使用LabVIEW 与 NI FlexRIO实现基于FPGA的单原子反馈控制

作者:
Christian Sames - Max-Planck Institute of Quantum Optics
Markus Koch - Max-Planck Institute of Quantum Optics
Haytham Chibani - Max-Planck Institute of Quantum Optics
Maximilian Balbach - Max-Planck Institute of Quantum Optics
Tatjana Wilk - Max-Planck Institute of Quantum Optics
Gerhard Rempe - Max-Planck Institute of Quantum Optics

反馈是控制动态系统最强有力的技术之一。我们实验室研究的系统含有一个单独的，与单个光子相互作用的中性孤立原子——量子化电磁场的本征激发——被高反射性的腔式镜面所环绕(如图 1和 2)。使用这套系统，我们可以研究光与物质相互作用的基本量子性质，要实现这一点必须将原子限制在腔镜的中央。然而，固有的加热过程更倾向于将原子推向其它位置。我们的目标是通过快速的电子反馈技术来抑制这种运动，使用回复力抵消这种逃逸运动。其基本原理如图3所示。运动的不可预测性使得针对它的反应必须快速，但是系统的量子特性限制了信息量的提取。因此，我们必须在100ns内，快速执行基于单个光子探测决策过程。我们展示的反馈方案[1,2]在这方面做得非常好。


图1. 用于研究光与物质基本相互作用的激光系统的一部分。系统包括多种透镜，镜面，以及光学模块。


图2. 用于单个原子和光子实验的光学谐振腔（红色）

解决这一棘手任务的关键电子元件是NI PXI-7954R NI FlexRIO FPGA模块，结合NI 6581高速数字输入输出适配器模块。使用适配器模块的主要意图是通过缓冲暴露的FPGA引脚的数字输入与输出，防止损坏。NI FlexRIO模块被安装在NI PXIe-1075机箱上，它具有NI PXIe-8130集成主机控制器。FPGAs是特殊的可重配置的集成电路，因此它们可以达到由硬件实现的高性能， 同时在整个设计过程中可以实现很高程度的通用性。 这一点，连同它们固有的并行性，可以提供快速与确定性的执行过程，从而使它们在科学研究与工业生产中成为广泛而有力的工具。NI FlexRIO模块具有两个主要优势。首先，它允许通过LabVIEW FPGA 模块快捷地为FPGA编程， 我们可以使用这种图形化的设计语言来设计高层的FPGA电路，同时如果有必要，它也集成了常用的，底层的VHDL代码。其次，FlexRIO模块直接将 FPGA引脚展现给用户，能够实现高度定制的I/O。因此，它允许定制的，高性能硬件的创建。在我们的应用中，我们开发了一套定制的时域数字转换器，它能够以一个纳秒的分辨率对多个数字通路进行采样，处理实时数据，运用反馈算法，并向用户输出重要的信息。

具有1 ns分辨率与64位动态范围的四通道时域数字转换器

工作在很低的光强下，要求使用的设备能够探测单个光子。这些设备，称为单光子计数模块(SPCM)，是基于雪崩光电二极管制造的，并能在探测到单个光子的时候发射数字电子脉冲(如图4所示)。我们使用由美国珀金埃尔默(PerkinElmer®)公司制造的设备(AQR-14)。脉冲的上升沿能够以350皮秒的精确度表示出光子的到达时间。对于我们的应用来说，1 ns的分辨率刚好需要FPGA对每个连接到SPCM的数字通路以1 GHz的频率采样。


图3. a）一个光子探测器监测原子的位置。 NI FlexRIO FPGA处理信号并且控制光纤势能。 b）当原子向中心移动，势能降低，反之亦然，从而引起原子失去动能。


图4. 通过单光子计数模块(SPCM)监测单光子脉冲排放。脉冲宽度约17 ns。测量输出到50Ω。

高采样率可以通过使用Xilinx Virtex-5设备内置的数字串并转换能力实现，我们可以用它来把1 Gbit/s的数据流转换成8个同步的，每个125 Mbits/s的数据流。 每个数据流描述原始数据流的一部分，数据间的时间间隔为1 ns(如图5所示)。这项功能是通过LabVIEW中插入常用CLIP (器件级知识产权方案)实现的，从而允许集成的VHDL代码访问FPGA的输入/输出引脚。


图5. a) “iserdes”连接指FPGA输入口，接收1 Gbit/s数据流，输出8个平行的125 Mbit/s的数据流。b)数据流D转换器被分成8个分流，每个分流保持时间间隔


图6. 将数据从自定义嵌入转化到LabVIEW。时间标记的高与低的部分加入到一个64位无符号整数，不管时间标志如何记录，都会写入FIFO

每个上升沿对应于一个光子撞击，需要至少36位动态范围的时间标记；记录多达一分钟的数据集是非常有必要的，同时要避免内部计数器的溢出。这是通过运用边缘检测单元实现的，它对每8位宽度的，由“iserdes” 产生输出的“串并转换”的数据流进行扫描。无论何时探测到上升沿，一个事件标志被宣称。一个用于表示8 ns间隔中事件发生位置的，3位形式的数据另外产生出来。这个值与61位的计数器同步运行在125 MHz的时钟下。总计，这能提供64位的时间标记，然后它——连同事件标志一起——被传递给LabVIEW FPGA。从那一刻起，LabVIEW VI负责处理剩下的部分。

四个探测器中每一个的光子撞击的时间标记都缓存在FIFOs。随后，它们被分类并合并成一个常见的数据流，它也具有控制信息。在数据流经由DMA通道进入主机PC的内存之前，它被缓存于NI FlexRIO模块的DRAM中。总体而言，这种结构允许在每个通道低于2,000个事件的情况下，实现每秒高达125百万个事件的峰值计数率。此外，平均每秒1亿个事件的计数率也可实现。这种情况可以持续大约1.6千万个事件，这是由DDR2内存的尺寸与速度限制造成的。最终，一个持续的25 MHz的计数率被实现，这是由PXI总线的带宽限制所决定的。升级成NI PXIe-796x NI FlexRIO模块将显著地提高平均计数率，这是因为增加的PXI Express总线速度，以及更快更大的DDR2内存。

请注意，尽管使用了专为处理高达200 Mbit/s数据率的NI 6581适配器模块的DDCA口，只要计数率不超过100 MHz，以1ns的分辨率探测上升沿仍然是可行的。适当的运行模式已经通过使用安捷伦的81150A 脉冲信号发生器的大量测试进行了验证。