[發明專利]用于光子相關納米粒度儀的數字相關器

有效

• 申請號: 201010533183.5
• 申請日: 2010-11-05
• 公開（公告）號: CN102033032A
• 公開（公告）日: 2011-04-27
• 發明（設計）人: 任中京;陳棟章
• 申請（專利權）人: 濟南微納顆粒儀器股份有限公司
• 主分類號: G01N15/02
• 分類號: G01N15/02;G01N15/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

(一)技術領域

本發明涉及一種動態光散射原理(光子相關光譜法PCS和光子交叉相關光譜法PCCS)測量納米顆粒粒度測試技術中以硬件方式獲取散射光信號的自相關函數和互相關函數的裝置，具體地說是一種基于現場可編程門陣列(FPGA)技術的數字相關器。

(二)技術背景

基于動態光散射原理(光子相關光譜法PCS和光子交叉相關光譜法PCCS)的納米粒度儀的關鍵技術是提取懸浮在溶液中的納米顆粒的散射光的自相關函數或互相關函數，計算納米顆粒的擴散系數，從而分析顆粒粒度。數字相關器就是基于動態光散射原理(光子相關光譜法PCS和光子交叉相關光譜法PCCS)的粒度測試技術中提取散射光信號的自相關函數和互相關函數的裝置。目前，國內應用較多此類裝置主要是進口美國Brookhaven公司BI-9000AT、BI-9010AT和Turbocorr數字相關器，這些裝置都只能完成自相關運算而無法進行互相關運算，因此只適用于PCS法測試納米顆粒粒度，而無法適用于PCCS法測試納米顆粒粒度，從而對測試環境、所測樣品濃度以及測試穩定性等方面具有較大的局限性，只有采用PCCS法原理和互相關運算，對PCS法存在的缺陷加以彌補。此外，這些裝置都是基于定制的專用大規模集成電路(ASIC)，或基于DSP技術，或多片芯片及聯組成，不但很有很大的局限性，而且價格昂貴。另外，國內有人嘗試采用軟件的方式實現數字相關器，即先用光子計數器將散射光光子計數并存儲在存儲器中，然后根據計算機軟件將其數據從存儲器中讀出進而進行相關運算，雖然這樣能計算出散射光強的相關函數，但由于軟件所需的處理時間比硬件所需的處理時間長很多，導致在如此長的處理時間內的光子測量被暫停(即處理時間內的光子丟失)，造成計算的相關函數偏差較大，因此，采用軟件的數字相關器實時性很差，不能滿足顆粒粒度分析的要求。

(三)發明內容

本發明的技術任務是針對現有技術的不足，提供一種以硬件的方式實現用于光子相關納米粒度儀的數字相關器，完成自相關運算和互相關運算，用于光子相關光譜和光子交叉相關光譜技術中實時地計算散射光強的自相關函數和互相關函數，具體是基于現場可編程門陣列(FPGA)技術，主要實現采樣時間的設置與選擇、光子計數、自相關運算、互相關運算、同步復位及與計算機通訊等功能，其采樣時間、線性自相關通道和延遲時間完全滿足納米及亞微米顆粒粒度測試的需求。

現場可編程門陣列(FPGA)是一種具有高運算速度、大存儲空間、內部含有大量數字信號處理器(DSP)的芯片，以設計軟件的形式實現硬件設計，可進行模塊化設計，將整個系統按實現功能劃分成若干個模塊，逐個編寫模塊代碼，并可在相應的軟件上實現實時仿真，從而驗證各個模塊功能實現的準確與否，最后以原理圖的形式將各模塊整合成整個系統，固化在FPGA內部，完成整個數字處理器的設計，形成專用的數據處理器。這正符合用于光子相關納米粒度儀的數字相關器高速運算、數據存儲量大的要求，基于該技術的數字相關器完全滿足納米及亞微米顆粒粒度測試。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

用于光子相關納米粒度儀的數字相關器，包括：

一個固化在FPGA芯片內的采樣時間設置模塊；

至少兩個固化在FPGA芯片內的光子計數模塊；

一個固化在FPGA芯片內的相關運算模塊；

一個固化在FPGA芯片內的USB通訊模塊；

上述光子計數模塊均與采樣時間設置模塊相連接，光子計數模塊又與相關運算模塊的信號輸入端相連接，相關運算模塊的信號輸出端與USB通訊模塊相連接。

上述FPGA芯片中還固化有同步復位模塊，同步復位模塊與光子計數模塊、相關運算模塊和USB通訊模塊相連接。

上述采樣時間設置模塊包括多個采樣時間生成模塊和一個選擇器，各個采樣時間設置模塊的輸出端都與選擇器的輸入端相連接，選擇器的控制端與USB通訊模塊的輸出端相連接，根據控制端實現采樣時間的選擇。