高速时间-数字转换器设计与实现

现代仪器()二○○八年·第三期44高速时间-数字转换器设计与实现孙兆林李楠徐欣（国防科技大学电子科学与工程学院　长沙　410073）摘要介绍一种高速时间-数字转换器的设计实现方法。从硬件和软件两方面详细阐述设计思路和步骤，高速时间-数字转换器系统硬件由串并转换芯片MC100EP445，高速时钟发生芯片Si5321，可编程逻辑器件Virtex-4SX35，USB控制芯片CY7C68013构成，软件由FPGA程序，USB固件程序，上位机用户界面组成，采用模块化设计思路，方便用户定制。系统可以达到402ps的时间分辨率。关键词时间数字转换器USB2.0串并转换前言当需要用系统对初始激励的响应时间来确定系统或样品的性质时，如果信号很弱并且是由小数量的电子、离子、光子等粒子构成，则将它们作为脉冲检测并引入单粒子计数方法是很方便且有益的。得到一个谱的时间称为一个测量周期。一次测量周期由大量相同的扫描周期组成，每个扫描周期被分为若干时间通道。若检测到某通道有一个以上脉冲到达则将此通道记数值加1。多次重复扫描周期后，所得响应可以反映由施加激励到待测离子被测到之间的时间间隔的分布情况。飞行时间质谱计(TimeofFlightMassSpectrometer,TOFMS)就是应用这种技术得到谱图。飞行时间质谱计的检测系统由电子收集极、电子倍增器、甄别放大电路、时间-数字转换器和计算机组成。时间-数字转换器（time-to-digitalconverter,简称TDC）是检测系统中的重要部分，也是整个飞行时间质谱计的关键部件之一。TDC在检测系统中的作用是记录信号的到达时刻和数量。此外它还有发出电子引出脉冲和离子引出脉冲的作用，它和计算机一起对整个质谱计进行控制。它的性能对质谱计的灵敏度、动态范围、分辨率、质量范围等指标都有重要影响。为提高系统的时间测量分辨率，本文介绍一种利用串并转换芯片实现402ps测量精度的高速TDC设计方案。1 系统硬件设计1.1系统硬件框图TDC系统硬件组成由前端信号调理电路、串并转换电路、高速时钟电路、数据处理FPGA和USB总线等外围器件组成（见图1）。图1 系统硬件组成框图1.2系统主要器件1.2.1串并转换芯片MC100EP445是一款自带数据同步功能的1:8串并转换芯片，芯片在CKSEL管脚的控制下，可工作在两种模式下。当CKSEL输入高电平时，进入模式1，此时串行输入数据在输入时钟的上升沿被锁存，此时最高数据率可以达到3.3Gb/s，当CKSEL输入低电平时，器件进入模式2，此时串行输入数据将在输入时钟的上升沿和下降沿共同锁存，芯片内部最高工作速率可达5Gb/s，CKSEL默认为低电平。器件具备两组串行输入路径SINA和SINB，通过SINSEL管脚在两个输入之中任选，当SINSEL悬空时，此时芯片内部的下拉电阻将会下拉SINSEL管脚，此时器件的默认输入路径为SINA通道。另外，器件具备SYNC管脚，当保持两个以上连续时钟周期的高电平时，将会丢弃一位数据，并且将之后的数据提前一位，以方便用户将数据对齐到并行总线上。MC100EP445的原理框图（见图2）。当器件上电以后，内部的翻转器结构将会保持在随机状态，为同步器件内的多片翻转器，RESET管脚在上电后需要被置高电平，RESET管脚此时会关闭内部时钟信号，芯片在RESET信号的下降沿之后的第二个时钟上升沿开始转换串行数据流。1.2.2高速时钟产生电路　高速串并转换器需要一个高达2.5GHz的高速时钟作为转换时钟，该系统中高速时钟产生电路采用Siliconlabs公司的低抖45二○○八年·第三期研制与开发图2 MC100EP445的原理框图动高速时钟发生器Si5321。Si5321可以从中心频率为19MHz和622MHz之间6个频率之一的输入时钟生成中心频率为19MHz、39MHz、78MHz、155MHz、622MHz、1244MHz或2488MHz的、用户可选择输出时钟。Si5321利用SiliconLaboratories的DSPLL技术消除抖动和噪声，不再需要传统PLL中的外部回路滤波器元件。DSPLL技术采用数字信号处理算法，用数字电路替代模拟回路滤波器及其相关的分立无源元件。为在抖动衰减应用中具有较好的灵活性，Si5321提供可选的回路滤波器带宽设置，最低抖动可低至0.25psRMS。Si5321工作稳定，不容易受工艺、温度和电压变化的影响，同时，Si5321还提供数字保持功能，在输入时钟丢失时可以保持稳定的输出时钟。芯片的原理框图（见图3）。1.2.3可编程逻辑器件可编程逻辑器件在系统中要实现对外围器件的控制和对高速并行数据流的采集和存储，其工作速率最高必须达到串并转换芯片的数据流速度，当MC100EP445工作在2.488GHz时，并行输出总线上的速率为311MHz,故FPGA需要至少达到311MHz的工作频率，才能够保证信号的完整性和正确性。本系统采用XILINX公司的VIRTEX-4SX35，其内部可工作最高工作在500MHz的时钟频率下。此外，SX35还具备高达20万个逻辑单元，拥有256GMACS(18bit×18bit)数字信号处理电路等强大功能，适合对高速信号进行实时处理。图3 SI5321原理框图1.2.4USB接口芯片USB控制器拟使用赛普拉斯公司提供的CY7C68013芯片，这是世界上第一款集成USB2.0的微处理器，集成USB2.0收发器、SIE（串行接口引擎）、增强的8051微控制器和可编程的外围接口。GPIF（GeneralProgrammableInterface）和主/从端点FIFO（8位或16位数据总线），为ATA，UTOPIA，EPP，PCMCIA和DSP等提供简单和无缝连接接口（见图4）。2 系统软件设计2.1FPGA程序设计2.1.1TDC数据处理当用户设定好扫描周期后，上位机通过USB2.0将换算后的计数周期n发送给FPGA，当采集开始时，TDC中高速计数器开始循图4 CY7C68013原理框图现代仪器()二○○八年·第三期46环计数(地址计数器)，其输出作为RAM的地址，每一RAM单元就是TDC的一个时间通道。程序组成框图（见图5）。图5 FPGA程序框图此时，MC100EP445的输出数据被依次从1一直到n存入共n个RAM单元，在每一次计数过程中，当飞行管的离子探测器探测到一个离子时，便产生一个脉冲，反映在串行数据流上就是一个“1”的数据，FPGA启动相应的控制逻辑电路，锁存此时的地址计数器的输出，相应的RAM单元中的数据加1。这样RAM地址就与离子的飞行时间成线性关系。在采集停止之后，FPGA将RAM内部的数据依次写入USB芯片内部的FIFO，供上位机读取和保存。2.1.2USB芯片的控制　FPGA对USB芯片的控制程序是在硬件电路连接的基础上进行控制的。首先FPGA需要产生一个供USB芯片工作的时钟usb_ifclk（5～48M）。然后定义一个名为mode_ctrl的控制信号管脚，FPGA根据mode_ctrl管脚的状态选择工作模式，mode_ctrl为高时进入读数模式，mode_ctrl为低时进入写数模式，读/写的同时对数据进行解析或打包。最后，在读/写的过程中，usb_slcs恒定设为低，根据usb的空满信号，对usb_rd和usb_wr进行操作（见图6）。开始mode_ctrl写模式读模式数据解析数据打包功能模块控制功能参数10传给USB控制芯片图6 USB芯片控制流程2.2USB驱动程序编写Cypress公司为CY7C68013提供一个开发框架，可以在KEILC51环境下开发。由于开发框架的引入，从而大大缩短用户的研发周期。该框架由以下两部分组成：(1)fw.c中包含程序框架的MAIN函数，管理整个51内核的运行，因为Cypress对这个部分的功能进行精心划分，一般是不用改动的。(2)用户必须将tcxmaster.c实例化，它负责系统周边器件的互联。固件的设计主要针对这个文件，用户必须根据自己系统的需要，实例化这个文件。对于这个文件的实例化，主要是设置芯片内部的寄存器状态字，这个平台主要涉及到以下几个寄存器：CPUCS，IFCONFIG，EP4CFG，EP2FIFOCFG，EP6FIFOCFG。将CPU的时钟频率设置成48M，将工作模式设置成slaveFIFO模式，采用外时钟同步，把fifo分成Endpoint2（in）和Endpoint6（out），把数据位设置成16bit，把fifo传输设置成bulk块传输模式。将PA1（mode_ctrl）设置成输出使能，通过Labview软件控制平台控制mode_trl的模式（1为发送，0为接收），通过管脚mode_ctrl控制FPGA的读/写工作模式。2.3用户界面的编写控制平台程序，选用VC++6.0编写核心算法，生成DLL动态链接库，供Labview编程平台调用，用Labview的开发环境来开发应用程序，两者协同使用，可以充分发挥各自的优点，大大提高工作效率。PC端程序以驱动程序为桥梁，对USB设备进行命令控制，处理USB设备传回的数据，例如谱图显示，谱图分析等。开发者可以依据自己的实际需求，制作一个USB控制的控件或数据包，在编写应用程序时连接或嵌入到应用程序中。3 系统测试与结论将待测TDC接入飞行时间质谱计的检测系统中，使用激光照射样品，得到质谱图（见图7），其中横轴为时间轴，纵轴为粒子数量，此时可以根据谱图类型鉴别样品成分。图7 被测样品质谱图（上转第43页）43二○○八年·第三期研制与开发保护在线分析仪器，极大地减少在线分析仪器的故障率。比如使用CYQ-002A型预处理系统后，我公司代理的美国HACHCODmax型CODcr在线分析仪器的取样部件维护周期延长5倍以上，计量部件及反应装置维护周期延长2倍以上，同时水样比对数据有效率提高50％以上。因此CYQ系列预处理系统的使用不仅提高水样的真实性和代表性，而且大大降低仪器的维护成本。5 结论CYQ系列水质在线监测预处理系统性能可靠、操作简便，可为进口水质在线监测分析仪器提供具有真实性和代表性的过滤水样，有效地保护精密进口在线分析仪器。目前已在济南市废水污染源水质在线监测系统中得到成功应用。参考文献1李国刚.中国环境监测仪器设备的技术现状与市场需求分析，现代科学仪器，2003,(5):3~72汪志国,齐文启.环境监测仪器发展现状与趋势分析，现代科学仪器，2007，17(4):32~353陈光,刘廷良,刘京等.浅谈我国水质自动监测质量保证与质量控制，中国环境监测，2006，22(1):60~634国家环境保护局.GB12998-91水质采样技术指导5国家环境保护局.HJ/T372-2007水质自动采样器技术要求及检测方法ResearchandapplicationofCYQseriespretreatmentsystemforonlinewaterqualitymonitoringsystemGuHeyanLinBeibeiZhangZhiyuan(HangzhouDingliEnvironmentProtectionS&TCo.,Ltd.Hangzhou,Zhejiang.310003)AbstractCYQseriespretreatmentsystemforonlinewaterqualitymonitoringsystemwasproducedwithpatenttechnology.Itcouldeffectivelyremoveimpuritiesfromwatersampleandsimultaneouslykeepthesampledistortionlessandrepresentative.WatersamplinganddrainingprocesswascontrolledbyaPLCprogrammingdevice,whichmadethissystemm