TDC-GPX在衛星激光測距中的應用*

朱 威 王培源 李 欣 林強

(中國地震局地震研究所，武漢 430071)

TDC-GPX在衛星激光測距中的應用*

朱 威 王培源 李 欣 林強

(中國地震局地震研究所，武漢 430071)

利用高精度時間測量芯片TDC-GPX以提高衛星激光測距系統中的時間測量精度，再結合FPGA的大規模數字集成設計，從而提高了衛星激光測距系統的測量精度。

衛星激光測距;時間測量;FPGA;TDC-GPX;數字集成

1 前言

衛星激光測距技術是空間大地測量中的一種重要測量技術。衛星激光測距技術經過40多年的發展，單次測量精度已經能達到亞厘米級。

在衛星激光測距系統中，影響測距精度的因素有很多，主要有脈沖激光器溫度的穩定性［1］、光電探測器的溫度穩定性［2］、脈沖激光飛行時間測量精度等［3］。本文將介紹用高精度時間間隔測量芯片TDC-GPX和現場可編程邏輯門陣列FPGA(Field-Programmable Gate Array)芯片，完成激光測距系統中激光飛行時間的測量，并利用TDC-GPX高精度時間間隔測量以及FPGA的強大邏輯電路的實現能力和豐富的時間單元，完成了整個衛星激光測距控制系統的整合，取代傳統的分離式元件系統。

2 TDC-GPX

TDC-GPX是德國acam公司推出的一款高精度的時間測量芯片，其測量精度最高可達10 ps，且適合于集成化系統的應用。TDC-GPX的正常工作電壓為3.3 V，有多種測量模式、很高的測量重復頻率、短暫的死區時間以及溫度測量和時鐘控制等特殊功能。TDC-GPX采用并口傳輸數據，操作方便，有很好的通用性(圖1)。

2.1 內部結構

TDC-GPX內部主要脈沖輸入單元、時間測量單元、數據緩存單元、時鐘控制單元、溫度控制單元、配置寄存器以及與外部控制相接的SPI接口等部分組成。TDC-GPX有較寬的工作電壓，I/O電壓范圍為-0.3V～+3.6V，測量電壓范圍：-0.3V～6.0 V，核心單元工作電壓為3..0 V～3.6 V。TDC-GPX采用28/16位可選并口模式通訊。用現場可編程邏輯器件FPGA完成和TDC-GPX之間的通信。可以把TDC-GPX作為一個外圍設備連接到FPGA上，通過FPGA來控制TDC-GPX測量脈沖間隔，通過對TDC-GPX的內部寄存器設置來改變TDC-GPX的測量模式。

圖1 TDC-GPX內部結構Fig.1 Internal structure of TDC-GPX

2.2 測量模式

GPX有I、G、R和M 4種測量模式，每種模式的測量分辨力、測量的脈沖數以及測量的通道數都不盡相同，可以針對不同的要求選用不同的測量模式。

I模式有1路start輸入，8路stop輸入，對應于一次start輸入，每路stop輸入可以連續測量32個stop脈沖，I模式只能測量LVTTL電平的輸入。

G模式有1路start輸入，2路stop輸入，對應于一次start輸入，每路stop輸入可以連續測量32個stop脈沖，其單次測量精度為40ps。G模式可以測量LVTTL電平輸入和差分式ECL電平輸入。

R模式有1路start輸入，2路stop輸入，對應于一次start輸入，每路stop輸入可以連續測量32個stop脈沖，其單次測量精度為27ps。G模式可以測量LVTTL電平輸入和差分式ECL電平輸入。最小死區時間為0ns。Start再觸發頻率最高為9 MHz (圖2)，tss死區時間，即start和stop信號的時間間隔小于這個時間，芯片就無法測量到。

M模式有1路start輸入，2路stop輸入，對應于一次start輸入，每路stop輸入只能測量一個stop脈沖。死區時間為0 ns［4］。

圖2 TDC-GPX死區時間Fig.2 Dead zone of TDC-GPX

3FPGA

現場可編程邏輯門陣列簡稱為FPGA，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。作為專業集成電路(ASIC)領域中的一種半定制電路，它既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。

stratix‖ep2s15是ALTERA公司推出的一款高端的FPGA，它有大量的LE(Logic Element)單元用于生成計數器以及各種需要實現的邏輯電路，2個增強型PLL(Enhanced Phase-Locked Loop)和4個快速PLL(Fast Phase-Locked Loop)能夠為系統提供穩定的時鐘信號，豐富的IO接口用于實現與外部芯片的連接，最關鍵的是它可以生成NIOS控制器對外圍芯片進行很好的控制［5］。

如圖3所示，在FPGA中生成PLL(鎖相環)，用PLL產生多種頻率的時鐘信號，以供整個系統各部分的時鐘需求，如產生50 MHz的時鐘信號供NIOS控制器使用，產生100 M的時鐘信號供計數器使用。生成一個32位的時間計數器，以100 M的時鐘信號作為時鐘源對被測信號進行粗測計數，其計數值傳遞給NIOS控制器。生成接口電路產生精細測量信號傳輸給外部高精度時間測量芯片進行精細測量;還要生成NIOS控制核控制外圍高精度時間測量芯片以及內部的工作系統，同時接收測量數據并分析、計算數據，得到最終結果后向用戶顯示出最終測量結果。

圖3 FPGA的NIOSFig.3 NIOS of FPGA

4 衛星激光測距

4.1 衛星激光測距系統

4.2 時間測量流程

把測距時產生的主波和回波轉換為對應的數字脈沖信號START和STOP，用FPGA和TDC-GPX組成的時間間隔測量模塊測量START和STOP之間的時間間隔，測量結果保存在系統指定位置。其測量結果T就是衛星激光測距需要的間隔值。

圖4 衛星激光測距系統Fig.4 Satellite laser ranging system

由于START和STOP之間的時間間隔值比較大，有時候會超出TDC-GPX的測量量程，所以在實際測量時，需要加入一個有穩定的時鐘源的定時器來對時間間隔值進行計數 n×t，即“粗”測。而TDC-GPX測量的值是T1、T2這兩個間隔值［6］，即“細”測。START和STOP之間的時間間隔T=n×t +T1-T2(圖5)。

圖5 時間間隔值TFig.5 Time interval T

FPGA中的內核NIOSⅡ是整個系統的控制單元［7］。其系統的工作流程圖如下：在每次上電復位時，首先需要對時間測量芯片TDC-GPX復位，設定寄存器值，對“計數器”清零，對“細”測信號產生單元清零。對PC機發送復位信號，然后等待被測信號。當START信號到來時，計數器開始計數，“細”測信號產生單元產生第一組細測信號，送入TDCGPX中，TDC-GPX測得結果，發出信號給NIOSⅡ，NIOSⅡ從TDC-GPX寄存器中讀出測量結果，保存起來，然后對TDC-GPX復位，對“細”測信號產生單元進行清零。當stop信號到來時，計數器停止計數，發送信號給NIOSⅡ，NIOSⅡ從計數器中讀出計數結果，保存起來，對計數器清零，“細”測信號產生單元產生第二組細測信號，送入TDC-GPX中，TDCGPX測得結果，發出信號給NIOSⅡ，NIOSⅡ從TDCGPX寄存器中讀出測量結果，保存起來。NIOSⅡ把3組結果進行運算，得到運算結果后，向PC機發送數據傳輸請求，得到PC機回應后，向PC機發送最終結果(圖6)。

圖6 時間測量流程Fig.6 Flow chart of time measurement

4.3 實際測量結果

在實際衛星激光測距應用中，用TDC-GPX測量時，其最高測量精度能達到30 ps(測靶)。對應的距離精度為0.9 cm。在激光測距領域，完全能夠滿足高精度測距的要求(圖7)。

圖7 衛星激光測距數據Fig.7 Satellite laser ranging data

5 結束語

高精度時間測量芯片TDC-GPX作為衛星激光測距系統的精細時間測量單元，能在很大程度上提高衛星激光測距系統的測量精度。

1 Lazarek G M and Black S H.Evaporative heat transfer，pressure drop and ctitical heat flux in a small diameter vertical tube with R-113［J］.Int J Heat Mass Transfer.，1982，25 (7)：945-960.

2 Tran T N，Wambsganss M W and France D M.Small circular and rectangular-channel boiling with two refrigerants［J］.Int J Multiphase Flow，1996，22(3)：485-498.

3 Cornwell K and Kew P A.Bolling in small parallel channels［A］.Proc CEC-Conf on energy efficiency in process technology［C］.Athens，Greece：Elsevier Applied Sciences，1992：624-638.

4 TDC-GPX用戶手冊［M］.2006.

5 趙雅興.FPGA原理及應用［M］.天津：天津大學出版社，1999.

6 張延，黃佩誠.高精度時間間隔測量技術與方法［J］.天文學進展，2006，24(1)：1-10.

7 徐志軍，等.CPLD與PGA的開發與運用［M］.北京：電子工業出版社，2002.

APPLICATION OF TDC-GPX IN SATELLITE LASER RANGING

Zhu Wei，Wang Peiyuan，Li Xin and Lin Qiang
(Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071)

By using high precision time measurement chip TDC-GPX combined with the large-scale digital integrated design chip—FPGA to improve the time measurement accuracy of satellite laser ranging，thus the total measurement accuracy of satellite laser ranging can be improved as well.

satellite laser ranging;time measurement;FPGA;TDC-GPX;digital integrated

1671-5942(2011)Supp.-0174-04

2011-01-23

朱威，男，1984年生，研究實習員，主要從事衛星激光測距工作.E-mail：kevin_1945@sina.com

TH76.3

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