基于Labwindows/CVI的銫原子噴泉鐘時(shí)序控制系統(tǒng)研制*

劉浩，劉丹丹，阮軍，王心亮，張首剛

(1.中國科學(xué)院 國家授時(shí)中心，西安 710600；2.中國科學(xué)院 時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引言

銫原子噴泉鐘以脈沖方式工作，時(shí)序控制系統(tǒng)通過輸出控制信號(hào)，同步調(diào)控光學(xué)系統(tǒng)、微波頻率綜合器，實(shí)現(xiàn)原子的冷卻—上拋—選態(tài)—微波激勵(lì)—探測等周期性運(yùn)行。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集銫原子的飛行時(shí)間信號(hào)，經(jīng)過計(jì)算獲得伺服控制系統(tǒng)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)頻率鎖定[1]。目前運(yùn)行在NTSC-F1銫原子噴泉鐘上的時(shí)序控制系統(tǒng)，由于其硬件版本較低，系統(tǒng)整體性能提升空間不足。同時(shí)其系統(tǒng)通用性不理想，時(shí)序的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置修改比較繁瑣，所以需要研制一套界面友好，操作人性化，性能更優(yōu)的時(shí)序控制系統(tǒng)應(yīng)用于NTSC-F2銫原子噴泉鐘上。

本文針對NTSC-F1時(shí)序控制系統(tǒng)存在的不足，并依據(jù)NTSC-F2銫原子噴泉鐘對控制時(shí)序的要求，基于Labwindows/CVI平臺(tái)，通過系統(tǒng)模擬、硬件選型、軟件設(shè)計(jì)、性能測試等流程完成了時(shí)序控制系統(tǒng)的研制，實(shí)現(xiàn)了19路同步時(shí)序的控制與輸出。

1 工作原理

時(shí)序控制系統(tǒng)需要輸出特定的時(shí)序，控制光開關(guān)、磁場開關(guān)、聲光調(diào)制器、壓控振蕩器等的關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)銫原子在高真空、高磁屏蔽的物理環(huán)境中冷卻—上拋—選態(tài)—微波激勵(lì)—探測等過程的周期性運(yùn)行[2]。時(shí)序控制系統(tǒng)首先通過輸出TTL信號(hào)控制二維磁光阱(2D MOT)冷卻光和磁場開啟，制備水平方向慢速原子束。同時(shí)打開三維磁光阱(3D MOT)冷卻光和磁場，等慢速原子束注入3D MOT真空腔后，俘獲并囚禁銫原子束，實(shí)現(xiàn)銫原子團(tuán)裝載。裝載完畢后關(guān)閉磁光阱內(nèi)磁場，通過激光對原子團(tuán)進(jìn)行冷卻。隨后改變上下兩組俘獲光失諧，實(shí)現(xiàn)銫原子的上拋。上拋約1.5 ms后通過時(shí)序控制激光頻率失諧量的增加和激光功率的減小，實(shí)現(xiàn)對原子團(tuán)的進(jìn)一步冷卻。之后，利用抽運(yùn)激光將上拋中的銫原子全部抽運(yùn)至|F=4>態(tài)上。|F=4>態(tài)的銫原子上拋進(jìn)入選態(tài)腔，經(jīng)由選態(tài)腔中的微波場作用，使得|F=4，mF=0>態(tài)的原子躍遷到|F=3，mF=0>態(tài)上。躍遷后的銫原子飛出選態(tài)腔后，打開選態(tài)推光將|mF≠0>態(tài)的銫原子推走。經(jīng)選態(tài)后的銫原子再進(jìn)入激勵(lì)腔與微波場發(fā)生作用，隨后銫原子繼續(xù)上升達(dá)到頂峰后開始回落，在回落過程中再次進(jìn)入激勵(lì)腔，再次與微波場發(fā)生作用，完成整個(gè)Ramsey 躍遷過程。銫原子團(tuán)繼續(xù)下落進(jìn)入探測區(qū)進(jìn)行飛行時(shí)間信號(hào)的探測。利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計(jì)算銫原子躍遷幾率[3-5]。調(diào)控微波頻率綜合器的頻率獲得Ramsey躍遷條紋，在Ramsey中心頻率附近進(jìn)行調(diào)制，根據(jù)其兩側(cè)躍遷幾率差值得到誤差控制信號(hào)，經(jīng)PID運(yùn)算后輸出伺服控制晶振，實(shí)現(xiàn)頻率鎖定。NTSC-F2時(shí)序控制系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 時(shí)序控制系統(tǒng)工作圖

2 時(shí)序控制系統(tǒng)研制

NTSC-F2銫原子噴泉鐘的運(yùn)行由19路時(shí)序信號(hào)來控制，其時(shí)序波形如圖2所示。這19路時(shí)序由15路TTL信號(hào)和4路模擬信號(hào)組成，依次編號(hào)為第1路，第2路,……,第19路。其中信號(hào)周期為2 s，信號(hào)延時(shí)為t，用時(shí)為T。

圖2 NTSC-F2的控制時(shí)序

2.1 系統(tǒng)模擬

基于LabWindows/ CVI 為平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)序控制模擬系統(tǒng)界面，通過C語言進(jìn)行編程，利用控件觸發(fā)程序運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)波形輸出與顯示。具體流程為，通過LabWindows/ CVI搭建系統(tǒng)界面，并設(shè)置各控件初始參數(shù)。再利用GetCtrlVal函數(shù)獲取界面輸入?yún)?shù)，包括起始電平、用時(shí)、延時(shí)、周期和相位等參數(shù)。再由算法將所獲得的波形參數(shù)轉(zhuǎn)化為信號(hào)生成SquareWave函數(shù)所需參數(shù)，并由SquareWave函數(shù)生成時(shí)序，其公式表示為

X[i]=V0×SquareWave (φ0+f×360×i),

(1)

{SquareWave[i]=1.0 0

SquareWave[i]=-1.0 (duty/100.0×360.0)

式(1)中，數(shù)組X[]用于存儲(chǔ)一個(gè)周期的信號(hào)數(shù)據(jù)點(diǎn)，V0代表起始電平，φ0代表初始相位，f代表頻率，modulo為取模運(yùn)算，duty代表占空比。

最后利用函數(shù)PlotY將各路波形顯示在Graph控件上。時(shí)序控制模擬系統(tǒng)運(yùn)行效果如圖3所示，信號(hào)波形與期望值基本一致，并可以通過參量設(shè)置實(shí)現(xiàn)對時(shí)序信號(hào)的控制。

圖3 時(shí)序控制模擬系統(tǒng)

2.2 硬件選型

在銫原子噴泉鐘的運(yùn)行過程中，原子冷卻、上拋，探測過程中激光頻率、功率的變化，以及時(shí)序信號(hào)控制的各開關(guān)關(guān)斷需要在極短的時(shí)間內(nèi)完成，這對硬件性能提出了較高的要求。選擇NI公司基于PXI總線的工控機(jī)作為硬件模塊的核心，PXI總線的傳輸速率為132～264 MB/s，各模塊板卡接入10 MHz參考時(shí)鐘，能夠有效進(jìn)行多板卡信號(hào)的同步處理[6]。PXIe1082工控機(jī)內(nèi)部集成嵌入式控制器PXIe-8840，采用兩塊計(jì)數(shù)器卡PXI-6602輸出15路TTL信號(hào)，一塊模擬輸出卡PXI-6733輸出4路任意波模擬信號(hào)，并通過多功能I/O卡PXIe-6361來實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集。

PXIe-8840是一款基于Intel Core i5-4400E處理器的高性能嵌入式控制器，具有2.7 GHz基頻、3.3 GHz雙核處理器和單通道1 600 MHz DDR3內(nèi)存，極適合用于處理器密集型、模塊化儀器和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。PXI-6602卡有5 V，8通道的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，用于輸出時(shí)序中的TTL電平信號(hào)。PXI-6733卡有8路模擬輸出通道，可同時(shí)控制8路不同硬件，單通道輸出更新率最高可達(dá)1 Ms/s[7-8]。將上述板卡插入PXIe-1082機(jī)箱內(nèi)，通過配套的線纜接入接線盒，再由BNC接連接線盒輸出端與被控子系統(tǒng)，這便構(gòu)成了時(shí)序控制系統(tǒng)的硬件模塊，其總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 硬件模塊框架圖

2.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)對硬件模塊的控制，基于時(shí)序控制模擬系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，在工控機(jī)平臺(tái)上，通過程序算法調(diào)用并控制硬件模塊輸出特定的19路時(shí)序信號(hào)，實(shí)現(xiàn)各開關(guān)和子系統(tǒng)按照特定的方式運(yùn)行，完成銫原子噴泉鐘的穩(wěn)定工作。

首先借助時(shí)序控制模擬系統(tǒng)開發(fā)的系統(tǒng)界面，完善Command Button、Numeric、Text等控件作為時(shí)序參量輸入、時(shí)序開關(guān)和輔助功能調(diào)用鍵。隨后針對各控件編寫相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，由DAQmxCreateAOVoltageChan配置物理通道，再通過GetCtrlVal函數(shù)獲取各時(shí)序波形參量，包括時(shí)序的起始電平、用時(shí)、延時(shí)和相位等，并利用算法將這些參量再轉(zhuǎn)化為信號(hào)生成函數(shù)所需的各參數(shù)。通過DAQmxCreateCOPulseChanTicks函數(shù)配置計(jì)數(shù)器源、TTL電平的極性、高電平時(shí)間、低電平時(shí)間、延遲時(shí)間。同時(shí)利用DAQmxCfgSampClkTiming函數(shù)設(shè)置采樣時(shí)鐘源和采樣速率，并通過DAQmxCfgDigEdgeStartTrig函數(shù)配置觸發(fā)信號(hào)[9]。最后根據(jù)偏振梯度冷卻時(shí)間、采樣速率將一個(gè)周期的波形數(shù)據(jù)寫入數(shù)組中。當(dāng)接收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)，則將數(shù)據(jù)順序輸出，實(shí)現(xiàn)時(shí)序輸出。一個(gè)周期運(yùn)行完畢，將其放入循環(huán)系統(tǒng)中便能實(shí)現(xiàn)信號(hào)周期性輸出。通道采用同一個(gè)參考時(shí)鐘源，以保證各通道間時(shí)間順序上的確定關(guān)系。時(shí)序輸出的具體流程圖如圖5所示。

圖5 時(shí)序生成流程圖

圖5中4路模擬時(shí)序通過GenSquareWave函數(shù)生成，其公式表示為

X[i]=V0×SquareWave (φ0+f×360×i)，

(2)

{SquareWave[i]=(phase_i/360.0<=duty/100.0) ?V0:-V0}

式(2)中，數(shù)組X[]用于存儲(chǔ)一個(gè)周期的模擬信號(hào)數(shù)據(jù)點(diǎn)，V0代表起始電平，φ0代表初始相位，f代表頻率，duty代表占空比。

4路模擬信號(hào)每個(gè)周期都有一段用時(shí)(高電平向低電平跳變時(shí)所需時(shí)間)，利用程序

A=(yongshi/zhouqi)×numElements；

B=(yanshi/zhouqi)×numElements；

for(i=k;i

{SquareWave[i]=SquareWave[i+1]-DP×(i-A)/numElements+DP;}

和

for(i=A;i

{SquareWave[i]=SquareWave[i+1]+DP×exp((A+B-i)/B)-DP;}

實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)高電平到低電平呈現(xiàn)線性下降和指數(shù)下降。

時(shí)序控制系統(tǒng)主體功能基本實(shí)現(xiàn)后，同時(shí)開發(fā)相應(yīng)的輔助功能，如可以回采已輸出時(shí)序，在界面上顯示其波形的虛擬示波器，方便用戶運(yùn)算數(shù)據(jù)的計(jì)算器，用以保存重要參數(shù)和數(shù)據(jù)的記事本，DDS頻率串口調(diào)控以及系統(tǒng)操作指南等功能。通過LaunchExecutable函數(shù)，實(shí)現(xiàn)輔助功能在操作界面上的統(tǒng)一調(diào)用。

2.4 時(shí)序同步

時(shí)序同步是保證各模塊協(xié)調(diào)工作的首要元素，NTSC-F2銫原子鐘運(yùn)行的各個(gè)過程要求各物理參量以一定時(shí)間順序輸出，需要各板卡間有極高的的同步性。多設(shè)備之間的同步主要依靠兩種方法：①我們可通過共享主時(shí)基(或稱之為參考時(shí)鐘)避免了相位誤差，并共享一個(gè)開始觸發(fā)來實(shí)現(xiàn)同步。②可通過直接共享采樣時(shí)鐘，多個(gè)對象使用相同的采樣率來完成同步。我們根據(jù)NTSC-F1時(shí)序控制系統(tǒng)研制的經(jīng)驗(yàn)，第1種方法要求較高的頻率信號(hào)，這里采用第2種方法，多塊板卡的輸出任務(wù)采用相同的采樣率來完成同步[10]。我們將PXI機(jī)箱背板的10 MHz參考時(shí)鐘作為各槽位板卡的采樣時(shí)基，利用軟件配置各板卡的時(shí)鐘源，并設(shè)置相同的采樣速率，通過PXI觸發(fā)總線的星型觸發(fā)方式，實(shí)現(xiàn)3塊板卡之間的同步。同時(shí)在軟件層面，優(yōu)化算法，提升程序的響應(yīng)速度。

3 系統(tǒng)測試

打開NTSC-F2銫原子噴泉鐘時(shí)序控制系統(tǒng)輸出第1路TTL時(shí)序和第16路任意波模擬時(shí)序，信號(hào)波形如圖6所示。兩路信號(hào)的各項(xiàng)參數(shù)與設(shè)定值所一致。測量其他各路信號(hào)的參數(shù)，也均與設(shè)定值一致。

圖6 時(shí)序輸出波形

為評估時(shí)序控制系統(tǒng)的同步精度，我們先后觀測了一塊計(jì)數(shù)器卡PXI-6602輸出的兩路TTL信號(hào)，以及計(jì)數(shù)器卡PXI-6602和模擬輸出卡PXI-6733輸出的兩路信號(hào)，其波形分別如圖7和圖8所示?？梢钥吹酵蹇ㄋ傻臅r(shí)序同步性能極為優(yōu)越，約在10 ns左右。影響時(shí)序同步精度的主要因素則是不同型號(hào)板卡所生成的時(shí)序，時(shí)序同步精度在300 ns以內(nèi)。

圖7 同板卡時(shí)序同步精度

圖8 異板卡時(shí)序同步精度

4 結(jié)論

本文著重介紹了NTSC-F2銫原子噴泉鐘時(shí)序控制系統(tǒng)的研制，并對系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測試。目前系統(tǒng)精確輸出并控制19路時(shí)序信號(hào)，信號(hào)各項(xiàng)參數(shù)也與期望值一致。時(shí)序輸出同步精度達(dá)到300 ns以內(nèi)，優(yōu)于NTSC-F1的10 μs。同時(shí)相較于NTSC-F1時(shí)序控制系統(tǒng)，信號(hào)所有參數(shù)均可在界面上直接設(shè)置，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了單路信號(hào)的輸出和控制。接下來將主要針對時(shí)序控制系統(tǒng)操作界面的人性化進(jìn)行完善，同時(shí)將通過共享主時(shí)基和共享采樣時(shí)鐘相結(jié)合的方式進(jìn)一步提升時(shí)序同步精度。