CN208044314U - 一种多通道时间间隔测量系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种多通道时间间隔测量系统，包括单片机核心控制单元、接口BNC、恒温晶振、SPI串行接口及系统总线，其特征在于：还包括时间间隔测试单元；所述接口BNC与时间间隔测试单元的输入端相连，时间间隔测试单元的输出端通过SPI总线与单片机核心控制单元相连；所述时间间隔测试单元由FPGA模块与至少1个的TDC模块组成，所述FPGA模块的第二输出端与TDC模块的第二输入端相连，所述FPGA模块的第一输出端、TDC模块的第一输出端与单片机核心控制单元通过SPI总线相连。本实用新型具有多功能、多通道、大量程的时间间隔测量技术效果，满足时间间隔测量应用领域新的需要，多功能的测量使得测试更加方便，多通道的测量使得测量方法更有效率。

Description

一种多通道时间间隔测量系统
技术领域
本实用新型涉及测试技术领域，尤其涉及一种多通道时间间隔测量系统。
背景技术
时间的单位秒(s)是现行国际单位制中7个基本单位之一，时间测量历史悠久、情况复杂、是目前测量精度最高的一个单位。时间是连续流逝的物理量，在时间频率测量领域，时间一是表现为时间轴上的某一个时刻，反应物理事件在什么时候发生；二是表现为一个时间段，即两个时刻之间的时间间隔，反应某个物理事件发生持续了多久。因此，时间间隔测量的目的是为了鉴别某个物理事件从开始时刻到结束时刻持续的时间段。
时间间隔的测量一般是以稳定周期性发生的物理事件为基础，通过累积稳定的周期来进行的。时间间隔测量历史悠久，先后经历了原始测量阶段、天文学测量阶段、电子学测量阶段，测量精度越来越高，从最初的粗略统计年月日的测量，已经发展到了精密时间间隔测量的阶段。随着科学技术的不断进步，各个应用领域对时间间隔测量的高精度、高可靠性、多通道的要求也越来越高，因此，多通道精密时间间隔测量的研究意义重大。
在现代许多的科学研究和工程实践当中,经常需要对两个或者多个物理事件之间的时间间隔进行精密测量。然而,随着近几年的发展, 虽然出现了各式各样的时间间隔测量设备,但大多数都是针对两个物理事件的,如果要对多个物理事件间的时间间隔进行并行测量,就必须使用多个测量设备,显得相当烦琐。此外,很多时间间隔测量设备都有一定的量程限制,在实际的应用中有时候会受困于测量量程的瓶颈,从而给精密时间间隔测量技术的应用带来不便,因此测量量程的扩展也显得有所必要。另外针对某些特殊行业比如兵器行业，需要对导弹引信、炸弹爆炸时间，雷管爆炸传输时间等进行测量，就需要专门设计干接点的测量接口。
在科学技术研究和工程应用领域，很多时候我们不仅仅只在一处用到时间间隔测量设备，有时需要多个信号和同一个参考信号进行比对，例如，在卫星时间比对过程中，多颗卫星传递过来的时间要和同一台原子钟的时间进行比对，如果采用SR620计数器这样的双通道测量设备，便只能一路一路地进行比对，显然达不到同时性的要求，但采用多通道的时间间隔测量系统，便可以实现同时进行多路信号和参考信号进行比对。这样，既不用采用脉冲分配放大器将原子钟的信号分成多路，也不用采用多台时间间隔测量设备更加高效。
激光测距是采用时间间隔测量设备测量发射光和反射光之间的时间差来确定距离的，如果要采用同一台设备测量参考位置和多个目标位置的距离，采用双通道的方法便要进行多次测量，但采用了多通道时间间隔测量设备，一次发射光就可以测量参考位置和多个目标位置之间的距离。
在高能物理实验中，多通道精密时间间隔测量应用最为普遍，高能物理实验是通过测量粒子的寿命来识别粒子的，实验中的粒子往往都是很多的，如果要测量很多粒子的寿命，在开始实验时就需要运用很多双通道的时间间隔测量设备，如果采用多通道的时间间隔测量系统，就大大降低了时间间隔测量设备的数目，而且结果也更加准确。
大量程的时间间隔测量能够保证系统测量更长的时间间隔，在激光测距中就能测量更长的距离，在高能物理实验中就能识别寿命很长的粒子，在导航定位中就能区别更大的空间范围。测量量程的大小表明了时间间隔在各个应用领域应用范围的大小，测量量程越大，时间间隔测量应用的范围就越宽泛，显然，大量程的时间间隔测量在实际的应用中具有重要的意义。
多功能的时间间隔测量保证用户只需要一台设备就可以同时测量单通道时间间隔，双通道时间间隔，多通道时间间隔，单次测量，连续测量，上升沿，下降沿等触发方式，还可以选择干接点或者TTL 信号测量。
精密时间间隔测量在多通道大量程时间间隔测量中很少有单位可以实现，一般的测量精度都在ns量级，测量范围都在1s以内，无法满足工业测量需要。
综上所述，随着科学技术的进步，各个应用领域对时间间隔的测量的要求已经不仅仅局限于高精度、高可靠性的要求了，只有多功能、多通道、大量程的时间间隔测量技术才能够满足时间间隔测量应用领域新的需要，多功能的测量使得测试更加方便，多通道的测量使得测量方法更有效率，大量程的测量使得测量的范围更加宽泛，对时间间隔测量技术在科学研究和工程领域的应用都有积极作用，因此，多功能、多通道、大量程的精密时间间隔测量技术的研究意义重大。
实用新型内容
为解决上述技术问题，本实用新型提供一种多通道时间间隔测量系统。
本实用新型提供一种多通道时间间隔测量系统，采用如下技术方案：
一种多通道时间间隔测量系统，包括单片机核心控制单元、接口 BNC、恒温晶振、SPI串行接口及系统总线，还包括时间间隔测试单元；所述接口BNC与时间间隔测试单元的输入端相连，时间间隔测试单元的输出端通过SPI总线与单片机核心控制单元相连；所述时间间隔测试单元由FPGA模块与至少1个的TDC模块组成，所述FPGA 模块的第二输出端与TDC模块的第二输入端相连，所述FPGA模块的第一输出端、TDC模块的第一输出端与单片机核心控制单元通过 SPI总线相连，所述FPGA模块的第一输入端、TDC模块的第一输入端与接口BNC相连；所述恒温晶振与FPGA模块相连。
进一步的，所述系统还包括高速电子切换开关、电源单元；所述接口BNC与高速电子切换开关相连，所述高速电子切换开关与单片机核心控制单元、电源单元、GND相连。
优选的，所述单片机核心控制单元由单片机、显示屏组成；所述单片机与显示屏、时间间隔测试单元、高速电子切换开关相连。
所述单片机为ARM。
进一步的，所述时间间隔测试单元由FPGA模块与1个TDC模块组成。
进一步的，所述时间间隔测试单元由FPGA模块与36个TDC模块组成，所述FPGA模块的第二输出端与各个TDC模块的第二输入端相连，所述FPGA模块的第一输出端、各个TDC模块的第一输出端与单片机核心控制单元通过SPI总线相连，所述FPGA模块的第一输入端、各个TDC模块的第一输入端与接口BNC相连。
进一步的，所述时间间隔测试单元由FPGA模块与128个TDC 模块组成，所述FPGA模块的第二输出端与各个TDC模块的第二输入端相连，所述FPGA模块的第一输出端、各个TDC模块的第一输出端与单片机核心控制单元通过SPI总线相连，所述FPGA模块的第一输入端、各个TDC模块的第一输入端与接口BNC相连。
与相关技术相比，本实用新型具有如下技术效果：
本实用新型具有多功能、多通道、大量程的时间间隔测量技术效果，满足时间间隔测量应用领域新的需要，多功能的测量使得测试更加方便，多通道的测量使得测量方法更有效率，大量程的测量使得测量的范围更加宽泛，对时间间隔测量技术在科学研究和工程领域的应用都有积极作用。同时，本实用新型可以无限扩张测量范围，目前实现的测量范围为0.1ns～99999.9999999999s，即实现了高精密测量，也实现超宽范围测量，并且可以测量TTL信号和干接点信号。
附图说明
图1为本实用新型实施例1的原理图；
图2为本实用新型实施例2的原理图；
图3为本实用新型测量方法的原理图；
图4为本实用新型测量方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施方式对本实用新型作进一步说明。
如图3所示，本实用新型的时间间隔测量原理是，当需要测量两路信号(多通道也一样)，采用FPGA模块进行粗侧，FPGA模块使用的采样时钟信号周期为T0，测得的被测信号1和被测信号2之间的时差为nTO信号，FPGA模块在被测信号1触发计时时同时给出 FPGA模块输出信号1,在被测信号2触发计时时给出FPGA模块输出信号2，这样就可以将被测信号1和FPGA模块输出信号1同时送给 TDC模块进行精细测量，被测信号2和FPGA输出信号2同时送给 TDC模块进行精细测量，这样就可以算出时差结果T1+nT0-T2。
实施例1
如图1所示，在本实施例中，本实用新型的一种多通道时间间隔测量系统，包括单片机核心控制单元、接口BNC、恒温晶振、SPI 串行接口及系统总线，还包括时间间隔测试单元；所述接口BNC与时间间隔测试单元的输入端相连，时间间隔测试单元的输出端通过 SPI总线与单片机核心控制单元相连；所述时间间隔测试单元由 FPGA模块与至少1个的TDC模块组成，所述FPGA模块的第二输出端与TDC模块的第二输入端相连，所述FPGA模块的第一输出端、 TDC模块的第一输出端与单片机核心控制单元通过SPI总线相连，所述FPGA模块的第一输入端、TDC模块的第一输入端与接口BNC 相连；所述恒温晶振与FPGA模块相连。
所述单片机核心控制单元由单片机、显示屏组成；所述单片机与显示屏、时间间隔测试单元、高速电子切换开关相连；所述单片机为 ARM。
所述时间间隔测试单元由FPGA模块与1个TDC模块组成。
其中，FPGA模块采用EP4CE6E22C8，FPGA模块主要对输入的恒温晶振的时钟信号进行PLL倍频，一般选择的恒温晶振为10mhz，需要倍频到100mhz使得TO的周期缩短到10ns。FPGA模块采用直接计数测量方法对被测信号进行粗测量，测量精度为±10ns。
ARM采用STM32F407VET6，ARM与FPGA模块、TDC模块均通过SPI总线进行通信，是这个测量系统的数据处理和控制中心，主要负责FPGA模块配置，TDC模块的配置，完成对FPGA模块， TDC模块的数据读取，经过计算处理，在显示屏上面显示。
TDC模块采用TDC-GP22，具有90ps的分辨率，两通道之间的测量范围为0-2.4us，没有任何测量死区，当需要增加一路测量时只需要增加一块TDC-GP22模块即可，完全满足该方案0.1ns精度多通道测量的设计要求。
时钟源采用3627封装的恒温晶振，短期稳定度可以到5E-12/s，体积小巧，功耗比较低，配合FPGA模块完全可以实现高精度低抖动测量。
显示屏采用7寸屏和按键进行人机互动，实时显示测试数据，并可以对测量数据进行绘图，显示最大最小误差值，显示屏外部采用电磁屏蔽材料屏蔽，实现强抗干扰功能。
如图4所示，当开始测量时，ARM首先进行自身的初始化，进行时钟配置、GPIO口模式配置、外部中断配置、SPI配置等。然后系统进入一个循环状态，等待使用者在显示屏上操作发送开始测量命令，一旦接收到开始命令，系统便通过SPI总线对FPGA模块和TDC 模块进行配置，设置好TDC模块的寄存器，然后开启数据处理中断，主程序进入循环等待数据处理中断，在主循环中检查结束命令，一旦使用者在显示屏上操作向ARM发送了结束命令，便立即结束测量。在数据处理中，通过Tx＝T1+nT0-T2的公式算出时间间隔，最后通过显示屏进行显示，完成测量。
实施例2
作为上述实施例的优选实施例，如图2所示，本实施例中所述系统还包括高速电子切换开关、电源单元；所述接口BNC与时间间隔测试单元的输入端相连，时间间隔测试单元的输出端通过SPI总线与单片机核心控制单元相连；所述接口BNC与高速电子切换开关相连，所述高速电子切换开关与单片机核心控制单元、电源单元、GND相连；所述时间间隔测试单元由FPGA模块与至少1个的TDC模块组成，所述FPGA模块的第二输出端与TDC模块的第二输入端相连，所述FPGA模块的第一输出端、TDC模块的第一输出端与单片机核心控制单元通过SPI总线相连，所述FPGA模块的第一输入端、TDC 模块的第一输入端与接口BNC相连；所述恒温晶振与FPGA模块相连。
所述时间间隔测试单元由FPGA模块与36个TDC模块组成，所述FPGA模块的第二输出端与各个TDC模块的第二输入端相连，所述FPGA模块的第一输出端、各个TDC模块的第一输出端与单片机核心控制单元通过SPI总线相连，所述FPGA模块的第一输入端、各个TDC模块的第一输入端与接口BNC相连。
与上述实施例不同的时，设置高速电子切换开关、电源单元可以实现测量TTL信号和干接点信号。
当测量TTL信号时，因为TTL信号是带有电压的信号，一般多以5v或者3.3v为主，因此只需要接口部分有电压比较器既可以进行直接测量；使用者在显示屏上操作，ARM发送指令控制高速电子切换开关接通电源单元进行测量。
当测量干接点信号时，使用者在显示屏上操作，ARM发送指令控制高速电子切换开关接通电源单元，先单独供电给干接点输入端口，此时干接点如果默认是断开的，那么输出端就是没有任何电压的，这时候的输入测试端口就需要单独接一个10k下拉电阻，将默认电平下拉为零，当干接点闭合时，干接点输出端口就立马输出电压信号，如果干接点断开，输出端口就是零电平，这样就可以实现干接点信号转换成带电压的信号，再将这些电压信号送往电压比较器实现精确时间间隔测量。
同时可以根据需要测量的范围增加不同的TDC模块，可以无限扩张测量范围，目前实现的测量范围为0.1ns～99999.9999999999s，即实现了高精密测量，也实现超宽范围测量。
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种多通道时间间隔测量系统，包括单片机核心控制单元、接口BNC、恒温晶振、SPI串行接口及系统总线，其特征在于：还包括时间间隔测试单元；所述接口BNC与时间间隔测试单元的输入端相连，时间间隔测试单元的输出端通过SPI总线与单片机核心控制单元相连；所述时间间隔测试单元由FPGA模块与至少1个的TDC模块组成，所述FPGA模块的第二输出端与TDC模块的第二输入端相连，所述FPGA模块的第一输出端、TDC模块的第一输出端与单片机核心控制单元通过SPI总线相连，所述FPGA模块的第一输入端、TDC模块的第一输入端与接口BNC相连；所述恒温晶振与FPGA模块相连。
2.如权利要求1所述的一种多通道时间间隔测量系统，其特征在于：所述系统还包括高速电子切换开关、电源单元；所述接口BNC与高速电子切换开关相连，所述高速电子切换开关与单片机核心控制单元、电源单元、GND相连。
3.如权利要求1或2所述的一种多通道时间间隔测量系统，其特征在于：所述单片机核心控制单元由单片机、显示屏组成；所述单片机与显示屏、时间间隔测试单元、高速电子切换开关相连。
4.如权利要求3所述的一种多通道时间间隔测量系统，其特征在于：所述单片机为ARM。
5.如权利要求1-2、4任一所述的一种多通道时间间隔测量系统，其特征在于：所述时间间隔测试单元由FPGA模块与1个TDC模块组成。
6.如权利要求1-2、4任一所述的一种多通道时间间隔测量系统，其特征在于：所述时间间隔测试单元由FPGA模块与36个TDC模块组成，所述FPGA模块的第二输出端与各个TDC模块的第二输入端相连，所述FPGA模块的第一输出端、各个TDC模块的第一输出端与单片机核心控制单元通过SPI总线相连，所述FPGA模块的第一输入端、各个TDC模块的第一输入端与接口BNC相连。
7.如权利要求1-2、4任一所述的一种多通道时间间隔测量系统，其特征在于：所述时间间隔测试单元由FPGA模块与128个TDC模块组成，所述FPGA模块的第二输出端与各个TDC模块的第二输入端相连，所述FPGA模块的第一输出端、各个TDC模块的第一输出端与单片机核心控制单元通过SPI总线相连，所述FPGA模块的第一输入端、各个TDC模块的第一输入端与接口BNC相连。
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