摘要：针对皮秒时间相关单光子计数光谱仪中多道分析仪传输速率不高的情况，在荧光光谱测量中的多道定标技术的基础上，提出了采用 PCI 总线的数据采集卡改进方案。该方案以存储器中不同的地址作为测量中不同的道，将以FPGA 实现的高速计数器按选定时间间隔的计数结果存入相应道中，存储器中数据经 PCI 总线读入内存并分析处理，从而取代原系统中的多道分析仪。实验结果显示，数据采集卡传输速率达到 20MB/s，比多道分析仪提高了200 倍。
引 言
时间相关单光子计数光谱方法(Time-Correlated Single Photon Counting, TCSPC)适于皮秒、纳秒及微秒时间尺度的荧光衰减和时间分辨光谱测量。它采用统计方法，直接给出荧光寿命;具有光子计数探测能力，测试精度高，动态范围大，可以在低激发密度下，研究荧光量子产额低的样品;还能够采用激发密度分辨的方法研究复杂过程。研制的皮秒 TCSPC 光谱仪具有最高的灵敏度—单光子计数，荧光寿命可达到皮秒量级，而且时间分辨率可以达到8.8ps，还能够根据需要重新组合配置，获得不同功能，而且具有极高的测试精度和较大的动态范围。光谱仪系统由皮秒激光系统、光学系统、皮秒光探测系统、皮秒时间相关电子学系统和微机处理系统等几部分组成(见图1)。
皮秒激光系统由锁模氩离子激光器、同步泵浦染料激光器、同步泵浦腔倒空激光器和激光倍频器组成。输出激光波长290~300nm, 脉宽小于 20ps, 重复频率(Hz)有 4M, 800K, 400K, 80K,40K, 8K, 4K, 800, 400, 单次。另外，系统还可用钛宝石飞秒激光器、半导体皮秒激光器、纳秒闪光灯等作为光源。光学系统的主体部分是消时间弥散分光系统，配有前置的样品室和光会聚系统。皮秒探测系统由两部分组成，分别为超快 PIN 光电二极管和微通道板 PMT。而皮秒电子学系统由两套 GHz 放大器、PICO 鉴别器和时幅转换器组成。数据采集处理系统包括多道分析仪和数据处理软件。
该光谱仪数据采集系统的低采集速率使得仪器的性能不能充分发挥，同时还有体积大、价格昂贵等缺点。本文利用PCI 总线的高传输数度及良好的接口特性，以 PCI 总线数据采集卡替代原光谱仪中的多道分析仪，经试验取得了预期效果。
1 系统的组成和工作原理
依据经典、半经典或量子理论，在被测的微弱随机光场作用下，光电子发射概率密度与光场瞬时强度成正比。降低激光功率，使每一个激光脉冲所含能量足够小，以至于每次激发样品时或者仅有一个荧光光子到达 PMT 的光阴极，或者没有，从而测得单个光电子到达概率分布，也就得到了微弱光场衰变曲线。在PCI 数据采集卡的设计中，我们采用了多道定标技术(MCS)[2]。即将测量过程划分成时间上等间隔的时间段，每段称为一道，并在存储器中对应相应的一个地址。经多次触发测量，最后对存储在各个地址中的数据进行统计，得到每道的测量值，由此获取以时间为函数的光子数量分布曲线，从而得到样品的荧光衰减曲线。在本采集电路中，道的时间间隔可实现程控选择。
使用PCI 数据采集卡代替了多道分析仪之后的系统框图见图2，用皮秒激光系统高重复频率的锁模短脉冲激光激发样品，样品发射荧光，经过分光系统，用微通道板PMT 做皮秒光子探测器，探测每次激发所获得的荧光光子数量。微通道板 PMT的输出脉冲经快速前置放大器-放大器-甄别器后接入到数据采集卡的输入端，由高速计数器计数后存入数据采集卡存储器中相应的道地址。使用超快 PIN 光电二极管作为皮秒多光子探测器，探测激光光场到达时间，作为计数起始信号。在采集卡存储器存满或采集完成时，由数据采集卡触发PCI 总线中断将数据读入内存交数据处理软件处理.
2 数据采集系统的组成与实现
2.1 数据采集、控制电路
PCI 总线数据采集卡的原理框图见图3。数据采集、控制电路的功能是对放大器输出的信号计数并送缓存器缓存，在满足一定条件时触发中断。具体工作原理是：PMT输出的信号是一些包含着噪声的时间随机脉冲，经 GHz前置放大器-甄别器后进入数据采集卡。PCI 总线接口芯片发出采集开始信号使能采集电路，波形整形对输入脉冲进行鉴幅整形，滤去其中的噪声并改善了信号的边沿。由 FPGA 实现的高速计数器对输入脉冲计数，在控制电路输出时序的控制下，计数结果输入缓存器双口 RAM，从而完成了固定时间内对光子数量的计数。控制电路输出清零脉冲控制每次计数的时间间隔，可通过对控制电路编程来调节计数时间间隔的长短，本数据采集卡可实现25ns, 50ns, 100ns, 200ns 四个时间间隔。
本模块的核心器件是Altera 公司的FPGA EPF10K30 和 IDT 公司的双口RAM IDT7026。EPF10K30 是控制电路的主要功能模块，除高速计数器外，在它的内部还实现了计数结果锁存、计数器清零脉冲、双口RAM 的地址选通、中断触发信号的产生以及对本地电路的使能。EPF10K30 内部的控制时序见图4。IDT7026是16K×16的双端口RAM,具有两套相互独立的地址线和数据线，可以实现两端同时异步访问，最小访问延时为 15ns。
2.2 PCI 总线接口电路
PCI 总线接口芯片选用了 PLX 公司的 PCI9052，PCI 9052 是符合 PCI 2.1 规范的 PCI 总线从模式接口芯片。该芯片具有五个本地地址空间和四个片选信号，可以对本地存储器进行直接从模式猝发访问，通过对配置寄存器编程，可以对本地地址空间进行设置。该芯片自带串行 EEPROM 接口，可直接连接为其提供配置信息的 EEPROM。能直接为本地总线提供时钟，并可直接驱动本地总线而无需添加任何驱动电路。PCI 9052 的配置寄存器设置是正确使用该芯片的关键。PCI 配置空间分为两部分：头标区和设备有关区。头标区的长度为 64 字节，该区中的各个字段用于唯一地识别设备。需要开发者配置的寄存器为设备识别、厂商代码、分类代码、修改版本、中断线及中断引脚等六个寄存器。设备有关区共有21 个寄存器，包括中断控制/状态寄存器、综合寄存器，对应于每个地址空间(共五个地址空间)的范围寄存器、基址寄存器，以及总线区域描述符寄存器和和对应于片选信号(共四个片选信号)的片选基址寄存器。开发者要对这些寄存器全部进行配置。在本电路的设计中，我们将双口 RAM 映射到本地地址空间3，其各个配置寄存器的值如下：范围寄存器 FFFFC000，基址寄存器 01000001，总线区域描述寄存器 542138E9，片选基址寄存器01004001，各个寄存器的设定方法请读者参考 PCI 9052 的数据手册。同时我们，使用本地总线 LINTi1 作为本地总线的中断引脚，触发 PCI 总线中断INTA。另外，使用 USER0 引脚作为 PCI 9052 的用户 I/O 口，实现对采集开始及结束的通知功能。
3 数据采集系统的软件设计
3.1 驱动程序设计
Windows 为了系统自身的安全性，屏蔽了应用程序对底层硬件的直接访问，用户程序只能通过与硬件的驱动程序交互来交换信息。WDM(Windows Driver Model)是微软为 Windows 2000/XP 操作系统提出的驱动程序模型。WDM 驱动程序是一种PnP 驱动程序，同时还遵循电源管理协议，能实现 Windows 98 和 Windows 2000 间的源代码级兼容。考虑到驱动程序效率及开发周期，我们选用了Compuware 的 DriverStudio 工具包作为驱动程序的开发工具。
PCI 数据采集卡的驱动程序是标准的 WDM 驱动程序，因此包含 WDM所应具有的基本例程。主要功能例程有负责映射和分配资源的 StartDevice例程，用于处理 DeviceIoControl IRP 的 OnDeviceControl 例程，用于处理ReadFile IRP 的 Read 例程以及处理中断请求的ISR 例程。
3.2 应用程序设计
应用程序实现两个功能，一是提供用户界面并接收用户输入的指令，二是与驱动程序通信，为此选用 Visual C++ 作为应用程序的开发工具。用户界面的编写使用了 MFC 类库。应用程序通过调用 Win32 API 函数与驱动程序通信，例如使用 CreatFile( ) 获取驱动程序句柄，使用 ReadFile( ) 从驱动程序中读取数据等，应用程序的程序流程图见图5。
4 结 论
原皮秒光谱仪中采用多道分析仪对时变转换器输出进行采集，多道分析仪采集速率为100KHz，与计算机通过串口相连，存在采集速度慢，体积庞大，不利于集成且价格昂贵等缺陷。独立开发的 PCI 总线数据采集卡，能与自编的驱动程序协调工作，数据传输率达到 20MB/s，突破了单光子计数光谱仪传统结构，在保持原有时间分辨率的基础上，采集速度提高了约 200 倍，同时在减小仪器体积、降低仪器成本方面效果显著。
参考文献：
[1] 张秀峰, 宋克菲, 韩炳冬, 等. 皮秒时间相关单光子计数光谱仪的研制 [J]. 光电子·激光, 2004, 15(1): 45-49.ZHANG Xiu-feng, SONG Ke-fei, HAN Bing-dong, et al. Design of pico-second time correlated single photo countingspectrometer [J]. Photoelectron · Laser, 2004, 15(1): 45-49.
[2] 林久令. 时间相关单光子计数光谱方法 I.时间统计特性 [J]. 光谱学与光谱分析, 1996, 16(6): 14-17.LIN Jiu-ling. Time correlation single-photon counting method I. time statistics [J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 1996,16(6): 14-17.
[3] 林久令, 张志舜. 皮秒时间相关单光子计数方法[J]. 数据采集与处理, 1986, 4(Supplement): 128-130.LIN Jiu-ling, ZHANG Zhi-shun. Picosecond time-correlated single photon counting[J]. Data Sampling and Processing，1986,4(Supplement): 128-130.
[4] 韩炳冬, 张秀峰, 林久令, 等. PCI 数据采集卡 WDM 驱动程序设计中关键问题研究[J]. 长春理工大学学报(自然科学版),2004, 27(2): 113-117.HAN Bing-dong, ZHANG Xiu-feng, LIN Jiu-ling, et al. Research on key problems in developing a WDM diver[J].Transaction of Changchun Science and Technology UNIversity, 2004, 27(2): 113-117.
基金项目：国家自然科学基金仪器专项(69827002)
作者简介：韩炳冬(1981-)，男(汉族)，内蒙古固阳人，硕士，研究方向为高速数据采集及 Windows 底层开发。E-mail: hbd10@126.com
