[發明專利]一種高分辨率的嵌入式時間測量裝置

在審

• 申請號: 202110287447.1
• 申請日: 2021-03-17
• 公開（公告）號: CN112947033A
• 公開（公告）日: 2021-06-11
• 發明（設計）人: 羅賢虎;李斌;任振華;羅偉東
• 申請（專利權）人: 廣州海洋地質調查局;西安華舜測量設備有限責任公司
• 主分類號: G04F10/00
• 分類號: G04F10/00
• 代理公司: 西安銘澤知識產權代理事務所(普通合伙) 61223
• 代理人: 王力文

本發明公開了一種高分辨率的嵌入式時間測量裝置，涉及弱磁測量技術領域，設置控制單元和測時單元相配合，避開了晶振頻率對測量分辨率的限制，提高了測量分辨率。整體電路簡便，電路成本低廉，僅需4MHz和32kHz兩個晶振，就可達到100ps的測時精度，即頻率分辨率萬分之一Hz，磁場值分辨率0.01nT。

技術領域

本發明涉及弱磁測量技術領域，特別涉及一種高分辨率的嵌入式時間測量裝置。

背景技術

弱磁測量作為探測物質特性和未知世界的有效手段之一，被廣泛應用于地球物理勘探、軍事和醫療等領域。基于不同測量原理的弱磁傳感器的結構、特性、以及應用領域也各不相同。Overhauser傳感器(也稱為探頭)是一種基于自由基物質動態核極化(DynamicNuclear Polarisation，DNP)效應的弱磁測量傳感器，具有高精度和高靈敏度的特點，在陸地磁測、海洋磁測、空間磁測、軍事和各類工程領域已得到廣泛應用。

自由基物質動態核極化的實質是自由基溶液中電子系統與質子系統的雙共振現象，也就是電子-核的Overhauser效應，動態核極化效應會增強自由感應衰減(FreeInduction Decay，FID)信號。通過測量得到FID信號的頻率，即可計算出其對應的磁場強度。現有的基于overhauser原理的弱磁檢測裝置，其頻率測量部件通常采用MCU或CPLD/FPGA實現，因其分辨率受限于所用晶振的工作頻率，一般為MHz級別，即時間分辨率在ns級別。

由于FID信號測量時間短，信號衰減過快，在有效段時間內只能測得幾百個周期，限制了測量精度的提高。目前對質子磁力儀FID信號的主要測量方法是硬件測頻。一般的，從硬件上實現這種測頻方法必須使FID整形，再使用一個高精度的時鐘信號，來統計整數個FID信號的周期，周期值取倒數即為頻率。較常見的周期時間測量部件是基于MCU或FPGA/CPLD嵌入式芯片實現的測量電路，通常時間測量分辨率在ns級別，若要實現更高精度的測量，則要使用更高精度的頻率基準(溫補晶振)、使用高信噪比電路等等，但上述方法都是以提高硬件復雜性和成本為代價的。

針對此問題，本申請提供了一種高分辨率的嵌入式時間測量裝置，采用MCU與TDC結合的方法，實現高精度的時間測量。

發明內容

本發明的目的在于提供一種高分辨率的嵌入式時間測量裝置，采用MCU與TDC結合的方法，實現高精度的時間測量。

本發明提供了一種高分辨率的嵌入式時間測量裝置，包括：控制單元、測時單元和電源，所述控制單元與測時單元之間電信號連接，所述控制單元與測時單元均與電源電連接；

所述控制單元包括MCU及其外圍輔助電路、數字控制電路和第一數據通信接口，所述MCU用于輸出起停和控制命令，所述數字控制電路電連接在所述MCU的輸出端，所述第一數據通信接口用于向所述MCU輸入方波信號和輸出控制命令至所述測時單元；

所述測時單元包括TDC及其外圍輔助電路和第二數據通信接口，所述TDC用于測量時間間隔，所述第二數據通信接口用于向所述TDC輸入控制命令、方波信號和輸出測量數據。

較佳地，所述MCU的輸出端輸出起始命令和停止命令，所述起始命令和停止命令分別與方波信號與關系連接，兩個與關系的輸出端均與所述TDC連接，用于輸出起停命令。

較佳地，所述TDC外部電連接4MHz和32kHz的晶振電路。

較佳地，所述TDC及其外圍輔助電路選用的時間轉換器型號為TDC-GP22。

較佳地，應用一種高分辨率的嵌入式時間測量裝置的測量方法，包括如下步驟：

步驟一：整形FID信號，以方波的形式輸入至測時裝置中；

步驟二：觸發MCU外部中斷，MCU輸出起始命令和停止命令，控制TDC進行時間間隔測量；