基于時間一數(shù)字轉(zhuǎn)換的精密時差測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)
時差測量廣泛應(yīng)用于定位、測頻、測時、測距等工程領(lǐng)域，例如：水聲定位、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位、雷達(dá)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(nèi)外的時差測量方法主要有直接計(jì)數(shù)法、模擬內(nèi)插法和數(shù)字內(nèi)插法。直接計(jì)數(shù)法雖然電路簡單，量程大，但精度低，因此一般不單獨(dú)采用。模擬內(nèi)插法可以把計(jì)數(shù)法精度提高到皮秒量級，但由于基于電流的充放電技術(shù)，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(shù)字內(nèi)插法的一種，時間一數(shù)字轉(zhuǎn)換法因其具有測量精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)而受到國內(nèi)外的普遍重視。
TDC—GPl是德國ACAM公司生產(chǎn)的通用時間一數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，單通道測量精度為125 ps，雙通道精度可達(dá)250 ps，具有多種工作量程和工作模式。這里設(shè)計(jì)了基于時間一數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC—GPl和D889C450的單通道高精度時差測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)納秒級的時差測量。
1 TDC時差測量原理
時間一數(shù)字轉(zhuǎn)換(TDC)技術(shù)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(shù)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(shí)現(xiàn)102ps量級的門延遲時間，因而可以實(shí)現(xiàn)精密時間測量。
TDC—GPl是德國ACAM公司基于0．8μm CMOS工藝設(shè)計(jì)的一種通用型雙通道時間一數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，支持兩個工作量程，多工作模式，工作方式靈活?？删_測量時間、相位、頻率等物理量。主要技術(shù)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(jìn)行4次采樣，排序可達(dá)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(fā)性兩個測量范圍：3 ns～7．6μs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(fù)值；
(6)分辨率調(diào)節(jié)模式：通過軟件可對分辨率進(jìn)行適應(yīng)精確性調(diào)節(jié)；
(7)內(nèi)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(nèi)部前置配器其頻率最高可達(dá)100 MHz)；
(8)工作電壓：2．7～5．5 V，極低的功耗，可用電池驅(qū)動。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
時差測量系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。
當(dāng)系統(tǒng)上電后，通過DS89C450單片機(jī)對TDC—GPl芯片進(jìn)行工作通道、工作模式選擇等初始化操作。當(dāng)接收到經(jīng)信號調(diào)理后的時差信號后，TDC—GPl按照預(yù)先的設(shè)置開始工作并將測量的結(jié)果存儲在相應(yīng)的結(jié)果寄存器中。當(dāng)測量結(jié)束后，單片機(jī)讀取測量結(jié)果并按照量程2中的時差計(jì)算公式完成相關(guān)的數(shù)據(jù)處理及顯示等功能。
在該系統(tǒng)中，主要采用TDC—GPl的量程2進(jìn)行設(shè)計(jì)。其測量時序如圖3所示。
在量程2中啟用了前置粗計(jì)數(shù)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(jié)果進(jìn)行乘法運(yùn)算，不能直接計(jì)算停止信號之間的時差，只能給出校準(zhǔn)結(jié)果，因此寄存器0中的校驗(yàn)位必須被設(shè)置。
測量時間差計(jì)算公式為：
其中cc為前置粗計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，period表示校準(zhǔn)時鐘周期。
2．2 微處理器電路
系統(tǒng)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(tǒng)，30 ns單指令周期，Dc～33 MHz工作頻率，適合于微型化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。DS89C450是硬件系統(tǒng)的核心，用于完成對GPl的控制操作和與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信等功能。由于GPl提供了8位數(shù)據(jù)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GPl可作為DS89C450的外圍電路。
2．3 前置調(diào)理電路
輸入GPl的start／stop的脈沖信號邊沿對測量結(jié)果有重要的影響，因此通過帶施密特觸發(fā)器的邏輯門電路和濾波電路對待測脈沖信號進(jìn)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(shè)計(jì)
由于TDC—GPl是一個不含模擬元件的完全數(shù)字化器件，利用了非門電路延遲實(shí)現(xiàn)時間測量，而門電路的傳輸時間對環(huán)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(wěn)定的電源供應(yīng)。該系統(tǒng)采用高效率、低靜態(tài)輸出電流、降壓型開關(guān)電源模塊MAX639，并且在硬件電路上放置了適當(dāng)?shù)牡妥杩购偷妥柚档娜ヅ弘娙?，在電路的制作上采用?dú)立的電源層和地層，以提高線路的抗干擾能力，保證系統(tǒng)的測試精度。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 系統(tǒng)主程序
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要采用Ds89C450的匯編語言實(shí)現(xiàn)。主程序完成的主要工作是：單片機(jī)系統(tǒng)的初始化，TDC—GPl模塊初始化和工作模式的選擇設(shè)置，串口通信程序、數(shù)據(jù)的處理、顯示和傳輸?shù)?，其中單片機(jī)與上位機(jī)的通信采用查詢方式。主程序流程圖如圖4所示。
3．2 TDC子程序
對TDC—GPl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(tài)后，開始對TDC—GPl進(jìn)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(zhǔn)模式，無數(shù)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(shè)置如下：reg7=00H，regll=07H，regO=78H，reg4=40H，reg2=2lH，reg7=04H。
當(dāng)單片機(jī)查詢到TDC—GPl芯片輸出的中斷信號后，程序進(jìn)入中斷服務(wù)子程序。置TDC芯片于讀工作狀態(tài)，單片機(jī)開始對進(jìn)行內(nèi)部結(jié)果寄存器數(shù)據(jù)的讀出操作。通過選定起始地址可讀出多重?cái)?shù)據(jù)并能連續(xù)不斷地進(jìn)行讀操作，最后根據(jù)設(shè)置完成測試數(shù)據(jù)的計(jì)算、處理、顯示及傳輸?shù)裙δ堋?br />
4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析
系統(tǒng)工作在室溫25℃，5．03 V電壓條件下，通過對CPLD信號發(fā)生電路產(chǎn)生的數(shù)字脈沖信號間隔進(jìn)行實(shí)際測量，以驗(yàn)證系統(tǒng)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(jìn)行測量，并計(jì)算其絕對誤差。測量數(shù)據(jù)如表1所示。
通過對表1分析得出，測量結(jié)果保持了的測試穩(wěn)定度和測量精度，基本實(shí)現(xiàn)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(jīng)過對相同時差多次測量發(fā)現(xiàn)，測量結(jié)果有一定的波動，主要原因是時間測量模塊是采用內(nèi)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(chǎn)生熱效應(yīng)，導(dǎo)致延時鏈?zhǔn)軠囟扔绊懚娱L時間變化，采用高精度的系統(tǒng)工作電壓和恒溫措施可穩(wěn)定延時線延時常數(shù)，進(jìn)一步提高測量精度。
5 結(jié) 語
設(shè)計(jì)基于TDC—GPl和DS89C450單片機(jī)的精密時差測量系統(tǒng)，通過對測量數(shù)據(jù)的分析表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了納秒級的時間間隔測量，同時系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、精度高、節(jié)能等有優(yōu)點(diǎn)，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(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
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