光度测量系统中的光子计数采集卡

　　引 言

　　在光学中，如果用 E 表示亮度，L 表示光度，r 表示天体之间的距离，则亮度和光度之间的关系为E=L/4er2。而在天体光度学中，天体的亮度用视星等 m 表示，二者之间的关系为m=-2.5lgE，这个式子称为普森公式。在公式中的亮度 E 与光学中的照亮度一致，指的是在观测点的物体表面被天体照亮的程度，用垂直于天体轴线方向的平面上每单位面积所通过的光通量表示。根据普森公式，只要测出某个天体的亮度，就可确定其视星等。

　　光度测量系统就是通过测量某个星体的亮度从而确定其星等。光度测量系统由探测器、信号提取、光子计数模块组成，其中光子计数模块包括计数器和计数控制器。由于探测器和监控主机之间需要实时采集高速光子计数数据并对数据进行处理显示，所以对数据传输率的要求很高。PCI(Peripheral ComponentInterconnect)总线是一种高性能的计算机局部总线，由于拥有高达 132MB/s(33MHz，32bit 时)的带宽，非常适合于图形、图像、动画和网络等高速外设的需要。因此，我们选取了AMCC 公司提供的PCI 接口芯片S5933，并配合Xilinx 公司的 spartanII FPGA 来实现光子计数。

　　1 系统的硬件结构和设计

　　光度测量系统由探测器、前端信号提取和光子计数模块组成，其中光子计数模块包括计数器和计数控制器。由于需要连续进行数据采集，因此将采集、控制和数据通道部分做成板卡的形式占用 PC机内部的一个 PCI总线扩展槽，通过 PCI总线和进行数据处理的计算机进行通讯。如图1 所示。

　　探测模块由望远镜光路系统和探测器组成。采用光子计数型光电倍增管做探测器，当一定强度光照被其接收后就将输出连续的脉冲信号。从前端采集的弱信号经过信号提取模块中低噪声前置放大器、鉴别器和脉冲整形电路后产生标准脉冲输出，此脉冲信号即为光子脉冲，其光子信号为正 TTL逻辑电平(0~5V)，脉冲宽度 30ns，输出阻抗 75ù。计数器根据测量采样率的要求，产生计数控制信号，控制计数器对光子脉冲进行计数。计数值通过 PCI接口控制器送到计算机中进行数据处理。

　　1.1 FPGA 内计数模块的实现

　　在数据采集电路中，时序逻辑电路主要解决时序逻辑控制、数据锁存等功能。用普通中小规模集成电路来实现，则电路组成庞大，并且将单路计数器升级为多路计数器时，整个模块的硬件电路都要重新设计。而用超大规模的复杂组合逻辑与时序逻辑的现场可编程逻辑器件 FPGA 和 VHDL语言实现，则简单灵活，易于更新升级。在设计硬件时预留了多路光子脉冲信号的输入端口，应用中只需改变硬件程序，将其下载到 FPGA 的外带 EEPROM中就可完成单路计数器到多路计数器的升级。因此，我们采用 Xilinx 公司的SpartanII 系列芯片，实际应用中预留了大部分的硬件资源，以便今后将系统中单路计数器改为多路计数器。