基于時間－數字轉換的精密時差測量系統設計

王文川　韓　焱　張丕狀

摘 要：精密時差測量在激光測距、無源時差定位、航空遙控遙測等領域有著廣泛的應用。提出時間-數字轉換技術的時差測量方法，設計一種基于TDC-GP1的高精度時差測量系統，并介紹測量系統設計方法和軟、硬件實現原理。所設計的系統具有配置靈活、可靠性高、功耗低等優點。通過對實際測量數據的分析表明，系統可以實現納秒級的時間間隔測量。

關鍵詞：時間數字轉換；GP1；時差測量；微處理器

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：B 文章編號：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

時差測量廣泛應用于定位、測頻、測時、測距等工程領域，例如：水聲定位、無線傳感器網絡節點定位、雷達脈沖寬度測量等均對時差測量提出了高精度的要求。

目前，國內外的時差測量方法主要有直接計數法、模擬內插法和數字內插法。直接計數法雖然電路簡單，量程大，但精度低，因此一般不單獨采用。模擬內插法可以把計數法精度提高到皮秒量級，但由于基于電流的充放電技術，存在著線性度差、測量時間長、受溫度影響較大和電磁輻射大等問題。作為數字內插法的一種，時間-數字轉換法因其具有測量精度高、速度快等優點而受到國內外的普遍重視^［1-3］。

TDC-GP1是德國ACAM公司生產的通用時間-數字轉換芯片，單通道測量精度為125 ps，雙通道精度可達250 ps，具有多種工作量程和工作模式。這里設計了基于時間-數字轉換器TDC-GP1和DS89C450的單通道高精度時差測量系統，實現納秒級的時差測量。

1 TDC時差測量原理

時間-數字轉換(TDC)技術是利用信號通過邏輯門電路的絕對傳輸時間提出的一種新的時間間隔測量方法，測量原理如圖1所示。start信號和stop信號之間的時間間隔由非門的個數來決定，而非門的傳輸時間可以由集成電路工藝精確地確定。目前的CMOS 工藝可以很容易實現102 ps 量級的門延遲時間，因而可以實現精密時間測量^［4］。

圖1 TDC時差測量原理

TDC-GP1是德國ACAM公司基于0.8 μm CMOS工藝設計的一種通用型雙通道時間-數字轉換芯片,支持兩個工作量程,多工作模式,工作方式靈活。可精確測量時間、相位、頻率等物理量。主要技術特性如下：

(1) 雙通道250 ps分辨率或單通道125 ps分辨率；

(2) 每個通道可進行4次采樣，排序可達8次采樣；

(3) 兩個通道的分辨率完全相同，雙脈沖分辨率大約為15 ns；

(4) 可再次觸發性 兩個測量范圍：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個事件可任意測量，沒有最小時間間隔限制，時間間隔有可能是負值；

(6) 分辨率調節模式：通過軟件可對分辨率進行適應精確性調節；

(7) 內部最多可存儲4個校正值或8個非校正值，校正和控制時鐘的頻率在500 kHz~350 MHz之間(采用內部前置配器其頻率最高可達100 MHz)；

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

2 系統硬件設計

2.1 系統總體設計

時差測量系統原理框圖如圖2所示。

圖2 系統原理框圖

當系統上電后，通過DS89C450單片機對TDC-GP1芯片進行工作通道、工作模式選擇等初始化操作。當接收到經信號調理后的時差信號后，TDC-GP1按照預先的設置開始工作并將測量的結果存儲在相應的結果寄存器中。當測量結束后，單片機讀取測量結果并按照量程2中的時差計算公式完成相關的數據處理及顯示等功能。

在該系統中，主要采用TDC-GP1的量程2進行設計。其測量時序如圖3所示。

圖3 量程2測量時序

在量程2中啟用了前置粗計數器，測量范圍在60 ns～200 ms 之間，可測量多個停止信號與起始信號之間的時差，對結果進行乘法運算，不能直接計算停止信號之間的時差，只能給出校準結果，因此寄存器0中的校驗位必須被設置。

測量時間差計算公式為：

time=period×(cc+FC1-FC2Cal2-Cal1)(1)

其中cc為前置粗計數器的計數值，period表示校準時鐘周期^［7，8］。

2.2 微處理器電路

系統中采用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，30 ns單指令周期，DC~33 MHz工作頻率，適合于微型化系統的設計。DS89C450是硬件系統的核心，用于完成對GP1的控制操作和與計算機進行通信等功能。由于GP1提供了8位數據總線和4位地址總線接口,操作時序符合通用微處理器的總線操作時序,使得GP1可作為DS89C450的外圍電路^［9］。

2.3 前置調理電路

輸入GP1的start/stop的脈沖信號邊沿對測量結果有重要的影響，因此通過帶施密特觸發器的邏輯門電路和濾波電路對待測脈沖信號進行隔離、緩沖及濾波。這樣不但去掉了毛刺，而且改善了波形的邊沿，從而提高時間差的測量精度。

2.4 電源設計

由于TDC-GP1是一個不含模擬元件的完全數字化器件，利用了非門電路延遲實現時間測量，而門電路的傳輸時間對環境(溫度和外加電源電壓)的影響比較大，所以要取得高測量精度就必須保證高穩定的電源供應^［6］。該系統采用高效率、低靜態輸出電流、降壓型開關電源模塊MAX639，并且在硬件電路上放置了適當的低阻抗和低阻值的去藕電容，在電路的制作上采用獨立的電源層和地層，以提高線路的抗干擾能力，保證系統的測試精度。

3 系統軟件設計

3.1 系統主程序

系統軟件設計主要采用DS89C450的匯編語言實現。主程序完成的主要工作是：單片機系統的初始化，TDC-GP1模塊初始化和工作模式的選擇設置，串口通信程序、數據的處理、顯示和傳輸等，其中單片機與上位機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芯片于寫工作狀態后,開始對TDC-GP1進行寫操作。通過賦值控制寄存器7屏蔽所有的STOP輸入信號;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,自校準模式,無數乘功能; 再寫控制寄存器4,選擇參考時鐘SEL-TDC-CLK;再寫控制寄存器2,令通道2第1個脈沖上升沿與通道1第1個脈沖上升沿作差;最后,通過寫控制寄存器7,取消2個通道對STOP輸入信號的屏蔽，允許多次采樣。在測量中,各個寄存器的設置如下: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

當單片機查詢到TDC-GP1芯片輸出的中斷信號后，程序進入中斷服務子程序。置TDC芯片于讀工作狀態,單片機開始對進行內部結果寄存器數據的讀出操作。通過選定起始地址可讀出多重數據并能連續不斷地進行讀操作，最后根據設置完成測試數據的計算、處理、顯示及傳輸等功能。

4 試驗數據及分析

系統工作在室溫25 ℃，5.03 V電壓條件下，通過對CPLD信號發生電路產生的數字脈沖信號間隔進行實際測量，以驗證系統工作性能。分別對單個(第1組及第2組)和多個(第3組和第4組)不同的脈沖寬度進行測量，并計算其絕對誤差。測量數據如表1所示。

通過對表1分析得出，測量結果保持了的測試穩定度和測量精度，基本實現了精密時差測量的功能。但仍然存在一定的時間測量誤差。另外，經過對相同時差多次測量發現，測量結果有一定的波動，主要原因是時間測量模塊是采用內插延時線法測量的，在工作時間過長或外界溫差較大時會產生熱效應，導致延時鏈受溫度影響而延長時間變化，采用高精度的系統工作電壓和恒溫措施可穩定延時線延時常數，進一步提高測量精度。

表1 試驗數據

數據項第1組Stop1-start

/ns第2組Stop1-start

/ns第3組Stop1-start

/ns第4組Stop2-start

/ns

實際值4002.364 50e+0032.348 70e+0045.045 81e+004

測量值398.32.355 6e+0032.349 62e+0045.044 83e+004

絕對誤差1.78.99.29.8

5 結 語

設計基于TDC-GP1和DS89C450單片機的精密時差測量系統，通過對測量數據的分析表明，系統實現了納秒級的時間間隔測量，同時系統具有性能穩定、精度高、節能等有優點，因而在無線定位、測時、遙控遙測、激光測距、電子測量儀器等領域具有廣闊的應用前景。

參 考 文 獻

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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。主要研究方向為高速嵌入式系統開發、電聲定位及陣列信息處理。

韓 焱 男，1957年出生，教授，博士生導師。主要研究方向為信號與信息處理、無線通信。

張丕狀 男，教授，碩士生導師。主要研究方向為主要研究領域有信號處理、總線及接口技術、嵌入式系統應用等。