基于TDC_GP2的高精度時間差測量的關(guān)鍵技術(shù)研究

趙德平，韓建平

(1．沈陽建筑大學(xué) 理學(xué)院，沈陽110168;2．沈陽建筑大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，沈陽110168)

時差法超聲波流量計［1，2］、磁致伸縮傳感器［3］、高精度脈沖激光測距［4，5］、衛(wèi)星及導(dǎo)航定位［6～8］等領(lǐng)域要求測量的時間間隔必須精確到納秒(ns)級，準(zhǔn)確獲取時間間隔直接決定這些系統(tǒng)的測量精度．目前，時間間隔的測量主要有三種方法:模擬法、數(shù)字法和數(shù)字插入法［9，10］．

模擬法是通過在待測脈沖時間間隔內(nèi)對積分電容以大電流Ⅰ充電，然后以小電流Ⅰ/k 放電，測出其放電時間k* tm，即可計算出微小時間間隔tm．此方法的優(yōu)點是精度極高，可達(dá)皮秒(ps)級，但電容充放電時間關(guān)系存在非線性現(xiàn)象，約為測量范圍的萬分之一，而且充放電性能受溫度影響較大，可達(dá)10～30 ps/℃，限制了其測量范圍及測量環(huán)境．

數(shù)字法是通過計數(shù)器記錄被測時間間隔脈沖所經(jīng)歷的的基準(zhǔn)時鐘周期數(shù)進(jìn)而計算出兩信號間的時間差，其優(yōu)點是線性好，精度與測量范圍無關(guān)．但其測量誤差為正負(fù)一個脈沖，要使精度達(dá)到ns 級，其時鐘頻率就要達(dá)到GHz，市場上很少有如此高的振蕩器，且其穩(wěn)定性也不能得以保證．

數(shù)字插入法［11］是通過采用數(shù)字法結(jié)合不同的插入方法來實現(xiàn)精確的時間測量的，此法將待測的時間間隔分成兩部分:基準(zhǔn)時鐘周期的整數(shù)部分與小數(shù)部分．整數(shù)部分通過粗值計數(shù)器(即數(shù)字法)測出，小數(shù)部分通過插值單元讀出，可實現(xiàn)ps 級分辨率的測量，具有測量范圍大，高線性、高精度等優(yōu)點．

圖1 TDC_GP2 的絕對時間測量架構(gòu)圖Fig.1 Absolute time measurement architecture diagram of TDC_GP2

圖2 TDC_GP2 時間測量原理Fig.2 Time principal structure of TDC_GP2

德國acam 公司推出的新一代高精度測時芯片TDC_GP2［12］就是采用數(shù)字插入法技術(shù)，其絕對時間測量架構(gòu)及測量原理如圖1，2所示．粗值計數(shù)器測出開始信號與停止信號之間的基準(zhǔn)時鐘個數(shù)Cc，高速單元用于測量開始信號到相鄰基準(zhǔn)時鐘上升沿的間隔時間Fc1 以及停止信號到相鄰基準(zhǔn)時鐘上升沿的間隔時間Fc2，其測量結(jié)果為精確測量值和粗略測量值的總和，即:

其單次測量的分辨率可達(dá)65 ps．高精度、小尺寸QFN32 封裝、低功耗、小成本等特性使其成為時差測量的理想器件．楊佩［13］，姚萬業(yè)［14］，紀(jì)榮祎［15］采用單片機(jī)控制TDC_GP2 設(shè)計了時差測量系統(tǒng)，張黎明［4］采用32 位ARM 處理器控制TDC_GP2 進(jìn)行高精度時間間隔測量．但他們都是針對測量范圍1:ns 級的時間間隔進(jìn)行實驗及測時精度分析，均未對測量范圍2:μs、ms 級的測時精度進(jìn)行過研究．

本文將TDC_GP2 專用測時芯片與高性能主控芯片F(xiàn)PGA Core3S500E 相結(jié)合設(shè)計了精密時間間隔測量系統(tǒng)．針對測時芯片的軟硬件設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，測量范圍1 及測量范圍2 從ns 到ms級不同時間間隔測量的精度進(jìn)行系列實驗研究及誤差分析，為時差法超聲波流量計順逆流傳播時間μs 級時差測量，激光脈沖測距ns 級時差測量等應(yīng)用提供一種切實可行的解決方案．

1 系統(tǒng)組成

1.1 硬件設(shè)計

該系統(tǒng)采用Xilinx 的FPGA Core3S500E 作為系統(tǒng)的主控芯片，時間間隔測量模塊的硬件外圍電路如圖3所示，F(xiàn)PGA 通過四線SPI(從機(jī)使能信號SSN，時鐘信號SCK，數(shù)據(jù)輸入SI，數(shù)據(jù)輸出SO)與TDC_GP2 相連進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，En_Start、En_Stop1 分別是TDC_GP2 的開始信號Start 和停止信號Stop1 的使能控制端．INTN 為計時芯片的中斷信號輸出端，當(dāng)計時芯片的ALU 單元處理完時間間隔數(shù)據(jù)后會將該引腳拉低，此時主控器即可讀取相應(yīng)寄存器中的測量數(shù)據(jù)．RSTN 為定時芯片的復(fù)位引腳，低電平有效，芯片工作前，必須通過該信號線對芯片進(jìn)行復(fù)位．其中4MHz 的晶振作為TDC_GP2 的高速基準(zhǔn)時鐘，采用陶瓷晶振時存在較大的頻率誤差，32.768 kHz 的晶振用于對其進(jìn)行校準(zhǔn)．采用典型的3.3 V 對芯片進(jìn)行供電，芯片上電后，無源晶振4 MHz 及32.768 kHz正常起振，說明芯片能正常工作．測得的時間間隔數(shù)據(jù)由FPGA 通過串口232 發(fā)送至上位機(jī)PC 中，通過MFC 界面進(jìn)行時間數(shù)據(jù)的顯示及保存．

1.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用Verilog HDL 語言，基于SPI 協(xié)議實現(xiàn)FPGA 與TDC_GP2 之間的數(shù)據(jù)通信，其程序流程圖如圖4所示．上電后，首先必須向芯片的RSTN 復(fù)位引腳發(fā)送一個50 ns 以上的低電平信號進(jìn)行復(fù)位，然后再向芯片寫入0x50 對其進(jìn)行軟復(fù)位，否則將導(dǎo)致芯片測量不正常．

TDC_GP2 準(zhǔn)確測時的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確配置其內(nèi)部的六個32 位寄存器reg0～reg5［16］，如芯片的測量范圍，待測信號Start 和Stop 的敏感沿，中斷源設(shè)置等關(guān)鍵參數(shù)都需通過設(shè)置不同寄存器的相應(yīng)位．芯片的每個寄存器必須單獨尋址，reg0～reg5 的高8 位分別對應(yīng)地址操作碼0x80～0x85，后24 位為相應(yīng)功能的配置值．本文選取Start 及Stop 信號的上升沿作為測時的敏感沿，采用校準(zhǔn)模式進(jìn)行測量，中斷源設(shè)置為ALU 中斷觸發(fā)，測量通道為Stop1 通道，采樣一個Stop 脈沖，其測量范圍1 及范圍2 的相應(yīng)寄存器配置如表1所示．需要特別注意的是，在測量范圍2 配置寄存器reg1 中stop1 通道預(yù)期接受的脈沖個數(shù)時，其HINT1 設(shè)置值必須比預(yù)期接收脈沖多1 個，因為Start 也被作為一次采樣計數(shù)．

圖3 TDC_GP2 測時的硬件電路圖Fig.3 Time measuring hardware schematics of TDC_GP2

圖4 TDC_GP2 測時程序流程圖Fig.4 Time measuring program flow-chart of TDC_GP2

表1 寄存器配置Table 1 Register settings

寄存器配置完之后，需向TDC 發(fā)送0x03 進(jìn)行校準(zhǔn)，0x70 初始化，選通Start 及Stop 通道后，TDC 進(jìn)入測量狀態(tài)，等待Start 及Stop 信號，其ALU 單元根據(jù)設(shè)置的采樣通道及采樣脈沖個數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)計算，計算完成將產(chǎn)生中斷信號，此時FPGA 向TDC 發(fā)送0xb0 操作碼讀取其寄存器reg0 中的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至上位機(jī)．采用校準(zhǔn)模式測量，其數(shù)據(jù)格式為32 位固定浮點數(shù)，前16 位為整數(shù)部分，后16 位為小數(shù)部分;上位機(jī)MFC 將串口接收的32 位數(shù)據(jù)進(jìn)行換算，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制的浮點數(shù)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示及保存．

2 測量結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

本文對TDC_GP2 的測量范圍1 及測量范圍2 分別進(jìn)行時間間隔實驗，采用的基準(zhǔn)時鐘為4MHz，內(nèi)部分頻器數(shù)值設(shè)置為1，由于測量范圍1只有在2* Tref大于被測時間間隔時，ALU 才能正常工作，否則ALU 輸出值為0xFFFFFFFF，并且芯片要求Start 脈沖觸發(fā)沿與Stop 脈沖觸發(fā)沿的時間間隔至少3.5 ns，ALU 單元才能精確計算并產(chǎn)生中斷信號，因此，測量范圍1 可實現(xiàn)3.5～500 ns 的時間間隔測量，測量范圍2 可實現(xiàn)500 ns(2* Tref)～4 ms 的時間間隔測量．為測試該時間間隔測量系統(tǒng)的測時精度，選取Start 及Stop 時間間隔為20 ns～4 ms 之間的共計17 組數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，每組測量500 次，其中20 ns，200 ns，20 μs，200 μs 四組實驗數(shù)據(jù)的分布圖如圖5所示．

為準(zhǔn)確評估系統(tǒng)的測時精度，對每組的500個測量數(shù)據(jù)分別進(jìn)行統(tǒng)計分析，分別將各組測量數(shù)據(jù)代入均值計算公式及標(biāo)準(zhǔn)差公式求取不同信號時差對應(yīng)的系統(tǒng)均值及總體標(biāo)準(zhǔn)差，其測量及計算結(jié)果如表2 和表3所示．

圖5 時間間隔為20ns，200 ns，20 μs，200 μs 的測量結(jié)果Fig.5 Measurement results of time interval 20 ns，200 ns，20 μs，200 μs

表2 測量范圍1 測時數(shù)據(jù)Table 2 Time measuring results of measurement range 1

表3 測量范圍2 測時數(shù)據(jù)Table 3 Time measuring results of measurement range 2

對于測量范圍1，表2 中測量誤差與信號時差的關(guān)系曲線如圖6所示，其測量誤差(Δ=μ－t)為ps 級，隨信號時差上下波動，且測量均值都小于理論的信號時差，最小測量誤差為－13ps，最小標(biāo)準(zhǔn)差66ps 與芯片的最小分辨率65ps 幾乎一致．

對于測量范圍2，測量均值都大于理論的信號時差，隨被測信號時差的增大，誤差從ps 增加到了ns 級，對表3 中測量誤差(Δ=μ－t)與信號時差之間的關(guān)系進(jìn)行最小二乘擬合，如圖7所示．?dāng)M合的直線方程為y=19.59×10－5x+8.879×10－5，其斜率為19.59 ×10－5，即系統(tǒng)在量程2 的整個測量范圍內(nèi)的誤差曲線保持較好的線性度，在實際應(yīng)用中，若被測的信號時間間隔較大，可根據(jù)該誤差擬合直線對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實時校正，以提高測量精度．

圖6 測量范圍1 測量誤差與信號時差關(guān)系曲線Fig.6 Relation between measurement error and signal time internal of measurement range 1

圖7 測量范圍2 測量誤差與信號時差擬合曲線Fig.7 Fitting curve between measurement error and signal time internal of measurement range 2

而不論測量范圍1 還是范圍2，其測量的標(biāo)準(zhǔn)差均為ps 級，且對于500 μs 以下的時間間隔測量，標(biāo)準(zhǔn)差隨信號時差上下波動，取TDC_GP2的最小分辨率65 ps 為一個標(biāo)準(zhǔn)偏差σ，500 μs 以下測量數(shù)據(jù)均落在±3σ 之間，因此，測時芯片更加適合于超短時間間隔的測量．

3 結(jié) 論

本文通過對TDC_GP2 測量范圍1 及范圍2進(jìn)行大量實驗及測量誤差分析，發(fā)現(xiàn)TDC_GP2 對于ns 級時間間隔的測量，其測量精度均在皮秒級，而500 μs 以上的時間間隔測量，其測量誤差達(dá)到幾百ns．因此，測時芯片更加適合于納微級時間間隔的測量，其精度足以滿足時差法超聲波流量計順逆流傳播時間幾十μs 的時差測量，激光脈沖測距納秒級時差測量，對于較大500 μs 以上的時間間隔測量，其測量誤差為ns 級，但其測量誤差與被測時間間隔成明顯的線性關(guān)系，通過誤差擬合直線方程進(jìn)行實時校準(zhǔn)，可更大地發(fā)揮TDC_GP2 的性能．

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