摘 要：為了更好地探測(cè)空間等離子體成分，研究了一種基于飛行時(shí)間法的納秒量級(jí)時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)，分別介紹了該系統(tǒng)的三個(gè)組成部分CPU模塊、時(shí)間間隔測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊。并著重研究了納秒量級(jí)時(shí)間間隔的測(cè)量方法，詳細(xì)介紹了主要時(shí)間間隔測(cè)量芯片TDC-GP1。并對(duì)數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計(jì)做了簡(jiǎn)要說(shuō)明。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)量系統(tǒng)的性能可滿足探測(cè)需求。

關(guān)鍵詞：飛行時(shí)間法；空間等離子體；時(shí)間間隔測(cè)量；TDC-GP1

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004373X(2008)1512703

Measurement of Nanosecond Pulse Based on Time-of-Flight

LIU Chuanjun1，2，REN Qiongying2

(1.Graduate School，Chinese Academy of Sciences，Beijing，100080，China；

2.Center for Space Science and Applied Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing，100080，China)

Abstract：To better explore the space plasma composition，measurement system of nanosecond time interval based on the time-of-flight is studied.The main module for CPU，time interval measurement and data transmission in this system are introduced in this paper.The measurement method of nanosecond time interval，the chip of TDC-GP1 are intraduced in a detail.The firmware and drivers of data transmission module are given as well.The result of experiment show that the measurement system could meet the demands for space exploration.

Keywords：time-of-flight；space plasma；time interval；TDC-GP1

1 引 言

隨著空間探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，空間的等離子體成分探測(cè)顯得越來(lái)越重要，尤其對(duì)現(xiàn)在正在進(jìn)行的深空探測(cè)，如探月計(jì)劃。而空間等離子成分探測(cè)最主要的方法就是飛行時(shí)間法，既通過(guò)測(cè)量粒子飛過(guò)一定距離所需要的時(shí)間來(lái)鑒別粒子成分。

目前，國(guó)外在等離子體成分探測(cè)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^［1］；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(guó)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(shuō)如何用電子學(xué)的方法測(cè)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(jí)，將是整個(gè)等離子成分探測(cè)器的關(guān)鍵。也是目前國(guó)內(nèi)離子成分探測(cè)中所面臨的難題，為了能夠探索出一種測(cè)量這種納秒量級(jí)時(shí)間間隔的方法，首先必須模擬出來(lái)這種納秒量級(jí)的時(shí)間信號(hào)，從而找出一種測(cè)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(jí)時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù)。

2 設(shè)計(jì)原理及系統(tǒng)組成

納秒量級(jí)時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)由CPU模塊、時(shí)間間隔測(cè)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。

圖1 時(shí)間間隔測(cè)量系統(tǒng)邏輯框圖其中CPU模塊主要功能是模擬納秒量級(jí)脈沖信號(hào)、接收時(shí)間間隔測(cè)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(cè)量系統(tǒng)的前提和控制中心。時(shí)間間隔測(cè)量模塊主要用來(lái)測(cè)量納秒量級(jí)的時(shí)間間隔，同時(shí)把時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。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(lái)存儲(chǔ)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(jí)脈沖信號(hào)^［2］。利用現(xiàn)有的技術(shù)方法模擬出來(lái)，時(shí)間間隔為納秒量級(jí)的脈沖信號(hào)，為驗(yàn)證后續(xù)測(cè)量系統(tǒng)做準(zhǔn)備。

(2) 接收時(shí)間間隔測(cè)量模塊的數(shù)據(jù)，將時(shí)間間隔測(cè)量模塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(guò)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(cè)量模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊的時(shí)序。作為整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的控制中心，為后續(xù)的測(cè)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(jí)脈沖信號(hào)是整個(gè)CPU模塊的關(guān)鍵，在本系統(tǒng)中，通過(guò)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(hào)倍頻到300 MHz左右，通過(guò)計(jì)數(shù)的方法來(lái)產(chǎn)生起始脈沖和停止脈沖，從而產(chǎn)生納秒量級(jí)的時(shí)間間隔信號(hào)。

2.2 時(shí)間間隔測(cè)量模塊

時(shí)間間隔測(cè)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(cè)量系統(tǒng)的精度。本測(cè)量方案選用了德國(guó)ACAM公司的高精度時(shí)間間隔測(cè)量芯片TDC-GP1。

該芯片采用44引腳TQFP封裝，具有TDC測(cè)量單元、16位算術(shù)邏輯單元、RLC測(cè)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^［3］：

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(cè)量范圍:3 ns~7.6 μs；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(cè)量，沒(méi)有最小時(shí)間間隔限制。

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

⑦ 有四個(gè)端口用來(lái)測(cè)量電阻、電容和電感。測(cè)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(cè)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4 μs。

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

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)。

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(dòng)。

TDC-GP1提供了三種測(cè)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(cè)量范圍一

GP1提供了兩個(gè)測(cè)量通道，每個(gè)通道的分辨率是250 ps，它基本的測(cè)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(hào)和至多四個(gè)獨(dú)立的STOP輸入信號(hào)進(jìn)行比較，最小時(shí)限為15 ns。START和STOP信號(hào)必須持續(xù)2.5 ns以上，否則芯片無(wú)法辨識(shí)。STOP信號(hào)之間可進(jìn)行相互的比較，無(wú)最小時(shí)限。量程為3 ns~7.6 μs。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(cè)量時(shí)序如圖2所示。

圖2 測(cè)量范圍一的測(cè)量時(shí)序(2) 測(cè)量范圍二

為進(jìn)行大量程時(shí)間測(cè)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(hào)之間不能相互比較，僅STOP與STSRT信號(hào)可進(jìn)行比較。最大量程60 ns~200 ms。測(cè)量時(shí)序如圖3所示。

圖3 測(cè)量范圍二的測(cè)量時(shí)序其測(cè)量原理如下：輸入START信號(hào)芯片內(nèi)部迅速測(cè)量出這個(gè)信號(hào)與下一個(gè)校準(zhǔn)時(shí)鐘上升沿的時(shí)差tPC1，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(cè)量單元，測(cè)量出輸入的STOP信號(hào)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tPC2，tPC3是STOP信號(hào)的第二個(gè)脈沖上升沿與校準(zhǔn)時(shí)鐘上升沿的時(shí)差。tcal1十一個(gè)校準(zhǔn)時(shí)鐘周期，tcal2是兩個(gè)校準(zhǔn)時(shí)鐘周期。根據(jù)圖6可以得出START信號(hào)與STOP信號(hào)第一個(gè)脈沖的時(shí)間間隔為：

time=period×(cc+tPC1－tPC2tcal2－tcal1)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(guò)程序中的設(shè)置來(lái)調(diào)整，精度可調(diào)整模式不需要START信號(hào)。因此最多只能通過(guò)通道1和通道2共引入8個(gè)STOP輸入，此時(shí)任意兩個(gè)STOP信號(hào)均可以進(jìn)行比較，量程為3 ns~3.8 μs，但芯片耗電量比較大，大約為25 mA。其測(cè)量時(shí)序如圖4所示。

圖4 精度可調(diào)模式的測(cè)量時(shí)序上述三種測(cè)量方式，各自都有自己的特點(diǎn)，適用于不同的條件，測(cè)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(cè)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(lái)具體的選擇適用哪種模式。

在該測(cè)量系統(tǒng)中，需要兩個(gè)通道同時(shí)測(cè)量，而且需要大量程測(cè)量，所以選擇測(cè)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(dòng)和固件程序等。在整個(gè)測(cè)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 Serial Bus)，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(guò)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(chǔ)器及一個(gè)通用可編程接口(GPIF)。

通過(guò)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(dòng)程序的設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該測(cè)量系統(tǒng)能測(cè)量出時(shí)間間隔范圍為3.5 ns~7.2 μs，分辨率能達(dá)到500 ps。測(cè)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。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

輸入時(shí)間間隔 /ns實(shí)驗(yàn)測(cè)量值 /ns10/33.591010.2100100.51 000998.25 0005 009.87 2007 210.24 主要問(wèn)題

由于整個(gè)電路系統(tǒng)產(chǎn)生和測(cè)量的是納秒量級(jí)的脈沖信號(hào)，對(duì)于如此高頻率的信號(hào)，很容易受外部信號(hào)的干擾，因此在電路板的制作過(guò)程中，如何來(lái)屏蔽外部干擾信號(hào)，提高抗干擾能力，目前是一個(gè)急需解決的問(wèn)題，這對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性有著非常重要的意義。另一個(gè)問(wèn)題就是整個(gè)測(cè)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(guò)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(cè)中。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量范圍為3.5 ns~7.2 μs，測(cè)量誤差在允許范圍之內(nèi)，其主要性能指標(biāo)能滿足測(cè)量要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。由于電路中有納秒量級(jí)的高頻信號(hào)，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(guó)深空探測(cè)中等離子成分探測(cè)的需要。

參 考 文 獻(xiàn)

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［3］劉國(guó)福，張玘，劉波.TDC-GP1高精度時(shí)間間隔測(cè)量芯片及應(yīng)用\\.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2004(11):38-40.

［4］中國(guó)科學(xué)院空間與應(yīng)用研究中心.宇航空間環(huán)境手冊(cè)\\.北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

作者簡(jiǎn)介 劉傳軍 男，1982年出生，碩士生。主要研究方向?yàn)榭臻g等離子成分探測(cè)電子學(xué)系統(tǒng)。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文