侯志軍，馬紅皎，王康，趙愛萍，邢燕

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基于TDC-GPX2的精密時(shí)間間隔測量儀設(shè)計(jì)

侯志軍1,2，馬紅皎1，王康1，趙愛萍1，邢燕1

（1. 中國科學(xué)院 國家授時(shí)中心，西安 710600； 2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

為滿足科學(xué)研究和工程應(yīng)用中對(duì)多通道、高精度時(shí)間間隔測量的需求，基于TDC-GPX2時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計(jì)了一款四通道精密時(shí)間間隔測量儀，根據(jù)功能控制模塊的設(shè)置，儀器可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同通道輸入信號(hào)時(shí)間間隔的高精度測量。詳細(xì)論述了系統(tǒng)的測量原理，硬件組成和軟件設(shè)計(jì)，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)儀器的性能進(jìn)行測試與分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的時(shí)間間隔測量儀測量精度優(yōu)于20 ps，并具有良好的準(zhǔn)確性，接入5 MHz的時(shí)鐘參考其量程可達(dá)3.34 s，基本滿足大多數(shù)時(shí)間頻率應(yīng)用領(lǐng)域?qū)y量設(shè)備的性能需求。

時(shí)間測量；TDC-GPX2；多通道

0 引言

測量兩個(gè)物理事件間隔的時(shí)間或一個(gè)物理事件持續(xù)的時(shí)間稱為時(shí)間間隔測量，當(dāng)測量精度優(yōu)于1 ns時(shí)稱為高精度時(shí)間間隔測量[1]。高精度時(shí)間間隔測量技術(shù)在原子物理研究、電子通信、激光測距、授時(shí)及時(shí)間傳遞等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[2-3]，現(xiàn)已成為衛(wèi)星導(dǎo)航、航天遙測等國防和軍事應(yīng)用中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)[4-5]。

近年來，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，市面上已出現(xiàn)一些較為常用的時(shí)間間隔測量設(shè)備，如：美國斯坦福大學(xué)研發(fā)的通用時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器SR620，歐洲粒子物理研究中心設(shè)計(jì)的時(shí)間測量芯片HPTDC，美國惠普公司研制的精密時(shí)間間隔測量儀HP5370B等[5-7]。但大多數(shù)儀器的通道數(shù)量較為有限（如SR620、HP5370B僅有兩個(gè)測量通道），無法對(duì)多個(gè)物理事件進(jìn)行并行觀測，現(xiàn)有的多通道測量設(shè)備（如HPTDC）在測量精度與測量范圍兩方面不能同時(shí)兼顧，且一般價(jià)格較為昂貴，給應(yīng)用帶來諸多不便。

基于此，本文采用德國ACAM公司推出的高性能時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GPX2設(shè)計(jì)了一款四通道時(shí)間間隔測量儀TF-NTSC-2014，其操作簡單，使用靈活，根據(jù)其功能控制模塊的設(shè)置可實(shí)現(xiàn)對(duì)高達(dá)秒級(jí)時(shí)間間隔的精密測量，基本滿足大多數(shù)時(shí)間頻率應(yīng)用中對(duì)測量設(shè)備的性能需求，且儀器成本較低，便于大規(guī)模推廣應(yīng)用。

1 測量原理

現(xiàn)代意義的時(shí)間間隔測量始于真空管時(shí)代，經(jīng)過不斷地發(fā)展、改進(jìn)，目前已產(chǎn)生多種經(jīng)典的測量方法，按實(shí)現(xiàn)的技術(shù)，可分為模擬和數(shù)字兩大類。模擬測量方法，如：時(shí)間間隔擴(kuò)展法、時(shí)間幅度轉(zhuǎn)換法，內(nèi)部需要時(shí)間—數(shù)字轉(zhuǎn)換過程，響應(yīng)速度較慢。數(shù)字測量方法，如：直接計(jì)數(shù)法、抽頭延遲線法、游標(biāo)法，可實(shí)現(xiàn)待測時(shí)間間隔到數(shù)字量的直接輸出，在現(xiàn)代的測量儀器中得到了普遍采用[8]。

為使設(shè)計(jì)的時(shí)間間隔測量儀在保持較高測量精度的同時(shí)具有大的測量范圍，易于通道擴(kuò)展，滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)y量設(shè)備的性能需求。本文采用直接計(jì)數(shù)法與抽頭延遲線法相結(jié)合的單次內(nèi)插測量方法對(duì)待測時(shí)間進(jìn)行量化，具體實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示[9]。

圖1 時(shí)間測量原理圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的時(shí)間間隔測量儀主要由時(shí)間測量單元、微處理器單元、功能控制模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊以及上位機(jī)軟件組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)上電后微處理器單元根據(jù)功能控制模塊的設(shè)置或上位機(jī)軟件發(fā)送的控制命令對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，隨后開啟時(shí)間測量單元，當(dāng)任一通道有測量信號(hào)輸入時(shí)，時(shí)間測量單元對(duì)測量信號(hào)進(jìn)行處理生成對(duì)應(yīng)的時(shí)間測量結(jié)果并產(chǎn)生測量完成信號(hào)，微處理器收到測量完成信號(hào)后讀取各通道的測量結(jié)果，根據(jù)用戶需求計(jì)算輸出數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過串行通信接口發(fā)送到上位機(jī)軟件存儲(chǔ)，并控制數(shù)據(jù)顯示模塊對(duì)其進(jìn)行顯示。

圖2 TF-NTSC-2014系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 硬件組成

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各組成單元的具體功能，選取元器件、繪制電路板對(duì)測量儀的硬件部分進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，各單元的具體實(shí)現(xiàn)方案如下：

時(shí)間測量單元由德國ACAM公司最新推出的高性能時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GPX2及其外圍電路構(gòu)成，該芯片內(nèi)部集成24位參考時(shí)鐘計(jì)數(shù)器，16級(jí)FIFO結(jié)果緩存器，最大測量精度可達(dá)10 ps，滿足設(shè)計(jì)的性能要求[9]。為使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單并兼顧應(yīng)用實(shí)際，芯片輸入部分采用CMOS電平接入，測量結(jié)果通過SPI接口輸出，測量完成信號(hào)端與微處理器PC4管腳連接通知微處理器讀取測量結(jié)果，所有未使用的輸入引腳接高電平，未用到的輸出引腳懸空，以降低系統(tǒng)功耗。

微處理器單元選用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103ZET6微處理芯片進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，該芯片具有7組16位的可配置I/O管腳，內(nèi)部集成多種通信接口，滿足系統(tǒng)的應(yīng)用需求[11]。微處理器通過串行通信接口經(jīng)MAX3232電平轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)軟件的數(shù)據(jù)交互，通過SPI接口完成對(duì)時(shí)間測量單元的配置以及測量結(jié)果的讀取，通過I/O管腳與其他模塊連接，為系統(tǒng)的核心部分。

功能控制模塊由8位撥碼開關(guān)Key1~Key8完成，各開關(guān)一端接地另一端與STM32微處理器的PE8~PE15管腳依次連接，允許用戶對(duì)測量儀進(jìn)行直接控制。各開關(guān)的具體功能如表1所示。

表1 輸入控制模塊功能表

數(shù)據(jù)顯示模塊由16位8段數(shù)碼管構(gòu)成，其在微處理器的控制下對(duì)系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀顯示。各數(shù)碼管的位選端與STM32微處理器PG端口的16個(gè)I/O管腳依次連接，高8位的段選端與微處理器的PD8~PD15管腳連接，低8位的段選端與微處理器的PF0~PF7管腳連接，系統(tǒng)將高低8位數(shù)碼管并行處理，以提高刷新速度、獲得良好的顯示效果。

按照以上實(shí)現(xiàn)方案，利用Altium Desinger電路板制作工具設(shè)計(jì)完成的硬件電路版圖如圖3所示。經(jīng)焊接、調(diào)試完成的時(shí)間間隔測量儀TF-NTSC-2014主體實(shí)物圖如圖4所示。

圖3 硬件電路版圖

圖4 TF-NTSC-2014主體實(shí)物圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

時(shí)間間隔測量儀軟件部分包括上位機(jī)應(yīng)用軟件和微處理器驅(qū)動(dòng)程序，上位機(jī)應(yīng)用軟件采用Visual Basic語言開發(fā)完成，其通過計(jì)算機(jī)的串行通信接口實(shí)現(xiàn)與硬件部分的數(shù)據(jù)交互，主要用于對(duì)微處理器模塊的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示，便于以后對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析，也可在一定條件下對(duì)設(shè)計(jì)的時(shí)間間隔測量儀進(jìn)行控制，得到需要的測量結(jié)果。

微處理器驅(qū)動(dòng)程序主要用于完成系統(tǒng)各硬件模塊的控制，時(shí)間測量單元測量結(jié)果的讀取、處理等操作，程序的N-S流程圖如圖5所示[12]。系統(tǒng)上電后微處理器單元首先進(jìn)行自身初始化，主要對(duì)STM32的工作頻率、各輸入輸出管腳的狀態(tài)，以及與上位機(jī)通信的串行接口，與時(shí)間測量單元通信的SPI接口進(jìn)行配置，然后讀取功能控制模塊，根據(jù)控制源選擇位的電平值，按照功能控制模塊或上位機(jī)軟件的控制命令對(duì)TDC-GPX2的功能寄存器進(jìn)行設(shè)置，開啟時(shí)間測量單元、循環(huán)等待，當(dāng)收到時(shí)間測量單元發(fā)送的測量完成信號(hào)后，讀取各通道時(shí)間測量結(jié)果、計(jì)算用戶需要的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)軟件存儲(chǔ)并控制顯示模塊對(duì)其進(jìn)行顯示。由于TDC-GPX2內(nèi)部各通道均有16級(jí)的FIFO對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)，故驅(qū)動(dòng)程序在數(shù)據(jù)的讀取、處理部分采用循環(huán)檢測而非中斷的方式進(jìn)行，其可使每個(gè)輸出數(shù)據(jù)都能在數(shù)碼管上得到顯示[13]。

圖5 驅(qū)動(dòng)程序N-S流程圖

3 系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)

由于硬件電路設(shè)計(jì)中各通道的布線無法做到完全一致，以及所用參考時(shí)鐘準(zhǔn)確度的影響使TF-NTSC-2014的輸出數(shù)據(jù)與真實(shí)值之間存在一個(gè)固定偏差，即：系統(tǒng)誤差，當(dāng)被測時(shí)間間隔較小時(shí)，測量儀的系統(tǒng)誤差主要由不同通道的布線延時(shí)誤差決定，被測時(shí)間間隔較大時(shí)，時(shí)鐘準(zhǔn)確度將對(duì)測量儀的系統(tǒng)誤差產(chǎn)生影響。為使TF-NTSC-2014的輸出數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠，使用前必須對(duì)儀器的系統(tǒng)誤差進(jìn)行校準(zhǔn)[14]。

表2 各通道統(tǒng)計(jì)結(jié)果 ns

參考時(shí)鐘準(zhǔn)確度與實(shí)際測量中采用的時(shí)鐘源有關(guān)，對(duì)此參考文獻(xiàn)[14]和[15]給出了兩種較為詳細(xì)的時(shí)鐘準(zhǔn)確性校準(zhǔn)方案，時(shí)間間隔測量儀在使用中可任選一種方案對(duì)所用的參考時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)。由于實(shí)驗(yàn)采用的時(shí)鐘信號(hào)——國家授時(shí)中心鐘房主鐘輸出的10 MHz頻率信號(hào)，已具有較高的準(zhǔn)確性，故本文不再對(duì)其進(jìn)行修正。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

測量儀系統(tǒng)誤差修正后，如圖6所示，實(shí)驗(yàn)以國家授時(shí)中心鐘房主鐘輸出的10 MHz頻率信號(hào)為參考，采用脈沖分配放大器將主鐘輸出的1PPS秒信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩路信號(hào)，使用TF-NTSC-2014的通道1與通道2對(duì)這兩路信號(hào)經(jīng)兩根電纜線L1，L2傳播的時(shí)延之差L1-L2進(jìn)行測量，并利用兩根等長的電纜線L3，L4將測量儀的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)接至通用時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器SR620，以SR620為對(duì)比測試。將實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)繪圖顯示，SR620的測量結(jié)果如圖7所示，TF-NTSC-2014的測量結(jié)果如圖8所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

圖7 SR620測量結(jié)果

圖8 TF-NTSC-2014測量結(jié)果

分析圖7和圖8的測量結(jié)果可知：① TF-NTSC-2014的測量數(shù)據(jù)與SR620的數(shù)據(jù)相接近，本文采用的實(shí)現(xiàn)方案合理、有效。② 測試時(shí)間內(nèi)，TF-NTSC-2014的輸出數(shù)據(jù)總體保持平穩(wěn)，設(shè)計(jì)的時(shí)間間隔測量儀表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。③ 對(duì)于固定的時(shí)間間隔TF-NTSC-2014的數(shù)據(jù)波動(dòng)大于通用時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器SR620，故TF-NTSC-2014在測量精度方面有待進(jìn)一步提高。

進(jìn)一步對(duì)實(shí)驗(yàn)時(shí)TF-NTSC-2014所用兩通道的精細(xì)時(shí)間測量值1/1×ref，2/2×ref，以及TF-NTSC-2014與SR620的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到的概率密度直方圖如圖9所示，圖9中，（a）和（b）分別為通道1和通道2精細(xì)時(shí)間測量值統(tǒng)計(jì)結(jié)果，（c）和（d）分別為TF-NTSC-2014與SR620的輸出數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖9 概率密度直方圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由圖9的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)時(shí)TF-NTSC-2014兩通道測量值的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.060 1 ns和0.059 6 ns，而TF-NTSC-2014輸出數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.014 3 ns，由于系統(tǒng)采用不同通道的時(shí)間測量結(jié)果相減，然后求取待測的時(shí)間間隔值，抵消掉了各通道的公共誤差部分，從而使TF-NTSC-2014輸出數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差小于各通道的標(biāo)準(zhǔn)差，本文選用的測量方法可有效減小外界環(huán)境的干擾，得到優(yōu)于抽頭延遲線法本身的測量精度。實(shí)驗(yàn)中對(duì)于同一時(shí)間間隔TF-NTSC-2014的數(shù)據(jù)均值為138.421ns，標(biāo)準(zhǔn)差為0.014 3ns，SR620的均值為138.386 ns，標(biāo)準(zhǔn)差為0.005 9 ns，二者的均值相差0.035 ns，設(shè)計(jì)的時(shí)間間隔測量儀具有良好的準(zhǔn)確性，但與通用時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器SR620相比，其測量精度存在一定不足，在參考時(shí)鐘穩(wěn)定的情況下，可保持在20 ps以內(nèi)。

5 結(jié)論

本文采用STM32微處理器和TDC-GPX2時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計(jì)了一款四通道時(shí)間間隔測量儀TF-NTSC-2014，詳細(xì)論述了系統(tǒng)的時(shí)間測量原理，硬件組成和軟件設(shè)計(jì)，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)其性能進(jìn)行測試、分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的時(shí)間間隔測量儀測量精度可優(yōu)于20ps，并具有良好的準(zhǔn)確性。選用5 MHz的時(shí)鐘參考，TF-NTSC-2014的量程可達(dá)224×200 ns，即：3.34 s，基本滿足大多數(shù)科學(xué)研究和工程應(yīng)用中對(duì)測量設(shè)備的性能需求，然而與通用時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器SR620相比，其在測量精度方面存在一定不足，有待進(jìn)一步提高。

[1] 胡永輝, 漆貫榮. 時(shí)間測量原理[M]. 香港: 香港亞太科學(xué)出版社, 2000.

[2] MAMYRIN B A. Time-of-flight mass spectrometry(concepts, achievements, and prospects)[J]. International Journal of Mass Spectrometry, 2001, 206(3): 251-266.

[3] M??TT? A K. High-precision time-to-digital converter for pulsed time-of-flight laser radar applications[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 1998, 47(2): 521-536.

[4] 屈八一, 周渭, 陳發(fā)喜, 等. 高精度時(shí)間間隔測量儀的研制[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2009, 30(7): 1476-1480.

[5] 吳軍, 王海偉, 郭穎, 等. 資源有限FPGA的多通道時(shí)間—數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)[J]. 紅外與激光工程, 2015, 44(4): 1208-1217.

[6] Stanford Research System. SR620 Universal Time Interval Counter Manual[M]. America: Stanford Research System, 2006: 1-85.

[7] CHRISTIANSEN J. High performance time to digital converter version2.1[P]. ERN/EP-MIC, 2002: 2-5.

[8] Agilent Technologies Inc. Agilent 53131A/132A/181A計(jì)數(shù)器產(chǎn)品綜述[K]. [S.l]: Agilent Technologies Inc, 2009.

[9] ACAM-Messelectronic gmbh. TDC-GPX2 datasheet[K]. [S.l]: ACAM, 2015.

[10] 盧靜怡, 楊志卿, 趙向凱, 等. 基于TDC-GP1的高精度激光測距研究[K]. 光電技術(shù)應(yīng)用, 2013, 28(1): 60-65.

[11] 劉火良, 楊森. STM32庫開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2015: 30-120.

[12] 譚浩強(qiáng). C程序設(shè)計(jì)[M]. 4版. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2010: 22-31.

[13] 張飆, 周國慶, 周祥, 等. 激光雷達(dá)多路距離測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 激光技術(shù), 2016, 40(4): 576-581.

[14] 葉超, 馮莉, 歐陽艷晶. 精密時(shí)間間隔測量儀數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和不確定度測試[J]. 理論與方法, 2008, 27(12): 14-25.

[15] 張?jiān)评? 張珂殊, 邵永社, 等. 基于FPGA的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)與測試[J]. 計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展, 2014, 24(8): 155-178.

Design of a precise time interval measuring instrument base on TDC-GPX2

HOU Zhi-jun1,2, MA Hong-jiao1, WANG Kang1, ZHAO Ai-ping1, XING Yan1

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

In order to meet the requirement of high precision time interval measurement, a four-channel instrument is designed based on the chip of TDC-GPX2. It can realize the precise time interval measurement according to the setting of its control module. The time measuring principle, hardware and software design are introduced in detail, a platform is built to test its performance. Experimental results show that the measuring accuracy is better than 20 ps, its range can up to 3.34 s while inputting 5 MHz reference frequency, can meet the needs for time interval measurement in most applications.

time measurement; TDC-GPX2;multi-channel

TN965.6

A

1674-0637（2017）04-0213-08

10.13875/j.issn.1674-0637.2017-04-0213-08

2017-04-18

地理信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（SKLGIE2016-M-1-3）；中國科學(xué)院“西部之光”西部青年學(xué)者B類資助項(xiàng)目（Y607YR8601）

侯志軍，男，碩士，主要從事時(shí)間頻率測量方面的研究。