多通道时间间隔测量的实现方法优化

为了能够瞬间获取探测区域多点高精度的距离信息，如何并行测量多路激光回波飞行时间是APD 面阵激光雷达必须解决的关键技术之一。针对这一技术，必须同时解决两个问题：一是时间的高精度测量问题；二是多通道并行测量问题(Zhou et al.，2015)。我们开发的激光雷达所要求的测时通道数至少为25 个，要使整个面阵激光雷达达到±15cm 的测量精度，还需考虑Start 信号与25 个Stop 信号这些参与测时的“信号”几百皮秒抖动引起的误差，所以单就测时系统的分辨率而言，就要求每个通道的分辨率在100ps 以内。

在本书2.4 节介绍了时间间隔测量常用的方法，为了克服延迟线时延的变化，以抽头延迟线法或差分延迟线法为代表的数字转换法通常需要结合PLL 或DLL 技术来提高测量精度和稳定性。针对已发展成为主流的数字转换法，这种实现高精度时间间隔测量的具体方式，主要有现场可编程逻辑阵列(Filed Programmable Gate Array，FPGA)(或者复杂可编程逻辑器件(Complex Program Logic Device，CPLD))和TDC 专用计时芯片两种。

通常FPGA 本身缺乏合适的PLL 和DLL 技术电路来稳定延迟线的时间延迟，同时延迟线的一致性不够好(车震平，2011)，作为TDC 电路其线性度可能会变差，测时精度很难保证(岱钦等，2013)；采用双边沿计数器的脉冲计数与相位延迟内插相结合这样一种改善的数字时间测量方法，其测量精度得到了改善，但是只实现了一个通道的测量(张金等，2011)。根据这些分析可知，采用FPGA 方案实现多通道高精度时间测量的要求，难度极大，开发周期将会很长。

TDC 专用计时芯片方式，目前高精度的测时芯片主要有美国力科公司的8 通道500ps 分辨率MTD133B 芯片；欧洲粒子物理实验室研究的最多可以并行测量32 路时间、分辨率为100ps 的HPTDC 芯片；德国ACAM 公司推出的三个系列TDC 产品：TDC-GP1、TDC-GP2 和TDC-GPX，其中前两个系列只有两个测量通道，而TDC-GPX 具有8 路并行的测时通道，分辨率也高达81ps(周祥，2014)。这些专用计时芯片所给出的是比较理想条件下的测时分辨率，在具体电路实现时还需考虑外部的晶振精度、供电电压波动和工作温度等带来的误差，所以在选择芯片的测时分辨率时需要留有富余，结合相关工程经验，以测时精度按照芯片分辨率的3 倍为选型依据。对于目前这几种专用测时芯片，显然HPTDC 芯片功能最强大，其精度和并行测量通道数都满足25 路激光飞行时间的测量要求，但其价格昂贵、操作复杂，主要应用于高能物理实验，而第一种型号的芯片在精度上满足不了要求。(www.xing528.com)

TDC-GP21 拥有90ps 的典型精度，而且在双精度或四精度模式下可以分别达到45ps和22ps(ACAM Inc.，2011)，完全能够满足激光雷达测距的精度要求。但是，由于每片TDC-GP21 只能同时进行两个通道的时间采集工作，而25 点的雷达数据采集工作需要13片TDC-GP21，这对数据采集系统而言是一个负担，因此需要解决众多芯片在电路板上的布置问题和单片机与众多TDC-GP21 之间的通信问题。

德国ACAM 公司系列产品中功能最强大的TDC-GPX 多通道时间间隔测量芯片，其数据输出总线为28 位或16 位两种形式，地址线为4 位(ACAM Inc.，2007)，只需在微处理器的操作下使用4 片TDC-GPX 芯片就足以满足25 路激光飞行时间测量。意法半导体(ST)公司生产的ARM Cortex-M3 架构STM32F103ZET6 处理器系统，时钟频率为72MHz，其多I/O 口、多串口的结构(STMicroelectronics Inc.，2009)能够很好地满足TDC-GPX 芯片寄存器配置和测时数据的读取，且性价比高，适合本测时系统使用。下面具体讨论基于TDC-GPX 的多通道测时系统设计。