基于Microblaze軟核FSL總線(xiàn)的門(mén)光子計數器設計與實(shí)

摘要：門(mén)光子計數器是量子光學(xué)實(shí)驗中單光子探測常用的數據采集設備，用于收集單光子探測器探測到的單個(gè)光子信號。由于不同的場(chǎng)合需要用到不同的計數模式，商用的計數器往往難以滿(mǎn)足具體的需求，或者造成采集效率低下。系統采用的是一種基于MicroBlaze系統FSL總線(xiàn)的可擴展計數器設計架構，該架構能夠靈活的添加不同的計數功能，并通過(guò)統一的FSL總線(xiàn)和Microblaze CPU與PC通信。在該架構的基礎上實(shí)現了針對量子單自旋調控實(shí)驗中常用的計數模式。系統所采用的設計和實(shí)現方式可以推廣到其他光子計數需求中，并具有較低的設計和生產(chǎn)成本。
關(guān)鍵詞：計數器；Microblaze；FSL

0 引言
光學(xué)領(lǐng)域尤其是量子光學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗常常需要進(jìn)行單個(gè)相干光子的探測用于實(shí)現實(shí)驗數據的采集。一般常用的配置是一個(gè)單光子探測器加上一個(gè)門(mén)光子計數器，其前端的單光子探測器用來(lái)收集光子信號，每探測到一個(gè)光子產(chǎn)生一個(gè)TTL脈沖，后端的門(mén)光子計數器用來(lái)記錄該TTL上升沿數目并且與PC等其他器件通信或者同步。APD的工作方式相對簡(jiǎn)單，而門(mén)光子計數器則由于具體實(shí)驗需求不同而要求不同的工作方式，很難有一種通用的計數模式能夠滿(mǎn)足各種情況的需求。由于成本限制，功能固定的計數器往往因為沒(méi)有廣闊的市場(chǎng)而造成價(jià)格很高。另一方面，工業(yè)和科研界購買(mǎi)的商用計數器往往無(wú)法滿(mǎn)足自己的具體需求而導致工作效率低下，甚至無(wú)法滿(mǎn)足要求。
所謂門(mén)光子計數器就是針對單自旋量子調控實(shí)驗研究中對單個(gè)光子探測的需求所研制的。單自旋量子調控是對晶體中的缺陷，如量子點(diǎn)和金剛石色心進(jìn)行控制，其信號讀出一般是通過(guò)自旋發(fā)生的單個(gè)光子進(jìn)行探測實(shí)現的。在此類(lèi)實(shí)驗中常用的技術(shù)有三種：門(mén)光子計數、定時(shí)計數和相關(guān)函數測量。文中所述的系統建立了一種可擴展的通信和控制架構能夠添加不同方式的計數功能。

1 系統結構設計
整體系統結構示意圖如圖1所示，通過(guò)PC機的以太網(wǎng)口實(shí)現與計數系統的數據通訊與命令傳輸，PC機將工作模式選擇等命令通過(guò)網(wǎng)口向系統發(fā)送，而系統將在不同模式下的計數值及計數狀態(tài)等數據通過(guò)網(wǎng)口發(fā)送到PC機，交由PC機對數據進(jìn)行處理。系統的主芯片采用Xilinx的SPARTAN 3E系列的XC3S500E。系統的光子計數輸入由兩個(gè)BNC接口引入，這兩個(gè)接口可以由FPGA進(jìn)行配置，使光子計數器以不同的模式進(jìn)行工作。系統的固件燒寫(xiě)在FLASH芯片內，SDRAM提供了大容量存儲空間，用于運行時(shí)裝載Microblaze軟核代碼、計數應用代碼以及存儲計數的數據。

系統以FPGA為處理中心，實(shí)現各種工作模式，其功能框圖如圖2所示。功能模塊主要包括軟核Microblaze、對外部存儲器的接口MPMC、以及需要設計實(shí)現的Counterpulse IP核。在Counterpulse IP核與處理器軟核之間，采用了FSL總線(xiàn)進(jìn)行連接，實(shí)現由Microbalze對Counterpu-lse核的配置，以及由Counterpulse核到Microblaze的數據傳輸。

系統工作時(shí)，由Microblaze軟核通過(guò)網(wǎng)口接收由PC機發(fā)送來(lái)的命令，根據命令，通過(guò)一路FSL總線(xiàn)對光子計數IP核進(jìn)行工作模式的選擇和配置。計數IP核對外部計數源進(jìn)行計數，計數的結果和狀態(tài)數據通過(guò)另一路FSL總線(xiàn)發(fā)送到Microblaze軟核，由Microblaze軟核將該數據在DDRRAM內進(jìn)行緩沖，并通過(guò)網(wǎng)口將這些數據最終發(fā)送給PC機，由PC機進(jìn)行分析處理。
系統有三種工作模式：模式一：使能計數，使能信號有效時(shí)(高電平有效)，對光子計數輸入的計數脈沖信號進(jìn)行計數；模式二：定周期計數，根據設定的計數周期，對光子計數輸入的計數脈沖信號進(jìn)行計數；模式三：?jiǎn)?dòng)和停止信號分開(kāi)的計時(shí)，根據輸入的計數啟動(dòng)信號和計數停止信號(均為上升沿有效)，進(jìn)行以系統基頻為基準的計時(shí)，以實(shí)現函數測量。