[發(fā)明專利]基于FPGA的時間間隔測量系統(tǒng)與測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310050621.6
• 申請日: 2013-02-08
• 公開（公告）號: CN103092060A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發(fā)明（設計）人: 王海;張敏;龔壘;張盛;朱瓊;郝田田
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G04F10/00
• 分類號: G04F10/00;G04F10/04
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

技術領域

本發(fā)明屬于時間測量領域，涉及一種基于FPGA的時間間隔測量系統(tǒng)和一種基于FPGA的時間間隔測量方法，可用于高分辨的時間間隔測量。

背景技術

時間間隔測量技術在國民經濟與國防建設中起著重要的作用。它為科學研究和實驗以及工程技術的發(fā)展等提供了必不可少的時間坐標。高分辨率時間間隔測量系統(tǒng)在原子物理、高能物理實驗、天文觀測等基礎研究領域和航空航天技術、衛(wèi)星發(fā)射和定位、電力傳輸?shù)葢醚芯款I域都有著普遍的應用。

近年來FPGA實現(xiàn)逐漸成為時間間隔測量系統(tǒng)實現(xiàn)的研究熱點。使用可編程FPGA芯片，可以大大降低系統(tǒng)成本和設計風險，提高可靠性和開發(fā)效率，并且容易實現(xiàn)多通道的測量?，F(xiàn)有的時間間隔測量方法絕大多數(shù)都是基于延遲鏈實現(xiàn)的，要求延遲鏈中的所有延遲單元具有很好的延遲一致性。然而在FPGA芯片內部很難構造具有優(yōu)秀延遲一致性且可以提供高延遲分辨率的延遲單元，因此現(xiàn)有的基于FPGA實現(xiàn)的時間間隔測量方法測量分辨率較低，測量誤差也比較大。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于FPGA的時間間隔測量系統(tǒng)與測量方法，以提高測量分辨率、降低測量誤差。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明基于FPGA的時間間隔測量系統(tǒng)，包括：

閘門信號產生模塊（1），用于將時間間隔信號轉換為閘門信號，并將閘門信號輸出到時間間隔測量模塊（3）；

時鐘管理模塊（2），用于減小參考時鐘信號引入的誤差和抖動，其輸出連接到時間間隔測量模塊（3）；

時間間隔測量模塊（3），用于對閘門信號進行延遲然后進行測量，并將測量數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)處理模塊（4）；

數(shù)據(jù)處理模塊（4），用于對時間間隔測量得到的數(shù)據(jù)進行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)輸出模塊（5）；

數(shù)據(jù)輸出模塊（5），用于將處理后的數(shù)據(jù)輸出到計算機（6），以計算出待測時間間隔；

其特征在于：

所述的時間間隔測量模塊（3），包括n個延遲單元和n個計數(shù)器，每個延遲單元和其相應的計數(shù)器構成一個測量通道，其通道編號為0至n-1，其中n為大于等于1的整數(shù)，其上限由FPGA芯片資源量決定；

每個通道的延遲單元之間采用相互獨立的非鏈狀結構；每個通道的計數(shù)器，采用不同的位寬，即通道0采用多位寬計數(shù)器，其他通道均采用2位計數(shù)器，且通道0的計數(shù)器位寬決定著系統(tǒng)的測量范圍，其位寬每增加1位，系統(tǒng)的測量范圍將在原有基礎上擴大一倍；

0至n-1通道的n個計數(shù)器布局成m×p型結構，即m個計數(shù)器為一行，p個計數(shù)器為一列的矩陣式結構，以提高各個延遲單元的延遲一致性，其中m、p均為大于等于1的整數(shù)，且m×p＝n。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明基于FPGA的時間間隔測量方法，包括如下步驟：

(1)產生閘門信號:

(1a)檢測待測時間間隔開始信號START的上升沿，并在其上升沿產生閘門信號S_g的上升沿；

(1b)檢測待測時間間隔結束信號STOP的上升沿，并在其上升沿產生閘門信號的下降沿；

(2)對產生的閘門信號同時進行n路延遲，產生n個具有不同時間延遲的閘門信號，該n路延遲所提供的時延應在0至一個參考信號時鐘周期的范圍內均勻分布，其中n為大于等于1的整數(shù)；

(3)以外部參考時鐘信號S_r為計數(shù)時鐘，對n個閘門信號分別進行計數(shù)，并記錄n個計數(shù)結果N_i，其中，0≤i≤n-1；

(4)將n個計數(shù)結果按照從小到大的順序進行排列，并將最小的計數(shù)結果作為比較基準；

(5)將排列后的計數(shù)結果組成數(shù)據(jù)幀，并輸出到計算機；

(6)計算機根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)幀，計算出待測時間間隔T_x：