（物理电子学专业论文）基于fpga软核处理器niosii的高精度时间间隔测量仪.pdf

摘要 时间间隔测量( t i m ei n t e r v a lm e a s u r e m e n t ，t i m ) 在原子物理、天文实验、 激光测距、定位定时、i c 设计中的抖动测量( j i t t e rm e a s u r e m e n t ) 、自动检测 设备( a u t o m a t i ct e s te q u i p m e n t s ，a t e ) 以及数字通信等领域有着广泛的应用。 其高精度的皮秒量级的测量技术在军事、航天科技方面也发挥了不可或缺的作 用。 本文利用f p g a + n i o s i i 软核代替传统测量系统中慢速的单片机控制电路， 把t d c 芯片处理结果存入f p g a 逻辑的f i f o 中，让t d c 芯片能够快速重新配置测 量。在测量时序的同时进行数据处理，可满足用户进行大量迅速测量的需求。文 章针对有限距离的计数分辨率所引起的误差，对传统提高时间分辨率的方法进行 研究和创新。采用t d c 芯片比分立元件具有更大的规模、更高的工作速度、更小 的计数误差和更精确的时间分辨率，能克服分立元件自身的缺点，有效的缩减了 电路舰模，使t i m 更a n d , 型化，对于降低硬件成本、提高系统的可靠性、灵活性、 适应性，具有更实际的意义。 通过对t d c g p l 芯片技术资料的学习研究，提出利用t d c g p l 结合f p g a 嵌 入式处理器的t i m 系统方案，设计出系统硬件部分( p c b 接口板和f p g a 逻辑) 和 软件部分( n i o s i i 嵌入式软件) ，实验证明本系统测量时间问隔分辨率可达到单 通道1 2 5 p s 和双通道2 5 0 p s 分辨率的要求，测量时f b j 范围达到3 n s 一7 6 u s 。 关键词：n i o s i i ；t d c ；时间间隔测量；f p g a a b s t r a c t 币m ei n t e a 1m e a s u r e m e n tw i d e l ya p p l i e s i nm a n yf i e l d si n c l u d i n ga t o m i c p h y s i c s ，a s t r o n o m ye x p e r i m e n t s ，l a s e rr a n g e f i n d e r , p o s i t i o n i n gt i m i n g , a e r o s p a c e t e l e m e t r vr e m o t ec o n t r o l ，m o r e o v e rb r o a d l ya p p l i e d i ni cd e s i g no fj i t t e m e a s u r e m e n t a u t o m a t i ct e s te q u i p m e n t s ，t h ea n g l em o d u l a t i o ns i g n a l o fd i g i t a l c o m m u n i c a t i o n ，a n dd i g i t a lo s c i l l o g r a p h t h et e c h n o l o g yo fh i g h - p r e c i s i o np 1 c a s e c o n dm e a s u r e m e n tp l a y sa ni n d i s p e n s a b l er o l e i nm i l i t a r y a n da e r o s p a c es c l e n c e f i e i d f o rt h es a k eo fs a t i s f y i n gt h er e q u e s to fu s e r s h u g em e a s u r e m e n tl o a d ，w e p r o p o s et h a tt h r o u g hr e p l a c i n gs l o ws c m c o n t r o lc i r c u i tw i t hf p g a + n i o s i ic o r e s o f t w a r e ，i tc a nw r i t et h ep r o c e s s i n gd a t ao ft d cc h i p si n t of i f oo ff p g a l o g i c q u i c k ly ，a n da c c o r d i n g l y , r e c o n f i g u r et h em e a s u r e m e n tu s i n g t d c c h i p ss oa st oc a r r y 伽tt h ed a t ap r o c e s s i n g ，a n dt h es e q u e n t i a lm e a s u r e m e n t a tt h es a m et i m e i na d d l t l o n ， c o n c e n l r a t i n go nt h e e 盯o rr e s u l t e di nb yt h ec o u n t i n gr e s o l u t i o n i nt h el i m i t e d d i s t a n c e a n dc o m b i n i n gi t w i t ht h et r a d i t i o n a lm e t h o do fi m p r o v i n g t h et l m e r e s o l u t i o n ，w ee m b a r ko nt h er e s e a r c h ，d e v e l o p m e n t ，a n dr e n o v a t i o nd e a l i n gw i t ht h e t e c h n o l o g y i tb r i n g sap r o f o u n d l ys i g n i f i c a n tp r a c t i c a li n f l u e n c eu s i n gt d c c h i p s c o m p a r e dw i t hd i s c r e t ec o m p o n e n t s ，g r e a t e rs c a l e ，h i g h e rw o r ks p e e d ，h i g h e rt l m e r e s o l u t i o n ，a n ds m a l l e rc o u n t i n ge r r o r i tc a n o v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g eo fd i s c r e t e c o m p o n e n t s ，i n c l u d i n gr e d u c i n gt h e s c a l eo fc i r c u i t ，m i n i a t u r i z i n gt h et i ms y s t e m ， r e d u c i n gt h eh a r d w a r ec o s t s ，i m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t y ，f l e x i b i l i t y , a d a p t a b i l i t yo ft h e s y s t e m ，a n ds h o r t e n i n gt h ed e v e l o p m e n tc y c l e - t h r o u g ht h er e s e a r c ho ft d c g p lc h i p sd e v e l o p m e n ti n f o r m a t i o n ，w ep u t f o n a r du t i l i z i n gt d c g p lc h i p s c o m b i n e dw i t ht h ed e s i g n o ft i m ei n t e a l m e a s u r e m e n ts y s t e mo fe m b e df p g ap r o c e s s o r , a n ds c h e m e o u tt h eh a r d w a r e p a n ( p b c i n t e r f a c eb o a r d a n df p g al o g i c ) a n ds o f t w a r ep a r t ( e m b e d n i o s l i s o f t w a r e ) e x p e r i m e n t sp r o v e dt h a t t h er e s o l u t i o no ft i m ei n t e r v a lm e a s u e m e n tc a n a c h i e v et h er e s u l t s ：1 2 5 p s ，s i n g l ec h a n n e l ；2 5 0 p s ，d u a l c h a n n e l ，a n d m e a s u r e m e n t t i m e r a n g e ：3 n s 一7 6 u s k e y w o r d s ：n i o s l l ；t d c ；t i m e i n t e r v a lm e a s u r e m e n t ；f p g a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞姿王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：g 乞客姊 签字f 1 期立嬲年土月2 多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞望王些去堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交沦文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：獬 签字日期：1 励年1 月土厂日 导师签名： 勘久圣 签字日期：锄移黔z 月妊 学位论文主要创新点 本文旨利用f p g a + n i o s i i 软核来替代传统测量系统中慢速的单片机控制电 路，结合用t d c 芯片设计时问间隔测量电路。本设计方法可有效的减小电路规模， 使测量系统更力h t j , 型化，对于降低硬件成本、提高系统的可靠性、灵活性、适应 性，缩短开发周期，具有重大的实际意义。 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 时间间隔测量( t i m ei n t e r v a lm e a s u r e m e n t ，t i m ) 在很多领域有着广泛的应 用。高精度的时间间隔测量技术，尤其是皮秒量级的测量技术更为重要。它不仅 在原子物理、天文实验、激光测距、定位定时、航天遥测遥控等方面，还在 i c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 设计中的抖动测量( j i t t e rm e a s u r e m e n t ) 、自动检测设 备( a u t o m a t i ct e s te q u i p m e n t ，a t e ) ，以及数字通信中的角度调制信号和数字 示波器领域有着广泛的应用。此外，它也在军事、航天科技方面发挥不可或缺的 作用。 f p g a ( 现场可编程逻辑门阵列) 是可编程逻辑器件，它是在p a l ，g a l 等逻 辑器件的基础上发展起柬的，同以往的p a l ，g a l 等相比，f p g a 的规模较大，它可以 替代几十甚至上千块通用i c 芯片。其一个芯片内可含有几十力至百万门逻辑单 元。随着芯片设计规模的扩大，使得它可以将一个完整的电子系统集成到一个芯 片上进行s o p c 设计( 片上系统设计) 。我们提到的n i o s ii 软核处理器就是a 1t e r a 公司丌发的一种可以嵌入到f p g a 逻辑内部进行数据处理的c p u 逻辑软核，本课 题研究中采用了基于n i o s i i 软核的s o p c 设计方法进行高精度时问问隔测量系统 的构建，对于传统的时问问隔测量系统的，芯片控制，处理电路进行了创新设计， 以求时间问隔测量系统可以达到更高的整体性能比1 。 1 2 精密时间间隔测量的国内外研究现状 对日常生活来说，对时间的概念精确到分钟就足够了，即使在卫星导航应用 方面，测量到纳秒也完全满足需要。然而在很多大型物理实验中，时间间隔测量 作为一种重要的鉴别和探测手段，对测量的精度要求非常严格。如何提高时间测 量的精度成为物理学家孜孜以求的目标。 西安电子科技大学信息处理研究所根据量化时延原理，基于c p l d 器件，研制 了测量分辨力达到4 3 n s 的时间间隔测量仪，并利用双量化时延将其进一步提 高。该时间间隔测量仪目前已应用在g p s 锁定的高稳晶振中。 西北工业大学在量化测量原理的基础上，利用细测与粗测相结合的方法来测 量较短的精密时间间隔，这种方法与c p l d 相结合，可以在使用较少数量的延迟 第一章绪论 组件情况下，获得4 0 0 p s 的测量分辨率。 中国科学院上海技术物理所研制了一块基于p c i 总线的时间间隔测量数据 采集卡用于激光测距。它使用了高精度的延迟线，通过在计数器值间进行插值细 分得到足够高分辨率。测量分辨率高达1 2 0p s ，测量范围为5n s - 一7 8i is 。 中国科学院高能物理研究所在北京正负电子对撞机和北京谱仪中应用了西 欧粒子物理研究中心( c e r n ) 研制的高精度时间间隔测量芯片h p t d c ，用于测量核 心探测器主漂移室中对撞时刻和电离电子到达阳极丝时刻之间的时间间隔，这是 亚n s 领域内精确的时问测量。该芯片有3 2 个通道，4 种可选的精度模式，当其 工作在低分辨精度模式时，时间分辨率约为8 0 0 p s ；当其工作在中分辨精度模式 时，时间分辨率约为2 0 0 p s ；当其工作在高分辨精度模式时，时间分辨率约为 l o o p s ；当其工作在甚高分辨精度模式时，时间分辨率约为5 0 p s 。不论从时间分 辨还是多通道功能上，该芯片都是目前同类产品中的佼佼者。 目前的电子学时间测量技术中已经有很多仪器或系统能够达到n s 和p s 的测 量精度，科学家还在时问测量方法的探索道路上不断前进，要打破p s 的限制进 入f s ( f e m t o s e c o n d ，1 0 1 5 秒) 量级的测量精度，除了更高的电子学处理水平 和方法，量子领域发展起来的电子学和光电子学也许会成为将来努力的方向。 1 3 当前主要精密时间测量及提高精度的基本方法 科学实验要求越来越高的测时精度，也就不断要求更精确的时间测量技术。 f 如a d c 进行的电压一数字转换方法很多一样，时问测量也有各种各样的方法， 但不论哪种方法，最后也同样要把时问信息转换为数字量，因此我们将时间测量 电路统称为时间一数字转换电路t d c ( t i m e d i g i t a l c o n v e r t e r ) ，下面介绍几种 主要的t d c 技术以及提高t d c 精度的方法。 2 第一章绪论 1 3 1 模拟时间放大技术 起始着号 停止信号 寿棒忍 始信导 图1 1 模拟时间放人方法的原理示意图 模拟时间放大技术方案中，待测量的时问问隔被放大到k 倍。k 称为放大因 子，其大小取决于电路的参数。用任意一种t d c 来测量放大后的时间间隔就可以 获得更好的时问分辨。如图卜1 所示。在“起始 一“停止”时问问隔内给电容 充电，然后用小一些的电流给电容放电。充电和放电的电流之比就是放大因子k 。 如果k 足够大，使用简单的基于计数器技术的t d c 测量放大后的时问i i i j 隔就可以 获得较好的时问分辨1 。 1 3 2 时钟内插技术 利用多个延时单元( 一般可以用反相器，也可能用传输线中的一段) 组成延 迟线，锁存信号沿延迟线的传播情况可以进行时问f i , j 隔测量。很多内插方式都用 一个时钟信号来引导，主要是将时钟周期内分以提高精度。图1 - 2 是将一个时钟 周期内分成l o 等分时对时间f 的测量示意图，若时钟频率为i o m h z ，单用一个 时钟p h a s e o 测量时，得到的结果为0 4 us ，不确定度为0 1 | ls 。若采用延迟线 内插技术将时钟周期内分成1 0 等分，由于从p h a s e o 到p h a s e 4 记到的时钟个数 为4 ，从p h a s e 5 到p h a s e 9 记到时钟个数为3 ，说明2 是在p h a s e 4 与p h a s e 5 之 间相对应的时钟沿附近到来，于是得到的结果为o 3us + 0 0 1 | ls x 4 = 0 3 4us ， 不确定度为o o lus 。这样相当于将时钟频率提高了1 0 倍，测量精度自然大大 提高。 第一章绪论 嵋。i t ：j l”韭| l ；幻j 一r ”? ：。r 一誓：1 二一：，j ，一l 一。二。一：i ”i 一i 一 | | | | ；誊蓉簿鋈饕基袭? ：乙一；7 j ，= ：= ；：二 二量二= ! j - ：2 。t 一! 一二，；二：一j = = 二三三! ；：二 篡：! ：三二：上= = 器= 邕! 鬲甬二：三二墨量量二= ! 器”e 。：。：；h ： ，f 。0 = “；：f 0 。一；岳；一：一- 。争； t 船 。o 叶新一“中j；叶咖j ：! 乙。0 。叫：! b 1 3 3 锁相环( p l l ) 技术 将延迟线闭合在一个压控振荡器( v c o ) 中，振荡频率通过一个反馈环控制， 就构成了锁相环( p l l ) 。p l l 是一种自动反馈增益控制电路，常用于锁定相位， 为系统提供与参考时钟相位相同的稳定时钟。其中参考时钟源通常为晶体振荡 器。 1 3 4 延迟锁定环( d l l ) 技术 如果延迟环路不是闭合的，并被包含在一个反馈控制环中，那么就得到了延 迟锁定d l l 的形式。控制环有很多种拓扑结构，但是它们都包括一个相位检测器 来检测相位误差并将其转换成一个有意义的数据量。和p l l 不同的是，参考时钟 信号直接馈入压控延迟线，它的相位与延迟线的输出信号相位作比较。d l l 和p l l 有十u l 司之处，例如获得精确定时信号的能力，自校准能力和大的动态范围卜吲。 1 3 5 无源r c 延迟线配合d l l 理论上来说，如果增加o l l 的延迟级数或增加时钟频率，测量精度可以更高， 但实际上这两个方案都将会面对更大的功耗和更高的非线性等问题。利用r c 延 迟线内插技术可进一步获得更高的时间精度。图卜3 是内插技术原理图，输入的 待测脉冲信号被4 级r c 延迟线延迟，连续4 次对延迟锁相环的引出信号进行采 样，每级延迟的时间都为2 5 p s 。时钟周期为l o o p s ，直接测量时得到的f 结果 为3 0 0 p s ，不确定度l o o p s 。使用r c 延迟线内插后，由于从通道2 到通道4 得到 的结果为2 0 0 p s ，所以f 结果为2 0 0 p s + 2 5 p s 1 = 2 2 5 p s ，不确定度2 5 p s 1 。 4 第一章绪沦 m 厂弋。厂l o ；：卜，_ !i ：。j _ 拖“肚= ，一二t 里弘h i t 1 n i 豫苗3 i i ；兰互 1 4 本文研究的内容 图1 - 3r c 内插技术 本文利用f p g a + n i o s ii 软核来替代传统测量系统中慢速的单片机控制电路， 把t o c 芯片处理结果快速的存入f p g a 逻辑中的f i f o 中，让t d c 芯片能够快速重 新配置测量。可以在测量时序进行的同时间进行数据处理，以满足迅速进行大量 测量的用户需求，同时针对有限距离的计数分辨率引起的误差，结合传统提高 时问分辨率的方法，对这一技术进行研究、发展和创新。采用t d c 芯片比分立元 件有更大的规模、更高的工作速度、更高的时间分辨率、更小的计数误差，能克 服分立元件无法克服的缺点。可有效的减小电路规模，使测量系统更加小型化， 对于降低硬件成本、提高系统的可靠性、灵活性、适应性，缩短开发周期，具有 重大的实际意义。 本文的主要工作如下： l 、分析精密时间间隔测量的发展、分类、及各种测量方法中影响其测量精 度的主要因素。 2 、研究f p g a 同t d c g p l 相结合的应用设计技术、设计方法，根据t d c 的 技术特点设计控制t d c g p l 芯片的f p g a 逻辑电路，和基于n i o s i i 的数字处理电 路，对t d c 芯片测量结果进行实时处理。 3 、进行系统硬件设计：根据本系统的要求完成f p g a 内部逻辑电路设计，完 成外部测量原理图设计，用p r o t e l 完成外部电路板图设计。 4 、进行系统软件设计及仿真：根据系统要实现的功能画出本系统的软件流程 图，编写v e r i l o g 源代码( 配置f p g a ) 和c 源代码：并进行编译、仿真、修改直到 达到满意的结果。 5 、系统调试：软硬件设计结束后进入系统调试阶段，将程序下载到f p g a 配 置芯片上，测试f p g a 逻辑功能和n i o s l i 数字处理用户功能，直致达到满意的结 果。 6 、对设计的系统进行外场实验，获得试验数据，进行数据分析。 5 第一章绪论 1 5 本文结构 第一部分，首先讨论了脉冲激光测距法、相位测距法、三角测距法、反馈测 距法等现行激光测距方法的基本工作原理，及其相应的测试特点，提出利用 t d c g p l 数字时间转换芯片和f p g a 逻辑配合构建时间间隔测量系统方法。 第二部分：介绍时间转换芯片t d c - - - g p l 结构与功能特性和寄存器组织，讨 论了t d c g p i 的各个工作模式的特征、测量时序、测量范围与测量精度的计算 等。 第三部分：基于f p g a 的s o p c 嵌入式系统开发方法和n i o s i i 软核处理器以 及a v a l o n 总线的组织方式。 第四部分：较详细给出基于n i o s i i 软核的时间间隔测量系统的外部硬件设 计方案和f p g a 内部逻辑硬件电路，t d c - g p l 芯片之间的软、硬件接口方法，以 及给出逻辑代码和数掘处理c 代码。 第五部分，分析了误差的构成，讨论对测量结果的处理。 第六部分，结论与展望 6 第二章t d c _ g p l 芯片结构与功能特性 2 1 概述 第二章t d c g p l 芯片结构与功能特性 t d c 是时间数字转换器的缩写。这些芯片把时间间隔直接转化为高精度的数 字值。它们被描述为与模拟电压有相同功能的数模转换器相似的器件。这个t d c 的定义涵盖了手表和一些简单的数字仪器，但是t d c 仅指高精度的时间测量工 具。 t d c x p l 的主要技术特性如下陋1 ： a ) 双通道测量，精度2 5 0p s ，单通道测量，精度达1 2 5 p s ； b ) 每个通道默认4 次脉冲输入，若选择队列模式，脉冲支持的脉冲输入数加 倍； c ) 两通道精度完全相等； d ) 有两个量程：3n s - - 一7 6 m s ；6 0n s ，- - - 2 0 0m s e ) 选择精度可调模式，芯片测量精度可通过程序设定： f ) 具有4 个端l i ，可进行电阻、电容和电感的精确测量； g ) 内置1 6 位算术逻辑单元，可对测量结果进行校准并数乘一个2 4 位的整数； h ) 算术逻辑单元的校准时问独立于外部时钟，校准并数乘，整个过程需要大 约4 u s ： i ) 内部可存储4 个校准数据或8 个未校准数据； j ) 校准和控制时钟5 0 0k h z - 3 5m h z ； k ) 采用真空、便于掌握的4 4 一t q f p 封装； 1 ) 有可重触发能力； m ) 环境工作环境温度为4 0 8 5 ； n ) 功耗极低，用电池即可驱动。 7 第二章t d cg p i 芯片结构与功能特性 2 2t d c g p l 内部结构框图 2 3t d c g p l 中的寄存器 图2 - 1t d c g p i 内部结构框图 t d c - g p i 的寄存器主要有以下几种：原始值寄存器组、结果寄存器组、控制 寄存器组、状态寄存器组、调整参数寄存器组等。 2 3 1 原始值寄存器组 t d c g p l 中每个通道均有2 * 6 个的原始值寄存器( 它们均是八位的寄存器) ， 被测单元的结果值被直接存放在该寄存器中。一般情况下，这些寄存器中存放的 均是未标定的值。其中的值受生产工艺、测量电压和测量温度的影响。 2 3 2 结果寄存器组( 只读型) t d c g p l 中有8 个1 6 位结果寄存器，这些寄存器只能根据设置的计算模式 被a l u 写入数据。其中，用一个寄存器存放直接来自于原始值寄存器的内容，这 些是没被标定过的值，而要用两个结果寄存器存放标定过的值。这8 个寄存器以 一种循环的方式连续地被写入( 写入第8 个寄存器后，继续写入第一个寄存器的 值) 。 8 第二章t d cg p l 芯片结构与功能特性 2 3 3 控制寄存器组( 只写型) t d c - g p i 中有7 个控制寄存器，用于不同处理模式以及其它可能的功能模式 的设置调整。 2 3 4 调整参数寄存器组( 包括只读型与只写型) t d c g p l 中有4 个只能写入的调整参数寄存器，用于进行数乘参数和p l l 调 整参数的设置。t d c - g p l 中还有1 个只读型调整参数寄存器，在设置p l l 参数时， 它用于存放被调整的p l l 参数，其中的值有助于在精度调整模式中对精度调整的 定位。 2 3 5 状态寄存器组( 只读型) t d c - g p l 中有2 个状态寄存器，从中可以读取t d c - g p l 的重要状态参数。 1 状态寄存器1 0 - - 5 位：信号h i i _ t d c 2 ：0 和h i t 2 一t d c 2 ：0 给出了出现在每个通道的触发 信号的最大数量，分别可以是o 4 个。这些触发信号只要被测量单元寄存则相应 的触发信号计数器的值就增加。 第6 位：用于指示测量单元的是否溢出的。在允许触发的信号的个数确定时， 如果测量时该位被置“1 ”，则表明最大的测量时问间隔被破坏了。 第7 位：在精度可调整模式中，该位表示锁相环已被锁定，选择的精度已被 设定。 2 状念寄存器2 o 、2 位：这三位显示的是地址指示器的值，表示测量结果已经存储到笫几个 结果寄存器了，如：若显示“4 ，则表示地址为0 - 3 结果寄存器中已有测量结果， 即己有4 个1 6 位结果或2 个3 2 位结果是有效的：若显示“0 ”则可能有两种含义： 没有结果或已有8 个结果，若中断标志( 第3 4 脚) 为“o ”则表示某没有结果，为”1 一 则表示目前有8 个测量结果。 3 、4 位：这两位表示a l u 是否已准备好标定或数乘操作。它们直接影响控制 寄存器o 的第5 、6 位的内容。当对微处理器的接口进行简单测试时，可以设置 和读取这些位的值。 5 位：用于表明r l c 测量已结束。 第二章t d c _ g p l 芯片结构与功能特性 2 4 结果寄存器的访问方式 2 4 1 结果寄存器中数据的结构 t d c g p l 有8 个1 6 位的结果寄存器( e r g _ r e g o e r g _ r g e 7 ) 。未标定过的数 据和精度调整模式下测得的数据只占用1 个结果寄存器，要获得未标定过的数据 必须将控制寄存器0 的第6 位设成“0 ，未标定过的数据是带符号的1 6 位整形 数据，也包括精度调整模式下的测得的未标定结果。 例如， 结果寄存器的内容结果值 o x o a b c2 7 4 8 o x c 0 0 2- 1 6 3 8 2 0 x7 0 7 32 8 7 8 7 o x f f l2238 标定过的数据要占2 个结果寄存器。标定过的数据由1 6 位整数部分和1 6 位 小数部分组成，小数部分在低位寄存器中，整数部分在高位寄存器中。 结果寄存器的内容结果值 o x 0 0 0 1 a b c i )1 6 7 1 0 9 6 o x f f f e 1 2 3 41 0 7 1 1 0 5 o x d 0 0 2 a 0 015 3 2 5 0 6 2 5 0 0 x 0 0 6 7 a 0 0 11 0 3 6 2 5 0 1 注：只有在量程1 才能有负数结果，在量程2 的结果中才总是正的无符号数。 2 4 2 结果寄存器的读取 状态寄存器和只读型p l l 寄存器要通过存储映像才能读出取方法如下： 多数结果寄存器可以通过选择起始地址后被连续的读出，而结果寄存器的读 如果外部地址是恒定的，则需要增加一个内部地址指示器，读一个结果总是需要 启动两个读取的动作( 而地址不发生变化) ，首先低位字节出现在8 位数据总线 上，接着高位字节再出现在8 位数据总线上。 例如： 读取全部8 个结果寄存器的值：给出地址o 和1 6 个读启动信号，则所有的结 果都会被从低位字节到高位字节的顺序读出。读取1 和3 个结果寄存器的值：先 给出地址o 和2 个读启动信号，然后再给出地址3 和2 个读启动信号。 1 0 第二章t d cg p l 芯片结构与功能特性 2 5t d gg p l 的初始化 在开始一次测量和独立地选择测量模式之前，有必要对芯片进行初始化，大 部分情况初始化是加电复位，g p l 还有一个初始化命令，提供几种初始化的可能。 2 5 1g p l 内部测量单元的初始化 t d c 内部测量单元的初始化使用取i n i t t d c ，s t o p 信号计数器被设置为”0 ” 表示删除当前的测量过程，而使用以前设置的模式准备重新启动新的测量过程， t d c 在w r n 信号的上升沿到来后3 0 n s ，准备好测量。 2 5 2a l u 顺序计算的初始化 a l u 顺序计算的初始化使用则i t b i g a l u 位初始化，当该位被设置为“0 ”， 表示删除当前的测量过程，意味着从第1 个结果寄存器重新丌始存放结果。以以 前设置的模式准备重新启动新的测量过程，t d c 在w r n 的上升沿到来3 0 n s 后， a l u 准备好连续计算。 2 5 3 加电复位 当g p l 数据总线的高半字节为十六进制“a ”时，加电复位操作被执行，这 时，整个芯片设置成基本状态：所有的控制寄存器和数值寄存器均被初始化成默 认值( 但是原始值寄存器和结果值寄存器不被仞始化，保持原值不变) 。这样，加 电复位过程既可以通过软件激活，也可以有r s t n 引脚激活( 该引脚低电平有效， 最小保持5 0 n s ) ，( 注意：在w r n 的上升沿到达后的5 0 n s 内，其他的指令不能执 行，因为g p l 正处在复位模式) 。 2 6 量程1 模式 t d c g p l 是测量系统的核心器件，它有多种测量模式，分别为：量程，模式、 量程2 模式、精度调整模式、高精度模式等。 2 6 1 测量模式的调整 相关的寄存器： 相关的位：4 影响： o = 量程1 控制寄存器0地址：0 1 = 量程2默认：量程1 1 1 第二章t d c g p l 芯片结构与功能特性 2 6 2 可能测量的顺序与时间 t d c g p l 工作在量程1 时，提供了两个测量通道，每个通道精度均为2 5 0 p s ， 个通道公用一个s t a r t 输入，可分别与四个独立的s t o p 输入进行比较，每个s t o p 信号相对于同一个s t a r t 信号的时刻分别存入4 个原始值寄存器中。 以下几点应引起注意： a ) s t o p 信号至少在s t a r t 信号开始 2 挑后才能被接收： b ) s t a r t 和s t o p 信号必须持续f 。，一2 5 n s 以上，否则芯片无法辨识： c ) 来自于两个通道的s t o p 信号可进行相互的比较，且无最小时限，而来自 于同一通道的s t o p 信号之间最小时限为乞。1 5 n s ，否则第二个s t o p 信号被忽略： d ) s t o p 信号必须在s t a r t 信号开始后t 。= 7 6 u s 内到达( 既3 0 ，7 2 0 l s b s ：( 2 坫一2 1 1 ) l s b s ) ，因此量程为3 n s 一7 6 u s ： e ) 两个通道可进行排序，这样可使1 通道s t o p l 允许8 个脉冲输入，这种模 式下通道2 的s t o p 2 入被忽略。下图给出了量程1 的测量时序。 s t r t s t o p l s t o p 2 3 船 t 3 呻 i - 啼 i 一 t 矿- 2 5 n s 1nn 一l 卜 几1 妒2 加3 i 卜b 一 - 卜 i 5 n sk 户2 5 n $ 图2 - 2 量程1 的测量时序 2 6 3 量程1 中被测信号的选择 a l u 在量程l 中进行操作有 a ) 测量每个s t o p 信号相对于s t a r t 信号时间间隔： b ) 测量两个s t o p 信号之间的时间间隔： c ) 可以将结果标定和数乘。 首先，看如何控制测量哪一个s t o p 信号与其它s t o p 信号的时间问隔。 控制寄存器2 的内容控制测量哪一个s t o p 信号与其它信号的时间间隔，见 附录l 一控制寄存器2 ，是进行标定还是数乘由控制寄存器o 确定，见附录l 一 控制寄存器o 。每4 位为1 个控制值，a l u 的计算规则为： 1 2 第二章t d cg p l 芯片结构与功能特性 计算结果= 低4 位一高4 位 例如：若控制寄存器0 的内容为：0 x 6 0 控制寄存器2 的内容为：0 x 0 1 则计算通道1 的第1 个s t o p 信号减去启动信号的时间间隔，结果被标定和 数乘并写入2 个结果寄存器中。 又如：若控制寄存器0 的内容为：0 x 0 0 控制寄存器2 的内容为：o x a 3 则计算通道1 的第3 个s t o p 信号减去通道2 的第2 个s t o p 信号的时间间隔， 结果不被标定和数乘，结果写入1 个结果寄存器中。 2 6 4 标定 在多s t o p 信号的处理时，每一次标定过程中可以测量偏移量为1 个标定时 钟和2 个标定时钟时的用于标定的修正值( 如图4 2 ) ，结果存放到专门的标定 值寄存器中，其中的值在标定过程中均被更新为最新的值。标定g p l 有2 种不同 的途径：通过指令方式和在收到一个s t a r t 或s t o p 信号后自动地完成标定方式。 完成 c a l 2 c a l l o f 矗e t 图2 3 两个标定时钟对应的标定值 1 、单独的标定模式 相关的寄存器：控制寄存器o 地址为：0 相关的位：第7 位默认值：o 影响：7 位为1 则启动一次独立的标定过程 设置控制寄存器o 的第7 位为1 后，一个单独的标定过程被启动，标定过程 后，控制寄存器0 的第7 位自动清0 。单独的标定过程只影响寄存器o 。 2 、自动标定模式 相关的寄存器：控制寄存器0 地址为：0 1 3 第二章t d c _ g p l 芯片结构与功能特性 相关的位：3 影响：1 = 自动标定默认值：o 如果只有几个测量值或在两个测量值之间的时间间隔很大，则自动标定模式 是一种有效的选择。设置控制寄存器0 的第3 位为1 后，在接收到的s t o p 的数量已达到已选择的数量时，会自动启动标定过程。 控制寄存器0 的第6 位用于控制结果是否要被自动标定，该位置1 则自动产 生标 定值。标定哪些值也通过寄存器2 选择，当每4 位中的低3 位为6 时，产生 标定修正值c a l i ：当每4 位中的低3 位为7 时，产生标定修正值c a l z 。 例如，若控制寄存器2 的内容为：0 x o f 则产生通道1 的标定值c a l 2 。 又如，若控制寄存器2 的内容为：0 x 0 6 则产生通道1 的标定值c a l i 。 再如，若控制寄存器2 的内容为：0 x 6 7 则计算通道1 的标定值c a l i 减去通道1 的标定值c a l 2 。 2 6 5 数乘 控制寄存器o 的第5 位用于控制结果是否要被数乘，该位置1 则产生数乘值。 数乘因子被存放在数乘寄存器中，这些寄存器可以通过微处理器接口访问。数乘 寄存器的地址如下表。 表2 - 1 数乘寄存器的地址 寄存器地址所存放的数值 默认值 寄存器8 8 数乘因子的 位 o 寄存器9 9 数乘因子的 o 位 寄存器l o 1 0 数乘因子的 1 2 8 位 1 4 第二章t d c _ g p l 芯片结构与功能特性 注：这2 4 位数乘因子的高位默认为1 ，加电复位后其值为l ；一个没有先被标定 的值是不能被数乘的。 2 6 6 量程1 中的计算规则 下面是量程1 中的计算公式 reg：=mult事(val(hit2_in)-val(hiti_in)-(2*call-cal2) c a l 2 - c a l l ( 式2 1 ) 其中，( 1 ) v a l ( m t 2 一i n ) 一v a l ( m r l i n ) ：根据寄存器2 的指示计算； ( 2 ) 2 * c a l c a l 2 ：为偏移量修正值； ( 3 ) c a l 2 一c a l l ：为标定值的线性剃度； ( 4 ) m u l t ：数乘因子； ( 5 ) r e g ：存放在结果寄存器中的结果。 说明：如果控制寄存器0 的标定控制位和数乘控制位均清o ，则只发生第( 1 ) 项操作：如果控制寄存器o 的标定位置1 则发生第( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 项操作：如果控 制寄存器0 的标定控制位和数乘控制位置1 ，则发生上述所有的项的操作。 2 6 7 其他的测量控制 在量程1 中还可进行如下设置，并且适用于其他模式。 1 、设置允许接收的s t o p 信号的个数 相关的寄存器：控制寄存器7 地址为o 7 相关的位：5 - 0 注意：若两个通道的s t o p 信号个数均设置成0 个，则整个测量单元均无效， 这一点适用于所有的模式。 2 、触发信号的边沿设置 相关的寄存器：控制寄存器o 地址为：0 相关的位：2 - - 0 影响：o = r i s e ：l = f a l l 默认值：f a l l 注意：每种模式均可独立进行设置 3 、重触发模式的设置 相关的寄存器：控制寄存器6 地址为：6 相关的位：5 1 5 第二章t d cg p l 芯片结构与功能特性 影响：o = o f f ：l = o n默认值：o f f 在重触发模式中，每一个s t a r t 信号都会初始化测量单元，但是，在接收到 第一个s t o p 信号后，就不再接收新的s t a r t 信号( 即被忽略) ，直到进行下 一个测量队列。 注意：首先，重触发模式的设置只在量程1 中有效：在量程2 中必须解除设置： 而在精度调整模式中该设置不起作用。还有，在重触发模式为o n 的情况下，隔 为6 n s 。 4 、测量队列设置 相关的寄存器：控制寄存器6 s t a r t 信号和s t o p 信号间的最小时间 地址为：6 相关的位：6 影响：o = o f f l = o n 默认值：o f f 测量队列用于表示在2 个通道只用一个s t o p 源信号的情况下使用s t o p 信号 的一种能力。如果设置为o n ，则s t o p z 源信号将无效。另外，当通道l 输入的 s t o p 信号个数超过4 个时会自动切换到通道2 ，相当于一个通道具有接收8 个 s t o p 信号的能力。 2 7 量程2 模式 量程2 的测量方法与量程1 的方法不完全相同，这也导致计算方法相同。 2 7 1 测量的时序与时间计算方法 1 、t d c g p l 的测量时序如下图。 1 6 第二章t d cg p l 芯片结构与功能特性 f c f c 2f c 3 一 卜一 j乙 n z j乙鬯 一 _ - _ _ 一 l ， 。 tl q 4 0 r i “t m - - 1 6 0 砧 i2 l u l 6 0 n s ) p 1 图2 _ 4 量程2 的测革时序图 2 、测量时间的计算 由时序图可以看出，量程2 的测量方法与量程1 的方法完全不同，这也导致 计算方法也不相同。量程2 中有2 个计数器，一个用于测量单元，一个用于标定 时钟周期的个数的粗略计数。 测量时间：标定时钟周期t ( c c + f c l - f c 2 ) c a l 2 一c a l l 。 其中，c c = 分配器的值 专用于量程2 的分配器p r e d i v i d e r 的工作原理对于大时间间隔测量有很大 优点，在量程2 模式中，时间间隔不是被直接测量的。t