基于飛行時(shí)間法的納秒量級時(shí)間間隔測量系統(tǒng)研制

1 引 言

隨著空間探測技術(shù)的發(fā)展，空間的等離子體成分探測顯得越來越重要，尤其對現(xiàn)在正在進(jìn)行的深空探測，如探月計(jì)劃。而空間等離子成分探測最主要的方法就是飛行時(shí)間法，既通過測量粒子飛過一定距離所需要的時(shí)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(shù)已經(jīng)很成熟，如1984年AMPTE／IRM上的超熱離子電荷分析器；1996年FAST上的飛行時(shí)間法能量角質(zhì)譜儀(TEAMS)，Cluster Ⅱ上的離子成分和分布函數(shù)分析器(CODIF)。然而在國內(nèi)，該技術(shù)還剛剛處于起步階段，存在很多難點(diǎn)，其中最關(guān)鍵的就是：快電子學(xué)技術(shù)，也就是說如何用電子學(xué)的方法測量出起始脈沖和停止脈沖之間的時(shí)間間隔，既粒子的飛行時(shí)間，約為納秒量級，將是整個(gè)等離子成分探測器的關(guān)鍵。也是目前國內(nèi)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(shí)間間隔的方法，首先必須模擬出來這種納秒量級的時(shí)間信號，從而找出一種測量該時(shí)間間隔的最好方法。本文將主要研究基于飛行時(shí)間法的納秒量級時(shí)間間隔測量技術(shù)。

2 設(shè)計(jì)原理及系統(tǒng)組成

納秒量級時(shí)間間隔測量系統(tǒng)由CPU模塊、時(shí)間間隔測量模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊三部分組成，其邏輯框圖如圖1所示。

其中CPU模塊主要功能是模擬納秒量級脈沖信號、接收時(shí)間間隔測量模塊的數(shù)據(jù)、FIFO緩存、發(fā)送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)傳輸模塊、控制數(shù)據(jù)傳輸模塊的時(shí)序，是整個(gè)測量系統(tǒng)的前提和控制中心。時(shí)間間隔測量模塊主要用來測量納秒量級的時(shí)間間隔，同時(shí)把時(shí)間信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)據(jù)傳輸模塊接收數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)。PC機(jī)用來存儲數(shù)據(jù)，同時(shí)發(fā)送指令到數(shù)據(jù)傳輸模塊。

2.1 CPU模塊

該模塊主要是由FPGA芯片、電源轉(zhuǎn)換電路、時(shí)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(gè)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。利用現(xiàn)有的技術(shù)方法模擬出來，時(shí)間間隔為納秒量級的脈沖信號，為驗(yàn)證后續(xù)測量系統(tǒng)做準(zhǔn)備。

(2)接收時(shí)間間隔測量模塊的數(shù)據(jù)，將時(shí)間間隔測量模塊數(shù)據(jù)存儲到內(nèi)部FIFO。

(3)FIFO緩存、發(fā)送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)傳輸模塊。利用FPGA內(nèi)部的邏輯門，通過編程實(shí)現(xiàn)2個(gè)4 kB的FIFO，用于緩存數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)傳輸模塊。

(4)控制測量模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊的時(shí)序。作為整個(gè)測量系統(tǒng)的控制中心，為后續(xù)的測量模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊提供時(shí)序控制和讀、寫方式等。

其中模擬納秒量級脈沖信號是整個(gè)CPU模塊的關(guān)鍵，在本系統(tǒng)中，通過選用了Xilinx公司Virtex-2系列FPGA，利用其內(nèi)部的DCM(數(shù)字時(shí)鐘管理器，Digital Clock Manager)模塊將時(shí)鐘信號倍頻到300 MHz左右，通過計(jì)數(shù)的方法來產(chǎn)生起始脈沖和停止脈沖，從而產(chǎn)生納秒量級的時(shí)間間隔信號。

2.2 時(shí)間間隔測量模塊

時(shí)間間隔測量系統(tǒng)是整個(gè)電子學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵。它的性能的好壞直接決定著時(shí)間間隔測量系統(tǒng)的精度。本測量方案選用了德國ACAM公司的高精度時(shí)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(shù)邏輯單元、RLC測量單元及與8位處理器的接口單元4個(gè)主要功能模塊。其性能指標(biāo)如下：

①雙通道，250 ps的分辨率或者單通道125 ps的分辨率。

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

⑤雙通道的8個(gè)事件可以一個(gè)一個(gè)的任意測量，沒有最小時(shí)間間隔限制。

⑥分辨率調(diào)整模式：通過軟件對分辨率進(jìn)行石英準(zhǔn)確性調(diào)整。

⑦有四個(gè)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(diào)的。

⑧有效的內(nèi)置16位運(yùn)算器，測量結(jié)果可以被校準(zhǔn)或者乘以一個(gè)24位的整數(shù)。

⑨運(yùn)算器用于計(jì)算的時(shí)間是獨(dú)立于外部時(shí)鐘的，整個(gè)校準(zhǔn)和乘法的時(shí)間大約為4μs。

⑩內(nèi)部最多可存儲4個(gè)校準(zhǔn)值或者8個(gè)非校準(zhǔn)測量值。

⑾校準(zhǔn)和控制時(shí)鐘頻率為500 kHz～35 MHz(高于100 MHZ將用到內(nèi)部的前置配器)。

⑿工業(yè)溫度范圍為-40～+85℃；工作電壓：2.7～5.5 V；低功耗，可用電池驅(qū)動。

TDC-GPI提供了三種測量方式供用戶選擇，其具體參數(shù)和時(shí)序邏輯如下所示：

(1)測量范圍一

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

(2)測量范圍二

為進(jìn)行大量程時(shí)間測量，芯片引入了一個(gè)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(gè)脈沖輸入。STOP信號之間不能相互比較，僅STOP與STSR信號可進(jìn)行比較。最大量程60 ns～200 ms。測量時(shí)序如圖3所示。

其測量原理如下：輸入START信號芯片內(nèi)部迅速測量出這個(gè)信號與下一個(gè)校準(zhǔn)時(shí)鐘上升沿的時(shí)差tPC1，之后計(jì)數(shù)器開始工作，得到此前置配器的工作周期數(shù)period。這時(shí)重新激活芯片內(nèi)部測量單元，測量出輸入的STOP信號的第一個(gè)脈沖上升沿與下一個(gè)校準(zhǔn)時(shí)鐘上升沿的時(shí)差tpc2，tpc3是STOP信號的第二個(gè)脈沖上升沿與校準(zhǔn)時(shí)鐘上升沿的時(shí)差。tcal1十一個(gè)校準(zhǔn)時(shí)鐘周期，tcal2是兩個(gè)校準(zhǔn)時(shí)鐘周期。根據(jù)圖6可以得出START信號與STOP信號第一個(gè)脈沖的時(shí)間間隔為：

cc表示前置配器的計(jì)數(shù)值。

(3)精度可調(diào)整模式

在此模式下兩通道數(shù)值有非常精確的校準(zhǔn)環(huán)路，精度可以通過程序中的設(shè)置來調(diào)整，精度可調(diào)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(gè)STOP輸人，此時(shí)任意兩個(gè)STOP信號均可以進(jìn)行比較，量程為3 ns～3.8μs，但芯片耗電量比較大，大約為25 mA。其測量時(shí)序如圖4所示。

上述三種測量方式，各自都有自己的特點(diǎn)，適用于不同的條件，測量的分辨率也有很大不同。在具體應(yīng)用中，可以根據(jù)所測等離子體的能量范圍和通道個(gè)數(shù)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(tǒng)中，需要兩個(gè)通道同時(shí)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(shù)據(jù)傳輸模塊

該模塊主要包括USB2.0控制器(Cy7c68013-128)、PC機(jī)，以及驅(qū)動和固件程序等。在整個(gè)測量系統(tǒng)中，為了更好的與PC機(jī)進(jìn)行通信，并獲得很快的數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋罱K選用USB接口(Universal SerialBus)，它是一種新的接口標(biāo)準(zhǔn)，有很多優(yōu)點(diǎn)如即插即用、支持熱插拔、傳輸速度快、可通過擴(kuò)展連接多達(dá)127個(gè)USB設(shè)備等。

本設(shè)計(jì)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(jī)芯片，雖然采用低價(jià)的8051單片機(jī)，但仍然能獲得很高的速度。它包括一個(gè)8051處理器、一個(gè)串行接口引擎(SIE)、一個(gè)USB收發(fā)器、一個(gè)8.5 kB片上RAM、一個(gè)4 kB FIFO存儲器及一個(gè)通用可編程接口(GPIF)。

通過系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，包括固件、應(yīng)用程序和驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)證明，該測量系統(tǒng)能測量出時(shí)間間隔范圍為3.5 ns～7.2μs，分辨率能達(dá)到500 ps。測量誤差在2％左右，其中時(shí)間間隔越短，誤差越大。部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

4 主要問題

由于整個(gè)電路系統(tǒng)產(chǎn)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(gè)急需解決的問題，這對整個(gè)測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性有著非常重要的意義。另一個(gè)問題就是整個(gè)測量系統(tǒng)的核心器件TDC-GP1的溫度范圍只有-40～+85℃，是否能夠經(jīng)受得起惡劣的空間環(huán)境考驗(yàn)，只有通過老化實(shí)驗(yàn)和環(huán)境模擬試驗(yàn)驗(yàn)證，才能進(jìn)一步應(yīng)用到空間探測中。

5 結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)證明，該測量系統(tǒng)測量范圍為3.5 ns～7.2μs，測量誤差在允許范圍之內(nèi)，其主要性能指標(biāo)能滿足測量要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。由于電路中有納秒量級的高頻信號，因此在后續(xù)的電路設(shè)計(jì)中，將進(jìn)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。