[发明专利]一种基于FPGA的多通道动态光散射自相关系统及方法

说明书

本发明涉及一种一种基于FPGA的多通道动态光散射自相关系统及方法，系统包括：动态光散射发生装置、光子相关器和上位机；光子相关器包括FPGA和USB通讯模块；动态光散射发生装置与FPGA连接；FPGA用于将动态光散射发生装置产生的光子脉冲进行计数和相关计算；USB通讯模块与上位机连接；上位机用于根据计数结果和相关计算结果确定颗粒信息；FPGA包括双计数器模块和相关计算模块；双计数器模块分别与动态光散射发生装置和相关计算模块连接；相关计算模块与USB通讯模块连接；双计数器模块包括多个双计数器；相关计算模块包括多个相关器。本发明能够实现多角度同时采集和计算样品的粒径和分布。

技术领域

本发明涉及动态光散射颗粒测量技术领域，特别是涉及一种基于FPGA的多通道动态光散射自相关系统及方法。

背景技术

动态光散射(Dynamic Light Scattering，DLS)技术是进行亚微米及纳米颗粒粒度测量的有效方法。在动态光散射颗粒测量技术中，广泛采用的是光子相关光谱法(PhotonCorrelation Spectroscopy，PCS)。在纳米及亚微米颗粒的悬浮液中，颗粒由于受到周围介质分子的碰撞不断的做布朗运动，这种布朗运动使得颗粒散射光的频率相对于入射光产生多普勒频移，表现为在一定的散射角度下，散射光强信号随时间不断地起伏涨落，而瞬时变化的散射光信号中包含有被测颗粒粒径的信息，粒径测量方法就是通过研究散射光信号的时间相关性来获取被测颗粒的粒径及其分布信息。

现有的实现方案有利用FPGA和DSP来实现比例光子相关器，主要的功能模块包括：光子计数模块、相关运算模块和USB通讯模块。具体实现方法为，将从动态光散射的发生装置产生的光子脉冲信号传送给FPGA，利用FPGA里设计的双光子计数器对采集到的光子脉冲进行计数。FPGA中的采样时钟触发DSP中断，在外部中断函数里接收光子计数值，并计算相关函数。最后，通过USB接口与机进行通讯，将采集到的总光子脉冲数、总釆样次数和相关函数值发送给PC机，PC机经过归一化处理后得到光强自相关函数，基于FPGA和DSP的比例光子相关器如图1所示。

现有的技术最大的问题是，动态光散射法测粒径的商用仪器集成度不高，集成度不高体现在以下两个方面：

1.为了处理样品发生动态光散射后产生的光信号，大多先用商用的计数器对光信号进行计数，再用商用的相关器进行自相关计算，而商用相关器的实现用到了FPGA和DSP。

2.第一点里提到的计数器+相关器搭建的动态光散射测量粒径的系统只能同时对一路信号进行采集、计算，即在一套系统同一时刻只能在一个散射角度进行测量，若是需要对样品颗粒进行多角度动态光散射的测量，那就需要配备多套设备或是多次不同角度的测量，这样不仅增加了测量的时间、金钱成本，而且因不同时间里，环境因素变化的不可控，可能引起额外的误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于FPGA的多通道动态光散射自相关系统及方法，以实现多角度同时采集和计算样品的粒径和分布。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于FPGA的多通道动态光散射自相关系统，包括：动态光散射发生装置、光子相关器和上位机；

所述光子相关器包括FPGA和USB通讯模块；所述动态光散射发生装置与所述FPGA连接；所述FPGA用于将所述动态光散射发生装置产生的光子脉冲进行计数和相关计算；所述USB通讯模块与所述上位机连接；所述USB通讯模块用于将计数结果和相关计算结果传输至所述上位机；所述上位机用于根据所述计数结果和所述相关计算结果确定颗粒信息；所述颗粒信息包括颗粒粒径和颗粒的分散性；

所述FPGA包括双计数器模块和相关计算模块；所述双计数器模块分别与所述动态光散射发生装置和所述相关计算模块连接；所述相关计算模块与所述USB通讯模块连接；所述双计数器模块包括多个双计数器；所述相关计算模块包括多个相关器。