使用LabVIEW与NI FlexRIO实现基于FPGA的单原子反馈控制

挑战:

开发一种定制的时域数字转换器来研究光与物质相互作用的基本量子性质。

解决方案:

　　使用NI公司的 FlexRIO 与 LabviewFPGA模块来创建强大的，多功能的定制仪器，从而使我们可以用硬件实现时间严格任务的实时处理。这样可以实现对极小系统的反馈控制，甚至于单个原子与单个光子的相互作用。

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。

　　解决这一棘手任务的关键电子元件是NI PXI-7954R NIFlexRIOFPGA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。NIFlexRIO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。NIFlexRIO模块具有两个主要优势。首先，它允许通过LabVIEWFPGA 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。

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。

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LabVIEWFPGA。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NIFlexRIO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 NIFlexRIO模块将显著地提高平均计数率，这是因为增加