TDC-GPX在卫星激光测距中的应用*

朱 威 王培源 李 欣 林强

(中国地震局地震研究所，武汉 430071)

TDC-GPX在卫星激光测距中的应用*

朱 威 王培源 李 欣 林强

(中国地震局地震研究所，武汉 430071)

利用高精度时间测量芯片TDC-GPX以提高卫星激光测距系统中的时间测量精度，再结合FPGA的大规模数字集成设计，从而提高了卫星激光测距系统的测量精度。

卫星激光测距;时间测量;FPGA;TDC-GPX;数字集成

1 前言

卫星激光测距技术是空间大地测量中的一种重要测量技术。卫星激光测距技术经过40多年的发展，单次测量精度已经能达到亚厘米级。

在卫星激光测距系统中，影响测距精度的因素有很多，主要有脉冲激光器温度的稳定性［1］、光电探测器的温度稳定性［2］、脉冲激光飞行时间测量精度等［3］。本文将介绍用高精度时间间隔测量芯片TDC-GPX和现场可编程逻辑门阵列FPGA(Field-Programmable Gate Array)芯片，完成激光测距系统中激光飞行时间的测量，并利用TDC-GPX高精度时间间隔测量以及FPGA的强大逻辑电路的实现能力和丰富的时间单元，完成了整个卫星激光测距控制系统的整合，取代传统的分离式元件系统。

2 TDC-GPX

TDC-GPX是德国acam公司推出的一款高精度的时间测量芯片，其测量精度最高可达10 ps，且适合于集成化系统的应用。TDC-GPX的正常工作电压为3.3 V，有多种测量模式、很高的测量重复频率、短暂的死区时间以及温度测量和时钟控制等特殊功能。TDC-GPX采用并口传输数据，操作方便，有很好的通用性(图1)。

2.1 内部结构

TDC-GPX内部主要脉冲输入单元、时间测量单元、数据缓存单元、时钟控制单元、温度控制单元、配置寄存器以及与外部控制相接的SPI接口等部分组成。TDC-GPX有较宽的工作电压，I/O电压范围为-0.3V～+3.6V，测量电压范围：-0.3V～6.0 V，核心单元工作电压为3..0 V～3.6 V。TDC-GPX采用28/16位可选并口模式通讯。用现场可编程逻辑器件FPGA完成和TDC-GPX之间的通信。可以把TDC-GPX作为一个外围设备连接到FPGA上，通过FPGA来控制TDC-GPX测量脉冲间隔，通过对TDC-GPX的内部寄存器设置来改变TDC-GPX的测量模式。

图1 TDC-GPX内部结构Fig.1 Internal structure of TDC-GPX

2.2 测量模式

GPX有I、G、R和M 4种测量模式，每种模式的测量分辨力、测量的脉冲数以及测量的通道数都不尽相同，可以针对不同的要求选用不同的测量模式。

I模式有1路start输入，8路stop输入，对应于一次start输入，每路stop输入可以连续测量32个stop脉冲，I模式只能测量LVTTL电平的输入。

G模式有1路start输入，2路stop输入，对应于一次start输入，每路stop输入可以连续测量32个stop脉冲，其单次测量精度为40ps。G模式可以测量LVTTL电平输入和差分式ECL电平输入。

R模式有1路start输入，2路stop输入，对应于一次start输入，每路stop输入可以连续测量32个stop脉冲，其单次测量精度为27ps。G模式可以测量LVTTL电平输入和差分式ECL电平输入。最小死区时间为0ns。Start再触发频率最高为9 MHz (图2)，tss死区时间，即start和stop信号的时间间隔小于这个时间，芯片就无法测量到。

M模式有1路start输入，2路stop输入，对应于一次start输入，每路stop输入只能测量一个stop脉冲。死区时间为0 ns［4］。

图2 TDC-GPX死区时间Fig.2 Dead zone of TDC-GPX

3FPGA

现场可编程逻辑门阵列简称为FPGA，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。作为专业集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路，它既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

stratix‖ep2s15是ALTERA公司推出的一款高端的FPGA，它有大量的LE(Logic Element)单元用于生成计数器以及各种需要实现的逻辑电路，2个增强型PLL(Enhanced Phase-Locked Loop)和4个快速PLL(Fast Phase-Locked Loop)能够为系统提供稳定的时钟信号，丰富的IO接口用于实现与外部芯片的连接，最关键的是它可以生成NIOS控制器对外围芯片进行很好的控制［5］。

如图3所示，在FPGA中生成PLL(锁相环)，用PLL产生多种频率的时钟信号，以供整个系统各部分的时钟需求，如产生50 MHz的时钟信号供NIOS控制器使用，产生100 M的时钟信号供计数器使用。生成一个32位的时间计数器，以100 M的时钟信号作为时钟源对被测信号进行粗测计数，其计数值传递给NIOS控制器。生成接口电路产生精细测量信号传输给外部高精度时间测量芯片进行精细测量;还要生成NIOS控制核控制外围高精度时间测量芯片以及内部的工作系统，同时接收测量数据并分析、计算数据，得到最终结果后向用户显示出最终测量结果。

图3 FPGA的NIOSFig.3 NIOS of FPGA

4 卫星激光测距

4.1 卫星激光测距系统

4.2 时间测量流程

把测距时产生的主波和回波转换为对应的数字脉冲信号START和STOP，用FPGA和TDC-GPX组成的时间间隔测量模块测量START和STOP之间的时间间隔，测量结果保存在系统指定位置。其测量结果T就是卫星激光测距需要的间隔值。

图4 卫星激光测距系统Fig.4 Satellite laser ranging system

由于START和STOP之间的时间间隔值比较大，有时候会超出TDC-GPX的测量量程，所以在实际测量时，需要加入一个有稳定的时钟源的定时器来对时间间隔值进行计数 n×t，即“粗”测。而TDC-GPX测量的值是T1、T2这两个间隔值［6］，即“细”测。START和STOP之间的时间间隔T=n×t +T1-T2(图5)。

图5 时间间隔值TFig.5 Time interval T

FPGA中的内核NIOSⅡ是整个系统的控制单元［7］。其系统的工作流程图如下：在每次上电复位时，首先需要对时间测量芯片TDC-GPX复位，设定寄存器值，对“计数器”清零，对“细”测信号产生单元清零。对PC机发送复位信号，然后等待被测信号。当START信号到来时，计数器开始计数，“细”测信号产生单元产生第一组细测信号，送入TDCGPX中，TDC-GPX测得结果，发出信号给NIOSⅡ，NIOSⅡ从TDC-GPX寄存器中读出测量结果，保存起来，然后对TDC-GPX复位，对“细”测信号产生单元进行清零。当stop信号到来时，计数器停止计数，发送信号给NIOSⅡ，NIOSⅡ从计数器中读出计数结果，保存起来，对计数器清零，“细”测信号产生单元产生第二组细测信号，送入TDC-GPX中，TDCGPX测得结果，发出信号给NIOSⅡ，NIOSⅡ从TDCGPX寄存器中读出测量结果，保存起来。NIOSⅡ把3组结果进行运算，得到运算结果后，向PC机发送数据传输请求，得到PC机回应后，向PC机发送最终结果(图6)。

图6 时间测量流程Fig.6 Flow chart of time measurement

4.3 实际测量结果

在实际卫星激光测距应用中，用TDC-GPX测量时，其最高测量精度能达到30 ps(测靶)。对应的距离精度为0.9 cm。在激光测距领域，完全能够满足高精度测距的要求(图7)。

图7 卫星激光测距数据Fig.7 Satellite laser ranging data

5 结束语

高精度时间测量芯片TDC-GPX作为卫星激光测距系统的精细时间测量单元，能在很大程度上提高卫星激光测距系统的测量精度。

1 Lazarek G M and Black S H.Evaporative heat transfer，pressure drop and ctitical heat flux in a small diameter vertical tube with R-113［J］.Int J Heat Mass Transfer.，1982，25 (7)：945-960.

2 Tran T N，Wambsganss M W and France D M.Small circular and rectangular-channel boiling with two refrigerants［J］.Int J Multiphase Flow，1996，22(3)：485-498.

3 Cornwell K and Kew P A.Bolling in small parallel channels［A］.Proc CEC-Conf on energy efficiency in process technology［C］.Athens，Greece：Elsevier Applied Sciences，1992：624-638.

4 TDC-GPX用户手册［M］.2006.

5 赵雅兴.FPGA原理及应用［M］.天津：天津大学出版社，1999.

6 张延，黄佩诚.高精度时间间隔测量技术与方法［J］.天文学进展，2006，24(1)：1-10.

7 徐志军，等.CPLD与PGA的开发与运用［M］.北京：电子工业出版社，2002.

APPLICATION OF TDC-GPX IN SATELLITE LASER RANGING

Zhu Wei，Wang Peiyuan，Li Xin and Lin Qiang
(Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071)

By using high precision time measurement chip TDC-GPX combined with the large-scale digital integrated design chip—FPGA to improve the time measurement accuracy of satellite laser ranging，thus the total measurement accuracy of satellite laser ranging can be improved as well.

satellite laser ranging;time measurement;FPGA;TDC-GPX;digital integrated

1671-5942(2011)Supp.-0174-04

2011-01-23

朱威，男，1984年生，研究实习员，主要从事卫星激光测距工作.E-mail：kevin_1945@sina.com

TH76.3

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