摘 要： 分析了原有时间相关单光子计数光谱仪存在的不足，提出了改进方案。研制了高速数据采集系统，采用ＰＣＩ总线技术、ＦＰＧＡ技术，开发了高速光谱数据采集卡，取代了原有的多道分析仪，数据采集速度达到２０ＭＢ／ｓ，比原有仪器提高了约２００倍；改善了仪器的性能、减小了体积。介绍了光谱仪系统的集成和工作流程，并对仪器的性能进行分析，通过多种标准样品的试验数据分析和对比，光谱仪系统具有最高的灵敏度－单光子计数，测得荧光寿命可达到ｐｓ量级，而且可以测得时间分辨光谱。
时间相关单光子计数（ＴＣＳＰＣ）技术是时间高分辨光谱、空间高分辨光谱、超高灵敏光谱以及成像光谱技术的基础，在物理学、化学、生命科学［１］、材料学和信息科学技术等领域有着广泛的应用前景，对生物学、生物医学、生物化学、分子生物学、分析化学、组合化学、材料科学、分子计算等都有至关重要的意义。其核心技术已被应用到各种时间－飞行谱仪、测量空间大气的光雷达及光通讯信号传输时间特性测量中，所测得的光谱数据能够深入揭示物质内部的微观作用机制和跃迁动力学进程，具有很高的科学价值和显示度［２］。目前，中科院长春光学精密机械与物理研究所、西南交通大学、山东理工大学等科研院所从事此方面的研究，大部分停留在理论研究或仪器试制阶段。长春光学精密机械与物理研究所研制成功了皮秒时间相关单光子计数光谱仪，但技术还不够成熟，采用分立设备，仪器体积庞大。本研究对光谱仪的数据采集系统进行了改进，研制了基于ＰＣＩ技术的光谱仪数据采集卡，优化了仪器的结构，改善了仪器的性能。
１ 系统的组成及原理
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［２］。整套谱仪系统由皮秒激光系统、光学系统、皮秒光探测、皮秒时间相关电子学系统和微机处理系统等几部分组成［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、激光倍频器组成。输出激光波长２９０～３００ｎｍ，脉宽小于２０ｐｓ，重复频率：４ＭＨｚ，８００ｋＨｚ，４００ｋＨｚ，８０ｋＨｚ，４０ｋＨｚ，８ｋＨｚ，４ｋＨｚ，８００Ｈｚ，４００Ｈｚ，单次。另外，系统还可以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。激光系统输出的激光被分成两束，分别激发测试样品和超快ＰＩＮ光电二极管。
仪器的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。如前所述，在分别探测到激光和样品发射的荧光后输出电脉冲，经ＧＨｚ前置放大器，ＰＩＣＯ鉴别器处理后，为时间－高度转换器提供计时起始和终止时间。皮秒电子学系统由两套ＧＨｚ放大器、ＰＩＣＯ鉴别器及时间－高度转换器、多道谱分析仪组成。时间－高度转换器由两计时脉冲来驱动它的起始、终止电路，并且产生一正比于时间差的电脉冲。光谱仪系统利用多道分析仪开设时间窗口，可以很方便地测量样品的荧光寿命和时间分辨光谱。
微机系统控制光谱仪进行测量和数据采集，对数据进行解卷积处理，进行单指数、多指数衰减拟合，将数据打印输出。
该光谱仪数据采集系统沿用了传统的ＴＣＳＰＣ光谱仪器所采用的多道分析仪，它的采集速率很低，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。在充分分析了仪器的缺点，并结合现代电子及计算机技术的基础上，提出了对光谱仪器的改进方案，利用ＰＣＩ总线的高传输速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，提高仪器性能，减小体积，降低成本。
２ 改进方案及解决的关键技术
２．１ 改进方案
本研究从分析ＴＣＳＰＣ光谱仪器的缺点入手，提出了整体改进方案，研制了基于ＰＣＩ总线的数据采集卡。采用了多道定标技术（ＭＣＳ），将测量过程划分成时间上等间隔的时间段，每段称为一道，可由程序控制选择，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。
改进后的系统结构如图１所示，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，作为采集卡内部计数起始信号。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，用微道板ＰＭＴ做皮秒光子探测器，探测每次激发所获得的第一个荧光光子。微通道板ＰＭＴ的输出脉冲经快速前置放大器－放大器－鉴别器后接入到数据采集卡的输入端，作为采集卡内部计数起始信号。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。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。
２．２ 数据采集系统硬件设计
基于ＰＣＩ总线的数据采集卡的原理如图２所示，主要包括数据采集、控制电路和ＰＣＩ总线接口电路两部分。
数据采集、控制电路的核心器件是Ａｌｔｅｒａ公司的ＦＰＧＡ ＥＰＦ１０Ｋ３０和ＩＤＴ公司的双口ＲＡＭＩＤＴ７０２６，功能是控制高速计数器计数的起始和终止，进行有效计数并送缓存器缓存，还能够实现计数结果锁存、计数器清零脉冲、双口ＲＡＭ的地址选通，在满足一定条件时触发中断。ＰＣＩ总线接口芯片选用ＰＬＸ公司的ＰＣＩ９０５２，ＰＣＩ９０５２是符合ＰＣＩ ２．１规范的ＰＣＩ总线从模式接口芯片。该芯片具有５个本地地址空间和４个片选信号，可以对本地存储器进行直接从模式触发访问，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［３－４］。
ＰＣＩ总线接口芯片发出采集开始信号使其能采集电路，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２５，５０，１００，２００ｎｓ这４个时间间隔。
２．３ 数据采集系统软件设计
软件包括驱动程序和应用程序两个部分。ＰＣＩ数据采集卡的驱动程序是标准的ＷＤＭ（Ｗｉｎｄｏｗｓ ＤｒｉｖｅｒＭｏｄｅｌ）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Ｒｅａｄ Ｆｉｌｅ ＩＲＰ的Ｒｅａｄ例程以及处理中断请求的ＩＳＲ例程。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Ｗｉｎ３２ＡＰＩ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［５］。
３ 测试结果与比较
光谱仪系统集成之后，为了测试系统的性能指标，利用各种标准样品进行了实际测试，与原皮秒时间相关单光子计数光谱仪测试结果进行了对比，结果表明仪器与原光谱仪具有同样的性能。仪器不仅能够从光谱分辨的角度进行测量，而且能够测量时间分辨光谱；测量条件可以为光致发光，也可以是电致发光；测量荧光寿命的时间尺度是ｐｓ，μｓ，ｎｓ甚至更长，数据处理软件可以对数据进行单指数、多指数衰减拟合，本文仅以部分实验数据为例进行说明。
测试荧光寿命，我们采用藻红Ｂ、硫堇、掺ＥＵ磷酸盐玻璃及硫酸奎宁等作为光致发标准光样品，其中藻红Ｂ荧光寿命曲线如图３所示，荧光寿命为８１．９ｐｓ；掺ＥＵ磷酸盐玻璃荧光寿命曲线如图４所示。
电致发光样品为光电子器件（ＴＰＤ），结构为：ＩＴＯ／ＴＰＤ（３０ｎｍ）／ＴＰＤ：Ａｌｑ（４０ｎｍ）／Ａｌｑ（３０ｎｍ）／ＬｉＦ（０．５ｎｍ）／Ａｌ（１２０ｎｍ），图５为其荧光寿命曲线。
４ 结 论
本文研制的ＴＣＳＰＣ光谱仪，采用ＰＣＩ总线技术，设计了高速数据采集卡，取代了原有的多道分析仪。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。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力的基础上，数据采集速度达到２０ＭＢ／ｓ，比原有仪器提高了约２００倍；数据采集卡完全取代多道分析仪（５００ｍｍ×４００ｍｍ×３００ｍｍ）与原有的数据采集卡，减小了仪器的体积，降低仪器成本，仪器研制成功为超快、超灵敏光谱成像技术及医用光谱技术提供了科研基础。
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本文作者：张秀峰， 杜海英， 孙进生
