以較低的設計和生產(chǎn)成本推廣到其他光子計數(shù)器的設計和實現(xiàn)

門光子計數(shù)器是量子光學實驗中單光子探測常用的數(shù)據(jù)采集設備，用于收集單光子探測器探測到的單個光子信號。由于不同的場合需要用到不同的計數(shù)模式，商用的計數(shù)器往往難以滿足具體的需求，或者造成采集效率低下。系統(tǒng)采用的是一種基于MicroBlaze系統(tǒng)FSL總線的可擴展計數(shù)器設計架構，該架構能夠靈活的添加不同的計數(shù)功能，并通過統(tǒng)一的FSL總線和Microblaze CPU與PC通信。在該架構的基礎上實現(xiàn)了針對量子單自旋調(diào)控實驗中常用的計數(shù)模式。系統(tǒng)所采用的設計和實現(xiàn)方式可以推廣到其他光子計數(shù)需求中，并具有較低的設計和生產(chǎn)成本。

0 引言

光學領域尤其是量子光學領域的實驗常常需要進行單個相干光子的探測用于實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的采集。一般常用的配置是一個單光子探測器加上一個門光子計數(shù)器，其前端的單光子探測器用來收集光子信號，每探測到一個光子產(chǎn)生一個TTL脈沖，后端的門光子計數(shù)器用來記錄該TTL上升沿數(shù)目并且與PC等其他器件通信或者同步。APD的工作方式相對簡單，而門光子計數(shù)器則由于具體實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(shù)模式能夠滿足各種情況的需求。由于成本限制，功能固定的計數(shù)器往往因為沒有廣闊的市場而造成價格很高。另一方面，工業(yè)和科研界購買的商用計數(shù)器往往無法滿足自己的具體需求而導致工作效率低下，甚至無法滿足要求。
所謂門光子計數(shù)器就是針對單自旋量子調(diào)控實驗研究中對單個光子探測的需求所研制的。單自旋量子調(diào)控是對晶體中的缺陷，如量子點和金剛石色心進行控制，其信號讀出一般是通過自旋發(fā)生的單個光子進行探測實現(xiàn)的。在此類實驗中常用的技術有三種：門光子計數(shù)、定時計數(shù)和相關函數(shù)測量。文中所述的系統(tǒng)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(shù)功能。

1 系統(tǒng)結構設計

整體系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示，通過PC機的以太網(wǎng)口實現(xiàn)與計數(shù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊與命令傳輸，PC機將工作模式選擇等命令通過網(wǎng)口向系統(tǒng)發(fā)送，而系統(tǒng)將在不同模式下的計數(shù)值及計數(shù)狀態(tài)等數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口發(fā)送到PC機，交由PC機對數(shù)據(jù)進行處理。系統(tǒng)的主芯片采用Xilinx的SPARTAN 3E系列的XC3S500E。系統(tǒng)的光子計數(shù)輸入由兩個BNC接口引入，這兩個接口可以由FPGA進行配置，使光子計數(shù)器以不同的模式進行工作。系統(tǒng)的固件燒寫在FLASH芯片內(nèi)，SDRAM提供了大容量存儲空間，用于運行時裝載Microblaze軟核代碼、計數(shù)應用代碼以及存儲計數(shù)的數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)以FPGA為處理中心，實現(xiàn)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、以及需要設計實現(xiàn)的Counterpulse IP核。在Counterpulse IP核與處理器軟核之間，采用了FSL總線進行連接，實現(xiàn)由Microbalze對Counterpu-lse核的配置，以及由Counterpulse核到Microblaze的數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)工作時，由Microblaze軟核通過網(wǎng)口接收由PC機發(fā)送來的命令，根據(jù)命令，通過一路FSL總線對光子計數(shù)IP核進行工作模式的選擇和配置。計數(shù)IP核對外部計數(shù)源進行計數(shù)，計數(shù)的結果和狀態(tài)數(shù)據(jù)通過另一路FSL總線發(fā)送到Microblaze軟核，由Microblaze軟核將該數(shù)據(jù)在DDRRAM內(nèi)進行緩沖，并通過網(wǎng)口將這些數(shù)據(jù)最終發(fā)送給PC機，由PC機進行分析處理。
系統(tǒng)有三種工作模式：模式一：使能計數(shù)，使能信號有效時(高電平有效)，對光子計數(shù)輸入的計數(shù)脈沖信號進行計數(shù)；模式二：定周期計數(shù)，根據(jù)設定的計數(shù)周期，對光子計數(shù)輸入的計數(shù)脈沖信號進行計數(shù)；模式三：啟動和停止信號分開的計時，根據(jù)輸入的計數(shù)啟動信號和計數(shù)停止信號(均為上升沿有效)，進行以系統(tǒng)基頻為基準的計時，以實現(xiàn)函數(shù)測量。

2 系統(tǒng)設計實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件框圖
計數(shù)系統(tǒng)硬件結構如圖3所示，由FPGA、64MB的DDR存儲器、16MB的FLASH存儲器和10M/100M以太物理層(PHY)等組成。系統(tǒng)工作時，由PC機通過網(wǎng)口發(fā)送命令到FPGA，F(xiàn)PGA內(nèi)部的Microblaze軟核配置計數(shù)IP核的工作模式，由FPGA通過兩路BNC接口對外部計數(shù)源進行計數(shù)，并將數(shù)據(jù)在DDRRAM內(nèi)進行緩沖，最終將這些數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口發(fā)送到PC機。

2.2 主要元器件介紹
2.2.1 FPGA芯片及其配置芯片選用
FPGA選用Xilinx公司的Spartan-3E系列XC3S500E，采用先進的90nm制造工藝生產(chǎn)，其器件密度為50萬門。Spartan3系列的FPGA是Xilinx公司專門針對大容量、低成本需求的電子設計而開發(fā)的，可支持多種電平的I/O標準；含有豐富的邏輯資源。XC3S500E具有360kbits的塊RAM、73kbits的分布式RAM、10476個邏輯單元、20個18×18的乘法器和4個DCM時鐘管理模塊。
FPGA的配置芯片選用的是Xilinx公司的在系統(tǒng)可編程配置芯片XCF04S，該芯片可為XC3S500E提供易于使用、成本低且可重復編程的配置數(shù)據(jù)存貯方法，該芯片支持IEEE1149.1標準的JTAG邊界掃描測試和編程。在本系統(tǒng)設計中，XCF04S主要存放用于引導Microblaze軟核及應用程序的引導代碼。
2.2.2 存儲芯片
系統(tǒng)使用的RAM是Micron Technology公司的DDRSDRAM(MT46V32M16)，是一片容量為512Mbit(32Mx16)的16位總線寬度存儲芯片，用于上電后加載Microblaze軟核代碼和應用程序代碼，以及對計數(shù)數(shù)據(jù)進行緩沖。FLASH芯片是Intel StrataFlash parallel NORFlash，型號為28F256J3，存儲密度為256Mbit，在本系統(tǒng)中用于保存Microblaze軟核代碼和應用程序代碼。

3 功能設計實現(xiàn)

3.1 基于EDK的FPGA軟核Microblaze的應用設計實現(xiàn)
系統(tǒng)設計工具主要采用Xilinx公司的嵌入式開發(fā)套件EDK，它是用于設計嵌入式處理系統(tǒng)的集成解決方案。它包括搭建硬件平臺的XPS和進行軟件配置的SDK。
Microblaze是Xilinx公司推出的32位軟處理器核，支持CoreConnect總線的標準外設集合。MicroBlaze處理器運行在150MHz時鐘下，可提供125 D-MIPS的性能，這種高效的軟核在本系統(tǒng)中可用于實現(xiàn)處理器功能，實現(xiàn)對計數(shù)IP核的配置，以及支撐Xilinx的clockgenerator、Et-hernet等IP核。系統(tǒng)對計數(shù)器的實現(xiàn)采用Verilog語言將計數(shù)功能編寫為IP核，將其通過FSL總線掛在Microblaze軟核上，以實現(xiàn)計數(shù)功能。
3.2 通訊協(xié)議
Microblaze到計數(shù)IP核之間的通訊數(shù)據(jù)定義如下：

計數(shù)IP核到Microblaze之間的通訊數(shù)據(jù)定義如下：

3.3 計數(shù)IP核的設計實現(xiàn)
3.3.1 計數(shù)IP核的結構
計數(shù)IP核采用verilog硬件語言編寫，其結構如圖6所示，頂層文件counterpulse3對接口進行配置，并根據(jù)FSL總線上的命令參數(shù)選擇工作模式，pulsecount1、pulsecount2和pulsecount3分別是3種工作模式的代碼實現(xiàn)，fsloprt是與FSL進行接口的代碼。

3.3.2 與FSL總線接口
fslopn.v的代碼完成與FSL總線接口功能。FSL總線是單向點對點的通道，它用于完成任意FPGA中兩個模塊的快速通訊。FSL總線是基于FIFO的，基于非共享的無仲裁通信機制，它的深度是可以設置的，最大可以到8k，具備高速的通信性能，其結構如圖7所示。

由于FSL總線是單向的，所以系統(tǒng)中采用了兩條FSL總線，實現(xiàn)Mieroblaze到計數(shù)IP核之間的雙向通訊，計數(shù)IP核在面對兩條FSL總線時，擔當?shù)姆謩e是MASTER(主)和SLAVE(從)兩種角色。因此，fsloprt.v的代碼應該同時滿足與FSL總線接口的讀和寫時序。讀寫時序如圖8和圖9所示。

3.4 計數(shù)IP核和FSL總線的在EDK中的連接實現(xiàn)
為了能使用FSL總線，首先應該在XPS圖形界面中對Microblaze進行配置，在Buses中將Number of FSL Links設置為1。再在IP Catalog中將FSL總線加入到工程中兩次。
在計數(shù)IP核編寫后并綜合通過后，將該IP核導入到XPS工程中。
在XPS中，分別對Microblaze和計數(shù)IP核的MFSL和SFSL進行連接，將Microblaze的MFSL端連接到計數(shù)IP核的SFSL端，反之將計數(shù)IP核的MFSL端連接到Microblaze的SFSL端。并在system.mhs中進行如下配置：

由于從計數(shù)IP到Microblaze方向數(shù)據(jù)量較大，所以對FSL總線的深度進行了配置，如上述代碼中，PARAMETERC_FSL_DEPTH=128，被配置為128級深度。

4 結論

在系統(tǒng)的設計中，光子計數(shù)IP核與Mieroblaze軟核之間通過FSL總線進行通訊，并且對FSL總線上的FIFO緩沖進行了深度擴充，大大增強了光計數(shù)數(shù)據(jù)的傳輸可靠性。由于系統(tǒng)將門光子計數(shù)的三種模式，以IP核的方式實現(xiàn)，相對于市場上商用的計數(shù)器來說，實現(xiàn)方式靈活，易于配置和擴展，這種方式為門光子其他可能潛在的計數(shù)需求留下了擴展的基礎，并具有較低的設計和生產(chǎn)成本。