基于飞行时间法的纳秒量级时间间隔测量系统研制刘传军1,2,任琼英2(1.中国科学院研究生院 北京 100080;2.中国科学院空间科学与应用研究中心 北京 100080)摘 要:为了更好地探测空间等离子体成分,研究了一种基于飞行时间法的纳秒量级时间间隔测量系统,分别介绍了该系统的三个组成部分CPU 模块、时间间隔测量模块、数据传输模块。
并着重研究了纳秒量级时间间隔的测量方法,详细介绍了主要时间间隔测量芯片TDC 2GP1。
并对数据传输模块的设计做了简要说明。
实验结果表明,该测量系统的性能可满足探测需求。
关键词:飞行时间法;空间等离子体;时间间隔测量;TDC 2GP1中图分类号:TP23 文献标识码:B 文章编号:10042373X (2008)152127203Measurement of N anosecond Pulse B ased on Time 2of 2FlightL IU Chuanjun 1,2,REN Qiongying 2(1.Graduate School ,Chinese Academy of Sciences ,Beijing ,100080,China ;2.Center for Space Science and Applied Research ,Chinese Academy of Sciences ,Beijing ,100080,China )Abstract :To better explore the space plasma composition ,measurement system of nanosecond time interval based on the time 2of 2flight is studied.The main module for CPU ,time interval measurement and data transmission in this system are intro 2duced in this paper.The measurement method of nanosecond time interval ,the chip of TDC 2GP1are intraduced in a detail.The firmware and drivers of data transmission module are given as well.The result of experiment show that the measurement sys 2tem could meet the demands for space exploration.K eywords :time 2of 2flight ;space plasma ;time interval ;TDC 2GP1收稿日期:20082012031 引 言随着空间探测技术的发展,空间的等离子体成分探测显得越来越重要,尤其对现在正在进行的深空探测,如探月计划。
而空间等离子成分探测最主要的方法就是飞行时间法,既通过测量粒子飞过一定距离所需要的时间来鉴别粒子成分。
目前,国外在等离子体成分探测方面技术已经很成熟,如1984年AM P TE/IRM 上的超热离子电荷分析器[1];1996年FAST 上的飞行时间法能量角质谱仪(TEAMS ),Cluster Ⅱ上的离子成分和分布函数分析器(CODIF )。
然而在国内,该技术还刚刚处于起步阶段,存在很多难点,其中最关键的就是:快电子学技术,也就是说如何用电子学的方法测量出起始脉冲和停止脉冲之间的时间间隔,既粒子的飞行时间,约为纳秒量级,将是整个等离子成分探测器的关键。
也是目前国内离子成分探测中所面临的难题,为了能够探索出一种测量这种纳秒量级时间间隔的方法,首先必须模拟出来这种纳秒量级的时间信号,从而找出一种测量该时间间隔的最好方法。
本文将主要研究基于飞行时间法的纳秒量级时间间隔测量技术。
2 设计原理及系统组成纳秒量级时间间隔测量系统由CPU 模块、时间间隔测量模块、数据传输模块三部分组成,其逻辑框图如图1所示。
图1 时间间隔测量系统逻辑框图其中CPU 模块主要功能是模拟纳秒量级脉冲信号、接收时间间隔测量模块的数据、FIFO 缓存、发送数据到数据传输模块、控制数据传输模块的时序,是整个测量系统的前提和控制中心。
时间间隔测量模块主要用来测量纳秒量级的时间间隔,同时把时间信号转换为数字信号。
数据传输模块接收数据,并进行数据处理,同时将数据传输到PC 机。
PC 机用来存储数据,同时发送指令到数据传输模块。
721《现代电子技术》2008年第15期总第278期 测试・测量・自动化 2.1 CPU模块该模块主要是由FP GA芯片、电源转换电路、时钟模块及配置电路组成。
其中最主要的部分为FP GA芯片,它是整个CPU模块的核心。
CPU模块的主要功能:(1)模拟纳秒量级脉冲信号[2]。
利用现有的技术方法模拟出来,时间间隔为纳秒量级的脉冲信号,为验证后续测量系统做准备。
(2)接收时间间隔测量模块的数据,将时间间隔测量模块数据存储到内部FIFO。
(3)FIFO缓存、发送数据到数据传输模块。
利用FP GA内部的逻辑门,通过编程实现2个4kB的FIFO,用于缓存数据,同时将数据发送到数据传输模块。
(4)控制测量模块和数据传输模块的时序。
作为整个测量系统的控制中心,为后续的测量模块和数据传输模块提供时序控制和读、写方式等。
其中模拟纳秒量级脉冲信号是整个CPU模块的关键,在本系统中,通过选用了Xilinx公司Virtex22系列FP GA,利用其内部的DCM(数字时钟管理器,Digit2 al Clock Manager)模块将时钟信号倍频到300M Hz左右,通过计数的方法来产生起始脉冲和停止脉冲,从而产生纳秒量级的时间间隔信号。
2.2 时间间隔测量模块时间间隔测量系统是整个电子学系统的关键。
它的性能的好坏直接决定着时间间隔测量系统的精度。
本测量方案选用了德国ACAM公司的高精度时间间隔测量芯片TDC2GP1。
该芯片采用44引脚TQ FP封装,具有TDC测量单元、16位算术逻辑单元、RL C测量单元及与8位处理器的接口单元4个主要功能模块。
其性能指标如下[3]:①双通道,250p s的分辨率或者单通道125p s的分辨率。
②每个通道可进行四次采样,排序则可达8次采样。
③两个通道的分辨率完全相同,双脉冲分辨率大约为15ns。
④有两个测量范围:3ns～716μs;60ns～200ms (有前置配器,只使用于单通道)。
⑤双通道的8个事件可以一个一个的任意测量,没有最小时间间隔限制。
⑥分辨率调整模式:通过软件对分辨率进行石英准确性调整。
⑦有四个端口用来测量电阻、电容和电感。
测量输入的边缘灵敏性是可调的。
⑧有效的内置16位运算器,测量结果可以被校准或者乘以一个24位的整数。
⑨运算器用于计算的时间是独立于外部时钟的,整个校准和乘法的时间大约为4μs。
⑩内部最多可存储4个校准值或者8个非校准测量值。
校准和控制时钟频率为500k Hz～35M Hz(高于100M Hz将用到内部的前置配器)。
工业温度范围为-40～+85℃;工作电压:217～515V;低功耗,可用电池驱动。
TDC2GP1提供了三种测量方式供用户选择,其具体参数和时序逻辑如下所示:(1)测量范围一GP1提供了两个测量通道,每个通道的分辨率是250p s,它基本的测量范围是15位。
两个通道具有完全相同的分辨率,共用一个STA R T信号和至多四个独立的STOP输入信号进行比较,最小时限为15ns。
STAR T和STO P信号必须持续215ns以上,否则芯片无法辨识。
STO P信号之间可进行相互的比较,无最小时限。
量程为3ns～716μs。
两个通道可进行排序,这样可使1通道允许8个脉冲输入,但通道2的STO P输入被忽略。
测量时序如图2所示。
图2 测量范围一的测量时序(2)测量范围二为进行大量程时间测量,芯片引入了一个16位的前置配器。
该模式下芯片只有通道1可用,正常精度模式下允许4个脉冲输入。
STOP信号之间不能相互比较,仅STOP与STSR T信号可进行比较。
最大量程60ns～200ms。
测量时序如图3所示。
图3 测量范围二的测量时序其测量原理如下:输入STA R T信号芯片内部迅速测量出这个信号与下一个校准时钟上升沿的时差t PC1,之后计数器开始工作,得到此前置配器的工作周期数period。
这时重新激活芯片内部测量单元,测量出输入821测控技术刘传军等:基于飞行时间法的纳秒量级时间间隔测量系统研制的STOP 信号的第一个脉冲上升沿与下一个校准时钟上升沿的时差t PC2,t PC3是STO P 信号的第二个脉冲上升沿与校准时钟上升沿的时差。
t cal1十一个校准时钟周期,t cal2是两个校准时钟周期。
根据图6可以得出STAR T 信号与STO P 信号第一个脉冲的时间间隔为:time =period ×(cc +t PC1-t PC2t cal2-t cal1)cc 表示前置配器的计数值。
(3)精度可调整模式在此模式下两通道数值有非常精确的校准环路,精度可以通过程序中的设置来调整,精度可调整模式不需要STAR T 信号。
因此最多只能通过通道1和通道2共引入8个STOP 输入,此时任意两个STOP 信号均可以进行比较,量程为3ns ～318μs ,但芯片耗电量比较大,大约为25mA 。
其测量时序如图4所示。
图4 精度可调模式的测量时序上述三种测量方式,各自都有自己的特点,适用于不同的条件,测量的分辨率也有很大不同。
在具体应用中,可以根据所测等离子体的能量范围和通道个数以及所要求的分辨率,来具体的选择适用哪种模式。
在该测量系统中,需要两个通道同时测量,而且需要大量程测量,所以选择测量范围一,具体的寄存器配置如下:Reg0:0x48;Reg1:0x4B ;Reg2:0x01;Reg3:0xXX ;Reg4:0x40;Reg5:0xXX ;Reg6:0x02;Reg7:0x01;Reg8:0x00;Reg9:0x00;Reg10:0x80。
2.3 数据传输模块该模块主要包括U SB2.0控制器(Cy7c680132128)、PC 机,以及驱动和固件程序等。
在整个测量系统中,为了更好的与PC 机进行通信,并获得很快的数据传输的速度,最终选用U SB 接口(Universal Serial Bus ),它是一种新的接口标准,有很多优点如即插即用、支持热插拔、传输速度快、可通过扩展连接多达127个U SB 设备等。
本设计选用的是Cyp ress 公司的EZ 2U SBFX2系列芯片中的C Y7C68013,这是一种带U SB 接口的单片机芯片,虽然采用低价的8051单片机,但仍然能获得很高的速度。