王文川　韓　焱　張丕狀

摘 要：精密時(shí)差測(cè)量在激光測(cè)距、無源時(shí)差定位、航空遙控遙測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。提出時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)的時(shí)差測(cè)量方法，設(shè)計(jì)一種基于TDC-GP1的高精度時(shí)差測(cè)量系統(tǒng)，并介紹測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和軟、硬件實(shí)現(xiàn)原理。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有配置靈活、可靠性高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。通過對(duì)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的分析表明，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)的時(shí)間間隔測(cè)量。

關(guān)鍵詞：時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換；GP1；時(shí)差測(cè)量；微處理器

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004-373X(2009)04-021-03

Design of the Precise Time Difference Measurement System Based on TDC

WANG Wenchuan,HAN Yan,ZHANG Pizhuang

(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan,030051,China)

Abstract：Precise time difference measurement is widely used in the fields of laser rangefinder,passive TDOA location,aviation remote telemetry,the time difference measurement method based on TDC is proposed and the precise time difference measurement system based on TDC-GP1 is designed.Besides,the method of system design,the software and hardware circuit principles are given.The system has some advantages,such as flexible configuration,high reliability and low power consumption.The analysis shows that the system can achieve ns-level time interval measurement.

Keywords：time-digital converter;GP1;time difference measurement;micro-controller

0 引 言

時(shí)差測(cè)量廣泛應(yīng)用于定位、測(cè)頻、測(cè)時(shí)、測(cè)距等工程領(lǐng)域，例如：水聲定位、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位、雷達(dá)脈沖寬度測(cè)量等均對(duì)時(shí)差測(cè)量提出了高精度的要求。

目前，國內(nèi)外的時(shí)差測(cè)量方法主要有直接計(jì)數(shù)法、模擬內(nèi)插法和數(shù)字內(nèi)插法。直接計(jì)數(shù)法雖然電路簡單，量程大，但精度低，因此一般不單獨(dú)采用。模擬內(nèi)插法可以把計(jì)數(shù)法精度提高到皮秒量級(jí)，但由于基于電流的充放電技術(shù)，存在著線性度差、測(cè)量時(shí)間長、受溫度影響較大和電磁輻射大等問題。作為數(shù)字內(nèi)插法的一種，時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換法因其具有測(cè)量精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)而受到國內(nèi)外的普遍重視^［1-3］。

TDC-GP1是德國ACAM公司生產(chǎn)的通用時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，單通道測(cè)量精度為125 ps，雙通道精度可達(dá)250 ps，具有多種工作量程和工作模式。這里設(shè)計(jì)了基于時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC-GP1和DS89C450的單通道高精度時(shí)差測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)的時(shí)差測(cè)量。

1 TDC時(shí)差測(cè)量原理

時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換(TDC)技術(shù)是利用信號(hào)通過邏輯門電路的絕對(duì)傳輸時(shí)間提出的一種新的時(shí)間間隔測(cè)量方法，測(cè)量原理如圖1所示。start信號(hào)和stop信號(hào)之間的時(shí)間間隔由非門的個(gè)數(shù)來決定，而非門的傳輸時(shí)間可以由集成電路工藝精確地確定。目前的CMOS 工藝可以很容易實(shí)現(xiàn)102 ps 量級(jí)的門延遲時(shí)間，因而可以實(shí)現(xiàn)精密時(shí)間測(cè)量^［4］。

圖1 TDC時(shí)差測(cè)量原理

TDC-GP1是德國ACAM公司基于0.8 μm CMOS工藝設(shè)計(jì)的一種通用型雙通道時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片,支持兩個(gè)工作量程,多工作模式,工作方式靈活。可精確測(cè)量時(shí)間、相位、頻率等物理量。主要技術(shù)特性如下：

(1) 雙通道250 ps分辨率或單通道125 ps分辨率；

(2) 每個(gè)通道可進(jìn)行4次采樣，排序可達(dá)8次采樣；

(3) 兩個(gè)通道的分辨率完全相同，雙脈沖分辨率大約為15 ns；

(4) 可再次觸發(fā)性 兩個(gè)測(cè)量范圍：3 ns~7.6 μs和60 ns~200 ms(需要前置配器，只能用單通道)；

(5) 雙通道的8個(gè)事件可任意測(cè)量，沒有最小時(shí)間間隔限制，時(shí)間間隔有可能是負(fù)值；

(6) 分辨率調(diào)節(jié)模式：通過軟件可對(duì)分辨率進(jìn)行適應(yīng)精確性調(diào)節(jié)；

(7) 內(nèi)部最多可存儲(chǔ)4個(gè)校正值或8個(gè)非校正值，校正和控制時(shí)鐘的頻率在500 kHz~350 MHz之間(采用內(nèi)部前置配器其頻率最高可達(dá)100 MHz)；

(8) 工作電壓：2.7~5.5 V，極低的功耗，可用電池驅(qū)動(dòng)^{［5，6］}。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

時(shí)差測(cè)量系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理框圖

當(dāng)系統(tǒng)上電后，通過DS89C450單片機(jī)對(duì)TDC-GP1芯片進(jìn)行工作通道、工作模式選擇等初始化操作。當(dāng)接收到經(jīng)信號(hào)調(diào)理后的時(shí)差信號(hào)后，TDC-GP1按照預(yù)先的設(shè)置開始工作并將測(cè)量的結(jié)果存儲(chǔ)在相應(yīng)的結(jié)果寄存器中。當(dāng)測(cè)量結(jié)束后，單片機(jī)讀取測(cè)量結(jié)果并按照量程2中的時(shí)差計(jì)算公式完成相關(guān)的數(shù)據(jù)處理及顯示等功能。

在該系統(tǒng)中，主要采用TDC-GP1的量程2進(jìn)行設(shè)計(jì)。其測(cè)量時(shí)序如圖3所示。

圖3 量程2測(cè)量時(shí)序

在量程2中啟用了前置粗計(jì)數(shù)器，測(cè)量范圍在60 ns～200 ms 之間，可測(cè)量多個(gè)停止信號(hào)與起始信號(hào)之間的時(shí)差，對(duì)結(jié)果進(jìn)行乘法運(yùn)算，不能直接計(jì)算停止信號(hào)之間的時(shí)差，只能給出校準(zhǔn)結(jié)果，因此寄存器0中的校驗(yàn)位必須被設(shè)置。

測(cè)量時(shí)間差計(jì)算公式為：

time=period×(cc+FC1-FC2Cal2-Cal1)(1)

其中cc為前置粗計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，period表示校準(zhǔn)時(shí)鐘周期^［7，8］。

2.2 微處理器電路

系統(tǒng)中采用MAXIM公司的超高速閃存微控制器DS89C450，它兼容于8051的引腳和指令系統(tǒng)，30 ns單指令周期，DC~33 MHz工作頻率，適合于微型化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。DS89C450是硬件系統(tǒng)的核心，用于完成對(duì)GP1的控制操作和與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信等功能。由于GP1提供了8位數(shù)據(jù)總線和4位地址總線接口,操作時(shí)序符合通用微處理器的總線操作時(shí)序,使得GP1可作為DS89C450的外圍電路^［9］。

2.3 前置調(diào)理電路

輸入GP1的start/stop的脈沖信號(hào)邊沿對(duì)測(cè)量結(jié)果有重要的影響，因此通過帶施密特觸發(fā)器的邏輯門電路和濾波電路對(duì)待測(cè)脈沖信號(hào)進(jìn)行隔離、緩沖及濾波。這樣不但去掉了毛刺，而且改善了波形的邊沿，從而提高時(shí)間差的測(cè)量精度。

2.4 電源設(shè)計(jì)

由于TDC-GP1是一個(gè)不含模擬元件的完全數(shù)字化器件，利用了非門電路延遲實(shí)現(xiàn)時(shí)間測(cè)量，而門電路的傳輸時(shí)間對(duì)環(huán)境(溫度和外加電源電壓)的影響比較大，所以要取得高測(cè)量精度就必須保證高穩(wěn)定的電源供應(yīng)^［6］。該系統(tǒng)采用高效率、低靜態(tài)輸出電流、降壓型開關(guān)電源模塊MAX639，并且在硬件電路上放置了適當(dāng)?shù)牡妥杩购偷妥柚档娜ヅ弘娙荩陔娐返闹谱魃喜捎锚?dú)立的電源層和地層，以提高線路的抗干擾能力，保證系統(tǒng)的測(cè)試精度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要采用DS89C450的匯編語言實(shí)現(xiàn)。主程序完成的主要工作是：單片機(jī)系統(tǒng)的初始化，TDC-GP1模塊初始化和工作模式的選擇設(shè)置，串口通信程序、數(shù)據(jù)的處理、顯示和傳輸?shù)?，其中單片機(jī)與上位機(jī)的通信采用查詢方式^［9,10］。主程序流程圖如圖4所示。

3.2 TDC子程序

對(duì)TDC-GP1的初始化子程序流程圖如圖5所示。置TDC芯片于寫工作狀態(tài)后,開始對(duì)TDC-GP1進(jìn)行寫操作。通過賦值控制寄存器7屏蔽所有的STOP輸入信號(hào);接著,寫控制寄存器11，初始化TDC和ALU;然后,指針指向控制寄存器0,使芯片工作于量程2,自校準(zhǔn)模式,無數(shù)乘功能; 再寫控制寄存器4,選擇參考時(shí)鐘SEL-TDC-CLK;再寫控制寄存器2,令通道2第1個(gè)脈沖上升沿與通道1第1個(gè)脈沖上升沿作差;最后,通過寫控制寄存器7,取消2個(gè)通道對(duì)STOP輸入信號(hào)的屏蔽，允許多次采樣。在測(cè)量中,各個(gè)寄存器的設(shè)置如下:reg7=00H，reg11=07H，reg0=78H，reg4=40H，reg2=21H，reg7=04H。

圖4 主程序流程圖

圖5 TDC-GP1初始化子程序

當(dāng)單片機(jī)查詢到TDC-GP1芯片輸出的中斷信號(hào)后，程序進(jìn)入中斷服務(wù)子程序。置TDC芯片于讀工作狀態(tài),單片機(jī)開始對(duì)進(jìn)行內(nèi)部結(jié)果寄存器數(shù)據(jù)的讀出操作。通過選定起始地址可讀出多重?cái)?shù)據(jù)并能連續(xù)不斷地進(jìn)行讀操作，最后根據(jù)設(shè)置完成測(cè)試數(shù)據(jù)的計(jì)算、處理、顯示及傳輸?shù)裙δ堋?/p>

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

系統(tǒng)工作在室溫25 ℃，5.03 V電壓條件下，通過對(duì)CPLD信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生的數(shù)字脈沖信號(hào)間隔進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，以驗(yàn)證系統(tǒng)工作性能。分別對(duì)單個(gè)(第1組及第2組)和多個(gè)(第3組和第4組)不同的脈沖寬度進(jìn)行測(cè)量，并計(jì)算其絕對(duì)誤差。測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

通過對(duì)表1分析得出，測(cè)量結(jié)果保持了的測(cè)試穩(wěn)定度和測(cè)量精度，基本實(shí)現(xiàn)了精密時(shí)差測(cè)量的功能。但仍然存在一定的時(shí)間測(cè)量誤差。另外，經(jīng)過對(duì)相同時(shí)差多次測(cè)量發(fā)現(xiàn)，測(cè)量結(jié)果有一定的波動(dòng)，主要原因是時(shí)間測(cè)量模塊是采用內(nèi)插延時(shí)線法測(cè)量的，在工作時(shí)間過長或外界溫差較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，導(dǎo)致延時(shí)鏈?zhǔn)軠囟扔绊懚娱L時(shí)間變化，采用高精度的系統(tǒng)工作電壓和恒溫措施可穩(wěn)定延時(shí)線延時(shí)常數(shù)，進(jìn)一步提高測(cè)量精度。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)項(xiàng)第1組Stop1-start

/ns第2組Stop1-start

/ns第3組Stop1-start

/ns第4組Stop2-start

/ns

實(shí)際值4002.364 50e+0032.348 70e+0045.045 81e+004

測(cè)量值398.32.355 6e+0032.349 62e+0045.044 83e+004

絕對(duì)誤差1.78.99.29.8

5 結(jié) 語

設(shè)計(jì)基于TDC-GP1和DS89C450單片機(jī)的精密時(shí)差測(cè)量系統(tǒng)，通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了納秒級(jí)的時(shí)間間隔測(cè)量，同時(shí)系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、精度高、節(jié)能等有優(yōu)點(diǎn)，因而在無線定位、測(cè)時(shí)、遙控遙測(cè)、激光測(cè)距、電子測(cè)量儀器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡介

王文川 男，1982年出生，河南鄧州人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)楦咚偾度胧较到y(tǒng)開發(fā)、電聲定位及陣列信息處理。

韓 焱 男，1957年出生，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理、無線通信。

張丕狀 男，教授，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)橹饕芯款I(lǐng)域有信號(hào)處理、總線及接口技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用等。