陳玉

摘 要：TDC-GP22芯片是一款皮秒級高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，由于TDC-GP22內(nèi)部寄存器種類繁多，所以芯片編程操作相對較復(fù)雜。為此根據(jù)TDC-GP22的SPI接口特點，并結(jié)合AVR單片機主機優(yōu)勢，用高級語言編制符合SPI接口協(xié)議程序，實現(xiàn)對TDC-GP22的兩種主要操作，一種是按照SPI協(xié)議對芯片的寄存器進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)操作，另一種是根據(jù)SPI協(xié)議數(shù)據(jù)循環(huán)特點對芯片寄存器進(jìn)行寫入數(shù)據(jù)操作。TDC-GP22實驗測試結(jié)果表明所編制程序運行完全穩(wěn)定可行。

關(guān)鍵詞：芯片；高級語言；單片機；接口

中圖分類號：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言（Introduction）

TDC-GP22芯片是德國ACAM公司推出的一款高分辨率時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，高分辨率時間差計算使得TDC-GP22可以用于對時間精度要求嚴(yán)格的場合，如激光測距、電纜長度測量及超聲波流量計等領(lǐng)域。此芯片可以通過單片機讀寫其內(nèi)部寄存器來完成時間數(shù)字轉(zhuǎn)換，由于該芯片官方文檔資料比較零散，在芯片的開發(fā)和使用上帶來很多障礙，軟件程序難以調(diào)試，和單片機難以建立通信。同時TDC-GP22芯片是通過SPI（Serial Peripheral Interface）協(xié)議接口和主機建立通信，所以芯片編程上的主機程序需要嚴(yán)格遵循SPI接口協(xié)議來對TDC-GP22內(nèi)部寄存器進(jìn)行正確讀寫，從而完成TDC-GP22的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換過程。

2 TDC-GP22的SPI接口協(xié)議（SPI interface protocol

of TDC-GP22 ）

2.1 SPI通信協(xié)議接口簡介

SPI的中文名為串行外圍接口，該協(xié)議接口是由摩托羅拉公司提出的通信接口技術(shù)；SPI是一種高速、全雙工、同步串行總線，SPI接口只占用可編程芯片的四個腳位，這四個腳位分別為主機輸入從機輸出（MISO）、主機輸出從機輸入（MOSI）、從機選擇線（SSN）及串行時鐘（SCK）。SPI協(xié)議接口的優(yōu)點主要表現(xiàn)為信號連接線少、全雙工通信、協(xié)議相對簡單及數(shù)據(jù)傳輸速率較高。SPI協(xié)議接口主要應(yīng)用在一些FLASH型可編程芯片，如模數(shù)轉(zhuǎn)換器、信號處理芯片和各類單片機等。

2.2 SPI通信協(xié)議接口工作原理

SPI通信雙方為主從方式，既SPI通信雙方一方為主設(shè)備另一方為從設(shè)備，SPI通信網(wǎng)絡(luò)中可以有多個從機，但是主機只能為一個，主機通過控制從機的SSN片選端來和相應(yīng)的從機建立數(shù)據(jù)通信；SPI通信雙方中的主機和從機的物理連接只要相應(yīng)功能引腳對應(yīng)連接即可，既主機MISO連接從機MISO，其他三類引腳也以此互相連接。SPI中的主從機的雙方移位寄存器連接成一個環(huán)形結(jié)構(gòu)，主從機的數(shù)據(jù)通信通過在主機時鐘的控制下進(jìn)行每次兩個8bit數(shù)據(jù)的移出和移入，數(shù)據(jù)傳輸時高位在前低位在后。

2.3 TDC-GP22的SPI

TDC-GP22采用4線制SPI接口，SSN需要強制置高電平，在每次讀寫序列之間SSN保持高電平至少要50ns；TDC-GP22只支持如下SPI模式，時鐘極性位（Clock Polarity Bit）為0和時鐘相位（Clock Phase Bit）為1。

3 TDC-GP22的SPI主機選擇（SPI host selection of

TDC-GP22）

SPI主機的選擇最好選擇引腳功能具有SPI功能的各類單片機，當(dāng)然對于沒有SPI引腳功能的單片機也可以使用，只不過這類單片機需要在軟件程序中進(jìn)行額外的SPI功能模擬，相對給開發(fā)和使用上帶來一些難度。為了簡化單片機軟件程序和SPI通信中主從機的硬件電路，此處選擇ATMEL公司的ATmega128a低功耗單片機[1]；ATmega128a單片機自帶SPI接口，該單片機為高性能低功耗8位單片機，工作于16MHz時性能高達(dá)16MIPS，ATmega128a自帶128K可編程Flash存儲，這樣方便使用C語言進(jìn)行大容量單片機編程。ATmega128a可在3.3V電壓下穩(wěn)定工作，TDC-GP22正常工作電壓也為3.3V[2]，這樣兩者SPI引腳就可以直接進(jìn)行連接。

4 TDC-GP22和AVR單片機的SPI通信算法（SPI

communication algorithm between TDC-GP22

and AVR）

AVR單片機和TDC-GP22時間數(shù)字芯片之間以SPI方式通信，其中AVR單片機為主機，TDC-GP22為從機。

4.1 TDC-GP22算法前導(dǎo)

TDC-GP22有七個32位的配置寄存器，每個寄存器的高24位是用作配置，是只可以寫入的，這七個寄存器用于配置TDC-GP22的相應(yīng)操作。同時TDC-GP22還有相應(yīng)可讀狀態(tài)的結(jié)果寄存器和狀態(tài)寄存器[3，4]，TDC-GP22的測量結(jié)果和測量狀態(tài)都可以通過發(fā)送操作碼0xBX從可讀寄存器中讀取。

4.2 TDC-GP22算法詳解

TDC-GP22在正常運行前，必須先對其七個配置寄存器進(jìn)行相應(yīng)的模式配置，七個配置寄存器的配置是相互聯(lián)系制約的，在寄存器參數(shù)的配置上不能有任何沖突，否則TDC-GP22會出現(xiàn)運行異常的狀況。下面代碼主要是七個配置寄存器的配置示例。

gp22_wr_config_reg（0x80，0x00242000）； //最大測量時間2xTref=2μs

gp22_wr_config_reg（0x81，0x19490000）； //在測量模式1下Stop CH2–Stop CH1

gp22_wr_config_reg（0x82，0xE0000000）； //通過Timeout給出中斷

gp22_wr_config_reg（0x83，0x00000000）；

gp22_wr_config_reg（0x84，0x20000000）；

gp22_wr_config_reg（0x85，0x10000000）； //EN_STARTNOISE=1，switch on

gp22_wr_config_reg（0x86，0x00000000）；

gp22_send_1byte（0x70）； //初始化

PORTF|=（1<<2）； PORTF&=～（1<<2）；

//給start引腳一個虛擬開始信號

上述代碼中為了測試stop2-stop1引腳時間差，所以先給start引腳一個虛擬開始信號，然后TDC-GP22的stop2和stop1引腳才開始工作。

下面示例函數(shù)gp22_send_1byte（unsigned char gp22_opcode_byte）可以按照SPI協(xié)議向TDC-GP22寄存器寫入相應(yīng)數(shù)據(jù)。

void gp22_send_1byte（unsigned char gp22_opcode_byte）

{

PORTB&=～（1<<0）； //TDC-GP22的SS位置低

SPDR=gp22_opcode_byte；

while（?。⊿PSR&（1<

delay_us（8）；

PORTB|=（1<<0）； //將SS位置高

}

上述函數(shù)中主機往SPDR寫入數(shù)據(jù)以移位到從機中去，串行發(fā)送結(jié)束后，SPIF置位，若此時寄存器SPCR的SPIE和全局中斷使能位置位，SPI中斷即產(chǎn)生。

下面示例函數(shù)gp22_read_1_bytes（unsigned char read_opcode，unsigned char read_addr）為讀取TDC-gp22寄存器中八位數(shù)據(jù)算法；函數(shù)中SPDR=0xFF是每次虛寫一次寄存器，只有虛寫一次才能保證單片機和TDC-gp22二者的寄存器數(shù)據(jù)循環(huán)移位[5]。

unsigned char gp22_read_1_bytes（unsigned char read_opcode，unsigned char read_addr）

{

unsigned char read_opcode_addr=read_opcode|read_addr；

PORTB&=～（1<<0）； //ss置低

SPDR=read_opcode_addr；

while（！（SPSR&（1<

delay_us（8）；

SPDR=0xFF； //虛寫一次，推出數(shù)據(jù)

while（！（SPSR&（1<

delay_us（8）；

return SPDR； //主機讀取數(shù)據(jù)

PORTB|=（1<<0）； //將ss位置高

}

如下函數(shù)gp22_read_status_bytes（）為讀取TDC-GP22中狀態(tài)寄存器算法，算法中用到了循環(huán)結(jié)構(gòu)，這樣可以保證讀取TDC-GP22狀態(tài)寄存器的多個字節(jié)數(shù)據(jù)[6]。

unsigned int gp22_read_status_bytes（）

{

int n；

unsigned int Result_read=0；

unsigned char n_bytes=2；

unsigned char read_opcode_addr=0xB0|0x04；

PORTB&=～（1<<0）； //ss位置低

SPDR=read_opcode_addr；

while（！（SPSR&（1<

delay_us（8）；

SPDR=0xFF； //虛寫一次，推出數(shù)據(jù)

while（?。⊿PSR&（1<

delay_us（8）；

Result_read=SPDR； //主機讀取數(shù)據(jù)

for（n=1；n

SPDR=0xFF； //虛寫一次，推出數(shù)據(jù)

while（?。⊿PSR&（1<

delay_us（8）；

Result_read=Result_read<<8；

Result_read |=SPDR； }

PORTB|=（1<<0）； //將ss位置高

return Result_read；

}

以下函數(shù)gp22_wr_config_reg（unsigned char opcode_address，unsigned long config_reg_data）為寫狀態(tài)寄存器的示例算法，該算法中按照SPI協(xié)議規(guī)范，先寫高位字節(jié)，然后再寫低位字節(jié)。

void gp22_wr_config_reg（unsigned char opcode_address，

unsigned long config_reg_data）

{

unsigned char Data_Byte_Lo=config_reg_data；

//自動截取低8位進(jìn)行賦值

unsigned char Data_Byte_Mid1=config_reg_data>>8；

unsigned char Data_Byte_Mid2=config_reg_data>>16；

unsigned char Data_Byte_Hi=config_reg_data>>24；

PORTB&=～（1<<0）； //ss位置低

SPDR=opcode_address；

while（！（SPSR&（1<

delay_us（8）；

SPDR=Data_Byte_Hi；

while（?。⊿PSR&（1<

delay_us（8）；

SPDR=Data_Byte_Mid2；

while（！（SPSR&（1<

delay_us（8）；

SPDR=Data_Byte_Mid1；

while（?。⊿PSR&（1<

delay_us（8）；

SPDR=Data_Byte_Lo；

while（?。⊿PSR&（1<

delay_us（8）；

PORTB|=（1<<0）； //將ss位置高

}

5 實驗測試過程（Experimental testing process）

為了驗證上述算法的準(zhǔn)確性，專門用TDC-GP22進(jìn)行了雙絞線長度測試實驗；由于雙絞線可看作傳輸線，所以測量時向被測雙絞線注入一定寬度的入射矩形脈沖[7]，如果被測雙絞線終端開路就會產(chǎn)生矩形脈沖的正反射，同時將入射矩形脈沖和反射脈沖分別送入TDC-GP22的stop1、stop2引腳，通過計算stop2-stop1的時間差并按如下公式即可計算出開路雙絞線的長度。

其中，L為被測電纜長度，V為脈沖信號在電纜中的傳播速度，一般V為0.66—0.85倍光速[8]，約為200m/μs，?t為入射脈沖與反射脈沖的時間差，具體測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 測試結(jié)果

Tab.1 Test results

實長 時間差 測試長度 測試狀態(tài)

5m 0.048μs 4.8m 開路

10m 0.1μs 10m 開路

20m 0.195μs 19.5m 開路

35m 0.346μs 34.6m 開路

100m 0.97μs 97m 開路

表1測試結(jié)果顯示雙絞線測試長度的誤差在10%以內(nèi)，該誤差范圍符合實際工程需求，測試結(jié)果也驗證了TDC-GP22算法準(zhǔn)確穩(wěn)定。

6 結(jié)論（Conclusion）

TDC-GP22的SPI協(xié)議接口編程必須嚴(yán)格按照SPI接口數(shù)據(jù)環(huán)狀傳輸?shù)奶攸c進(jìn)行編程控制，否則主機和從機難以建立有效的通信。TDC-GP22主機的選擇有多種方案，這里選用了AVR系列單片機，并用C語言做了編程示范，當(dāng)然也可以選用其他廠家其他型號的單片機作為控制主機，并結(jié)合相應(yīng)的程序語言進(jìn)行SPI接口編程。同時用測量雙絞線長度的實驗進(jìn)一步驗證了算法的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)（References）

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[3] 莫朗，朱建良，薄煜明.基于TDC-GP22的室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程，2017，25（18）：168-177.

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[6] 韋乃棋，陳自力，朱安石，等.基于TDC的無人機數(shù)據(jù)鏈抗干擾技術(shù)研究[J].測控技術(shù)，2013，32（3）：124-134.

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[8] 尹文芹，施韶華，劉音華.基于FPGA實現(xiàn)TDC的布局布線優(yōu)化方法研究[J].時間頻率學(xué)報，2018，41（1）：27-36.

作者簡介：

陳 玉（1975-），男，碩士，實驗師.研究領(lǐng)域：計算機應(yīng)用技術(shù)，嵌入式開發(fā).