基于TDC技术的高精度时差测量系统设计

2012-04-20王艳平宋丽娜陶坤宇

制导与引信 2012年2期

王艳平，宋丽娜，陶坤宇

（上海无线电设备研究所，上海200090）

0 引言

测距精度是激光雷达的一个重要指标，实现高精度时差的测量是获得高精度距离测量的关键［1］。传统的基于脉冲计数的方法难以实现高精度的时差测量，且电路的规模较大、抗噪能力差［2］。为了满足激光雷达高精度测距的要求，选用专用时间数字转换芯片TDC-GPX 进行时差测量电路设计。TDC-GPX 采用数字延迟线法进行测量，将时钟提供的最小时间测量间隔分割，极大提高了测量精度。采用锁相环减小控制温度和电压对时间测量精度的影响，保证系统的时间分辨率恒定。

1 TDC-GPX 功能描述

为了获取高精度的时间间隔值，一种方法是产生足够高的频率计数，发射脉冲启动计数、回波脉冲终止计数，最后读出计数值。如果测量分辨率要达到0.5ns，则计数器的频率要达到2 GHz，不易于实现；第二种方法对方法一进行了修正，它采用了较低频率的计数器，为了达到较高的测量分辨率，使用了高精度的延迟线。在读出计数器值的同时，读出延迟线的状态值。通过在计数器值间进行插值细分得到足够高分辨率；第三种方法是利用积分电容，即在计数开始时对一电容进行充电，计数结束时停止对电容的充电。将电容上的电压转化为时间间隔值。这种方法的难点是解决电容充放电的非线性问题和器件本身的误差［3］。高精度时差测量系统采用第二种方法，使用了专用的TDC-GPX 芯片。芯片内部通过锁相环提高计数频率，并采用门延时技术达到高精度的测量分辨率。

TDC-GPX 的测量模式有两种：一种是16bit模式，另一种是28bit模式。本次设计选用16 bit模式。16bit模式可以节约管脚，但对寄存器要进行两次读写操作。TDC-GPX 芯片的工作模式有I-Mode模式、G-Mode模式、R-Mode模式、M-Mode模式四种。

根据测量精度和量程的要求，选用了RMode模式，具体指标如下：

a）提供2个测量通道，每个通道精度27ps；

b）LVPECL 差分触发信号输入，可选择LVTTL触发信号输入；

c）可编程选择上升沿或下降沿触发方式；

d）可选择静止工作模式（测量期间ALU 不工作、无数据输出）；

e）测量范围：0μs～40μs。

FPGA 完成对TDC-GPX 的读写操作，读写操作时序如图1、图2所示。

图1 FPGA 写时序图

图2 FPGA 读时序图

2 高精度时差测量系统硬件设计

选用Alteral公司的FPGA 作为时差测量系统的主芯片，实现对TDC-GPX芯片的配置、及对PCI9054芯片的时序控制。PCI9054作为PCI总线的驱动芯片，实现了指令和数据的高速传递。时差测量系统硬件如图3所示。

START 信号和STOP信号之间的时间间隔由非门的个数来决定，同时，由于门电路的传输时间受温度和电源电压的影响比较大，因而该芯片的核电压经过PLL 调节控制［4］。核电压的设计如图4所示。

3 高精度时差测量系统软件设计

图3 时差测量系统框图

图4 TDC-GPX核电压电路

激光器发射主光束扫描目标的同时，发出一个同步参考光信号，经过光电转换电路，将光信号转化为合适的脉冲信号输给TDC-GPX 的Start通道，主光束照射目标后，散射光经过光电转换、恒比定时及峰值保持电路将散射的光信号转化为合适的脉冲信号输给TDC-GPX 的Stop通道［5］。TDC-GPX 最多可以同时测量8个Stop信号，并将结果存放于FIFO 内。当有了测量结果，FIFO的非空标志位给FPGA 发出一个握手信号，FPGA 将测量结果读出，存入FPGA 内部FIFO，当达到一定数量，启动DMA 传输给上位机。时差测量系统软件流程如图5所示。