CN1932859A

CN1932859A - 基于可编程逻辑的光子计数器

Info

Publication number: CN1932859A
Application number: CN 200510035972
Authority: CN
Inventors: 邱健; 杨冠玲; 何振江
Original assignee: South China Normal University
Current assignee: Dandong Bettersize Instruments Ltd.
Priority date: 2005-07-21
Filing date: 2005-07-21
Publication date: 2007-03-21
Anticipated expiration: 2025-07-21
Also published as: CN100476871C

Abstract

本发明涉及微弱光电信息处理技术中专门针对光子信息的基于可编程逻辑的光子计数器，主要由脉冲放大电路、脉冲甄别电路、脉冲整形电路、计数门控制电路和光子计数电路构成。脉冲放大、甄别和整形电路实现了对微弱光电流的放大、脉冲信号的识别及其波形的整形等功能；并实现了与基于可编程逻辑(简称PLD)硬件电路上的衔接。本发明的特点是应用PLD器件实现了光子计数电路和计数门控制电路的设计，光子计数电路用于光子计数、数值锁存和数值输出等，计数门控制电路则控制着光子计数电路的计数时间，其计数时间可调、可自动载入设置时间和重复计时。

Description

基于可编程逻辑的光子计数器

技术领域

本发明涉及处理微弱光电信息的技术中的光子信息计数装置，具体是基于可编程逻辑的光子计数器。

背景技术

目前，对微弱光信号处理技术中所采用的光子计数器，主要有EG&G的1109型光子计数器、美国普林斯顿的1190型和日本滨松的C5410系列的台式计数器等；也有基于计算机的平台上，采用接口技术(如PCI、ISA总线)，通过硬件接口卡和计算机软件实现光子计数。如日本滨松公司的M7824型和M8503型光子计数板。

上述计数器主要靠硬件电路的方式来实现，在针对一些具体的系统时，使用上会受到一定的限制。例如计数门的时间控制、计数位数的多少和计数输出的总线(8位、16位、24位或者32位)设置等等。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提供一种基于可编程逻辑的光子计数器，能用于各种不同系统，达到计数位数和计数门控时间可调、以及能匹配8位、16位、24位或者32位系统数据总线等效果。

如图1所示，本发明的基于可编程逻辑的光子计数器包括

——脉冲放大电路，将从光电倍增管输出的微安级脉冲信号(典型的光子脉冲的脉宽仅为25ns)转换为电压信号，并放大输出；

——脉冲甄别电路，从脉冲放大电路得到的放大的脉冲信号中识别光子信号，将噪声干扰、电脉冲干扰和射线干扰进行滤除；将脉冲信号的峰值电压转换为达到与数字系统的连接要求的+5V；

——脉冲整形电路，对经脉冲甄别电路甄别后的脉冲信号进行整形输出，通过光子计数电路计数；

——光子计数电路，固化在高速的可编程逻辑芯片内，用于统计一段时间内光子信号的数目，并锁存输出；通过中断方式，提供中断信号与外部CPU进行通信，实现数据的输出；

——计数门控制电路，固化在高速的可编程逻辑芯片内，根据具体的系统需要，控制光子计数模块计数时间的长短。

本发明的工作原理如下：

图1中，光电倍增管输出的电脉冲信号先进入脉冲放大电路，脉冲电流信号转换为脉冲电压信号；脉冲电压信号再进入脉冲甄别电路，该电路通过电压的峰值比较，识别出光子信号所产生的电脉冲信号，滤除噪声、电源和射线等干扰信号；同时，脉冲甄别电路还将脉冲信号的峰值电压转换为数字系统的+5V输出；被识别出的脉冲电压信号进入脉冲整形电路进行波形整形。最后，该信号进入光子计数电路进行计数统计，当停止计数后数据将被存放在锁存电路中缓冲输出。如果光子计数电路启动，那么光子计数电路同时被清零，数据重新统计。

光子计数电路的计数操作受到计数门控制电路的控制。计数门控制电路将定时产生“启动计数”、“停止计数”和“数据锁存”以及“数据输出”等控制信号，并且这些信号将直接、迅速控制光子计数电路的相关动作。

下面通过举例对本发明光子计数器的各部分作更详细的说明，但本发明不仅限于此：脉冲放大电路、脉冲甄别电路和脉冲整形电路

其电路如图2所示，图中，脉冲放大电路主要包括运放A1及其负载RF、运放A2构成的反相放大电路；运放A1为脉冲输出电流-电压转换电路，输出的电压为V_o＝-I_pR_F。RF的大小选择可根据光电倍增管输出的电流Ip大小决定。为了获得比较大的输出电压信号，且电压的幅度与后面甄别电路电压相吻合，那么RF的值可用+5V电压除以最大输出电流而得到。由于一般光电倍增管的输出电流大约为几个至十几个微安，那么RF的数值即可由此得到大约的范围为几百千欧姆至几兆欧。运放A2则实现了反相放大，增益为-1。得到了正向的脉冲输出。并且经过了限幅二极管D1后，光子脉冲信号的反相峰值被限制，成为单向脉冲信号。

脉冲甄别电路包括A3和A4所构成的比较电路，形成双门限的脉冲甄别电路，一般情况下，下门限为+3V，上门限为+5V。上下门限值可根据仪器系统情况调整。满足此区间的脉冲信号是光子信号，并且使A3和A4两个运算放大器构成的比较器都同时输出高电平“1”。并输入到PLD的PHOTON1和PHOTON2两端，相与运算后得到了高电平输出。除此之外，A3和A4采用了+5V的工作电压，实现了电压的转换，很好地与数字系统相衔接。

脉冲整形电路包括一个固化在高速的可编程逻辑芯片内的与门电路，通过与门电路实现信号输出和波形整形。

计数门控制电路

计数门控制电路是计数的辅助部分，具体的电路原理设计如图3所示。该计数门控制电路由7477锁存电路、LPM_CLSHIFT两位移位寄存器和LPM_COUNTER(设置为6位寄存器)三个集成电路及两个16分频电路组成。

7477用于锁存CPU输入的设置的计数时间。该电路总共有6根输入线：其中IN0～IN3为数据输入线；而G1N和G2N则是将输入数据锁存的控制线，同时为低电平有效。LPM_CLSHIFT移位寄存器将设置的计数时间右移两位，相当于设置时间被放大4倍。在此计数时间控制下，光子计数的数据就是4倍设置时间的计数总和，可用于后期数据处理的求平均运算。该移位寄存器的移动方向、移动的位数分别由direction和distance0~distance1共三根输入线控制。该设置可通过软件设计进行改变。LPM_COUNTER的计数时钟为1秒的时钟信号。它是经过外部输入256Hz的低频时钟和两个16分频电路(由4个D触发器构成)后得到的时钟信号。该计数门控制电路设置为递减方式计数，以及自动重新装入计数值。进位的位为输出端(storeout)，该信号反馈到同步载入的输入信号端，实现设置计数时间重新装入进行计数。该电路共有两个输出端：除了计数门控制信号输出storeout，另一个为基准的1秒时钟信号输出，可用于外部系统同步控制用。

光子计数电路

光子计数电路是光子计数器电路的核心部分，它实现的功能除了对光子信号进行计数外，还包括控制光子计数数据的锁存和输出。具体电路原理见图4。光子计数电路由三个芯片组成：三片74373、一片24位的计数器LPM_COUNTER和一个4位的计数电路组成。

4位的计数电路的输入只有一个输入端——“256Hz”。用于将256Hz的输入时钟信号进行16分频得到16Hz信号，与输入的Store_signal信号进行或非运算后的输出信号来控制光子计数电路的异步清零端。Store_signal信号用于控制光子计数电路的计数使能和数据锁存的输入端(cnt_en)，由计数门控制电路输出的storeout信号直接提供得到。光子的输入端为Photon1和Photon2，它们分别接脉冲甄别电路的输出端(见图2)。这两个信号进行相与的运算得到数字脉冲信号，即利用PLD的与门运算实现了波形整形的功能。与门输出的脉冲信号作为时钟信号输入到电路中进行计数。三片74373用于作为24位的输出的缓冲电路，与CPU进行连接。缓冲电路的数据输出控制线分别是：LOW_EN、HIGH_EN、24BIT_EN和RDN。它们分别控制低8位(PO[0-7])缓冲电路输出、高8位(PO[8-15])缓冲电路输出、24位的最高8位(PO[16-24])缓冲电路输出和读数据控制信号。这四根输入控制线与CPU相连实现24位的数据分3次读取。

输出线中PO[0-7]是连接8Bits硬件系统的PO口。输出线overload是指示光子计数电路的计数溢出的标志位，或者也可以作为级联的进位位。PHOTONCLEAR输出线是光子计数电路清零信号的输出，PHOTONSTORE是光子计数电路数据锁存信号，这两根输出线都可以用于与CPU通信进行中断申请操作，实现数据的通信。

光子计数器的管脚设置和作用

最终设计完成的计数门控制电路和光子计数电路分别创建newcount1和phoadd1两个新的符号文件，按照图5的方式进行连线，完成PLD内部固化电路的设计。

MA_PO[7..0]是计数值输出端口。GATE[3..0]是计数门时间设置输入端口。MA_Y3N、MA_Y5N、MA_Y6N和MA_Y7N四个输入端主要是指与外部系统74138中的Y3N、Y5N、Y6N和Y7N四个输出端口相连接。MA_Y3N作为计数门控制电路的地址线(定义地址为3号)，与G2N相连接。而G1N则与CPU的写信号线(MA_WRN)相连，实现对3号地址写的操作。

MA_Y5N、MA_Y6N和MAY7N则分别与光子计数电路的LOW_EN、HIGH_EN、24BIT_EN三根输入线相连。作为三个计数缓冲电路的输出控制线。RDN则与CPU中的读信号线相连，配合着上面的三根输出控制线，实现对某个地址的缓冲电路读的操作。以上的信号都采用低电平有效。

GATEOUT为光子计数数据输出的中断请求输出，直接与控制系统的INT0连接。256OUT为1秒的时钟信号的输出，可用于时间监控等作用。

OVERLOAD为光子计数数据溢出标志位。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明基于可编程逻辑(简称PLD)的芯片，采用MAXPLUSII软件设计的方式实现光子计数。该设计方法具有以下的几个特点：(1)、用软件设计电路程序，利用ByteBlaster并口下载线和JTAG接口下载到电路板上；(2)、能通过软件的更改，从而实现本发明对光子计数器的改进和配合不同的硬件系统；(3)、可以应用软件MAXPLUSII中的图形设计输入的方法设计光子计数电路和计数门控制电路。

2、本发明的光子计数电路和计数门控制电路是采用的可编程逻辑(简称PLD)器件来实现的。利用PLD芯片也固化了整形电路在芯片内，在一定程度上简化了电路，实现了电路的匹配。

3、本发明采用的计数门控制电路，可以做到针对多种不同的系统来实现光子计数。特别是对光子数极其稀少的情况下，计数门控制电路可以十分简便的通过改变时钟信号和增加计数门控制电路的计数位数移位寄存器移位的位数来延长计数时间，从而提高光子计数的精度。

4、光子计数电路同样也可以根据系统精度的要求和计数值的大小，用更改软件设置的方法来提高精度和计数值，可以从8位～32位之间变化。而且利用溢出标志位可以十分简便的做到光子计数器的级联。而且数据总线的位数可以根据系统进行8位或者16位，甚至是32位来调整。数据输出采用了数据的缓冲，采用了中断申请方式与CPU通信，8位并行数据输出的方式易于与低速8位仪器系统进行通信和兼容。

5、易于嵌入到智能微型仪器系统。

附图说明

图1是本发明结构框图；

图2是图1中脉冲放大电路图、脉冲甄别电路、脉冲整形电路原理图；

图3是图1中固化在芯片内的计数门控制电路图；

图4是图1中固化在芯片内的光子计数电路图；

图5是图3与图4结合的电路原理图；

图6是从脉冲甄别电路PHOTON1端输出测量得到的脉冲信号图；

图7是光子计数电路进行数据锁存、停止计数与数据清零、启动计数时序图；

图8是计数门控制电路对计数时间从1秒更改为2秒设置时仿真波形。

具体实施方式

甄别后输出的脉冲信号

图6为从脉冲的甄别电路PHOTOM1端输出的电脉冲信号图，该信号与相同的PHOTON2信号一起在PLD内的与门运算得到整形的、峰值为+5V的脉冲信号，输入到光子计数电路计数。

计数门控制电路时间设置实例

计数门控制电路的工作流程为：假设外部CPU对计数时间进行设置或者修改，该修改数据首先被7477锁存，然后经过两次的移位操作后，输入到LPM-COUNTER输入端。根据外部时钟(256Hz)，LPM-COUNTER自动计数，当计数溢出后，电路将自动载入计数时间，那么计数门的时间就会自动不断循环计数。并不断输出storeout定时控制信号。

从图7中所示的是当初始化时间为1秒，而后再更改为2秒时仿真的计数门控制电路输出波形。在图7的方框中表示了设置计数门控制电路时间的方式：当G2N和G1N均为低电平的时候，计数门控制电路的锁存电路打开。当两个输入端只要有任何一端恢复为高电平后，计数门控制电路将锁存输入的计数时间。此后，计数门控制电路将重复不断载入初始化的计数时间。同理，在计数过程中，更新设置计数时间的命令出现，见图7中的第二个方框。此次设置的计数时间为二进制的0010(即2秒)，那么，在完成最后一次1秒的计数控制后，计数门控制电路将载入刷新后的计数时间2秒。随后的计数门控制时间为2秒。

目前，本系统的根据系统具体需要和系统特点(主要是荧光信号的大小)，这里设置的最大计数门控制时间为15秒。当然，设计者可根据自己具体要求更改计数门控制电路LPM COUNTER的计位数，或者移位寄存器LPM CLSHIFT的位数，甚至是输入时钟的改变来实现系统所需要的计数时间长短的要求。

光子计数电路停止计数、锁存数据以及启动计数、数据清零仿真时序图

图8显示了光子计数电路“停止计数”、“锁存数据”以及“启动计数”、“数据零”的仿真时序图，也演示了光子计数电路的工作时序。当计数门的控制信号GATEOUT的上升沿出现时，光子计数电路马上停止计数，并且在GATEOUT处于“1”的状态时都保持计数的结果，让单片机有足够的时间进行读取数据。当计数门的GATEOUT信号的下降沿出现时，光子计数电路将马上清零而且打开计数门，光子脉冲输入并进行计数，当GATEOUT的上升沿再度到来时，光子计数电路将重复锁存数据信号和停止计数，如此循环。这里的GATEOUT信号就是由计数门控制电路的输出storeout信号直接连接得到(见图5所示)。

该光子计数电路可以根据计数数据的多少设置锁存电路的位数。见图4光子计数电路图所示，该图是一电路实例。即利用此光子计数电路实现的、且8位数据总线的二氧化硫监测系统。该光子计数电路采用了3个锁存电路，即24位数据计数(最大计数数据为16777215)。如果系统的数据总线为32位，则只需要多提供一条地址线即可实现数据的锁存和读取。

Claims

1、一种基于可编程逻辑的光子计数器，其特征在于主要包括

——脉冲放大电路，将从光电倍增管输出的微安级脉冲信号转换为电压信号，并放大输出；

——计数门控制电路，固化在高速的可编程逻辑芯片内，根据具体的系统需要，控制光子计数电路计数时间的长短。

2、根据权利要求1所述的基于可编程逻辑的光子计数器，其特征在于所述脉冲放大电路主要包括运放A1及其负载RF、运放A2构成的反相放大电路。

3、根据权利要求1或2所述的基于可编程逻辑的光子计数器，其特征在于所述脉冲甄别电路包括A3和A4所构成的比较电路。

4、根据权利要求3所述的基于可编程逻辑的光子计数器，其特征在于所述计数门控制电路由7477锁存电路、LPM_CLSHIFT两位移位寄存器和LPM_COUNTER三个集成电路及两个16分频电路组成。

5、根据权利要求4所述的基于可编程逻辑的光子计数器，其特征在于所述光子计数电路由三片74373、一片24位的计数器LPM_COUNTER和一个4位的计数电路组成。