试论多通道精密时间间隔测量系统的研制

邵向楠① SHAO Xiang-nan；杨阳② YANG Yang

（①郑州测绘学校，郑州 450015；②中国地震局地球物理勘探中心，郑州 450002）

摘要：在科学研究以及工程的实践中，经常需要对大量不同的物理事件进行时间间隔的精密测量，本文提出了一种相关系统的研制，该系统在设计时所使用的芯片为TDC-GPX，它是由集成数字时间所转换而成的，通过管道式的处理方法以及逻辑门延迟线的方法，可以实现多个通道之间的同时测量，通道可以达到八个，测量精度能够达到50ps，对该芯片的内部模式进行编程，能够使测量量程达到无限制的程度。本文将介绍使用TDC-GPX芯片进行设计的测量系统，这种芯片主要是通过管道式的处理方法来对多个通道之间的时间间隔进行测量，并能够保证测量的精密性，另外再使用内部再触的方式来将测量量程进行扩展。

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关键词 ：多通道；精密时间间隔；测量系统

中图分类号：TM935.15 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）23-0157-03

作者简介：邵向楠（1984-），男，河南南乐人，毕业于解放军信息工程大学，研究方向为工程测量。

0 引言

随着社会科学技术的发展，许多有关时间间隔测量的设备也随之诞生，而这些设备大部分都只能同时对两个物理事件进行时间间隔的测量，在多个物理事件方面还未达到理想的效果，无法通过一个设备来完成，而通过多个设备来进行测量就会使测量显得非常复杂。另外，大部分时间间隔测量的设备在量程方面还存在不足，受到一定的限制，这使得在进行实际测量时经常会因为量测受到限制而导致应用效果不够理想，所以在进行多通道精密时间间隔测量系统的研制时要考虑到测量量程的问题。

1 系统设计的原理

1.1 系统多通道设计原理

实现多通道同时进行时间间隔的测量，就是在信号开始后能够得到多个结束信号，这样就能对开始信号以及多个结束信号进行时间间隔的测量，通过TDC芯片，可以使用传播延迟的方式来对进行测量。在开始信号已经触发，芯片可以将时间间隔延迟，然后将其封锁并进行调整，通过寄存器能够对线路进行即时的取样，并能够将其保存。寄存器中所保存的数据再通过管道式处理方法进行处理，再将所有通道的触发方式以及数目进行计算，然后将结果进行封装，再将其通过FIFO读出，如果其中的某个通道已经被处理，那么其相邻通道便会进行优先操作，如果优先操作的通道没有数据可以操作，便会将权利转移到下一通道，通过这种方式能够使数据通过FIFO读出，然后再通过读出的数据对相应的通道号进行解析，使得多通道测量完成。

1.2 系统测量量程扩展设计原理

TDC芯片的再触能够使测量量程扩展，通过对芯片进行触发，能够使芯片所测得的外部信号与内部信号的时间间隔在寄存器中被保存，而且要在指定的时间之内进行再触发。在该芯片内部设有八位触发信号计数器，如果计数达到255就会出现一个进位，这就会使得计数器清零，通过该芯片所设置的计数器，能够使仅为与中断标志相连，这样如果出现进位时便会发生中断，由此可以通过单片机来记录其中断的次数，根据所记录的中断次数可以对内部触发出现进为的次数进行统计，然后将统计的次数与255相乘再与计数器中所保存的数据相加，就可以得出总数据。另外，对于外部信号与内部信号之间的时间间隔所测量的结果，以及计数器中所保存的数据，必须全部封装于TDC中，然后将其输出到单片机内，这样便实现了测量量测的扩展。在测量系统的设计中，通过以上方式采取了一次测量量程的扩展，也就是说在固件编程中所使用到的变量只有一个，通过这一个变量来进行进位次数的记录，由于未处理控制器有三十二为进位数，因此所能测量的最多时间间隔为4294s。但是如果使用的变量不止一个，那么在进行进位次数以及时间间隔测量时，便能够将测量量程进行无限制的扩展[2]。

2 系统设计

时间间隔测量系统的设计主要包括TDC、PC控制软件以及未处理器控制单元。其中TDC的主要作用是通过对时基信号进行参考，然后再将开始信号与结束信号之间的所有时间间隔测量出来，对测量的时间间隔结果进行数字转换，然后再将其传送给未处理器控制单元。另外，未处理器控制单元的主要作用是对TDC寄存器的读出进行控制，控制的主要方式是对接口电平的主要变化进行了解，然后通过其变化来进行控制。PC控制软件能够对系统的通信进行控制，并能够将所测量的时间间隔结果进行保存，并能够将其显示出来，然后再根据所显示出来的时间间隔测量结果来绘制相关图表[3]。多通道精密时间间隔测量系统框图如图1所示。

2.1 硬件的设计

测量系统的硬件主要由TDC和微处理器控制单元构成。其中，微处理器控制单元所使用的处理器共有一百一十二个快速I/O口，而且都能够映射至十六个外部中断，能够符合TDC芯片的多个相关要求，包括数据传输和标志位中断等。另外，微处理器的接口能够与总线进行连接，从而使其能够与PC控制软件进行交互操作。TDC芯片所使用了高线计数，具有非常理想的测量功能，并且有八个测量通道，并能够进行八个通道的同时测量，所有通道的典型分辨率都是81ps，对单个通道进行测量时其测量的范围具体为9.8纳米，当进行再触发之后其测量范围不受限制。每个通道的最高持续采样率为10MHz，每个芯片的最高持续采样率为40MHz。测量系统所使用的微处理器中的十六位E口是TDC芯片的标志位，也可以将其作为其使能控制线，然后将地址选择线使用D口的高四位来进行。TDC的所有标志位要与单片机的外部中断向连接，这样能够对TDC芯片的测量进行有效的控制[4]。

2.2 软件的设计

该多通道精密时间间隔测量系统的构成部分包括PC控制软件以及存在于微处理器控制单元中的固件程序。其中，PC控制软件的主要作用是通过串口通信，对时间间隔测量进行控制，然后再对测量的时间间隔结果进行记录和保存，并将保存的数据采用绘图的方式绘制出来。另外，固件程序的主要作用是对时间间隔的测量进行控制。在固件程序进行控制时，首先要使微处理器完成初始化，然后再开始时钟的配置、独立中断优先级的配置等。当系统开始出现循环的状态时，如果PC控制软件已经发出开始命令，那么系统便会立即按照芯片的读写来进行TDC电平的发送，将芯片的所有寄存器进行设置，并中断开启数据，当主程序开始循环时，如果数据已经中断处理，那么主循环之中的检查就会结束命令，命令结束之后将会立刻复位并使测量恢复。当数据中断处理时，可以使用外部中断对TDC中断标志进行检查，通过检查能够获取相应的进位数目，然后再使用外部中断来对FIFO非空标志进行检查，从而获取相关数据，并根据芯片设定的相关规则来将芯片的所有通道中的数据分别读出，将读出后的数据进行简单的处理，在处理之后再将数据发送到虚拟仪器软件当中，这样便能够使测量完成[5]。

3 系统测试

该测试系统所使用的测试平台是采用SR620测量设备与测量系统中的一个通道进行对比测试，该测试平台如图2所示。使用脉冲分配放大器将信号放大，并通过不同的电缆来对不同时间间隔进行设置，并将其作为该测量系统的待测信号[6]。将SR620与该测量系统的时基参考信号用主钟的10MHz来表示。

3.1 SR620与系统的比较

通过平均值绝对差以及标准偏差来进行系统测量精度的测定，那么，可以将平均值绝对差表示为：

将系统通道2与SR620的纳秒级测量精度进行对比，并将对比结果进行统计，见表1。

将系统通道2与SR620的秒级测量精度进行对比，并将对比结果进行统计，见表2。

3.2 系统通道之间的比较

对系统不同通道的纳秒级测量精度进行测试，对系统的通道3、通道5、通道6的测量结果进行测试。将测量结果进行统计，见表3。

通过不系统不同通道的测量结果进行比较可以证明，不同通道的纳秒级测量精度不存在较大差异。

4 结束语

本文提出的该多通道精密时间间隔测量系统的设计方法，通过对其系统设计原理进行分析，证明了该系统能够实现多通道时间间隔测量的同时进行以及测量量程的扩展，并通过系统测试证实了该系统具有非常高的测量精度。有关于多通道精密时间间隔测量系统的研制还需要再进一步分析和探讨。

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参考文献：

[1]辜新宇，郭际，施韶华，等.多通道精密时间间隔测量系统的研制[J].电子测量与仪器学报，2013，27（1）：69-75.

[2]范晓东，刘光斌.精密时间间隔测量系统方案设计[J].无线电工程，2010，40（9）：55-57.

[3]任全会，曹冰.基于SOPC高精度时间间隔测量系统设计与实现[J].实验室研究与探索，2013，32（6）：243-246.

[4]邢燕.高精度时间间隔测量系统[J].电子测量技术，2010，33（5）：1-3，9.

[5]瞿鑫，吴云峰，江桓，等.基于FPGA的时间间隔测量系统的设计[J].电子器件，2013，36（6）：825-827.

[6]王加祥，相征，琚翔，等.基于CPLD的高精度时间间隔测量系统的设计[J].电子技术应用，2010，15（11）：62-65.