一種軟件光子相關(guān)器及其測量方法與流程

本發(fā)明涉及光子相關(guān)光譜測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種軟件光子相關(guān)器及測量方法。

背景技術(shù)：

光子相關(guān)器是提取散射光信號(hào)的相關(guān)函數(shù)的裝置。為了對(duì)光子脈沖的時(shí)間分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)處理。一個(gè)光子相關(guān)器每經(jīng)過一個(gè)延遲時(shí)間t，對(duì)延遲時(shí)間內(nèi)接收的對(duì)光子脈沖計(jì)數(shù)。得到經(jīng)過k次延遲后的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)n(kt)，用它與自身或其它信號(hào)經(jīng)過延遲的數(shù)據(jù)相乘和累加。從而得到一個(gè)光強(qiáng)關(guān)于時(shí)間的自相關(guān)函數(shù)。

對(duì)于這種計(jì)算，可以采用硬件相關(guān)器和軟件相關(guān)器。

對(duì)于硬件相關(guān)器，由硬件電路完成光子脈沖信號(hào)的相關(guān)性計(jì)算。

例如，在專利文獻(xiàn)1(cn101726452a)中，提供一種基于現(xiàn)場可編程門陣列的光子相關(guān)器，能用于光子相關(guān)光譜技術(shù)中光強(qiáng)自相關(guān)函數(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)，達(dá)到采樣時(shí)間、相關(guān)運(yùn)算時(shí)間可調(diào)，延遲通道數(shù)目滿足納米顆粒測量與反演的要求；在專利文獻(xiàn)2(cn102313604a)中，提供一種基于復(fù)雜可編程邏輯器件和現(xiàn)場可編程門陣列的自適應(yīng)光子相關(guān)器；在專利文獻(xiàn)3(cn104792670a)中，提供一種基于現(xiàn)場可編程門陣列的多路復(fù)用光子相關(guān)器可將光子相關(guān)光譜測量技術(shù)從傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量擴(kuò)展到三維空間測量，從而可用于動(dòng)態(tài)光散射二維、三維成像，多點(diǎn)動(dòng)態(tài)光散射信號(hào)監(jiān)測等領(lǐng)域。

目前，國內(nèi)較多的硬件相關(guān)器主要是進(jìn)口美國brookhaven公司bi-9000at、bi-9010at和turbocorr數(shù)字相關(guān)器，德國alv公司alv-6000、alv-7000系列數(shù)字相關(guān)器和美國www.correlator.com網(wǎng)站上提供的flex02等系列相關(guān)器。

雖然硬件光子相關(guān)器，實(shí)時(shí)性好，應(yīng)用廣泛，但是存在以下缺點(diǎn)：

1、無法溯回相關(guān)運(yùn)算前的原始數(shù)據(jù)；

2、采樣時(shí)間調(diào)整困難，往往只有幾個(gè)典型值可供選擇

3、通道數(shù)越多，增加通道越消耗硬件資源。大量乘法器與移位寄存器會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)無法滿足芯片可以承受的時(shí)序約束條件。

對(duì)于軟件光子相關(guān)器，指通過把取樣到的光子數(shù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，通過計(jì)算機(jī)程序把計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)讀出，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的相關(guān)器。因此，采樣時(shí)和數(shù)據(jù)處理方法可以靈活地設(shè)定和修正。但是以下兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)限制了軟件光子相關(guān)器：

1、傳輸接口速度；

2、軟件實(shí)時(shí)處理能力。

這使得軟件相關(guān)器的做法所需的處理時(shí)間比硬件所需的處理時(shí)間長，并且當(dāng)大量的光子數(shù)被讀取進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，光子測量會(huì)被暫停，造成裝載效率低，實(shí)時(shí)性差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提出了一種軟件光子相關(guān)器及其測量方法，實(shí)現(xiàn)大量光子數(shù)的不間斷計(jì)數(shù)，并提高實(shí)時(shí)運(yùn)算速率。

為達(dá)到上述發(fā)明的目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種軟件光子相關(guān)器,接收經(jīng)樣品池散射的激光，包括：

光電倍增管，用于將接收到的散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為光子脈沖信號(hào)；

光子采集器，包括光子計(jì)數(shù)模塊和fifo存儲(chǔ)器，所述光子計(jì)數(shù)模塊采用雙計(jì)數(shù)模式對(duì)光電倍增管的光子脈沖信號(hào)進(jìn)行交替計(jì)數(shù)，fifo存儲(chǔ)器接收光子計(jì)數(shù)模塊的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)；

pc端相關(guān)性運(yùn)算模塊，接收光子采集器的fifo存儲(chǔ)器的部分計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相關(guān)性運(yùn)算。

本發(fā)明還公開的一種軟件光子相關(guān)器測量方法，包括步驟如下：

步驟1，通過光電倍增管江接收到的散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為等幅光子脈沖信號(hào)；

步驟2，采用交替采樣法對(duì)光子脈沖進(jìn)行無間斷計(jì)數(shù)；

步驟3，每一次采樣完成后，在采樣時(shí)鐘信號(hào)的控制下，將計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)送入fifo存儲(chǔ)器；

步驟4，判斷fifo存儲(chǔ)器是否達(dá)到存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量閾值，是則將其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)輸出給pc端相關(guān)性運(yùn)算模塊；

步驟5，實(shí)時(shí)計(jì)算光子計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)的相關(guān)性，并輸出相關(guān)曲線；

步驟6，判斷是否收到停止測量指令，是的話清空并停止軟件光子相關(guān)器，否則進(jìn)入步驟4。

本發(fā)明的一種軟件光子相關(guān)器及其測量方法，通過兩個(gè)計(jì)數(shù)器交替計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)光子脈沖的無間斷計(jì)數(shù)，并利用fifo存儲(chǔ)器的先入先出機(jī)制，每過一個(gè)采樣時(shí)fifo存儲(chǔ)器中填充一個(gè)數(shù)據(jù)，并且在fifo中數(shù)據(jù)達(dá)到一定數(shù)據(jù)量時(shí)，數(shù)據(jù)被pc端運(yùn)算模塊取走一部分?jǐn)?shù)據(jù)，并進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算，實(shí)現(xiàn)大量光子數(shù)的不間斷計(jì)數(shù)，并利用pc端高運(yùn)算能力提高實(shí)時(shí)運(yùn)算速率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種軟件光子相關(guān)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本發(fā)明的一種軟件光子相關(guān)器的光子采集器的硬件結(jié)構(gòu)。

圖3為圖2的fpga內(nèi)構(gòu)建的電路模塊圖。

圖4為圖3所示的光子計(jì)數(shù)模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為圖3所示的dma控制模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本發(fā)明的一種軟件光子相關(guān)器的數(shù)據(jù)傳輸方式示意圖。

圖7為本發(fā)明的一種軟件光子相關(guān)器測量方法的步驟圖。

圖8為本發(fā)明實(shí)施例的實(shí)時(shí)測量模式的時(shí)序圖。

圖9為本發(fā)明實(shí)施例的實(shí)時(shí)測量模式的程序流程圖。

圖10為本發(fā)明實(shí)施例的單次測量模式測量的時(shí)序圖。

圖11為本發(fā)明實(shí)施例的單次測量模式測量的程序流程圖。

圖12為本發(fā)明實(shí)施例的pc端測量軟件界面的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部實(shí)施例。

參看圖1，為本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其公開一種軟件光子相關(guān)器，用于接收經(jīng)樣品池2散射的散射光信號(hào)，在具體實(shí)施例中，激光設(shè)備1發(fā)出激光穿過樣品池2，該樣品池2中盛有樣品溶液a。

本發(fā)明的軟件相關(guān)器包括有：

光電倍增管3，用于將接收到的散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為光子脈沖信號(hào)；在本實(shí)施例中，光電倍增管3還包括有用以放大光子脈沖信號(hào)的信號(hào)放大電路和對(duì)光子脈沖信號(hào)進(jìn)行甄別的甄別電路；

光子采集器4，參看圖3和圖6，包括光子計(jì)數(shù)模塊r31和fifo存儲(chǔ)器r41，所述光子計(jì)數(shù)模塊r31采用雙計(jì)數(shù)模式對(duì)光電倍增管3的光子脈沖信號(hào)進(jìn)行交替計(jì)數(shù)，fifo存儲(chǔ)器r41接收光子計(jì)數(shù)模塊r31的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)；

pc端相關(guān)性運(yùn)算模塊5，接收光子相關(guān)器4的fifo存儲(chǔ)器r41的部分計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相關(guān)性運(yùn)算。

所述光子采集器4在本實(shí)施例中，包括一個(gè)外殼r5，外殼r5側(cè)壁上設(shè)置光子脈沖輸入接口r11和傳輸控制指令與光子計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)的usb接口r12，在外殼r5內(nèi)部設(shè)置電路板r2，電路板r2與光子脈沖輸入接口r11、usb接口r12通信連接，所述電路板r2上設(shè)有fpga芯片r3、mcu芯片r4以及保護(hù)電路(未圖示)，所述fpga芯片r3內(nèi)固化有光子計(jì)數(shù)模塊r31，mcu芯片r4內(nèi)包括有fifo存儲(chǔ)器r41，通過光子計(jì)數(shù)模塊r31實(shí)現(xiàn)光子數(shù)的采集，通過fifo存儲(chǔ)器儲(chǔ)存包含光子計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)的脈沖信息。所述光子脈沖輸入接口r11為輸入端，用于接收脈沖信號(hào)，其接頭可用bnc接口或者sma接口。所述usb接口r12為輸入輸出端，用于光子采集器與計(jì)算機(jī)的通信。

在本實(shí)施例中，所述光子計(jì)數(shù)模塊r31采用的雙計(jì)數(shù)模式，參看圖4，具體為采用兩個(gè)計(jì)數(shù)器c1和c2交替采樣計(jì)數(shù)，即通過對(duì)clkadd端固定頻率的輸入，計(jì)數(shù)器c1與計(jì)數(shù)器c2交替工作對(duì)photonpluse端的光子脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。其交替工作的周期由cd端的信號(hào)進(jìn)行控制。當(dāng)一個(gè)計(jì)數(shù)周期完成后，對(duì)光子數(shù)鎖存，清空并關(guān)閉計(jì)數(shù)器c1(或計(jì)數(shù)器c2)，同時(shí)打開另一個(gè)計(jì)數(shù)器，輸出端d輸出光子計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)并且輸出同步脈沖信號(hào)clkout，實(shí)現(xiàn)光子脈沖的無間斷計(jì)數(shù)。

作為另一個(gè)具體實(shí)施例，參看圖3，在上述光子采集器4的基礎(chǔ)上，所述fpga芯片r3內(nèi)還固化有采樣時(shí)間控制模塊r32、直接存儲(chǔ)器訪問控制模塊r34和io控制模塊r35；其中的直接存儲(chǔ)器訪問控制模塊r34簡寫為dma控制模塊r34；

參看圖5，所述采樣時(shí)間控制模塊r32包括有解碼器和雙口隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(簡寫為雙口ram)，所述雙口ram的數(shù)據(jù)端da與地址端aa則接外部mcu芯片r4，數(shù)據(jù)端db與地址端ab則接譯碼器；所述解碼器接收mcu芯片或pc端發(fā)出的控制指令解析成控制信號(hào)，輸出至雙口隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，mcu模塊從雙口隨機(jī)存取存儲(chǔ)器讀取控制信號(hào)，并輸送到直接存儲(chǔ)器訪問控制模塊和光子計(jì)數(shù)模。

所述控制指令包括查詢fifo存儲(chǔ)器狀態(tài)的指令和控制光子計(jì)數(shù)器采樣間隔的指令。

所述dma控制模塊r34，用于連接外部fifo，當(dāng)獲得寫入fifo權(quán)限時(shí)，接入光子計(jì)數(shù)模塊r31的輸出端口，并將光子計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)填充到fifo存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)空間；dma控制模塊r34還輸出fifo狀態(tài)供mcu芯片r4或pc端查詢；

所述io控制模塊r35提供mcu芯片接入dma控制模塊r34的接口,即提供接入fpga芯片r3的接口。

參看圖6，mcu芯片通過dma控制模塊r34訪問采樣時(shí)間控制模塊r34，以寫入命令并且讀取狀態(tài)字。dma控制模塊r34讀取采樣時(shí)間控制模塊r34解析的控制信號(hào)，并輸出至其它模塊，并且寫入光子相關(guān)器狀態(tài)。例如：計(jì)算機(jī)發(fā)送命令控制計(jì)數(shù)器的采樣間隔，譯碼器解析指令后dma控制模塊r34向計(jì)數(shù)模塊設(shè)置參數(shù)；計(jì)算機(jī)發(fā)送命令詢問相關(guān)器fifo狀態(tài)，譯碼器解析指令后dma控制模塊r34向雙口ram寫入fifo是否被寫滿。

上述軟件相關(guān)器進(jìn)行測量前，首先需要開通光電倍增管至pc端相關(guān)性運(yùn)算模塊5的數(shù)據(jù)鏈路，分別對(duì)相關(guān)器進(jìn)行初始化與設(shè)置。

參看圖6，相關(guān)器的初始化：

第一步、光子采集器4首先插入計(jì)算機(jī)，獲取電能，mcu芯片r4響應(yīng)計(jì)算機(jī)usb協(xié)議，對(duì)設(shè)備完成枚舉，掛載在usb總線上；

第二步、fpga芯片r3與mcu芯片r4完成接口初始化，fpga芯片r3受dma控制模塊r34接口發(fā)來的命令控制,fpga芯片與mcu芯片r4內(nèi)的fifo存儲(chǔ)器r41相連；

第三步、mcu芯片r4與pc端相關(guān)性運(yùn)算模塊5完成usb接口初始化，mcu芯片r4向pc端相關(guān)性運(yùn)算模塊5提供雙向低速端點(diǎn)ep1接受計(jì)算機(jī)軟件發(fā)出指令并且響應(yīng)；mcu芯片r4向pc端相關(guān)性運(yùn)算模塊5提供單向高速端點(diǎn)ep2傳輸fifo存儲(chǔ)器r41的數(shù)據(jù)至pc，完成相關(guān)器的初始化。

軟件相關(guān)器的設(shè)置：

用戶通過pc端相關(guān)性運(yùn)算模塊5向usb端點(diǎn)ep1發(fā)送指令，指令通過mcu解碼傳給fpga。fpga經(jīng)過譯碼采取相應(yīng)措施，例如：收到設(shè)置采樣時(shí)間為7微妙，采樣時(shí)長為180秒。對(duì)相應(yīng)的模塊進(jìn)行設(shè)置。

當(dāng)用戶通過軟件向usb端點(diǎn)ep1進(jìn)行詢問時(shí)，指令通過mcu芯片r4譯碼，對(duì)相應(yīng)模塊進(jìn)行查詢，通過usb端點(diǎn)ep1答復(fù)計(jì)算機(jī)。例如回復(fù)fifo未滿。

參看圖12，為pc端相關(guān)性運(yùn)算模塊5的控制界面和相關(guān)性曲線顯示界面，通過界面上對(duì)應(yīng)選項(xiàng)的設(shè)置，向mcu芯片發(fā)送控制指令。

本發(fā)明還公開一種軟件光子相關(guān)器測量方法，參看圖7，包括步驟如下：

步驟1，通過光電倍增管江接收到的散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為等幅光子脈沖信號(hào)；

步驟2，采用交替采樣法對(duì)光子脈沖進(jìn)行無間斷計(jì)數(shù)；

步驟3，每一次采樣完成后，在采樣時(shí)鐘信號(hào)的控制下，將計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)送入fifo存儲(chǔ)器；

步驟4，判斷fifo存儲(chǔ)器是否達(dá)到存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量閾值，是則將其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)輸出給pc端相關(guān)性運(yùn)算模塊；

步驟5，實(shí)時(shí)計(jì)算光子計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)的相關(guān)性，并輸出相關(guān)曲線；通過自相關(guān)函數(shù)的相關(guān)曲線，可以通過反演程序計(jì)算出溶液a中的顆粒大小的以及分布情況；在計(jì)算機(jī)取得一部分?jǐn)?shù)據(jù)后，這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算，同時(shí)將數(shù)據(jù)寫入硬盤，由于相關(guān)運(yùn)算后fifo存儲(chǔ)器仍然未被填滿，fifo存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)又被及時(shí)讀出，所以數(shù)據(jù)采集并未中斷；

步驟6，判斷是否收到停止測量指令，是的話清空并停止軟件相關(guān)器，否則進(jìn)入步驟4。

所述步驟2的交替采樣法是采用第一采樣時(shí)鐘和第二采樣時(shí)鐘交替對(duì)等幅光子脈沖信號(hào)進(jìn)行無間斷計(jì)數(shù)，所述第一采樣時(shí)鐘和第二采樣時(shí)鐘根據(jù)采樣時(shí)鐘信號(hào)的控制交替采樣，并將計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)鎖存輸出。

所述步驟3還包括獲取fifo存儲(chǔ)器的寫入權(quán)限和存儲(chǔ)狀態(tài)；當(dāng)寫入權(quán)限為準(zhǔn)許狀態(tài)時(shí)，將計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)寫入fifo存儲(chǔ)器；將獲取的存儲(chǔ)狀態(tài)發(fā)生給pc端以供監(jiān)控。

參看圖8和圖9，對(duì)于實(shí)時(shí)測量模式，在每一次采樣完成后，在采樣時(shí)鐘信號(hào)的控制下，計(jì)數(shù)器將計(jì)數(shù)結(jié)果送入fifo存儲(chǔ)器；同時(shí)，計(jì)算機(jī)開始定時(shí)讀取fifo存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)并進(jìn)行相關(guān)性運(yùn)算，實(shí)時(shí)輸出相關(guān)性曲線。

參看圖10和圖11，對(duì)于單次測量模式，在計(jì)算機(jī)取得一部分?jǐn)?shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)先寫入硬盤。等到采集結(jié)束，再將數(shù)據(jù)進(jìn)行一次整體的相關(guān)性計(jì)算，得到相關(guān)性曲線。

參看圖12，為pc端相關(guān)性運(yùn)算模塊5的控制界面和相關(guān)性曲線顯示界面，通過界面上對(duì)應(yīng)選項(xiàng)的設(shè)置，向mcu芯片發(fā)送控制指令。

上述實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明而并非限制本發(fā)明所描述的技術(shù)方案；因此，盡管本說明書參照上述的各個(gè)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明已進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改或者等同替換；而一切不脫離本發(fā)明的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。