使用LabVIEW與NI FlexRIO實(shí)現基于FPGA的單原子反饋控制

　　挑戰:

　　開(kāi)發(fā)一種定制的時(shí)域數字轉換器來(lái)研究光與物質(zhì)相互作用的基本量子性質(zhì)。

　　解決方案:

　　使用NI公司的 FlexRIO 與 LabviewFPGA模塊來(lái)創(chuàng )建強大的，多功能的定制儀器，從而使我們可以用硬件實(shí)現時(shí)間嚴格任務(wù)的實(shí)時(shí)處理。這樣可以實(shí)現對極小系統的反饋控制，甚至于單個(gè)原子與單個(gè)光子的相互作用。

　　反饋是控制動(dòng)態(tài)系統最強有力的技術(shù)之一。我們實(shí)驗室研究的系統含有一個(gè)單獨的，與單個(gè)光子相互作用的中性孤立原子——量子化電磁場(chǎng)的本征激發(fā)——被高反射性的腔式鏡面所環(huán)繞(如圖 1和 2)。使用這套系統，我們可以研究光與物質(zhì)相互作用的基本量子性質(zhì)，要實(shí)現這一點(diǎn)必須將原子限制在腔鏡的中央。然而，固有的加熱過(guò)程更傾向于將原子推向其它位置。我們的目標是通過(guò)快速的電子反饋技術(shù)來(lái)抑制這種運動(dòng)，使用回復力抵消這種逃逸運動(dòng)。其基本原理如圖3所示。運動(dòng)的不可預測性使得針對它的反應必須快速，但是系統的量子特性限制了信息量的提取。因此，我們必須在100ns內，快速執行基于單個(gè)光子探測決策過(guò)程。我們展示的反饋方案[1,2]在這方面做得非常好。

　　解決這一棘手任務(wù)的關(guān)鍵電子元件是NI PXI-7954R NIFlexRIOFPGA模塊，結合NI 6581高速數字輸入輸出適配器模塊。使用適配器模塊的主要意圖是通過(guò)緩沖暴露的FPGA引腳的數字輸入與輸出，防止損壞。NIFlexRIO模塊被安裝在NI PXIe-1075機箱上，它具有NI PXIe-8130集成主機控制器。FPGAs是特殊的可重配置的集成電路，因此它們可以達到由硬件實(shí)現的高性能， 同時(shí)在整個(gè)設計過(guò)程中可以實(shí)現很高程度的通用性。 這一點(diǎn)，連同它們固有的并行性，可以提供快速與確定性的執行過(guò)程，從而使它們在科學(xué)研究與工業(yè)生產(chǎn)中成為廣泛而有力的工具。NIFlexRIO模塊具有兩個(gè)主要優(yōu)勢。首先，它允許通過(guò)LabVIEWFPGA 模塊快捷地為FPGA編程， 我們可以使用這種圖形化的設計語(yǔ)言來(lái)設計高層的FPGA電路，同時(shí)如果有必要，它也集成了常用的，底層的VHDL代碼。其次，FlexRIO模塊直接將FPGA引腳展現給用戶(hù)，能夠實(shí)現高度定制的I/O。因此，它允許定制的，高性能硬件的創(chuàng )建。在我們的應用中，我們開(kāi)發(fā)了一套定制的時(shí)域數字轉換器，它能夠以一個(gè)納秒的分辨率對多個(gè)數字通路進(jìn)行采樣，處理實(shí)時(shí)數據，運用反饋算法，并向用戶(hù)輸出重要的信息。

　　具有1 ns分辨率與64位動(dòng)態(tài)范圍的四通道時(shí)域數字轉換器

　　工作在很低的光強下，要求使用的設備能夠探測單個(gè)光子。這些設備，稱(chēng)為單光子計數模塊(SPCM)，是基于雪崩光電二極管制造的，并能在探測到單個(gè)光子的時(shí)候發(fā)射數字電子脈沖(如圖4所示)。我們使用由美國珀金埃爾默(PerkinElmer?)公司制造的設備(AQR-14)。脈沖的上升沿能夠以350皮秒的精確度表示出光子的到達時(shí)間。對于我們的應用來(lái)說(shuō)，1 ns的分辨率剛好需要FPGA對每個(gè)連接到SPCM的數字通路以1 GHz的頻率采樣。

　　高采樣率可以通過(guò)使用Xilinx Virtex-5設備內置的數字串并轉換能力實(shí)現，我們可以用它來(lái)把1 Gbit/s的數據流轉換成8個(gè)同步的，每個(gè)125 Mbits/s的數據流。 每個(gè)數據流描述原始數據流的一部分，數據間的時(shí)間間隔為1 ns(如圖5所示)。這項功能是通過(guò)LabVIEW中插入常用CLIP (器件級知識產(chǎn)權方案)實(shí)現的，從而允許集成的VHDL代碼訪(fǎng)問(wèn)FPGA的輸入/輸出引腳。

　　每個(gè)上升沿對應于一個(gè)光子撞擊，需要至少36位動(dòng)態(tài)范圍的時(shí)間標記;記錄多達一分鐘的數據集是非常有必要的，同時(shí)要避免內部計數器的溢出。這是通過(guò)運用邊緣檢測單元實(shí)現的，它對每8位寬度的，由“iserdes”產(chǎn)生輸出的“串并轉換”的數據流進(jìn)行掃描。無(wú)論何時(shí)探測到上升沿，一個(gè)事件標志被宣稱(chēng)。一個(gè)用于表示8 ns間隔中事件發(fā)生位置的，3位形式的數據另外產(chǎn)生出來(lái)。這個(gè)值與61位的計數器同步運行在125 MHz的時(shí)鐘下?？傆?，這能提供64位的時(shí)間標記，然后它——連同事件標志一起——被傳遞給LabVIEWFPGA。從那一刻起，LabVIEW VI負責處理剩下的部分。

　　四個(gè)探測器中每一個(gè)的光子撞擊的時(shí)間標記都緩存在FIFOs。隨后，它們被分類(lèi)并合并成一個(gè)常見(jiàn)的數據流，它也具有控制信息。在數據流經(jīng)由DMA通道進(jìn)入主機PC的內存之前，它被緩存于NIFlexRIO模塊的DRAM中?？傮w而言，這種結構允許在每個(gè)通道低于2,000個(gè)事件的情況下，實(shí)現每秒高達125百萬(wàn)個(gè)事件的峰值計數率。此外，平均每秒1億個(gè)事件的計數率也可實(shí)現。這種情況可以持續大約1.6千萬(wàn)個(gè)事件，這是由DDR2內存的尺寸與速度限制造成的。最終，一個(gè)持續的25 MHz的計數率被實(shí)現，這是由PXI總線(xiàn)的帶寬限制所決定的。升級成NI PXIe-796x NIFlexRIO模塊將顯著(zhù)地提高平均計數率，這是因為增加的PXI Express總線(xiàn)速度，以及更快更大的DDR2內存。

　　請注意，盡管使用了專(zhuān)為處理高達200 Mbit/s數據率的NI 6581適配器模塊的DDCA口，只要計數率不超過(guò)100 MHz，以1ns的分辨率探測上升沿仍然是可行的。適當的運行模式已經(jīng)通過(guò)使用安捷倫的81150A 脈沖信號發(fā)生器的大量測試進(jìn)行了驗證。

　　逐個(gè)光子對單個(gè)原子的反饋

FPGA要執行的主要任務(wù)是實(shí)時(shí)對原子軌跡進(jìn)行有效控制。我們使用NIFlexRIOFPGA模塊來(lái)控制單個(gè)原子的運動(dòng)，它被俘獲于光腔內部的光學(xué)偶極阱。只需要通過(guò)探測一些光子，我們就能獲得有關(guān)阱中原子實(shí)際位置的充足信息，從而操控它的運動(dòng)。在這里，FPGA模塊被用于記錄光子的到達時(shí)間，評估原子的軌跡，并基于這些信息改變原子的俘獲勢能。當探測到單個(gè)光子時(shí)，一個(gè)數字化的電子脈沖被光電探測器發(fā)射出來(lái)，到達時(shí)間被FPGA以1 ns的分辨率在多個(gè)通路記錄?；诠庾颖惶綔y到的計數率變化，FPGA判斷原子是否正向俘獲勢能的中心移動(dòng)，或是在勢阱的外部，來(lái)決定減少或增加俘獲勢能。

NIFlexRIO模塊將被原子散射的光子的到達時(shí)間逐個(gè)分類(lèi)并歸棧。典型的歸棧時(shí)間間隔一般為幾百萬(wàn)分之一秒，它涉及到曝光時(shí)間，每隔幾納秒需要校正一下。散射光子率的變化通過(guò)比較當前堆棧與之前堆棧來(lái)評估，它被延時(shí)，延時(shí)時(shí)間等于曝光時(shí)間。延時(shí)使用FIFOs實(shí)現。在我們的實(shí)驗中，光子通量的減少表明原子正向光腔的中部移動(dòng)，而增加預示著(zhù)原子正向外部移動(dòng)。因為被俘獲的原子對多種不同的力都非常敏感，它的運動(dòng)在規則振動(dòng)的同時(shí)，又疊加了一些無(wú)序的運動(dòng)。這種機制使得原子軌跡在時(shí)間尺度內的不可預測性比它的振動(dòng)頻率更大，其振動(dòng)頻率一般約為5 kHz。一旦原子積累的動(dòng)能超過(guò)它所處勢阱的深度，它就會(huì )丟失。原子呆在勢阱的時(shí)間被認為是存儲時(shí)間。此外，對于一個(gè)被俘獲原子來(lái)說(shuō)，散射光子的通量一般僅為每10 μs一個(gè)光子的量級，從而使執行有效的反饋方案非常困難，這是因為有用的信息太少。一種可行的方案需要數字化地在高低值之間改變阱的勢壘深度，取決于是否當前時(shí)間間隔內的撞擊數量超過(guò)先前一定數值。就如同它看起來(lái)那么簡(jiǎn)單，與沒(méi)有信號反饋回來(lái)的情況相比，它在原子的平均存儲時(shí)間方面增加了30倍。存儲時(shí)間平均1秒，最高超過(guò)7秒的結果已經(jīng)實(shí)現，從而使這項技術(shù)完全可以與激光冷卻方案相比，它要求更為復雜的光學(xué)結構。目前更加精密的反饋策略正在研究中。

　　監測

　　除了存儲有關(guān)發(fā)射光子流的信息并反饋到系統中，將重要的信息顯示給實(shí)驗者也至關(guān)重要。對于最初的方案來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)尤其重要。為實(shí)現這一目的，我們將一個(gè)快速數字模擬轉換器(DAC)與兩個(gè)視頻圖形陣列(VGA)連接器集成到FPGA。

　　DAC是AD(Analog Devices)公司的TxDAC (AD9744)，它能提供210 Ms/s的采樣率，同時(shí)具有14位的分辨率。在當前設計下，它運行在125 MHz的時(shí)鐘頻率下，并輸出一個(gè)與探測到的光子數目成正比的電壓。DAC的數據與時(shí)鐘引腳被連接到NI 6581;22 Ω的電阻被串聯(lián)以減少數字DAC輸入的反射。模塊的其余引腳被用于同VGA顯示器交互?；旧厦總€(gè)VGA連接器含有三根信號線(xiàn)，以及兩根數據線(xiàn)。信號線(xiàn)傳輸紅，綠，藍顏色信息。VGA的說(shuō)明書(shū)要求它們連接75 Ω的電阻，并且承受0 V (黑色) 到 0.7 V (全部彩色亮度)的電壓。同步由兩個(gè)高阻TTL數據線(xiàn)實(shí)現，規定了水平與垂直的回描周期。如果只有8個(gè)顏色值(3位顏色深度)是需要的，那經(jīng)由270 Ω電阻連接VGA連接器信號引腳與NI 6581適配器模塊(采用3.3 V的配置模式)就足夠了。數據線(xiàn)串聯(lián)一個(gè)22 Ω的電阻。我們選擇將顯示器分為兩部分：一部分顯示基于文本的信息，另一部分是圖像信息。對于文本模式來(lái)說(shuō)，一套8乘以16像素的黑/白字體被載入到FPGA的一個(gè)內分區塊RAMs中。另外一個(gè)區塊RAM存儲了符號編碼。圖形部分顯示了探測器發(fā)射的趨勢圖或反饋算法的計算;這些圖表也存儲于內分區塊RAM。運行于108 MHz像素時(shí)鐘的，1280乘以1024像素的顯示模式可以很容易地實(shí)現。

　　總結

　　使用NIFlexRIO，我們可以創(chuàng )建自己的高性能定制硬件。時(shí)域數字轉換器是非常強大以及功能廣泛的工具，可用于科學(xué)研究與工業(yè)生產(chǎn)的很多不同領(lǐng)域，它所能提供的優(yōu)勢超過(guò)了很多商業(yè)上可用的產(chǎn)品。FPGAs的計算能力進(jìn)一步幫助我們從硬件上來(lái)實(shí)現時(shí)間嚴格任務(wù)的實(shí)時(shí)處理，從而使對較小系統執行反饋控制成為可能，甚至于單個(gè)原子與單個(gè)光子的相互作用。

　　使用LabVIEWFPGA，我們可以快速地開(kāi)發(fā)FPGA編碼，這是因為它的高度概括性，同時(shí)適當地集成了VHDL IP。此外，使用PXI平臺讓我們可以在系統中利用跟其它PXI儀器的觸發(fā)與同步，從而使我們可以將定制的儀器集成到更大的系統中去，而不必執行整個(gè)的定制設計。

　　參考文獻

　　[1] A. Kubanek, M. Koch, C. Sames, A. Ourjoumtsev, P. W. H. Pinkse, K. Murr, and G. Rempe, Photon-by-photon feedback control of a single-atom trajectory, Nature 462, 898-901 (2009)

　　[2] M. Koch, C. Sames, A. Kubanek, M. Apel, M. Balbach, A. Ourjoumtsev, P. W. H. Pinkse, and G. Rempe, Feedback Cooling of a Single Neutral Atom, Phys. Rev. Lett. 105, 173003 (2010)

　　[3] P. W. H. Pinkse, T. Fischer, P. Maunz, G. Rempe, Trapping an Atom with Single Photons, Nature 404, 365-368 (2000)

　　[4] P. Maunz, T. Puppe, I. Schuster, N. Syassen, P. W. H. Pinkse, and G. Rempe, Normal-Mode Spectroscopy of a Single-Bound-Atom–Cavity System, Phys. Rev. Lett. 94, 033002 (2005)