[发明专利]一种大动态范围高速光子相关器

说明书

技术领域

本发明涉及光子相关光谱法粒度测量技术领域，具体涉及一种光子相关器。

背景技术

光子相关光谱法是研究样品动态特性的一种有效方法，样品颗粒由于布朗运动引起散射光光强和频率的波动，通过测量散射光的光强自相关函数，即可获得颗粒体系的动态信息。光子相关器是光子相关光谱法纳米颗粒粒度测量系统的核心装置，该装置用于对散射光的光子脉冲进行计数，并做实时自相关运算，得到自相关函数，以获取散射光的时间相关性信息。光子相关运算可以通过软件或硬件方法实现，但由于相关运算速度要求极高，软件方法难以达到实时性要求，因此常用硬件相关器来实现光子相关运算。

线性相关器的动态范围与相关器的通道数有关，相关通道越多实现的动态范围越大。为了获取足够大的动态范围，需要增加相关器的通道数目，但由于实际硬件资源的限制，相关器的通道数不可能无限制的增加。比例相关器改变了通道间延迟时间按线性递增的规律，使之按一定的比例增长，扩展了相关器的动态范围。

利用DSP内部存储器存储光子计数值，并形成各通道所需要的延迟时间，DSP芯片内部包含乘法器，可实现乘累加运算。基于DSP芯片，利用软件编程的方式可实现比例相关器的设计，但比例相关器的动态范围与存储光子计数值的存储器容量有关，例如：要实现10¹⁰的动态范围则需要容量为16G的存储器，这在硬件设计时很难实现，且基于DSP的比例相关器运算速度相对较慢。

FPGA是一种超大规模的可编程器件，基于FPGA设计的相关器，每个通道都包含独立的硬件乘法器和累加器，所以相关运算速度快。所设计的相关器采用分组的方法，组内采样时间不变，组间采样时间加倍。基于FPGA的相关器既可以提高相关运算的速度，又可以扩展动态范围，但是随着通道数的增多，相关器的成本会变得非常昂贵，而且还存在相关函数基线不稳定的问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种大动态范围高速光子相关器，解决以上技术问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种大动态范围高速光子相关器，包括一高速通道、一低速通道，还包括一FPGA芯片电路、一DSP芯片电路、一计算机，所述DSP芯片电路分别连接所述FPGA芯片电路、所述计算机；

所述FPGA芯片电路对高速通道进行运算，所述DSP芯片电路对低速通道进行运算。

本发明的高速通道比低速通道的计算速度高。本发明基于高速通道和低速通道相结合的结构，减少了高速通道对硬件资源的需求，降低了低速通道对存储器容量的要求，既实现了高速相关运算，又扩展了相关器的动态范围，提高了相关函数基线的稳定性，同时降低了相关器的成本。

所述FPGA芯片电路包括一采样时间设置模块、一复位模块、一光子计数模块、一FPGA相关运算模块和一监视通道；

所述DSP芯片电路包括一DSP相关运算模块、一存储器，所述DSP相关运算模块通过所述存储器存储光子计数值，形成通道所需要的延迟时间，并由所述DSP芯片电路的硬件乘法器完成光子计数值的乘法运算，扩展了所述光子相关器的动态范围。

所述采样时间设置模块包括译码器、触发器、计数器和比较器；所述采样时间设置模块通过对系统时钟分频得到采样时钟信号：采样时钟频率等于输入的系统时钟频率除以分频系数，所述计算机根据用户的设置计算出分频系数，并发送给DSP芯片电路，DSP芯片电路再将分频系数写入FPGA芯片电路内部的采样时间设置模块，通过计数器对系统时钟进行计数，并与分频系数进行比较，实现对系统时钟的分频，即可得到预期的采样时钟信号。

所述复位模块包括译码器和触发器，所述复位模块用于产生系统复位信号，当复位信号为高电平时，清空高速通道的相关函数值；当复位信号为低电平时，高速通道工作。

所述光子计数模块包括两个计数器、两个锁存器和多路数据选择器；在采样时钟信号的驱动下，两个所述计数器交替运行，实现对光子脉冲的无缝计数并将计数结果输出给所述FPGA相关运算模块。

所述高速通道包括12组相关通道，所述FPGA相关运算模块包括12组相关运算通道，第一组相关运算通道包含16个相关通道单元，其他组相关运算通道结构相同，均包含8个相关通道单元。每个相关通道单元均包括移位寄存器、乘法器、数据类型转换器、浮点累加器和锁存器；