源芯片L7805的二号引脚接地，三号引脚与电源芯片LM1117的三号引脚连接，二极管D6的负极接地，负极与-12V电源连接，电源芯片L7905的一号引脚接地，二号引脚与二极管D6的正极连接，三号引脚输出-5V电源；电源芯片LM1117的一号引脚接地，二号引脚输出3.3V电源，三号引脚与5V电源连接；滤波电容C7和滤波电容C9一端与正12V电源连接，另一点接地；滤波电容C8和滤波电容C11一端与正5V电源连接，另一端接地；滤波电容C12和滤波电容C14一端与负12V电源连接，另一端接地；滤波电容C13和滤波电容C15一端与负V电源连接，另一端接地；滤波电容C19和滤波电容C21一端与3.3V电源连接，另一端接地；滤波电容C18和滤波电容C20一端与5V电源连接，另一端接地；发光二极管D1负极与负5V电源连接，正极与限流电阻R2连接，限流电阻R2的另一端接地；发光二极管D2正极与5V电源连接，负极与限流电阻R3连接，限流电阻R3的另一端接地；发光二极管D3正极与3.3V电源连接，负极与限流电阻R4连接，限流电阻R4的另一端接地；发光二极管D4正极与12V电源连接，负极与限流电阻R5连接，限流电阻R5的另一端接地。

2.根据权利要求1所述的一种光电流和单光子检测装置，其特征在于，所述的信号探测模块包括光电倍增管CR1、分压电阻R12-R23、稳压电容C26-C28；分压电阻R12-R20的一端分别与与光电倍增管的一号引脚到九号引脚连接，另一端分别与光电倍增管二号引脚到十号引脚连接；压电阻R21和稳压电容C26的一端与光电倍增管的十号引脚连接，另一端与光电倍增管的十一号引脚连接；分压电阻R22和稳压电容C27的一端与光电倍增管的十一号引脚连接，另一端与光电倍增管的十二号引脚连接；分压电阻R23和稳压电容C28的一端与光电倍增管的十二号引脚连接，另一端接地；光电倍增管的十三号引脚悬空，一号引脚与高压电源的输出连接，十四号引脚与信号放大模块连接。

3.根据权利要求1所述的一种光电流和单光子检测装置，其特征在于，所述的信号放大模块和信号甄别模块包括：运算放大器THS4601、电压比较器MAX913CPA、滤波电容C10、反馈电阻R9、滤波电容C16-C17、滤波电容C23、分压电阻R7、分压电阻R8、采样电阻R10、模式选择器P9；运算放大器THS4601的一号引脚、八号引脚、五号引脚悬空，二号引脚与信号检测模块的输出信号连接，三号引脚接地，四号引脚与负五伏电源连接，七号引脚与五伏电源连接，六号引脚与电压比较器MAX913CPA的二号引脚连接，同时与模式选择器P9连接；电压比较器MAX913CPA的一号引脚与低压电源模块连接，二号引脚与运算放大器THS4601的六号引脚连接，三号引脚与分压电阻R7连接，四号引脚与负五伏电源连接，五号引脚、六号引脚接地，七号引脚与采样电阻R10的一端连接，八号引脚悬空；滤波电容C10一端与运算放大器THS4601的二号引脚连接，另一端与运算放大器THS4601的六号引脚连接；反馈电阻R9的二号引脚与第九反馈电阻R9的三号引脚连接，三号引脚与运算放大器THS4601的六号引脚连接，一号引脚与运算放大器THS4601的二号引脚连接；滤波电容C23和滤波电容C22的一端与低压电源模块连接，另一端接地；滤波电容C17和滤波电容C16的一端与低压电源模块连接，另一端接地；分压电阻R8一端与电压比较器MAX913CPA的三号引脚连接，另一端与低压电源模块连接，分压电阻R7的一号引脚与电压比较器MAX913CPA的三号引脚连接。

4.根据权利要求1所述的一种光电流和单光子检测装置，其特征在于，所述的分频计数模块分为单片机脉冲计数和分频芯片组成，SN74F163AN芯片的一号引脚与单片机的PB14引脚连接，九号引脚与5V电源连接，七号和十号引脚与单片机的PB15引脚连接，二号引脚与R10的输出端连接，三号引脚、四号引脚、五号引脚、六号引脚、八号引脚接地；十一号引脚单片机PB6引脚连接，十二号引脚与单片机PB7引脚连接，十三号引脚与单片机PB8引脚连接，十四号引脚与单片机PB9引脚连接，十五号引脚与单片机的PA12引脚连接，十六号引脚与5V电源连接。

5.根据权利要求1所述的一种光电流和单光子检测装置，其特征在于，所述的AD采集模块包括运算放大器OPA2350、限流电阻R11、滤波电容C24和滤波电容C25；运算放大器OPA2350的一号引脚与二号引脚连接，三号引脚与信号甄别模块连接，四号引脚接地，五号引脚、六号引脚和七号引脚悬空，八号引脚与低压电源模块连接；滤波电容C25一端与低压电源模块连接，另一端接地；滤波电容C24一端与单片机PB0引脚连接，另一端接地；限流电阻R11一端与单片机PB0引脚连接，另一端与运算放大器OPA2350的一号引脚连接。

6.根据权利要求1所述的一种光电流和单光子检测装置，其特征在于，所述的通讯模块包括MAX232芯片、连接器、滤波电容C3-C6；滤波电容C4一端与MAX232芯片的一号引脚连接，另一端与MAX232芯片的三号引脚连接；滤波电容C5一端与MAX232芯片的四号引脚连接，另一端与MAX232芯片的五号引脚连接；MAX232芯片的十一号引脚与单片机的PA9引脚连接，十号引脚悬空，十二号引脚与单片机的PA10引脚连接，九号引脚悬空，十五号引脚接地，七号引脚和八号引脚悬空，六号引脚与滤波电容C6连接，滤波电容C6另一端接地，十三号引脚与连接器的三号引脚连接，十四号引脚与连接器的二号引脚连接，十六号引脚与低压电源模块连接，二号引脚与滤波电容C3连接,滤波电容C3的另一端与低压电源模块连接。

7.根据权利要求1所述的一种光电流和单光子检测装置，其特征在于，所述控制模块为单片机。

8.一种光电流和单光子检测方法，基于权利要求1所述的一种光电流和单光子检测装置实现，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对上位机模块进行设置，设置单采集时间、采集间隔，控制参数，点击开始采集按钮，信号探测模块检测单光子或光电流，并对单光子或光电流进行数据采集；

步骤2：信号放大模块将采集到的单光子或光电流的电流信号转化成电压信号，并将信号放大；

步骤3：信号甄别模块对放大之后的电压信号进行甄别，去除其中的热噪声信号；

当每秒打在光电倍增管光阴极上的光子超过每秒百万级时，在每秒百万级的光子射入时采用光电流模式检测光照强度，将信号传递给AD采集模块；

步骤4：分频计数模块对去除热噪声之后的信号进行分频处理；

步骤5：将分频计数模块或AD采集模块的输出信号传递给控制模块，控制模块将信号转换成单光子个数或光电流强度；

步骤6：将采集到的数据发送到上位机模块，上位机对采集数据进行实时更新，并进行显示以及绘图，数据采集结束之后，上位机将自动保存接收到的文件，文件以TXT格式存储，实现对光电流以及单光子的检测。