（光学工程专业论文）单光子探测数据采集及处理系统设计.pdf

摘要 计算机数据采样及处理技术是高性能集成电路、计算机总线、虚拟仪器等高 新技术不断发展和融合的产物，广泛应用于工业生产和科学研究等诸多领域。基 于p c i 总线技术的多功能高速数据采集卡的单光子探测数据采集作为量子信息 处理中的一个重要环节，可以将探测器探测到的光子信号更直观更便捷的实时显 示出来，并通过软件实现对数据的进一步处理和存储等工作。 本文首先简述了适用于1 5 5 0 n m 光通信波段，基于i n g a a s 雪崩光电二极管 ( 1 n g a a s a p d ) 单光子探测器的功能结构、特性参数及工作方式。其次，在充分了 解数据采集原理、p c i 总线技术以及美国n i 公司出品的m 系列p c i 6 2 5 l 多功 能高速数据采集卡性能及工作模式的基础上，构建了适用于高速单光子探测的数 据采集系统。接着，利用基于图形编程语言( g 语言) 的l a b v i e w 8 2 0 软件编写应 用程序，分别实现了对单通道和双通道光子数据的采集，并通过应用程序对数据 进行显示、处理、存储等操作。从单光子数据采集系统在关联光子对探测实验中 的测试结果来看，本文设计的应用程序可以满足实时显示采集数据及对数据进行 相关计算和存储的设计要求。由于l a b v i e w 软件基于数据流的程序执行过程， 因此在高速数据采集时不能将数据采集和数据分析放在同一个循环中进行，文章 最后基于此提出了应用生产者消费者模型对应用程序进行改进和优化的思路。 关键词：单光子探测数据采集l a b v i e w 生产者消费者模型 a b s t r a c t c o m p u t e r - a i d e ds y s t e mo fs i g n a ls a m p l i n ga n dd a t ap r o c e s s i n gi sap r o d u c to f t h eh i g ht e c h n o l o g i e s ，i n c l u d i n gh i g hp e r f o r m a n c ei n t e g r a t e dc i r c u i t st e c h n i q u e ， c o m p u t e rb u sa n dv i r t u a li n s t r u m e n t ，w h i c hi sw i d e l yu s e di nt h ef i e l d so fi n d u s t r y a n ds c i e n t i f i cr e s e a r c h d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e m ，w h i c hi sb a s e do n p c ih i g hs p e e dm u l t i f u n c t i o nd a t aa c q u i s i t i o nc a r d ，i si m p o r t a n tf o rq u a n t u m i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，n o to n l yt h ed e t e c t e ds i g n a lo fp h o t o n sc a nb ed i s p l a y e d c o n v e n i e n t l yi nr e a lt i m e ，b u ta l s ot h ep o s tf l e x i b l ed a t ap r o c e s s i n gc a n b ea c h i e v e d i nt h i sp a p e r , t h eb a s i cf e a t u r e so ft h es i n g l ep h o t o nd e t e c t o r ( s p d ) c o m p o s e do f i n g a a sa v a l a n c h ep h o t o d i o d e ( a p d ) ，i n c l u d i n gt h es t r u c t u r e ，s p e c i f i c a t i o n sa n d w o r k i n gm o d e ，a r eb r i e f l yi n t r o d u c e di n t h eb e g i n n i n g t h e n ，b a s e do nt h ep r i n c i p l e o fd a t aa c q u i s i t i o n ，p c ib u st e c h n i q u e ，a sw e l la st h ep e r f o r m a n c ea n dw o r k i n gm o d e o fn ih i g h s p e e dms e r i e sm u l t i f u n c t i o nd a qp c i - 6 2 51 ，ad a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m h a sb e e nb u i l tf o rh i g h - s p e e ds i n g l ep h o t o nd e t e c t i o n t h em a i na c h i e v e m e n to ft h e p a p e r i st h ed e v e l o p m e n to faa p p l i c a t i o np r o g r a mf o rt h ed a t aa c q u i s i t i o no fs p d si n b o t hs i n g l ea n dd o u b l ec h a n n e lb yu s i n gl a b v i e w 8 2 0w h i c hi sb a s e do ng r a p h i c s l a n g u a g e w i t ht h ed e v e l o p e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，t h ed e t e c t e ds i g n a l c a nb e a n a l y z e d 。p r o c e s s e da n ds t o r e d t ot e s ti t sp e r f o r m a n c e ，i th a sb e e nu s e dt op r o c e s s t h ed a t ao fc o r r e l a t e dp h o t o np a i r sg e n e r a t e di no p t i c a lf i b e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h es y s t e mw e l ls a t i s f i e sw i t ht h er e q u i r e m e n t so ft h ed a t ap r o c e s s i n g ，w h i c hc a n d i s p l a yt h ed e t e c t e ds i g n a li nr e a lt i m ea n ds t o r et h er e l a t e dd a t af o rf u r t h e rp r o c e s s i n g h o w e v e r , t h ed a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i s c a n tb ep l a c e di nt h es a m el o o pa ta h i g h e r - s p e e dd a t aa c q u i s i t i o nd u et ot h ee x e c u t a b l ep r o c e s so ft h ed a t as t r e a m t o s o l v et h ep r o b l e m ，t h ep r o d u c e r - c o n s u m e rp a t t e r ni sp r o p o s e dt oi m p r o v ea n dt o o p t i m i z et h ep e r f o r m a n c eo ft h ed e v e l o p e ds y s t e m k e yw o r d s ：s i n g l ep h o t o nd e t e c t i o n ，d a t aa c q u i s i t i o n ，l a b v i e w , p r o d u c e r - c o n s u m e rp a t t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：据濒埠签字同期：洳扩年 4 5 x 1 0 ，v c m 2 2 1 ， 以保证一定的雪崩增益。 j ，：j ，。一 ，倍增吸收 v 图l ll n g a a s l n ps a m a p d 结构图 1 2 3 2 特性参数 ( 1 ) 量子效率 量子效率是描述单光子探测器件光电转换能力的一种物理量。光子能量大于 禁带宽度的光照射到a p d 上时被半导体吸收，并产生电子空穴对，量子效率定 义为光生电子空穴对数与入射光子数之比。在耗尽区内光子激发产生的载流子 被电场分开并被收集，从而在外电路负载中产生电流。一般说来，器件的量子效 率是收集到的载流子数与入射到a p d 上的光子数之比。 ( 2 ) 探测效率 探测效率定义为量子效率与雪崩触发几率之积，量子效率与探测器的结构和 器件抗反射膜设计的优劣有关，而雪崩触发几率不仅取决于探测器结构还与a p d 工作时反向偏压的大小有关1 2 3 1 。一定温度下时，偏压越大结区电场越高，载流子 触发雪崩的几率就越大，但同时也增大了非光子触发雪崩的几率( 即暗计数) 。 如分离吸收倍增i n g a a s a p d 其光子探测效率主要取决于四个因素【2 4 1 。 1 光纤同a p d 有源区的耦合效率； 2 光子在i n g a a s 层被吸收的概率； 3 光生载流子在倍增区成功触发一次雪崩的概率； 4 一定温度下a p d 的偏置电压； 而宏观光子探测效率指被探测到的光子数与入射总光子数之比，即光子成功 触发一次雪崩并被探测到的平均概率。 ( 3 ) 暗电流 在理想条件下，当没有光照，即没有信号光子入射a p d 时，将不会产生雪 崩信号，也就不会有光电流输出。但实际上，在没有光子入射情况下，a p d 会 4 第一章绪论 因为其它原因产生雪崩，a p d 仍然有电流输出，这种电流称为暗电流。与光电 流一样，a p d 的暗电流也会引起计数，称为暗计数。产生一个暗计数需要依次 发生两个过程，即产生暗载流子( 由非信号光子产生的载流子) 和暗载流子成功 的触发雪崩。在a p d 内部存在以下三种机制会产生暗电流【2 5 】。 1 热噪声：热噪声是由于热激发使结区电子从价带跃迁到导带而产生，它 t f j h 臣从玻尔兹曼分布，随着温度降低呈指数下降，可以将单光子探测器 置于低温且恒温装置中来减小激发载流子的数量，但使用低温也很难消 除热噪声。 2 隧穿电流：在电场较强区域中，电子在电场作用下由价带隧穿进入导带 产生隧穿电流。对于给定a p d ，当达到击穿电压时，其隧穿电流与i n g a a s 层两端的电压成正比，因此a p d 中隧穿电流主要由外加电压决定。外 加电压越高，其隧穿电流越大，对性能较好的i n g a a s a p d ，其暗电流 小于i n a u 6 。同时i n p 层和i n g a a s 层中的掺杂浓度也影响隧穿电流的大 小，通常掺杂浓度越高，在一定条件下隧穿电流越大。 3 后脉冲：后脉冲现象也是导致暗计数的主要因素之一。俘获载流子的再 释放与器件材料生长质量有关。在雪崩发生时，倍增区材料中的任何缺 陷都会成为载流子的捕获中，l 二, ( t r a p p i n gc e n t e r ) ，当大量的电荷流过a p d 时，一些载流子被这些缺陷捕获。当雪崩被抑制后，这些缺陷中心开始 释放，如果受到电场加速，它们会再次触发雪崩，产生与前一次雪崩脉 冲相关的后脉冲，在没有光子到达时会引起一次暗计数。在雪崩过程中 被俘获的载流子数量随着穿过p n 结的载流子数量增加而增加，而穿过 p n 结的载流子数量又与加在p n 结上的电压和抑制时间有关。因此，偏 压越高，抑制时间越短，其后脉冲现象越明显，暗计数越大。 量子效率和暗计数是一对反关联的参数，通常为了提高探测器的量子效率， 会提高a p d 的工作电压，使雪崩效应更容易发生，但这样同时也会使暗电流更 容易引起雪崩，从而提高了暗计数。为了降低暗计数，一般采用的方法是降低 a p d 的工作温度，以减小a p d 的热噪声，但同时探测器的量子效率也会降低。 ( 4 ) 时间分辨率 时间分辨率指光生载流子穿越吸收区进入倍增区的时间，与a p d 的结构和 结区场强大小有关，增大a p d 的反向工作电压，能一定程度上提高时间分辨率 【2 6 】 o ( 5 ) 噪声等效功率 噪声等效功率( n e p ，n o i s ee q u i v a l e n tp o w e r ) 表示探测器件探测微弱信号的 能力，它的定义是：信号均方根电压珞等于噪声均方根电压时，入射光的功 第一章绪论 率【2 刀，即 n e p = 圪( 珞) 1 3i n g a a s a p d 用于单光子探测的工作模式 由于工作在盖革模式下，即加在a p d 两端的反向偏置电压高于其雪崩电压 是a p d 可以用作单光子探测器的必要条件，这是因为在该模式下，a p d 在单光 子的触发下发生“自持雪崩”现象，a p d 可产生足够大的增益，以保证单光子 信号可以被后续电路检测到。但由此产生的“自持雪崩 现象会湮没下一个到达 的光子，从而会影响探测器的性能，因此如何淬灭前一个光子到达时触发的雪崩， 也就是将a p d 的反向偏置电压降至其雪崩电压以下，是单光子探测器设计中的 关键问题。本节对三种抑制雪崩的有效方式无源抑目岳l j ( p a s s i v eq u e n c h i n g ) 、有 源抑锘t j ( a c t i v eq u e n c h i n g ) 和门模模式( g a t e dm o d e ) 进行了分析和比较。门模模式下 探测器的信噪比有了明显的提高，如果再对仪器的其它方面进行改进，例如降低 门宽，降低电路的容性干扰，以及选取合适的工作温度等，将完全有可能实现光 通信波段高效的单光子探测。 1 3 1 无源抑韦l j 2 8 , 2 9 】 利用电阻串联降低a p d 反偏电压的方法称为无源抑制。一个高阻值电阻 ( 5 0 5 0 0 k f 2 ) 与a p d 串联即构成了无源抑制电路，没有光子入射时，电路为开路； 当有光子入射到a p d 时，电路接通，偏置电压会瞬间加到a p d 两端，雪崩被触 发。但随着高阻值电阻的分压作用，a p d 两端的偏压会逐渐减小，在减小至雪 崩电压以下时，雪崩被抑制。无源抑制电路简单，并且对a p d 具有很好的保护 作用。但这种电路的死时间较长，计数率较低，在对探测精度要求不是很严格的 情况下可以采样无源抑制控制a p d 的探测。 1 3 2 有源抑制【3 u j 有源抑制是利用雪崩信号的上升沿作为触发信号，采用自动反馈来降低a p d 上的电压，使雪崩快速抑制；然后再对a p d 的结电容快速充电，使之在很短的 时间( 几十纳秒) 内恢复到等待状态。有源抑制电路引入了反馈回路和延时模块， 反馈使雪崩迅速抑制，延时用来设置恢复时间。与无源抑制方式相比，有源抑制 具有更短的恢复时间，能在一定程度上提高探测器的反应速度和量子效率，同时 减少暗噪声，从而提高a p d 的探测性能。在有源抑制电路中使用更高性能的电 6 第一章绪论 子元器件，会获得更好的性能参数，改变电路结构设计也可以进一步改善功能和 特性。 1 3 3 门模模式3 1 】 注意到，在上面讨论的两种模式下，处于接收状态的a p d 两端的电压均高 于雪崩电压，这种状态会缩短a p d 的工作寿命，同时如果在某种非信号激发的 情况下( 如：后脉冲，热激发等) ，将会产生暗计数。在光子到达时间已知的情 况下，如果能够设计一种门，在光子到达的时候将门打开，没有光子到达的时候， 门关上，这样将会大大地提高光子计数的性能。门模抑制模式下，当没有光子到 达时，a p d 两端的电压低于雪崩电压，相当于门关闭；在有光子到达的时候， a p d 两端的电压高于雪崩电压，相当于门打开，这样大大地提高了探测器的性 能。 利用门模模式抑制雪崩的基本原理为：在a p d 两端加上一个恒定的直流电 压，该电压小于a p d 的雪崩电压。然后将- - f - j 脉冲电压( 幅度为圪，宽度 为1 ) 叠加到圪上，并满足圪+ v b 。这样，a p d 只会在门脉冲的时间t 内 发生雪崩，而在其它时间因偏压低于雪崩电压而不会产生雪崩。由于利用这种模 式工作的a p d 只对门脉冲以内的光子响应，而对门脉冲以外的光子没有响应， 因此只有能够精确知道光子到达a p d 的时间，才可以采用门模模式。 图1 2 是a p d 工作在门模模式下的电路原理图和a p d 的等效电路图。门脉 冲电压正通过e 耦合到a p d 上，考虑到a p d 的结电容e 和电路的分布电容c 。， 加到a p d 上的门电压的大小为：l ，= q ( c g + q + g ) 。由该式可知，当 0 + g 和c 。相近时，圪的衰减会很大。因此在实际应用当中，一般要求c ，远 大于e + c 。，这样，矿就近似等于圪。 第一章绪论 e q u i v a l e n t v d r d c o m p 出 掣 ( a )( b ) 一 图1 - 2 ( a ) f l 脉冲模式电路原理图：( b ) 原理图虚线框等效电路图 采用门模模式检测单光子的优点是显而易见的，利用该模式可以滤除门脉冲 时间以外的杂散光子信号和热噪声的干扰，而且雪崩抑制的时间更短，因此可以 更有效的降低暗计数和提高光子计数率；另外，这种工作模式特别适合量子通信 技术的需求。因此最近数年内，几乎所有的光通信波段的单光子探测器都采用此 模式进行工作。 1 4 基于光纤的关联光子对的产生和探测 基于三阶非线性k e r r 效应在光纤中产生非线性现象的理论，我们实验室于 去年完成了利用光纤中自发四波混频参量过程制备纠缠光子对的实验【3 2 1 ，并利用 单光子探测器对产生的关联光子对进行了探测。图1 3 为我们实验室利用非线性 s a g n a c 光纤环( n f s i ，n o n l i n e a r - f i b e rs a g n a ci n t e r f e r o m e t e r ) 产生量子关联光子对 的实验装置。中心波长为1 5 4 0 9 n m 的脉冲激光泵浦n f s i ，中心波长分别为 1 5 4 8 n m 和1 5 3 3 8 7 n m 的信号与闲置光子对由n s f i 中的四波混频过程产生。n f s i 由5 0 5 0 分束器和3 0 0 m 零色散波长= 15 4 0 r i m 的d s f ( 零色散位移光纤) 构成， 其中的f p c i ( 光纤偏振控制器) 用于控制和补偿光纤内的双折射，使得n s f i 对入射光具有高反射率。9 0 1 0 分束器用于注入信号光，实现探测系统信号光和 闲置光通道光路的耦合准直，在光子计数实验中，这个端口没有输入。产生的信 号和闲置光子对由瑞士i dq u a n t i q u e 公司的i d 2 0 0 型单光子探测器( s p d ) 进行探 测，s p d 工作于门模盖革模式下，门脉冲的宽度为2 5 n s ，s p d 的触发频率为 6 4 5 k h z ，是泵浦脉冲重复频率的1 6 4 。 第一章绪论 图1 3 由n f s i 产生量子关联光子对的实验装置。 e d f a ，掺铒光纤放大器：f c ，光纤耦合器；p b s ，偏振分束器；s p d ，单光子探测器。 光子对的符合计数率与随机符合计数率是实验中的关键参数，也是反应纠缠 光子对纯度的主要指标之一。符合计数率屯。是同一个泵浦脉冲产生的信号光子 和闲置光子之间的符合计数，可表示为： o 如= 吼r ( 1 - 1 6 ) 式中，占是与泵浦光和光子对带宽有关的参数，刀、为信号( 闲置) 光通道 的总探测效率，尺鲋、为闲置( 信号) 光通道的探测率( 个秒) 。随机符合计数率 r 耐。抽是相邻脉冲信号光子和闲置光子之间的符合计数，可用相同强度下两个 独立光源随机符合计数率的公式来表达： r o 喇一嘲= 足ri f ( 1 - 1 7 ) 式中，f 为单光子探测器的触发频率。 实验中符合计数的测量是基于硬件电路的，两个单光子探测器的输出信号进 行“a n d 运算的结果输入频率计进行计数。测量符合计数需要精确的光路匹 配，确保信号光和闲置光通道的光程基本相同；而随机符合计数测量需要对匹配 完成的信号光或闲置光通道进行一个周期的光路延时。实验中对光路匹配要求很 高，且两种符合计数的测量不能同时完成。 关联光子对的产生和探测实验中还存在探测效率低、探测频率低等缺点，且 被探测的光子的亮度往往低于每个脉冲0 1 个光子，因此得到的符合计数率较小； 为了满足实验误差的要求，就需要增加计数时间。在实验中，我们需要人工的对 数据进行读取和记录。 9 第一章绪论 1 5 本文的主要研究内容和意义 由1 4 节关联光子对的产生和探测系统可知，系统在光子对的数据处理方面 需要进一步的提高和完善。 首先，由硬件电路完成符合计数不具有灵活性，目前系统中的硬件电路不能 够完成三个或四个单光子探测器之间的符合计数，不同的实验系统就需要不同的 符合计数电路，增加了设计负担。 其次，系统中不能够同时测量符合计数和随机符合计数，在某些精度和稳定 性要求较高的实验，容易产生误差。 再次，系统对于单光子数据的读取和记录由人工完成，在长时间的计数中容 易产生记录误差，同时也增加了实验人员的工作量。 基于上述问题，本课题开发了一套适用于单光子探测的数据采集系统，将单 光子数据信号与计算机有效的结合起来，能够在软件中实现符合计数的计算，并 同时显示符合计数和随机符合计数。该采集系统对实验需要的数据进行实时、自 动的存储和处理，消除了由于人工记录而产生的误差，同时，也节约了实验室的 人力资源。在课题进行的过程中，充分考虑了实验的发展和需要，只要增加数据 采集的通道，并对软件进行部分的扩展和调整，就可以实现多个单光子探测器之 间的数据采集。 本文通过对单光子探测技术和i n g a a s a p d 单光子探测器的介绍，并根据单 光子探测实验中数据记录和数据处理需要，设计和开发了一套服务于量子光学实 验的单光子探测数据采集系统。系统基于n i 公司p c i 6 2 5 1 数据采集卡和虚拟仪 器技术，并在l a b v i e w 8 2 0 的软件平台中对用户程序进行了编写。论文的主要 内容包括： 第一章对适用于光通信1 5 5 0 n m 波段单光子探测的i n g a a s 雪崩光电二极管 ( i n g a a s a p d ) 的结构、特性参数以及基于i n g a a s a p d 单光子探测器的三种工作 模式作以概述，并简要介绍了设计基于计算机的单光子数据采集系统的意义。 第二章首先对单光子数据采集系统的工作原理及硬件构成作以说明，详细介 绍了各个硬件设备的工作任务，提出采用n i 公司m 系列p c i 6 2 5 1 数据采集卡 可以完成实验中单光子探测器输出数据信号的采集工作，描述了p c i 6 2 5 l 的重 要结构模块及性能参数，并对p c i 6 2 51 进行安装和配置工作。 第三章介绍了虚拟仪器技术以及基于图形编程语言( g 语言) 的l a b v i e w 软 件，对l a b v i e w 编程环境和重要功能函数作了详细叙述；针对单光子数据采集 系统的应用环境，根据数据板卡工作原理合理的安排了应用程序的实现方案和编 写步骤，并绘制出程序设计流程图，以此为基础，利用n i 公司最新版本的 l o 第一章绪论 l a b v i e w 8 2 0 软件编写程序，设计了用户用于控制、处理和存储采集数据的应 用程序，最后给出了程序的改进和优化方案。 第四章将单光子探测数据采集系统应用于测量量子关联光子对的实验中，着 重分析了数据采集系统时钟和数据的时序，通过采集得到的实验数据证明了本文 设计的单光子数据采集应用程序的完整性和稳定性；最后，总结了本论文所完成 的主要工作，指出了工作中存在的不足，并对以后的工作进行了展望。 第二章单光子数据采集系统的硬件支持 第二章单光子数据采集系统的硬件支持 随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统也迅速得到应用。在生产 过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高 产品质量、降低成本提供信息和手段；在科学研究中，应用数据采集系统可获得 大量的动态信息，也是进行科学实验的重要手段之一。性能良好的数据采集系统 可以方便的采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，也可 直接采样数字信号，送入计算机或相应的信号处理系统，根据不同需要进行相应 的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算机得到的数据进行显示或打 印，以便实现对某些物理量的监视，其中部分数据还将被控制生产过程中的计算 机控制系统用来控制某些物理量。本文中采用的单光子数据采集系统就是用以将 单光子探测器探测到的单光子信号采样，通过p c i 接口实现与计算机的通信，传 送探测数据，并在计算机上利用虚拟仪器技术对采集到的数据进行实时显示、存 储及处理。本章主要针对数据采集系统的硬件组成结构、p c i 6 2 5l 数据采集卡的 性能及安装和调试工作进行叙述。 2 1 单光子数据采集系统概述 2 1 1 单光子数据采集系统的硬件构成 f i b e r 图2 1 单光子数据采集系统原理框图 图2 1 所示的是单光子数据采集系统硬件构成的原理框图，具体组成包括： ( 1 ) 激光器 激光器是美国p r e c i s i o np h o t o n i c s 生产的飞秒脉冲激光器，输出脉冲宽度为 l o o f s ( 经过l ms m f 2 8 单模光纤后的典型值) ，频谱宽度为1 5 2 0 n m 一1 5 8 0 n m ， 输出功率为4 0 m w 。激光器的一路输出作为产生光子对的泵浦源，另一路作为探 第二章单光子数据采集系统的硬件支持 测器和采样信号的时钟基准。 ( 2 ) 光电转换 应用海特光电的p i n 3 0 7 1 3 型光电二极管将部分的脉冲激光信号转换为电脉 冲信号，而后对信号进行放大、整形、比较和分频，获得满足系统要求的时钟信 号。 ( 3 ) 单光子探测器( s p d ) 实验中的s p d 为瑞士i dq u a n t i q u e 公司的i d 2 0 0 型【3 3 】近红外单光子探测器， 工作于盖革模式下，最大外部触发频率为4 m h z ，探测输出为标准的t t l 信号。 实验中的关键步骤就是实现s p d 与计算机之间有效的数据传输。 ( 4 ) p c i 接口 p c i 接口是实现单光子探测数据传送进入计算机的桥梁。通过专用同轴电缆 线将数据连接至数据板卡中进行采集，而后在d m a ( d i r e c tm e m o r ya c c e s s ) 的数 据传输模式下，数据由p c i 总线直接进入计算机内存，完成整个数据采集过程。 ( 5 ) 数据处理 基于计算机平台应用程序对数据板卡采集到的单光子数据进行显示、计算、 存储等操作。数据处理软件在l a b v i e w 编程环境中实现。 2 1 2p c i 6 2 51 数据采集卡的主要性能 p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) p b 部设备互联总线是i n t e l 公司于1 9 9 1 年下半年首先提出的，并马上得到i b m 、c o m p a q 、a s t 、h p 、d e c 等1 0 0 多家 大型计算机公司的支持，于1 9 9 3 年正式推出了p c i 局部总线标准p c i 总线。 p c i 总线是一种即插即用的总线标准，支持全面的自动配置，最大允许6 4 位并行 数据传送，采用地址数据总线复用方式，最高总线时钟可达6 6 m h z ，支持多总 线结构和线性碎发( b u r s t ) 传输，最高峰值传输速度可以达到5 2 8 m b s 。p c i 总线 通过桥接技术保持与传统总线如i s a 、e i s a 、v e s a 、m c a 等标准的兼容性，使 高性能的p c i 总线与已大量使用的传统总线技术特别是i s a 总线共存。 同旧式的i s a 总线不同，p c i 将计算机系统中的总线子系统与存储子系统完 全分开，c p u 通过一块称为p c i 桥( p c i b r i d g e ) 的设备来完成同总线子系统的交 互。另外p c i 具备的几个非常显著的特点使得p c i 总线最终取代了i s a 总线，这 几个显著的特点主要表现在三个方面：( 1 ) 在计算机和外设间传输数据时具备更好 的性能；( 2 ) 能够尽量的独立于具体的平台；( 3 ) 可以方便的实现即插即用功能， 使得硬件设备的添加删除更为方便。 目前，基于p c i 总线技术的接口方案适用于当前多数数据传输模块，和其它 计算机总线相比，p c i 总线传输的带宽高，它通过提供每方向2 5 0 m b s 的带宽来 第二章单光子数据采集系统的硬件支持 增加数据传输，进而消除吞吐量的瓶颈，而且每个插槽分配有专用的带宽，这意 味着多个p c i 板在数据传输时可以不分享带宽。利用这个对分享带宽p c i 总线结 构的改进，当数据传送到计算机内存或从计算机内存获取通过总线时，所有板载 i o 可同时运行。将p x i 与p c i 结合使用传送数据，可使底板带宽从1 3 2 m b s 提 高到6 g b s ，改进了4 5 倍。基于p c i 总线技术及单光子探测系统中的实际应用， 本文所设计的单光子探测数据采集系统选择采用美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s ，n i ) , h u , 品的m 系列p c ! 6 2 51 高速多功能数据采集卡( d a t aa c q u i s i t i o n c a r d ，d a q ) ，它可以在高采样速率下仍然满足较高采样精度的要求( 高速的数字 信号和高精度模拟信号的采集) 。p c i 6 2 5 1 还具有输出三角波、正弦波以及锯齿 波等功能，可以实时方便的控制仪器，为整个实验系统的集成和全局控制提供帮 助。 图2 2 所示为p c i - 6 2 5ld a q 内部结构示意图，数据信号通过各个i o 发送 到内部数据处理模块，由数字路由及时钟发生器控制其操作时序，然后将采集到 数据转换完成并通过总线接口与上位机通信，最终通过计算机、打印机等设备输 出。 图2 - 2p c i 6 2 51d a q 结构框图 由于本文采用的单光子数据采集系统针对高速数字信号进行采集，因此这里 着重介绍p c i 6 2 5 1 数字信号i 0 的主要功能。图2 3 为p c i 6 2 5 1d i o 的结构示 意图。 第二章单光子数据采集系统的硬件支持 d o 图2 3 数字输入输出 ( 1 ) 静态d i o ：每个p c i 6 2 5 1d i o 线可用作单独的静态d i 或者d o 线，我们 可利用静态d i o 线监控数字信号，并且每个d i o 可分别执行数字输入或输出操 作。它对于t t l ( t r a n s i s t o r t r a n s i s t o rl o g i c ) 或者c m o s ( c o m p i e m e n t a r ys y m m e t r y m e t a lo x i d es e m i c o d u c t o r ) 信号提供了2 4 条数字输入输出( d i g i t a li o ) 通道，并且每 个端子可以被独立的设定用作输入或输出。d i o 的下拉电阻典型值为5 0 k f 2 ，最 小值为2 0 l 。 ( 2 ) d i 采样时钟信号( d is a m p l ec l o c ks i g n a l ) ：p c i 一6 2 5l 的d l 采样时钟频率 最高可达到1 0 m h z ，利用d i 采样时钟信号可以采样端子信号以及将结果存储在 d i 波形采样f i f o 中。p c i 6 2 5 1 无法将时间基线剖分以产生供数字波形采样的内 部d i 采样时钟，因此必须将外部信号或诸多内部信号中的一个从其它子系统中 发送到d i 采样时钟。为了从a i 、a o 或d o 操作中独立的进行数字信号采样操 作，必须把计数器设定成产生需要的d i 采样时钟或者使用外部信号作为时钟的 激励。 ( 3 ) d o 采样时钟信号( d os a m p l ec l o c ks i g n a l ) ：p c i 6 2 51 的d o 采样时钟频 率最高也为10 m h z ，利用d o 采样时钟信号可以在d o 波形产生f i f o 中更新 d o 端子以进行下一个数据采样。与d l 采样时钟信号类似，p c i 6 2 51 也无法将 时间基线剖分以产生供数字波形采样的内部d o 采样时钟，因此同样必须将外部 信号或诸多内部信号中的一个从其它子系统中发送到d o 采样时钟。为了从a i 、 a o 或d i 操作中独立的进行数字信号采样操作，必须把计数器设定成产生需要的 d o 采样时钟或者使用外部信号作为时钟的激励。 ( 4 ) i o 保护：该模块可保护每个d i o 信号，防止出现过电压、不足电压和过 电流等对器件产生威胁的情形，尽量不要连接外部信号源或接地等操作以避免此 类情形的发生。 ( 5 ) d i 变化探测：该模块可以设定p c i 6 2 51 探测d i o 信号的变化。变化探测 电路可以探测到每个d i o 线上的上升沿、下降沿以及个别其它变化。p c i 6 2 5 l 第二章单光子数据采集系统的硬件支持 可使每个d i 信号同步到8 0 m h z 的时间基线，然后发送这些信号到变化探测电路， 电路将这些输出进行或操作，结果便是探测到的变化信号。 另外p c i 6 2 5 l 内含2 个3 2 位，8 0 m h z 的计数计时器( c o u n t e r t i m e r ) 以及对 模拟和数字信号的触发( a n a l o ga n dd i g i t a lt r i g g e r i n g ) 模块，而n i 公司独创的 n i m c a l 校准技术对于改进采样测量精度提供了有力的保障。针对高速数据采集， p c i 6 2 51 还具有6 条d m a 通道。d m a ，即直接存储器存储，它通过主存与i o 之间的直接数据通道传送数据，可以实现不中断正在采样或处理中的信号而不占 用计算机的处理时间，与传统程序查询或中断方式相比，大大提高了系统的吞吐 量。通过以上对p c i 6 2 5 1 主要参数的简要介绍，不难看出，选择p c i 一6 2 5 1 完全 可以满足整个探测系统对s p d 输出信号的实时采集。 2 2p c i 6 2 51 采集卡的安装和配置 2 2 1p c i 6 2 5 1 采集卡与系统的连接和安装 p c i 6 2 5 1 数据采集卡与系统的连接示意图如图2 4 所示。p c i 6 2 5 1 自带一个 接线盒，接线盒外部是可与信号线连接的端口，内部与数据采集卡相连，数据采 集卡通过p c i 接口插在计算机主板上的p c i 插槽中，再将p c i 6 2 5 l 的硬件驱动 程序装载至计算机系统，在w i n d o w s 系统的设备管理器中我们会看到p c i 6 2 5l 选项，证明整个数据采集卡的安装即完成，示意图如图2 5 所示。我们将从单光 子探测器输出的信号用同轴电缆线与接线盒连接，保证了信号传输过程的完整性 和安全性。本课题实验系统中我们采用的是n i 公司提供的适用于p c i 6 2 5 1 的 b n c 2 12 0 接线盒和s h c 6 8 6 8 e p m 屏蔽线，将信号连接到数据板卡。 p c 棚 曩翥委 l 同轴电缆线 接 屏蔽线 p c i i 数据采 线 接 1 集处理 盒 口 图2 4p c i 6 2 51 连接原理图 1 6 第二章单光子数据采集系统的硬件支持 z # q )女镕4 )登看凹$ 自q ) 一田曾眚曾鲤鼋菇趣 ：* y r 。z 3 t d y “ _ l i 。隰。 ! 当珊n “m & # * + 尊s 面n n o 赴理g - o w 自g + * i n + 日g * $ ! o “盘 # 姒a 日鞋删啸 一4 # m * e 孽f f 、栅卿糊$ 螺 “) 日 磺尉 * * 畸a 月$ e 蝴捌$ 目# m e s ； 女 9 i # 图2 - 5p c l 6 2 5 1 硬件安装圈 2 2 2 应用m a x 配置p c 6 2 5 1 数据采集卡 利用测量及自动化浏览器f m e a s u r e m e n t a u t o m a l i o ne x p l o r e r ，m a x ) 进行 配置，m a x 是n i 测试平台下，其数据采集产品的硬件配置管理软件 n i - d a q m x 的一部分，是一个n i 公司软硬件产品管理环境。在m a x 里面可以 看到在该台计算机上安装有何种类型的硬件，比如c a n 、d a q 、f i e l d p o i n t 、 g p i b 、1 m a q 、i v l 、m o t i o n 、n i 开关、v i s a 和v x i 设备等，以及安装的相应 的应用软件和驱动敬件。此外，它还能简化测量软硬件的配置过程，利用m a x 可以完成下列功能： ( 1 ) 浏览系统中的设备和仪器并快速检测及配置所有硬件和软件； ( 2 ) 创建新的通道，任务，接口和刻度等； f 3 ) 通过测试面板验证硬件的运行状况： ( 4 ) 实施简便、交互式的测量； ( 5 ) 给虚拟通道命名及利用物理或工程单位命名定义各路通道。 在p c - 6 2 5 i 硬件驱动程序安装完成后，重新启动计算机系统会自动找到已 经安装好的所有硬件如图2 - 5 所示。此时就可以运行m a x ，对系统中的 p c i - 6 2 5 1 数据采集卡进行配置，其启动界面如图2 - 6 所示。 第二章单光于数据采集系统的硬件支持 l i e 一曲t a u t t l o ne x d l o l ! i p 型毯 圈2 - 6 n 1 m a x 运行界面 在m a x 的左侧窗口中，分为m ys y s t a m 和r e m o t es y s t a m s 两个大的分支。 m ys y s t a m 下包含d a t a n e i g h b o r h o o d ( 创建、配置虚拟通道、任务) 、d e v i c e sa n d i n t e r f a c e s ( 设备接口设置) 、s c a l e s ( 创建、配置虚拟通道的度量刻度) 、s o f t w a r e ( 查看、启动及升级n i 公司软件，如l a b v i e w 、l a b w i n d o w s 、m e a s u r e m e n t s t u d i o 、n i d a q 等) 、v il o g g e rt a s k s ( 虚拟记录仪器任务) 六个分支；使用 r e m o t es y s t e m s 分支可以浏览和配置通过以太刚与计算机连接的系统与设备，单 击左侧的加号，能够展开该分支，看到所有的r e m o t es y s t e m s 。由于本课题是基 于本地计算机的数据采集系统，故对该分支不作配置。 展开设备与接口，就会看到当前计算机系统中的所有硬件设备。d a q 设备 由于目前n i 公司提供了两种类别的驱动分别对应t r a d i t i o n a ln i d a q d e v i c e s ( 传统d a q 设备) 和n i d a q m xd e v i c e s ( 新型d a q 设备) 。随着n l 公司生 产的数据采集卡功能的口益丰富和强大，n l d a q m x 由于其使用方便的特点，已 经逐渐的取代了传统的d a q 驱动，系统中安装的p c i 6 2 5 的驱动程序也正是基 于n i - d a q m x 。 在m a x 中的d a qn e i g h b o r h o o d 分