基于TDC_GP2的高精度时间差测量的关键技术研究

赵德平，韩建平

(1．沈阳建筑大学 理学院，沈阳110168;2．沈阳建筑大学 信息与控制工程学院，沈阳110168)

时差法超声波流量计［1，2］、磁致伸缩传感器［3］、高精度脉冲激光测距［4，5］、卫星及导航定位［6～8］等领域要求测量的时间间隔必须精确到纳秒(ns)级，准确获取时间间隔直接决定这些系统的测量精度．目前，时间间隔的测量主要有三种方法:模拟法、数字法和数字插入法［9，10］．

模拟法是通过在待测脉冲时间间隔内对积分电容以大电流Ⅰ充电，然后以小电流Ⅰ/k 放电，测出其放电时间k* tm，即可计算出微小时间间隔tm．此方法的优点是精度极高，可达皮秒(ps)级，但电容充放电时间关系存在非线性现象，约为测量范围的万分之一，而且充放电性能受温度影响较大，可达10～30 ps/℃，限制了其测量范围及测量环境．

数字法是通过计数器记录被测时间间隔脉冲所经历的的基准时钟周期数进而计算出两信号间的时间差，其优点是线性好，精度与测量范围无关．但其测量误差为正负一个脉冲，要使精度达到ns 级，其时钟频率就要达到GHz，市场上很少有如此高的振荡器，且其稳定性也不能得以保证．

数字插入法［11］是通过采用数字法结合不同的插入方法来实现精确的时间测量的，此法将待测的时间间隔分成两部分:基准时钟周期的整数部分与小数部分．整数部分通过粗值计数器(即数字法)测出，小数部分通过插值单元读出，可实现ps 级分辨率的测量，具有测量范围大，高线性、高精度等优点．

图1 TDC_GP2 的绝对时间测量架构图Fig.1 Absolute time measurement architecture diagram of TDC_GP2

图2 TDC_GP2 时间测量原理Fig.2 Time principal structure of TDC_GP2

德国acam 公司推出的新一代高精度测时芯片TDC_GP2［12］就是采用数字插入法技术，其绝对时间测量架构及测量原理如图1，2所示．粗值计数器测出开始信号与停止信号之间的基准时钟个数Cc，高速单元用于测量开始信号到相邻基准时钟上升沿的间隔时间Fc1 以及停止信号到相邻基准时钟上升沿的间隔时间Fc2，其测量结果为精确测量值和粗略测量值的总和，即:

其单次测量的分辨率可达65 ps．高精度、小尺寸QFN32 封装、低功耗、小成本等特性使其成为时差测量的理想器件．杨佩［13］，姚万业［14］，纪荣祎［15］采用单片机控制TDC_GP2 设计了时差测量系统，张黎明［4］采用32 位ARM 处理器控制TDC_GP2 进行高精度时间间隔测量．但他们都是针对测量范围1:ns 级的时间间隔进行实验及测时精度分析，均未对测量范围2:μs、ms 级的测时精度进行过研究．

本文将TDC_GP2 专用测时芯片与高性能主控芯片FPGA Core3S500E 相结合设计了精密时间间隔测量系统．针对测时芯片的软硬件设计的关键技术，测量范围1 及测量范围2 从ns 到ms级不同时间间隔测量的精度进行系列实验研究及误差分析，为时差法超声波流量计顺逆流传播时间μs 级时差测量，激光脉冲测距ns 级时差测量等应用提供一种切实可行的解决方案．

1 系统组成

1.1 硬件设计

该系统采用Xilinx 的FPGA Core3S500E 作为系统的主控芯片，时间间隔测量模块的硬件外围电路如图3所示，FPGA 通过四线SPI(从机使能信号SSN，时钟信号SCK，数据输入SI，数据输出SO)与TDC_GP2 相连进行数据通信，En_Start、En_Stop1 分别是TDC_GP2 的开始信号Start 和停止信号Stop1 的使能控制端．INTN 为计时芯片的中断信号输出端，当计时芯片的ALU 单元处理完时间间隔数据后会将该引脚拉低，此时主控器即可读取相应寄存器中的测量数据．RSTN 为定时芯片的复位引脚，低电平有效，芯片工作前，必须通过该信号线对芯片进行复位．其中4MHz 的晶振作为TDC_GP2 的高速基准时钟，采用陶瓷晶振时存在较大的频率误差，32.768 kHz 的晶振用于对其进行校准．采用典型的3.3 V 对芯片进行供电，芯片上电后，无源晶振4 MHz 及32.768 kHz正常起振，说明芯片能正常工作．测得的时间间隔数据由FPGA 通过串口232 发送至上位机PC 中，通过MFC 界面进行时间数据的显示及保存．

1.2 软件设计

系统采用Verilog HDL 语言，基于SPI 协议实现FPGA 与TDC_GP2 之间的数据通信，其程序流程图如图4所示．上电后，首先必须向芯片的RSTN 复位引脚发送一个50 ns 以上的低电平信号进行复位，然后再向芯片写入0x50 对其进行软复位，否则将导致芯片测量不正常．

TDC_GP2 准确测时的关键在于准确配置其内部的六个32 位寄存器reg0～reg5［16］，如芯片的测量范围，待测信号Start 和Stop 的敏感沿，中断源设置等关键参数都需通过设置不同寄存器的相应位．芯片的每个寄存器必须单独寻址，reg0～reg5 的高8 位分别对应地址操作码0x80～0x85，后24 位为相应功能的配置值．本文选取Start 及Stop 信号的上升沿作为测时的敏感沿，采用校准模式进行测量，中断源设置为ALU 中断触发，测量通道为Stop1 通道，采样一个Stop 脉冲，其测量范围1 及范围2 的相应寄存器配置如表1所示．需要特别注意的是，在测量范围2 配置寄存器reg1 中stop1 通道预期接受的脉冲个数时，其HINT1 设置值必须比预期接收脉冲多1 个，因为Start 也被作为一次采样计数．

图3 TDC_GP2 测时的硬件电路图Fig.3 Time measuring hardware schematics of TDC_GP2

图4 TDC_GP2 测时程序流程图Fig.4 Time measuring program flow-chart of TDC_GP2

表1 寄存器配置Table 1 Register settings

寄存器配置完之后，需向TDC 发送0x03 进行校准，0x70 初始化，选通Start 及Stop 通道后，TDC 进入测量状态，等待Start 及Stop 信号，其ALU 单元根据设置的采样通道及采样脉冲个数进行数据计算，计算完成将产生中断信号，此时FPGA 向TDC 发送0xb0 操作码读取其寄存器reg0 中的数据，并将数据通过串口发送至上位机．采用校准模式测量，其数据格式为32 位固定浮点数，前16 位为整数部分，后16 位为小数部分;上位机MFC 将串口接收的32 位数据进行换算，转换成十进制的浮点数数据，并进行数据的显示及保存．

2 测量结果及数据分析

本文对TDC_GP2 的测量范围1 及测量范围2 分别进行时间间隔实验，采用的基准时钟为4MHz，内部分频器数值设置为1，由于测量范围1只有在2* Tref大于被测时间间隔时，ALU 才能正常工作，否则ALU 输出值为0xFFFFFFFF，并且芯片要求Start 脉冲触发沿与Stop 脉冲触发沿的时间间隔至少3.5 ns，ALU 单元才能精确计算并产生中断信号，因此，测量范围1 可实现3.5～500 ns 的时间间隔测量，测量范围2 可实现500 ns(2* Tref)～4 ms 的时间间隔测量．为测试该时间间隔测量系统的测时精度，选取Start 及Stop 时间间隔为20 ns～4 ms 之间的共计17 组数据进行测量，每组测量500 次，其中20 ns，200 ns，20 μs，200 μs 四组实验数据的分布图如图5所示．

为准确评估系统的测时精度，对每组的500个测量数据分别进行统计分析，分别将各组测量数据代入均值计算公式及标准差公式求取不同信号时差对应的系统均值及总体标准差，其测量及计算结果如表2 和表3所示．

图5 时间间隔为20ns，200 ns，20 μs，200 μs 的测量结果Fig.5 Measurement results of time interval 20 ns，200 ns，20 μs，200 μs

表2 测量范围1 测时数据Table 2 Time measuring results of measurement range 1

表3 测量范围2 测时数据Table 3 Time measuring results of measurement range 2

对于测量范围1，表2 中测量误差与信号时差的关系曲线如图6所示，其测量误差(Δ=μ－t)为ps 级，随信号时差上下波动，且测量均值都小于理论的信号时差，最小测量误差为－13ps，最小标准差66ps 与芯片的最小分辨率65ps 几乎一致．

对于测量范围2，测量均值都大于理论的信号时差，随被测信号时差的增大，误差从ps 增加到了ns 级，对表3 中测量误差(Δ=μ－t)与信号时差之间的关系进行最小二乘拟合，如图7所示．拟合的直线方程为y=19.59×10－5x+8.879×10－5，其斜率为19.59 ×10－5，即系统在量程2 的整个测量范围内的误差曲线保持较好的线性度，在实际应用中，若被测的信号时间间隔较大，可根据该误差拟合直线对测量数据进行实时校正，以提高测量精度．

图6 测量范围1 测量误差与信号时差关系曲线Fig.6 Relation between measurement error and signal time internal of measurement range 1

图7 测量范围2 测量误差与信号时差拟合曲线Fig.7 Fitting curve between measurement error and signal time internal of measurement range 2

而不论测量范围1 还是范围2，其测量的标准差均为ps 级，且对于500 μs 以下的时间间隔测量，标准差随信号时差上下波动，取TDC_GP2的最小分辨率65 ps 为一个标准偏差σ，500 μs 以下测量数据均落在±3σ 之间，因此，测时芯片更加适合于超短时间间隔的测量．

3 结 论

本文通过对TDC_GP2 测量范围1 及范围2进行大量实验及测量误差分析，发现TDC_GP2 对于ns 级时间间隔的测量，其测量精度均在皮秒级，而500 μs 以上的时间间隔测量，其测量误差达到几百ns．因此，测时芯片更加适合于纳微级时间间隔的测量，其精度足以满足时差法超声波流量计顺逆流传播时间几十μs 的时差测量，激光脉冲测距纳秒级时差测量，对于较大500 μs 以上的时间间隔测量，其测量误差为ns 级，但其测量误差与被测时间间隔成明显的线性关系，通过误差拟合直线方程进行实时校准，可更大地发挥TDC_GP2 的性能．

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