CN106557018A - 一种next系列产品的tdc型计时电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种NEXT系列产品的TDC型计时电路，该系统由TDC-GP21精确计时模块、APD探测阵列、FPGA控制模块、激光发射器、电源电路、上位机组成；TDC-GP21精确计时模块通过SPI接口与FPGA控制模块双向连接，用于对激光脉冲的往返时间测量；APD探测阵列通过数据接口连接到TDC-GP21精确计时模块，用于接收脉冲信号和对信号进行处理进而向TDC-GP21精确计时模块输出处理后的信号；激光发射器用于向目标发出脉冲信号；电源电路连接到TDC-GP21精确计时模块，用于整个系统的供电；该发明具有体积小、计时精度高、性能稳定的特点。

Description

一种 NEXT 系列产品的 TDC 型计时电路
技术领域
本发明属于计时电路系统领域的具体应用，尤其涉及一种NEXT系列产品的TDC型计时电路。
背景技术
时间间隔测量技术的应用非常广泛。日常生活中，我们就会使用手表提供的秒或分来计时；在数字通信、电力传输、卫星导航、同步授时的众多工程领域，往往需要使用纳秒(Nanosecond，1E-9秒)量级精度的时间间隔测量技术；而在科学计量、物理实验、航天航空的尖端领域，时间间隔测量技术作为一种探测鉴别手段，其精度甚至要求达到皮秒量级；时间作为国际单位制中七个基本单位之一，是目前测量精度最高的一个物理量，其他物理量，如长度、速度、流量、厚度，都可以通过转化成时间量的测量以获得更高的测量精度这使得时间间隔测量技术在测量领域得到了更广泛的应用。
随着国民经济和国防建设技术的不断进步，人们对时间间隔测量的要求越来越高，从工程实际來看，高精度、宽范围、多路、低成本的多项综合要求，已成为时间间隔测量的一种发展趋势，单纯地使用绪论中提到的一种或几种时间间隔精密测量方法，很难满足这种要求。时间间隔测量技术在国民经济、国防建设方面具有重大的意义，世界各国都对该技术投入了大量研究并获得了快速发展。在欧美国家，他们利用自身集成电路方面的优势，研究出了大量成熟的精密时间间隔测量技术，并研发了各种实用的TDC芯片特别是在美国，每年都会举办精密时间与时间间隔年会来进行专题讨论，美国国家科学院甚至将这项技术作为评估国家国防实力的重要标志之一。
TDC-GP21芯片是德国ACAM公司推出的一款基于延迟线技术的通用型TD.C芯片12711551。与上一代产品TDC-GP2相比，管脚与寄存器是完全兼容的，时间间隔测量的最小分辨率提升到了45ps，并额外加入了模拟扩展功能，使得芯片在应用时，外围电路的设计更简单，测量的结果更精确。该发明具有体积小、计时精度高、性能稳定的特点。
发明内容
针对传统的扫描式激光成像系统计时电路精度差不能满足现实应用要求的现状，本发明设计了一种NEXT系列产品的TDC型计时电路。本发明的目的在于，提供一种体积小、计时精度高、性能稳定的TDC-GP21型计时电路系统。
为了实现上述系统，本发明采取的技术方案是：
一种NEXT系列产品的TDC型计时电路，其特征在于该系统由TDC-GP21精确计时模块、APD探测阵列、FPGA控制模块、激光发射器、电源电路、上位机组成；具体的，FPGA控制模块通过驱动电路控制激光发射器向目标物发出脉冲信号的同时向TDC-GP21精确计时模块发送Start信号，待激光回波脉冲到达APD探测阵列后，每像素只与其对应的目标各点的回波信号一一对应TDC-GP21精确计时模块到Stop信号，FPGA控制模块通过计算Start与Stop的差值，即可得到目标点到该电路系统的距离值，然后通过SPI接口按一定顺序传输到FPGA控制模块内部，采用异步FIFO方式，进行读取数据，在FPGA控制模块内部进行简单处理后，通过高速USB接口将数据传入上位机进行图像显示处理，最终获得目标的三维距离图像。
在该NEXT系列产品的TDC-GP21型计时电路系统中，所述TDC-GP21精确计时模块使用ACAM公司开发的高精度专用时间数字转换芯片，设计分立的计时单元，设计16路互相独立工作的精确计时电路，16路计时电路由FPGA控制模块统一记录Start信号，并各自独立记录阵列中相应像素到的Stop信号，并由内部寄存器完成时间差值计算，测出激光脉冲往返飞行一次的时间间隔，完成一次测量工作，该模块可以对激光脉冲在空中的往返飞行时间进行准确测量，计时精度最高可达45ps，理论距离分辨率可达1.35cm，用于完成精确计时功能。
在该NEXT系列产品的TDC-GP21型计时电路系统中，所述APD探测阵列利用不带集成读出电路的8×8阵列APD进行搭建，该产品具有响应度高、带宽高、噪声低的特点，用于将接收到的激光回波信号转换为电流信号经过阵列内部集成的前置放大电路进行初次放大，再经主放大电路的二次放大后，经过时刻鉴别电路输入到TDC-GP21精确计时模块的Stop管脚。
在该NEXT系列产品的TDC-GP21型计时电路系统中，所述FPGA控制模块用Altera公司的EP2S60F484C4芯片作为控制TDC-GP21的主芯片。在本发明的具体实施过程中，采用两个FPGA的异步FIFO，记为FIFO_0、FIFO_1，将编号为奇数的计时电路核心器件 TDC-GP21中的32位数据通过SPI接口被FPGA写入FIFO_0中，编号为偶数的计时电路核心器件TDC-GP21中的32位数据通SPI接口被FPGA写入FIFO_1中。然后FPGA将存入两FIFO中的数据通过编程整理成一个数据列，通过16位数据线传入USB高速接口电路的核心器件CY68013A芯片内，又通过CY68013A将数据传入上位机。FPGA控制模块实现对TDC-GP21精确计时模块进行同步初始化、控制和数据读取的功能，控制TDC-GP21精确计时模块完成精确计时功能，最后通过USB高速接口，将数据传入上位机进行图像显示处理；
在该NEXT系列产品的TDC-GP21型计时电路系统中，所述激光发射器为半导体脉冲激光发射器，用于向目标发出一次短脉冲光束脉冲信号；所述电源电路用于整个电路系统的供电；所述上位机用于处理结果的显示。
在该NEXT系列产品的TDC-GP21型计时电路系统中，所述的精确计时模块其特征在于，所述精确计时模块的控制程序流程如下所示：
步骤1、配置（测量范围、时钟、通道选择）；
步骤2、初始化；
步骤3、等待 start和stop脉冲；
步骤4、判断是否超时，是则执行步骤7，否则执行步骤5；
步骤5、校准测量；
步骤6、对HIT1和HIT2数据进行处理；
步骤7、中断；
步骤8、读取状态寄存器；
步骤9、判断溢出，是则执行步骤2，否则执行步骤10；
步骤10、读数据。
本发明的有益效果是：
一种NEXT系列产品的TDC型计时电路，该系统由TDC-GP21精确计时模块、APD探测阵列、FPGA控制模块、激光发射器、电源电路、上位机组成；该系统采用ACAM公司的TDC-GP21型芯片作为系统的精确计时模块，精度达45ps级，理论距离分辨率可达1.35cm，用于对激光脉冲的往返时间测量；采用不带集成读出电路的8×8阵列APD用于接收脉冲信号和对信号进行处理进而向TDC-GP21精确计时模块输出处理后的信号；采用Altera公司的EP2S60F484C4芯片作为FPGA控制模块的主芯片，实现对TDC-GP21的同步初始化、控制和数据读取功能，采用Cypress公司的CY68013A芯片设计USB2.0串行高速接口，最终实现了一种NEXT系列产品的TDC型计时电路，该发明具有体积小，重量轻，分辨率高，成像速率快的特点。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的解释说明。
图1是NEXT系列产品的TDC-GP21型计时电路系统总体框架图；
图2是高精度时间测量原理结构图；
图3是TDC-GP21电源电路图；
图4是FPGA数据采集与传输方框图；
图5是TDC-GP21控制程序流程图。
具体实施方式
本发明的具体实施方式为：所述的一种NEXT系列产品的TDC型计时电路，其DC-GP21芯片通过SPI接口与FPGA控制模块双向连接，APD探测阵列通过数据接口连接到TDC-GP21精确计时模块，FPGA控制模块与上位机和激光发射器之间分别通过高速USB接口和驱动电路连接，电源电路通过导线连接到TDC-GP21精确计时模块。具体的，FPGA控制模块通过驱动电路控制激光发射器向目标物发出脉冲信号的同时向TDC-GP21精确计时模块发送Start信号，待激光回波脉冲到达APD探测阵列后，每像素只与其对应的目标各点的回波信号一一对应TDC-GP21精确计时模块到Stop信号，FPGA控制模块通过计算Start与Stop的差值，即可得到目标点到该电路系统的距离值，然后通过SPI接口按一定顺序传输到FPGA控制模块内部，采用异步FIFO方式，进行读取数据，在FPGA控制模块内部进行简单处理后，通过高速USB接口将数据传入上位机进行图像显示处理，最终获得目标的三维距离图像。
图1是NEXT系列产品的TDC-GP21型计时电路系统总体框架图，该系统由TDC-GP21精确计时模块、APD探测阵列、FPGA控制模块、激光发射器、电源电路、上位机组成；TDC-GP21精确计时模块通过SPI接口与FPGA控制模块双向连接，用于对激光脉冲的往返时间测量；APD探测阵列通过数据接口连接到TDC-GP21精确计时模块，用于接收脉冲信号和对信号进行处理进而向TDC-GP21精确计时模块输出处理后的信号；FPGA控制模块与上位机和激光发射器之间分别通过高速USB接口和驱动电路连接，用于激光发射器的控制和信号的计算与处理；上位机用于处理结果的显示；激光发射器用于向目标发出脉冲信号；电源电路连接到TDC-GP21精确计时模块，用于整个系统的供电。
图2是高精度时间测量原理结构图，数字式TDC应用内部逻辑门延迟来实现高精度时间间隔测量，最大的测量精度取决于内部信号通过逻辑门的时间。TDC-GP21芯片内部的电路结构、担保电路以及特殊的测量方法可以精确记录信号通过逻辑门的时间。在芯片处于工作状态时，由FPGA芯片向TDC-GP21精确计时模块发送Start脉冲信号，当激光回波脉冲到达APD探测阵列后，经主放大电路、时刻鉴别电路后，TDC-GP21精确计时模块收到Stop脉冲。通过计算Start与Stop的差值，即可得到激光脉冲在空中的往返飞行时间。TDC-GP21芯片的I/O和内核供电都采用3.3V电压供电。每个TDC-GP21芯片的外围电路都需要一个32.768KHz的低速振荡器作为校准基准时钟和一个4MHz（2~8MHz）的高速振荡器起校准作用。FPGA通过SPI接口模块实现对TDC-GP21精确计时模块进行初始化、控制和数据读取的功能。
图3是TDC-GP21电源电路图，TDC-GP21型计时电路系统工作所需的3.3V电源由常用的线性电压调节器ASM1117提供，ASM1117是低压差线性稳压器，具有成本低，功耗小，噪音低，良好的线性特性以及外围电路简单的特点。ASM1117芯片最大输出电流为800mA，可以满足TDC-GP21供电需求。
图4是FPGA数据采集与传输方框图，该系统采用两个FPGA的异步FIFO，记为FIFO_0、FIFO_1，将编号为奇数的计时电路核心器件TDC-GP21中的32位数据通过SPI接口被FPGA写入FIFO_0中，编号为偶数的计时电路核心器件TDC-GP21中的32位数据通过SPI接口被FPGA写入FIFO_1中。然后FPGA将存入两FIFO中的数据通过编程整理成一个数据列，通过16为数据线传入USB高速接口电路的核心器件CY68013A芯片内，又CY68013A将数据传入上位机。
图5是TDC-GP21控制程序流程图，所述精确计时模块的控制程序流程如下所示：
步骤1、配置（测量范围、时钟、通道选择）；
步骤2、初始化；
步骤3、等待 start和stop脉冲；
步骤4、判断是否超时，是则执行步骤7，否则执行步骤5；
步骤5、校准测量；
步骤6、对HIT1和HIT2数据进行处理；
步骤7、中断；
步骤8、读取状态寄存器；
步骤9、判断溢出，是则执行步骤2，否则执行步骤10；
步骤10、读数据。
除了上述以外本发明所属技术领域的普通技术人员也都能理解到，在此说明和图示的具体实施例都可以进一步变动结合。虽然本发明是就其较佳实施例予以示图说明的，但是熟悉本技术的人都可理解到，在所述权利要求书中所限定的本发明的精神和范围内，还可对本发明做出多种改动和变动。

Claims (3)

1.一种NEXT系列产品的TDC型计时电路，其特征在于，该系统由TDC-GP21精确计时模块、APD探测阵列、FPGA控制模块、激光发射器、电源电路、上位机组成；具体的，FPGA控制模块通过驱动电路控制激光发射器向目标物发出脉冲信号的同时向TDC-GP21精确计时模块发送Start信号，待激光回波脉冲到达APD探测阵列后，每像素只与其对应的目标各点的回波信号一一对应，TDC-GP21精确计时模块到Stop信号，FPGA控制模块通过计算Start与Stop的差值，即可得到目标点到该电路系统的距离值，然后通过SPI接口按一定顺序传输到FPGA控制模块内部，采用异步FIFO方式，进行读取数据，在FPGA控制模块内部进行简单处理后，通过高速USB接口将数据传入上位机进行图像显示处理，最终获得目标的三维距离图像；DC-GP21芯片通过SPI接口与FPGA控制模块双向连接，APD探测阵列通过数据接口连接到TDC-GP21精确计时模块，FPGA控制模块与上位机和激光发射器之间分别通过高速USB接口和驱动电路连接，电源电路通过导线连接到TDC-GP21精确计时模块。
2.如权利要求1所述NEXT系列产品的TDC型计时电路，其特征在于，所述TDC-GP21精确计时模块使用ACAM公司开发的高精度专用时间数字转换芯片，设计分立的计时单元，可以对激光脉冲在空中的往返飞行时间进行准确测量，计时精度最高可达45ps，理论距离分辨率可达1.35cm，用于完成精确计时功能；所述APD探测阵列利用不带集成读出电路的8×8阵列APD进行搭建，用于将接收到的激光回波信号转换为电流信号经过阵列内部集成的前置放大电路进行初次放大，再经主放大电路的二次放大后，经过时刻鉴别电路输入到TDC-GP21精确计时模块的Stop管脚；所述FPGA控制模块用Altera公司的EP2S60F484C4芯片作为控制TDC-GP21的主芯片，实现对TDC-GP21精确计时模块进行同步初始化、控制和数据读取的功能，控制TDC-GP21精确计时模块完成精确计时功能，最后通过USB高速接口，将数据传入上位机进行图像显示处理；所述激光发射器为半导体脉冲激光发射器，用于向目标发出一次短脉冲光束脉冲信号；所述电源电路用于整个电路系统的供电；所述上位机用于处理结果的显示。
3.如权利要求2所述的TDC-GP21精确计时模块，其特征在于，所述TDC-GP21精确计时模块的控制程序流程如下所示：
步骤1、配置（测量范围、时钟、通道选择）；
步骤2、初始化；
步骤3、等待 start和stop脉冲；
步骤4、判断是否超时，是则执行步骤7，否则执行步骤5；
步骤5、校准测量；
步骤6、对HIT1和HIT2数据进行处理；
步骤7、中断；
步骤8、读取状态寄存器；
步骤9、判断溢出，是则执行步骤2，否则执行步骤10；
步骤10、读数据。
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