图 2 TDC - GP2 外围电路图
3 系统硬件程序设计
TDC - GP2 测量控制流程如图 3 所示 。本系统使
用 TDC - GP2 的测量范围 1。在寄存器配置中 , 设置 Stop2 和 Stop1 进行数值计算 , 这样做可以将测量的最 小值理论上缩小到 0 ns, 有效地消除由 TDC - GP2 内
图 3 TDC - GP2 单元测量控制流程图
4 TDC 测量结果计算与数据校准
TDC - GP2 的测量结果可分为两种 , 校准值和非 校准值 。校准值是指 TDC 在测量时对由于温度等外 界因素引起的误差进行校准之后所产生的测量结果 。 非校准则直接读取测量结果 , 不对其进行校准 。
非校准测量中 , 在 TDC 配 置寄 存器 Reg0 设 置 B IT5 = 0, 关闭校准 , 测量完成后 , 在结果寄存器中 直接读取 16位数据 , 将该数据乘以 65 p s得到的计算 结果 , 即为非校准测量的时间间隔数值 。
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杨佩 , 等 : 基于 TDC - GP2 的高精度时差测量系统设计
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部电路引起的系统误差 。在寄存器配置完成之后 , 即 可开启 Start、 Stop1 、 Stop2 使能 , 通过单片机向 TDC 发送开始信号 , 触发测量 , 同时 TDC 开始等待接收 Stop1、 Stop2 脉冲信号 。完成测量之后 , TDC 根据预 先设定的校准模式进行数据的校准 , 如果设置为数据 自动校准 , 那么 ALU 单元便可自动进行校准测量 , 然后写入数据输出寄存器中 , 如果设置手动校准 , 则 需要通过 SP I口发送 Start_Cal_TDC 指令进行数据并 读取校准系数 。等待中断信号 INTN 为 0后 , 即可发 送 Read_data命令 , 从结果寄存器中测量数据 。单片 机根据预先设定的测量模式以及时钟周期 , 计算出精 确的时差数据 。
D esign of the H igh2prec ision T im e D ifference M ea surem en t System Ba sed on TDC 2GP2
Yang Pei, Xu Jun, W ang Fei ( School of Technical Physics, Xidian University, Xiπan 710071, China) Abstract According to the analysis of time difference measurement by the method of Time2to2D igital Converter ( TDC) , a high2p recision time difference measurement system based on the general TDC module TDC2GP2 is de2 signed. The measurement range of the system is 0～118μs and the p recision can reach 70 p s. The system has effec2 tively solved the p roblem of high2p recision time difference measurement in app lication of laser ranging and L IDAR. Keywords TDC2GP2 ; high2p recision time difference measurement system; laser ranging; system design
目前 , 时间间隔测量常用的测量方法是直接计数 法 (D irect Counter M ethod) [ 1 ] 。其原理是 , 通过计数 电路记录两个间隔脉冲之间所经历的时钟周期数 , 即 可计算出两脉冲信号的时间差 , 测量的分辨率为最小 的脉冲周期 。当时间精度要求为 1 ns时 , 其时钟的 频率至少为 1 GHz, 这给电路的设计和应用增加了较 大的困难 。利用时间数字转换法 ( Time - to - D igital Converter简称 TDC, 也称之为延时线法 ) [ 2 - 3 ]的测量 原理 , 运用 ACAM 生产的通用型 TDC 测量芯片对时 间间隔进行精确测量 , 其最高精度可达到 65 p s, 摆 脱了高精度时间间隔测量对高频时钟的依赖 , 减小了 电路设计及应用中的难度 。
收稿日期 : 2009211225 作者简介 : 杨佩 ( 1984 - ) , 男 , 硕士研究生 。研究方向 : 红 外系统 , 模式识别 , 图像处理 。
1 TD C 工作原理及功Fra bibliotek描述TDC - GP2 是德国 ACAM 公司通用型 TDC系列的 新一代产品 。 TDC - GP2 主要由 TDC 测量模块 , 16 位算术逻辑模块 (ALU ) , 温度测量模块以及 4线 SP I 串行数据接口组成 。具有两个测量范围 , 其精度均达 到 65 p s。 TDC - GP2 采用尺寸较小的 QFN32 封装 。 通过 4线 SP I与控制器相连 , 具有最高 1 MHz的连续 数据输出 。并且可通过配置内部寄存器 , 设置 TDC GP2 的测量范围 、信号触发方式等 , 使用户能够对该 芯片进行灵活应用 。
和温度的校准测量单元 , 通过设置 TDC 配置寄存器 Reg0 的 B IT5 位 , 开启或关闭校准 。在校准测量中 , 也通过配置进行自动或手动校准 。
TDC - GP2 校准是在测量外部脉冲间隔时 , 另外 测量一个已知的时间间隔 , 测量完成后根据高稳定时 间值的测量结果 , 对外部测量结果与已知时间间隔的 测量值进行比较 , 消除由于环境温度和供电电压的变 化带来的系统测量误差 。 TDC - GP2 的校准测量要求 芯片有一个外部相对稳定的时钟信号 , 校准测量时 , TDC - GP2 在完成对外部信号的测量后 , 继续测量 1 倍和 2倍内部基准时钟周期 , 分别记作 Cal1 和 Cal2 , 如图 4所示 。图中 Cal1 、Cal2 分别为 1 倍 、 2 倍参考 时钟周期的测量值 , RefClk为参考时钟信号 。
由于 TDC测量中 , 门电路的延时时间受到电源 电压 、环境温度等因素变化的影响 , 并且其影响具有 不确定性和不重复性 , 因此在其影响下 , TDC的测量 结果也具有不确定性和不重复性 , 严重影响测量电路 的精度和稳定性 。因此 , 为了能够得到精确测量结 果 , 需要在测量中对温度和电压的影响进行补偿 。为 解决这一问题 , 在 TDC - GP2 的内部设置了针对电压
2010年第 23卷第 7期 Electronic Sci1& Tech1 /Jul115, 2010
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基于 TDC - GP2 的高精度时差测量系统设计
杨 佩 , 徐 军 , 王 菲
(西安电子科技大学 技术物理学院 , 陕西 西安 710071) 摘 要 通过对时间数字转换法进行时间间隔测量分析 , 设计出一款基于通用型 TDC测量模块 TDC - GP2 的高精 度时差测量系统 。该系统测量范围为 0～118μs, 精度可达到 70 p s, 有效地解决了激光测距 、激光雷达等应用中高精 度时差测量的问题 。 关键词 TDC - GP2 ; 高精度时差测量系统 ; 激光测距 ; 系统设计 中图分类号 TN249 文献标识码 A 文章编号 1007 - 7820 (2010) 07 - 077 - 05
2 TDC - GP2 硬件电路设计
杨佩 , 等 : 基于 TDC - GP2 的高精度时差测量系统设计
图 2所示的是 TDC - GP2 外围硬件电路原理图 , 在 TDC - GP2 的 应 用 中 需 要 2 个 晶 振 , 4 MHz 和 321768 kHz, 分别如图 2 中所示的方式接入电路中 。 由于门电路 的延 时受 到温 度和 电压的 影响 , 因此 , 4 MHz晶振是为了校准而设置的一个基准 。当使用陶 瓷晶振时 , 由于其频率误差大 , 所以需要在测量时用 321768 kHz的晶振 , 对高速晶振进行校准 。若选用温 度稳定性较高的石英晶振 , 在测量时就不用对高速晶 振进行校准 , 因为这种晶振能够满足系统测量要求 。 该系统使用 M SP430 单片机作为系统控制器 。其中 EN _Start、 EN _Stop1、 EN _Stop2 分别为 TDC - GP2 的 Start、 Stop1 、 Stop2 的使能控制端 , 连接至 M SP430的 I/O 口 。 INTN 为 TDC - GP2 的中断信号输出 , RSTN 为 TDC - GP2 复 位 信 号 输 入 。 TDC - GP2 的 SP I口 (图 2中 SSN、 SCK、MOSI、M ISO端 ) 与 M SP430 的 SP I口直接相连 , 进行数据通信 。在本系统中 , Start 信号是由单片机 I/O 口产生 , 并用于来触发 TDC 启 动测量 。
TDC是以信号通过内部门电路的传输延时来进行 高精度时间间隔测量的 [ 4 - 6 ] 。图 1显示的是这种测量 绝对时间 TDC的主要架构 。测量过程中 , 只需计算出 开始信号和结束信号之间所经过的逻辑门的个数 , 就 可以精确的计算出 Start信号与 Stop 信号之间的时间 间隔 。芯片上的智能电路结构 、担保电路和特殊的布 线方式保证芯片精确地记下信号通过门电路的个数 。
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图 1 TDC绝对时间测量系统框架