基于飛行時間法的納秒量級時間間隔測量系統研制

摘 要：為了更好地探測空間等離子體成分，研究了一種基于飛行時間法的納秒量級時間間隔測量系統，分別介紹了該系統的三個組成部分CPU模塊、時間間隔測量模塊、數據傳輸模塊。并著重研究了納秒量級時間間隔的測量方法，詳細介紹了主要時間間隔測量芯片TDC-GP1。并對數據傳輸模塊的設計做了簡要說明。實驗結果表明，該測量系統的性能可滿足探測需求。

關鍵詞：飛行時間法；空間等離子體；時間間隔測量；TDC-GP1

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1512703

Measurement of Nanosecond Pulse Based on Time-of-Flight

LIU Chuanjun1，2，REN Qiongying2

(1.Graduate School，Chinese Academy of Sciences，Beijing，100080，China；

2.Center for Space Science and Applied Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing，100080，China)

Abstract：To better explore the space plasma composition，measurement system of nanosecond time interval based on the time-of-flight is studied.The main module for CPU，time interval measurement and data transmission in this system are introduced in this paper.The measurement method of nanosecond time interval，the chip of TDC-GP1 are intraduced in a detail.The firmware and drivers of data transmission module are given as well.The result of experiment show that the measurement system could meet the demands for space exploration.

Keywords：time-of-flight；space plasma；time interval；TDC-GP1

1 引 言

隨著空間探測技術的發展，空間的等離子體成分探測顯得越來越重要，尤其對現在正在進行的深空探測，如探月計劃。而空間等離子成分探測最主要的方法就是飛行時間法，既通過測量粒子飛過一定距離所需要的時間來鑒別粒子成分。

目前，國外在等離子體成分探測方面技術已經很成熟，如1984年AMPTE/IRM上的超熱離子電荷分析器^［1］；1996年FAST上的飛行時間法能量角質譜儀(TEAMS)，Cluster Ⅱ上的離子成分和分布函數分析器(CODIF)。然而在國內，該技術還剛剛處于起步階段，存在很多難點，其中最關鍵的就是：快電子學技術，也就是說如何用電子學的方法測量出起始脈沖和停止脈沖之間的時間間隔，既粒子的飛行時間，約為納秒量級，將是整個等離子成分探測器的關鍵。也是目前國內離子成分探測中所面臨的難題，為了能夠探索出一種測量這種納秒量級時間間隔的方法，首先必須模擬出來這種納秒量級的時間信號，從而找出一種測量該時間間隔的最好方法。本文將主要研究基于飛行時間法的納秒量級時間間隔測量技術。

2 設計原理及系統組成

納秒量級時間間隔測量系統由CPU模塊、時間間隔測量模塊、數據傳輸模塊三部分組成，其邏輯框圖如圖1所示。

圖1 時間間隔測量系統邏輯框圖其中CPU模塊主要功能是模擬納秒量級脈沖信號、接收時間間隔測量模塊的數據、FIFO緩存、發送數據到數據傳輸模塊、控制數據傳輸模塊的時序，是整個測量系統的前提和控制中心。時間間隔測量模塊主要用來測量納秒量級的時間間隔，同時把時間信號轉換為數字信號。數據傳輸模塊接收數據，并進行數據處理，同時將數據傳輸到PC機。PC機用來存儲數據，同時發送指令到數據傳輸模塊。

2.1 CPU模塊

該模塊主要是由FPGA芯片、電源轉換電路、時鐘模塊及配置電路組成。其中最主要的部分為FPGA芯片，它是整個CPU模塊的核心。

CPU模塊的主要功能：

(1) 模擬納秒量級脈沖信號^［2］。利用現有的技術方法模擬出來，時間間隔為納秒量級的脈沖信號，為驗證后續測量系統做準備。

(2) 接收時間間隔測量模塊的數據，將時間間隔測量模塊數據存儲到內部FIFO。

(3) FIFO緩存、發送數據到數據傳輸模塊。利用FPGA內部的邏輯門，通過編程實現2個4 kB的FIFO，用于緩存數據，同時將數據發送到數據傳輸模塊。

(4) 控制測量模塊和數據傳輸模塊的時序。作為整個測量系統的控制中心，為后續的測量模塊和數據傳輸模塊提供時序控制和讀、寫方式等。

其中模擬納秒量級脈沖信號是整個CPU模塊的關鍵，在本系統中，通過選用了Xilinx公司Virtex-2系列FPGA，利用其內部的DCM(數字時鐘管理器，Digital Clock Manager)模塊將時鐘信號倍頻到300 MHz左右，通過計數的方法來產生起始脈沖和停止脈沖，從而產生納秒量級的時間間隔信號。

2.2 時間間隔測量模塊

時間間隔測量系統是整個電子學系統的關鍵。它的性能的好壞直接決定著時間間隔測量系統的精度。本測量方案選用了德國ACAM公司的高精度時間間隔測量芯片TDC-GP1。

該芯片采用44引腳TQFP封裝，具有TDC測量單元、16位算術邏輯單元、RLC測量單元及與8位處理器的接口單元4個主要功能模塊。其性能指標如下^［3］：

① 雙通道，250 ps的分辨率或者單通道125 ps的分辨率。

② 每個通道可進行四次采樣，排序則可達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 有兩個測量范圍:3 ns~7.6 μs；60 ns~200 ms(有前置配器，只使用于單通道)。

⑤ 雙通道的8個事件可以一個一個的任意測量，沒有最小時間間隔限制。

⑥ 分辨率調整模式：通過軟件對分辨率進行石英準確性調整。

⑦ 有四個端口用來測量電阻、電容和電感。測量輸入的邊緣靈敏性是可調的。

⑧ 有效的內置16位運算器，測量結果可以被校準或者乘以一個24位的整數。

⑨ 運算器用于計算的時間是獨立于外部時鐘的，整個校準和乘法的時間大約為4 μs。

⑩ 內部最多可存儲4個校準值或者8個非校準測量值。

校準和控制時鐘頻率為500 kHz~35 MHz(高于100 MHz將用到內部的前置配器)。

工業溫度范圍為－40~+85 ℃；工作電壓：2.7~5.5 V；低功耗，可用電池驅動。

TDC-GP1提供了三種測量方式供用戶選擇，其具體參數和時序邏輯如下所示：

(1) 測量范圍一

GP1提供了兩個測量通道，每個通道的分辨率是250 ps，它基本的測量范圍是15位。兩個通道具有完全相同的分辨率，共用一個START信號和至多四個獨立的STOP輸入信號進行比較，最小時限為15 ns。START和STOP信號必須持續2.5 ns以上，否則芯片無法辨識。STOP信號之間可進行相互的比較，無最小時限。量程為3 ns~7.6 μs。兩個通道可進行排序，這樣可使1通道允許8個脈沖輸入，但通道2的STOP 輸入被忽略。測量時序如圖2所示。

圖2 測量范圍一的測量時序(2) 測量范圍二

為進行大量程時間測量，芯片引入了一個16 位的前置配器。該模式下芯片只有通道1可用，正常精度模式下允許4個脈沖輸入。STOP 信號之間不能相互比較，僅STOP與STSRT信號可進行比較。最大量程60 ns~200 ms。測量時序如圖3所示。

圖3 測量范圍二的測量時序其測量原理如下：輸入START信號芯片內部迅速測量出這個信號與下一個校準時鐘上升沿的時差tPC1，之后計數器開始工作，得到此前置配器的工作周期數period。這時重新激活芯片內部測量單元，測量出輸入的STOP信號的第一個脈沖上升沿與下一個校準時鐘上升沿的時差tPC2，tPC3是STOP信號的第二個脈沖上升沿與校準時鐘上升沿的時差。tcal1十一個校準時鐘周期，tcal2是兩個校準時鐘周期。根據圖6可以得出START信號與STOP信號第一個脈沖的時間間隔為：

time=period×(cc+tPC1－tPC2tcal2－tcal1)cc表示前置配器的計數值。

(3) 精度可調整模式

在此模式下兩通道數值有非常精確的校準環路，精度可以通過程序中的設置來調整，精度可調整模式不需要START信號。因此最多只能通過通道1和通道2共引入8個STOP輸入，此時任意兩個STOP信號均可以進行比較，量程為3 ns~3.8 μs，但芯片耗電量比較大，大約為25 mA。其測量時序如圖4所示。

圖4 精度可調模式的測量時序上述三種測量方式，各自都有自己的特點，適用于不同的條件，測量的分辨率也有很大不同。在具體應用中，可以根據所測等離子體的能量范圍和通道個數以及所要求的分辨率，來具體的選擇適用哪種模式。

在該測量系統中，需要兩個通道同時測量，而且需要大量程測量，所以選擇測量范圍一，具體的寄存器配置如下：Reg0:0x48；Reg1:0x4B；Reg2:0x01；Reg3:0xXX；Reg4:0x40；Reg5:0xXX；Reg6:0x02；Reg7:0x01；Reg8:0x00；Reg9:0x00；Reg10:0x80。

2.3 數據傳輸模塊

該模塊主要包括USB2.0控制器(Cy7c68013-128)、PC機，以及驅動和固件程序等。在整個測量系統中，為了更好的與PC機進行通信，并獲得很快的數據傳輸的速度，最終選用USB接口(Universal Serial Bus)，它是一種新的接口標準，有很多優點如即插即用、支持熱插拔、傳輸速度快、可通過擴展連接多達127個 USB 設備等。

本設計選用的是Cypress公司的EZ-USBFX2系列芯片中的CY7C68013，這是一種帶USB接口的單片機芯片，雖然采用低價的8051單片機，但仍然能獲得很高的速度。它包括一個8051處理器、一個串行接口引擎(SIE)、一個USB收發器、一個8.5 kB片上RAM、一個4 kB FIFO存儲器及一個通用可編程接口(GPIF)。

通過系統軟件的設計就能實現數據的傳輸，包括固件、應用程序和驅動程序的設計。

3 實驗結果

通過實驗證明，該測量系統能測量出時間間隔范圍為3.5 ns~7.2 μs，分辨率能達到500 ps。測量誤差在2%左右，其中時間間隔越短，誤差越大。部分實驗結果如表1所示。

表1 實驗結果

輸入時間間隔 /ns實驗測量值 /ns10/33.591010.2100100.51 000998.25 0005 009.87 2007 210.24 主要問題

由于整個電路系統產生和測量的是納秒量級的脈沖信號，對于如此高頻率的信號，很容易受外部信號的干擾，因此在電路板的制作過程中，如何來屏蔽外部干擾信號，提高抗干擾能力，目前是一個急需解決的問題，這對整個測量系統的準確性有著非常重要的意義。另一個問題就是整個測量系統的核心器件TDC-GP1的溫度范圍只有－40~+85 ℃，是否能夠經受得起惡劣的空間環境考驗，只有通過老化實驗和環境模擬試驗驗證，才能進一步應用到空間探測中。

5 結 語

通過實驗證明，該測量系統測量范圍為3.5 ns~7.2 μs，測量誤差在允許范圍之內，其主要性能指標能滿足測量要求，具有一定的實用價值。由于電路中有納秒量級的高頻信號，因此在后續的電路設計中，將進一步提高抗干擾能力。以滿足我國深空探測中等離子成分探測的需要。

參 考 文 獻

［1］Paschmann G.The Plasma Instrument for AMPTE IRM\\.IEEE Trans.Geosci.Remote Sens.，1985，23.

［2］James R Armstrong，Gray F Gail.VHDL Design Representation and Synthesis\\.北京：機械工業出版社，2003.

［3］劉國福，張玘，劉波.TDC-GP1高精度時間間隔測量芯片及應用\\.單片機與嵌入式系統應用，2004(11):38-40.

［4］中國科學院空間與應用研究中心.宇航空間環境手冊\\.北京:中國科學技術出版社，2000.

作者簡介 劉傳軍 男，1982年出生，碩士生。主要研究方向為空間等離子成分探測電子學系統。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文