0 引 言 
    時(shí)差測(cè)量廣泛應(yīng)用于定位、測(cè)頻、測(cè)時(shí)、測(cè)距等工程領(lǐng)域，例如：水聲定位、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位、雷達(dá)脈沖寬度測(cè)量等均對(duì)時(shí)差測(cè)量提出了高精度的要求。
    目前，國(guó)內(nèi)外的時(shí)差測(cè)量方法主要有直接計(jì)數(shù)法、模擬內(nèi)插法和數(shù)字內(nèi)插法。直接計(jì)數(shù)法雖然電路簡(jiǎn)單，量程大，但精度低，因此一般不單獨(dú)采用。模擬內(nèi)插法可以把計(jì)數(shù)法精度提高到皮秒量級(jí)，但由于基于電流的充放電技術(shù)，存在著線性度差、測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、受溫度影響較大和電磁輻射大等問題。作為數(shù)字內(nèi)插法的一種，時(shí)間一數(shù)字轉(zhuǎn)換法因其具有測(cè)量精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)而受到國(guó)內(nèi)外的普遍重視。
    TDC—GPl是德國(guó)ACAM公司生產(chǎn)的通用時(shí)間一數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，單通道測(cè)量精度為125 ps，雙通道精度可達(dá)250 ps，具有多種工作量程和工作模式。這里設(shè)計(jì)了基于時(shí)間一數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC—GPl和D889C450的單通道高精度時(shí)差測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)的時(shí)差測(cè)量。

1 TDC時(shí)差測(cè)量原理

    時(shí)間一數(shù)字轉(zhuǎn)換(TDC)技術(shù)是利用信號(hào)通過邏輯門電路的絕對(duì)傳輸時(shí)間提出的一種新的時(shí)間間隔測(cè)量方法，測(cè)量原理如圖1所示。start信號(hào)和stop信號(hào)之間的時(shí)間間隔由非門的個(gè)數(shù)來決定，而非門的傳輸時(shí)間可以由集成電路工藝精確地確定。目前的CMOS工藝可以很容易實(shí)現(xiàn)102ps量級(jí)的門延遲時(shí)間，因而可以實(shí)現(xiàn)精密時(shí)間測(cè)量。

    TDC—GPl是德國(guó)ACAM公司基于0．8μm CMOS工藝設(shè)計(jì)的一種通用型雙通道時(shí)間一數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，支持兩個(gè)工作量程，多工作模式，工作方式靈活?？删_測(cè)量時(shí)間、相位、頻率等物理量。主要技術(shù)特性如下：
    (1)雙通道250 ps分辨率或單通道125 ps分辨率；

    (2)每個(gè)通道可進(jìn)行4次采樣，排序可達(dá)8次采樣；
    (3)兩個(gè)通道的分辨率完全相同，雙脈沖分辨率大約為15 ns；
    (4)可再次觸發(fā)性兩個(gè)測(cè)量范圍：3 ns～7．6μs和60 ns～200 ms(需要前置配器，只能用單通道)；
    (5)雙通道的8個(gè)事件可任意測(cè)量，沒有最小時(shí)間間隔限制，時(shí)間間隔有可能是負(fù)值；
    (6)分辨率調(diào)節(jié)模式：通過軟件可對(duì)分辨率進(jìn)行適應(yīng)精確性調(diào)節(jié)；
    (7)內(nèi)部最多可存儲(chǔ)4個(gè)校正值或8個(gè)非校正值，校正和控制時(shí)鐘的頻率在500 kHz～350 MHz之間(采用內(nèi)部前置配器其頻率最高可達(dá)100 MHz)；
    (8)工作電壓：2．7～5．5 V，極低的功耗，可用電池驅(qū)動(dòng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    時(shí)差測(cè)量系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

    當(dāng)系統(tǒng)上電后，通過DS89C450單片機(jī)對(duì)TDC—GPl芯片進(jìn)行工作通道、工作模式選擇等初始化操作。當(dāng)接收到經(jīng)信號(hào)調(diào)理后的時(shí)差信號(hào)后，TDC—GPl按照預(yù)先的設(shè)置開始工作并將測(cè)量的結(jié)果存儲(chǔ)在相應(yīng)的結(jié)果寄存器中。當(dāng)測(cè)量結(jié)束后，單片機(jī)讀取測(cè)量結(jié)果并按照量程2中的時(shí)差計(jì)算公式完成相關(guān)的數(shù)據(jù)處理及顯示等功能。
    在該系統(tǒng)中，主要采用TDC—GPl的量程2進(jìn)行設(shè)計(jì)。其測(cè)量時(shí)序如圖3所示。

    在量程2中啟用了前置粗計(jì)數(shù)器，測(cè)量范圍在60 ns～200 ms之間，可測(cè)量多個(gè)停止信號(hào)與起始信號(hào)之間的時(shí)差，對(duì)結(jié)果進(jìn)行乘法運(yùn)算，不能直接計(jì)算停止信號(hào)之間的時(shí)差，只能給出校準(zhǔn)結(jié)果，因此寄存器0中的校驗(yàn)位必須被設(shè)置。
    測(cè)量時(shí)間差計(jì)算公式為：
   

    其中cc為前置粗計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，period表示校準(zhǔn)時(shí)鐘周期。
2．2 微處理器電路
    系統(tǒng)中采用MAXIM公司的超高速閃存微控制器DS89C450，它兼容于8051的引腳和指令系統(tǒng)，30 ns單指令周期，Dc～33 MHz工作頻率，適合于微型化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。DS89C450是硬件系統(tǒng)的核心，用于完成對(duì)GPl的控制操作和與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信等功能。由于GPl提供了8位數(shù)據(jù)總線和4位地址總線接口，操作時(shí)序符合通用微處理器的總線操作時(shí)序，使得GPl可作為DS89C450的外圍電路。
2．3 前置調(diào)理電路
    輸入GPl的start／stop的脈沖信號(hào)邊沿對(duì)測(cè)量結(jié)果有重要的影響，因此通過帶施密特觸發(fā)器的邏輯門電路和濾波電路對(duì)待測(cè)脈沖信號(hào)進(jìn)行隔離、緩沖及濾波。這樣不但去掉了毛刺，而且改善了波形的邊沿，從而提高時(shí)間差的測(cè)量精度。
2．4 電源設(shè)計(jì)
    由于TDC—GPl是一個(gè)不含模擬元件的完全數(shù)字化器件，利用了非門電路延遲實(shí)現(xiàn)時(shí)間測(cè)量，而門電路的傳輸時(shí)間對(duì)環(huán)境(溫度和外加電源電壓)的影響比較大，所以要取得高測(cè)量精度就必須保證高穩(wěn)定的電源供應(yīng)。該系統(tǒng)采用高效率、低靜態(tài)輸出電流、降壓型開關(guān)電源模塊MAX639，并且在硬件電路上放置了適當(dāng)?shù)牡妥杩购偷妥柚档娜ヅ弘娙?，在電路的制作上采用?dú)立的電源層和地層，以提高線路的抗干擾能力，保證系統(tǒng)的測(cè)試精度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 系統(tǒng)主程序
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要采用Ds89C450的匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。主程序完成的主要工作是：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)的初始化，TDC—GPl模塊初始化和工作模式的選擇設(shè)置，串口通信程序、數(shù)據(jù)的處理、顯示和傳輸?shù)?，其中單片機(jī)與上位機(jī)的通信采用查詢方式。主程序流程圖如圖4所示。

3．2 TDC子程序
    對(duì)TDC—GPl的初始化子程序流程圖如圖5所示。置TDc芯片于寫工作狀態(tài)后，開始對(duì)TDC—GPl進(jìn)行寫操作。通過賦值控制寄存器7屏蔽所有的SToP輸入信號(hào)；接著，寫控制寄存器11，初始化TDC和ALU；然后，指針指向控制寄存器0，使芯片工作于量程2，自校準(zhǔn)模式，無(wú)數(shù)乘功能；再寫控制寄存器4，選擇參考時(shí)鐘SEL—TDC—CLK；再寫控制寄存器2，令通道2第1個(gè)脈沖上升沿與通道1第1個(gè)脈沖上升沿作差；最后，通過寫控制寄存器7，取消2個(gè)通道對(duì)STOP輸入信號(hào)的屏蔽，允許多次采樣。在測(cè)量中，各個(gè)寄存器的設(shè)置如下：reg7=00H，regll=07H，regO=78H，reg4=40H，reg2=2lH，reg7=04H。

    當(dāng)單片機(jī)查詢到TDC—GPl芯片輸出的中斷信號(hào)后，程序進(jìn)入中斷服務(wù)子程序。置TDC芯片于讀工作狀態(tài)，單片機(jī)開始對(duì)進(jìn)行內(nèi)部結(jié)果寄存器數(shù)據(jù)的讀出操作。通過選定起始地址可讀出多重?cái)?shù)據(jù)并能連續(xù)不斷地進(jìn)行讀操作，最后根據(jù)設(shè)置完成測(cè)試數(shù)據(jù)的計(jì)算、處理、顯示及傳輸?shù)裙δ堋?br />

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析
    系統(tǒng)工作在室溫25℃，5．03 V電壓條件下，通過對(duì)CPLD信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生的數(shù)字脈沖信號(hào)間隔進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，以驗(yàn)證系統(tǒng)工作性能。分別對(duì)單個(gè)(第1組及第2組)和多個(gè)(第3組和第4組)不同的脈沖寬度進(jìn)行測(cè)量，并計(jì)算其絕對(duì)誤差。測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。
    通過對(duì)表1分析得出，測(cè)量結(jié)果保持了的測(cè)試穩(wěn)定度和測(cè)量精度，基本實(shí)現(xiàn)了精密時(shí)差測(cè)量的功能。但仍然存在一定的時(shí)間測(cè)量誤差。另外，經(jīng)過對(duì)相同時(shí)差多次測(cè)量發(fā)現(xiàn)，測(cè)量結(jié)果有一定的波動(dòng)，主要原因是時(shí)間測(cè)量模塊是采用內(nèi)插延時(shí)線法測(cè)量的，在工作時(shí)間過長(zhǎng)或外界溫差較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，導(dǎo)致延時(shí)鏈?zhǔn)軠囟扔绊懚娱L(zhǎng)時(shí)間變化，采用高精度的系統(tǒng)工作電壓和恒溫措施可穩(wěn)定延時(shí)線延時(shí)常數(shù)，進(jìn)一步提高測(cè)量精度。

5 結(jié) 語(yǔ)
    設(shè)計(jì)基于TDC—GPl和DS89C450單片機(jī)的精密時(shí)差測(cè)量系統(tǒng)，通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了納秒級(jí)的時(shí)間間隔測(cè)量，同時(shí)系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、精度高、節(jié)能等有優(yōu)點(diǎn)，因而在無(wú)線定位、測(cè)時(shí)、遙控遙測(cè)、激光測(cè)距、電子測(cè)量?jī)x器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。