基于TDC的分辨率可调时间测量统计系统及方法转让专利
申请号 : CN202011443031.6
文献号 : CN112486008B
文献日 : 2021-12-07
发明人 : 王琴 , 蒋剑飞 , 毛志刚 , 闫娇玉 , 洪起润 , 冉旭仲
申请人 : 上海交通大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于TDC的低资源消耗分辨率可调时间测量统计系统,其特征在于,包括:TDC模块、采样模块、统计模块以及控制模块;
所述TDC模块与采样模块相连;
所述统计模块与采样模块相连;
所述控制模块与TDC模块、采样模块、统计模块分别相连;
所述控制模块能够完成TDC模块的初始化;
所述控制模块能够对统计模块中分仓寄存单元和存储单元的读写时序进行控制;
所述统计模块包括:存储单元、分仓寄存单元以及筛选单元;
所述筛选单元包括:第一筛选电路、第二筛选电路;
所述分仓寄存单元包括:第一分仓寄存单元、第二分仓寄存单元;
所述第一分仓寄存单元与第一筛选电路相连;
所述第二分仓寄存单元与第二筛选电路相连;
所述第二分仓寄存单元与存储单元相连。
2.根据权利要求1所述的基于TDC的低资源消耗分辨率可调时间测量统计系统,其特征在于,所述TDC模块包括:自定时振荡环单元、计数单元、同步采样电路、计算单元以及校准单元;
所述自定时振荡环单元与计数单元相连;
所述计数单元与同步采样电路相连;
所述计算单元与同步采样电路相连;
所述计算单元与校准单元相连。
3.根据权利要求2所述的基于TDC的低资源消耗分辨率可调时间测量统计系统,其特征在于,所述自定时振荡环单元使用多级Muller‑C单元产生多相位时钟。
4.根据权利要求1所述的基于TDC的低资源消耗分辨率可调时间测量统计系统,其特征在于,所述采样模块包括:同步触发器。
5.根据权利要求4所述的基于TDC的低资源消耗分辨率可调时间测量统计系统,其特征在于,所述采样模块由两级触发器级联组成。
6.根据权利要求1所述的基于TDC的低资源消耗分辨率可调时间测量统计系统,其特征在于,
所述分仓寄存单元的数量为2个。
7.根据权利要求1所述的基于TDC的低资源消耗分辨率可调时间测量统计系统,其特征在于,所述统计模块的统计方式采用分仓统计与即时存储筛选相结合的方法。
8.根据权利要求1所述的基于TDC的低资源消耗分辨率可调时间测量统计系统,其特征在于,所述控制模块使用FPGA的逻辑资源实现。
9.一种基于TDC的低资源消耗分辨率可调时间测量统计方法,其特征在于,采用权利要求1‑8任一项所述的基于TDC的低资源消耗分辨率可调时间测量统计系统,包括:步骤S1:单个start脉冲信号输入之后,TDC模块中由自定时振荡环产生多相位时钟,产生的多相位时钟驱动对应的计数器计数;
步骤S2:在每个stop脉冲信号到来之后,使用同步采样电路去采样计数值,同步采样得到的计数值经过计算模块算出每个stop信号对应的时间测量结果;
步骤S3:TDC模块测量出单个stop信号的测量结果之后,采样模块对stop信号进行边沿检测;检测到上升沿之后,延迟一个系统时钟周期采样TDC模块的测量结果;
步骤S4:统计模块将采样到的测量结果存入存储单元中,同时以该采样结果的高八位作为存储地址,对分仓寄存中地址所对应的计数值累加1;
步骤S5:在下一个stop信号到来之后,重复步骤S2至步骤S4过程;
步骤S6:在单个start信号对应的多个stop信号测量结束之后,当下一个start信号到来时,重复步骤S1至步骤S5过程,进行下一个start信号的测量;
步骤S7:在测量30个start信号之后,将分仓寄存中的256个地址以及每个地址对应的计数值输入到筛选单元中;筛选单元采用流水化的方式对计数值按大到小排序,然后输出较大的几个计数值以及对应的地址,作为筛选的众数值;
步骤S8:将筛选出的计数值更新到对应地址的分仓寄存中;同时将存储单元中的测量结果读出,将高八位与筛选出的地址相匹配的测量结果,按照计数值大小的顺序,从BRAM头部开始依次存入中,实现了测量结果的重排序;
步骤S9:每多个start信号,重复步骤S1至步骤S8的过程;
步骤S10:在测量300个start信号之后,筛选后得到分仓寄存中最大的计数值及对应的地址;接着查找存储单元中重排序后高八位与该地址相匹配的测量结果,使用另一个分仓寄存单元与另一个筛选单元找到所有测量结果的众数值,该众数值对应的测量结果即为最后输出的时间测量结果。
说明书 :
基于TDC的分辨率可调时间测量统计系统及方法
技术领域
间测量与统计电路。
背景技术
光测距需要进行多路测量,同时由于受到自然光等因素的影响,接受信号存在大量噪声,单
次测量与少数stop信号接收阈值难以得到真实准确的测量结果。
器进位链等资源,构成基本的延迟单元,通过系统时钟控制的寄存器对进位链数据进行采
样,利用温度码得到最终延迟测量结果,但此类电路受到时钟抖动的影响,尤其随着FPGA工
艺的提升,抖动影响更加明显;基于振荡环的TDC电路则利用振荡环生成多相时钟,结合计
数器对开始、结束信号间隔进行计数得到最终结果,振荡环型TDC较延迟线型TDC对FPGA资
源要求更高。
路大多以单个结束信号为主,德州仪器生产的TDC7200电路,最多支持5个结束信号,难以满
足应用需求。
的资源消耗约束较高。在实际应用中,众数统计算法多通过处理器完成,基于硬件的众数统
计电路存在大量资源消耗的问题,尤其需要庞大的存储资源,难以在有限资源下实现。
准模式下根据外部参考时钟信号生成内部参考时钟信号;第一时间数字转换器用于在校准
模式下根据内部参考时钟信号测量外部参考时钟信号的第一码值,在测量模式下根据外部
参考时钟信号测量数据信号的时间码值;第二时间数字转换器用于在校准模式下根据内部
参考时钟信号测量外部参考时钟信号的第二码值;测量值校准单元根据第一码值、第二码
值、外部参考时钟信号的周期对时间码值进行校准。本发明提供的时间测量电路、方法和系
统能够提高时间测量精度。该专利在结构和性能上仍然有待完善的空间。
发明内容
采样电路相连;所述计算单元与同步采样电路相连;所述计算单元与校准单元相连。
单元进行不同的初始化,可以改变振荡信号的频率,进而实现分辨率可调。计数单元在STR
产生的多相位时钟的驱动下,对待测的时间信号进行计数。每个stop信号到来时,同步采样
电路对计数器进行采样,并将采样到的计数值输入到计算单元中,由计算单元根据采样结
果计算出最后的测量结果。校准单元对计算出的测量结果进行校准,得到TDC模块测量的结
果。使用同步采样电路采样计数值,降低了亚稳态的影响。使用码密度校准方法,可以减小
相位分布不均匀带来的非线性误差,提高测量结果的精度。
采样。由于STR产生时钟、系统时钟以及结束信号间均不相关,采样电路需保证在结束信号
到来后得到正确的测量结果,同时需要避免亚稳态问题。本发明利用结束(stop) 信号脉冲
脉宽存在最小值,采用周期小于1/2脉宽的时钟信号作为系统时钟,当stop 信号为高电平
后固定STR时钟域测量结果。如图5所示,由于采样时钟周期小于1/2脉宽,且输入保持不变,
系统时钟域寄存器可在stop上升沿到来后的第二个周期采样得到稳定的正确测量结果,从
而避免了亚稳态问题;通过探测stop信号上升沿到来,经过两级系统时钟域寄存器作为采
样标记信号输出,即可得到上述正确采样结果。
存储资源,极大地降低了存储资源需求。
stop信号。为了降低存储资源,每隔30个start信号就对存储数据进行一次筛选,只保留数
据分布集中某几个区间的测量结果。
结果落在对应区间的计数值。
一个分仓寄存单元和另一个筛选单元,继续对众数区间中的测量结果进行筛选,就可以将
该区间中的测量结果的众数值筛选出来。该众数值对应的测量结果即为最后的测量结果。
根据读写时序要求,控制存储单元和分仓寄存单元中数据的读写。
果;
输出较大的几个计数值以及对应的地址,作为筛选的众数值;
BRAM头部开始依次存入中,实现了测量结果的重排序;
分仓寄存单元与另一个筛选单元找到所有测量结果的众数值,该众数值对应的测量结果即
为最后输出的时间测量结果。
行校准,减小测量结果的非线性误差,使测量结果精度更高;
附图说明
具体实施方式
人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明
的保护范围。
块。其中TDC模块用于测量发射信号Start与多个反射信号Stop之间的时间间隔,采样模块
采用两级触发器对TDC的测量结果采样,统计模块存储并筛选数据后得到众数统计结果,作
为最终的测量结果。本发明的测量分辨率可调,能够完成对每次测量包含噪声的数百个
Stop信号采样。另外,统计模块中采用的分仓统计和定时筛选存储方法降低了硬件资源消
耗,适合应用中多路测量的需求。
特殊结构满足测量分辨率可调和低资源消耗;存储方式采用分仓统计与即时存储筛选相结
合的方法,大大降低了存储资源;支持多个STOP信号,单次测量可测量START脉冲与数百个
STOP脉冲之间的时间间隔,可灵活使用测量结果。
布均匀的多相时钟。多级相位差对振荡周期进行了细分,实现了高分辨率。对 Muller‑C单
元进行不同的初始化配置,可以改变多相时钟的周期,进而实现分辨率可调。计数单元在多
相时钟的驱动下进行计数,同步采样电路在每个stop信号到来后去采样计数值,计算单元
根据采样的计数值计算出测量结果。校准单元对测量结果进行校准,减小相位分布不均带
来非线性误差。
上的LUT实现存储功能,以采样后的测量数据的高八位作为地址,将测量数据划分为256个
区间。分仓寄存中存储的值为落在对应区间的测量数据的计数值。筛选单元采用流水化的
比较电路实现,可以根据分仓寄存中各存储地址对应的计数值对测量数据进行筛选,并根
据筛选结果对有效的测量数据重排序。
量结果,使用另一个分仓寄存单元和另一个筛选单元,继续使用众数统计筛选法,就可以将
该区间中的测量结果的众数值筛选出来。该众数值对应的测量结果即为最后的测量结果。
态问题,同时结合分仓统计存储,即可实现stop脉冲到来电路即时采样存储测量结果。
置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须
具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请的限制。
响本发明的实质内容。在不冲突的情况下,本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相
互组合。