用于测距领域的高精度时间测控系统的制作方法

本发明涉及用于测距领域的高精度时间测控系统，属于时间精密测量技术领域。

背景技术：

时间间隔测量技术在现代科学研究和工程实践中都有着非常广泛的应用，其发展的进程也一直关系着国民经济建设和国防建设，尤其在军事领域发挥着重大作用。因此，世界各国很早便开始大力发展这一技术，美国 PTTI（Precise Time and Time Interval）年会每年对时间间隔测量技术进行专题讨论，美国国家科学院已经将这项技术列为国家须大力发展的科学技术之一。该技术在基础物理学研究、国防军事、工业应用、电信通信、定位导航以及精密测量等多个领域中发挥着必不可少的重要作用。随着各行业的发展，对于该技术提出了越来越高的要求，时间间隔测量技术的高精度、大量程、多通道、高稳定性等指标急需提高。因此，对于高精度时间间隔测量技术的研究意义重大。

目前我国大多采用从国外引进的专业测时设备进行高精度的时间间隔测量，这些设备往往体积庞大、价格昂贵且灵活性差，难以根据特定需要进行定制。

技术实现要素：

本发明目的是为了解决现有高精度时间间隔测量设备体积庞大及测量通用性差的问题，提供了一种用于测距领域的高精度时间测控系统。

本发明所述用于测距领域的高精度时间测控系统，该测控系统用于对激光发射器发出的激光脉冲信号进行测量，激光发射器的发射角度通过电机进行控制；它包括逻辑控制模块、时序发生模块、时间间隔测量模块、GPS授时模块、电机控制模块和码盘脉冲测量模块，

码盘脉冲测量模块用于在逻辑控制模块的控制下采样光栅编码器的脉冲数目以确定电机控制的激光发射器的当前位置信息；光栅编码器用于测量电机的位置信息；

电机控制模块用于在逻辑控制模块的控制下根据码盘脉冲测量模块采样获得的脉冲数目调整电机的角度位置，进而调整激光发射器发射角度；

时序发生模块用于在逻辑控制模块的控制下产生触发激光接收器开启的延时脉冲；同时根据相邻前一次时间间隔测量模块获得的从检测到激光发射器的外部触发信号到激光接收器开启的时间间隔调整产生延时脉冲的时间；

时间间隔测量模块用于在逻辑控制模块的控制下测量从检测到激光发射器的外部触发信号到激光接收器开启的时间间隔；

GPS授时模块用于在逻辑控制模块的控制下利用卫星授时给每组对应的测量数据添加时间标签。

时间间隔测量模块包括电源模块、TDC测时模块、晶振模块和选择开关模块，

电源模块用于为时间间隔测量模块提供工作电源；

TDC测时模块采用两片TDC芯片并行测量，用于与逻辑控制模块通过接口总线进行数据传递；

晶振模块用于为TDC测时模块提供参考输入时钟；

选择开关模块用于为TDC测时模块提供测时触发信号。

GPS授时模块采用北斗BD-126模块进行定位授时，北斗BD-126模块与逻辑控制模块内部的串口模块采用串口通信传输时间数据包；逻辑控制模块利用其内部时钟与北斗BD-126模块发送的整秒脉冲信号形成内部计时器模块。

电机控制模块包括次控制系统、光栅编码器和液晶显示屏，

次控制系统与逻辑控制模块通过串口通信传输数据，次控制系统用于控制电机旋转，采样光栅编码器的脉冲数目，确定电机初始位置，并控制电机以初始位置为基准，左右正反转30度；液晶显示屏用于显示电机转速并显示电机位置信息。

本发明的优点：本发明用于测距领域的高精度精密时间测量，具有测量精度高、测量范围大、体积小、性价比高、灵活性强等优点。其时序发生模块用于实时控制延时脉冲的发生时间和脉冲宽度，其用于控制激光接收器的开启，利用逻辑控制模块FPGA内部时钟，实现纳秒级精确延时。时间间隔测量模块用于测量激光脉冲从发射到返回的时间间隔，可选用德国ACAM公司的TDC-GPX芯片，根据所需的测量精度和范围，采用G-模式进行测量，设计芯片外围硬件电路和相关软件程序。GPS授时模块利用北斗BD-126模块进行定位授时，每秒通过串口发送时间数据包，并且利用逻辑控制模块FPGA内部时钟实现计时器以达到微秒级精度要求。电机和码盘控制控制采用STM32单片机精确采样光栅编码器输出脉冲，并捕获触发脉冲信号，根据采样脉冲控制电机的转动，包括电机转动的速度和角度。本发明能够根据不同的应用需求进行定制，具有较强的灵活性。

附图说明

图1是本发明所述用于测距领域的高精度时间测控系统的原理框图；

图2是时间间隔测量模块的内部原理框图；

图3是GPS授时模块与逻辑控制模块的通讯原理框图；

图4是电机控制模块的原理框图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述用于测距领域的高精度时间测控系统，该测控系统用于对激光发射器发出的激光脉冲信号进行测量，激光发射器的发射角度通过电机进行控制；它包括逻辑控制模块1、时序发生模块2、时间间隔测量模块3、GPS授时模块4、电机控制模块5和码盘脉冲测量模块6，

码盘脉冲测量模块6用于在逻辑控制模块1的控制下采样光栅编码器的脉冲数目以确定电机控制的激光发射器的当前位置信息；光栅编码器用于测量电机的位置信息；

电机控制模块5用于在逻辑控制模块1的控制下根据码盘脉冲测量模块6采样获得的脉冲数目调整电机的角度位置，进而调整激光发射器发射角度；

时序发生模块2用于在逻辑控制模块1的控制下产生触发激光接收器开启的延时脉冲；同时根据相邻前一次时间间隔测量模块3获得的从检测到激光发射器的外部触发信号到激光接收器开启的时间间隔调整产生延时脉冲的时间；

时间间隔测量模块3用于在逻辑控制模块1的控制下测量从检测到激光发射器的外部触发信号到激光接收器开启的时间间隔；

GPS授时模块4用于在逻辑控制模块1的控制下利用卫星授时给每组对应的测量数据添加时间标签。

时间间隔测量模块3包括电源模块3-1、TDC测时模块3-2、晶振模块3-3和选择开关模块3-4，

电源模块3-1用于为时间间隔测量模块3提供工作电源；

TDC测时模块3-2采用两片TDC芯片并行测量，用于与逻辑控制模块1通过接口总线进行数据传递；

晶振模块3-3用于为TDC测时模块3-2提供参考输入时钟；

选择开关模块3-4用于为TDC测时模块3-2提供测时触发信号。

GPS授时模块4采用北斗BD-126模块4-1进行定位授时，北斗BD-126模块4-1与逻辑控制模块1内部的串口模块1-1采用串口通信传输时间数据包；逻辑控制模块1利用其内部时钟与北斗BD-126模块4-1发送的整秒脉冲信号形成内部计时器模块1-2。

电机控制模块5包括次控制系统5-1、光栅编码器5-2和液晶显示屏5-3，

次控制系统5-1与逻辑控制模块1通过串口通信传输数据，次控制系统5-1用于控制电机旋转，采样光栅编码器5-2的脉冲数目，确定电机初始位置，并控制电机以初始位置为基准，左右正反转30度；液晶显示屏5-3用于显示电机转速并显示电机位置信息。

逻辑控制模块1用于协调各模块所使用的资源，负责各模块之间的通信和数据处理，并与上位机进行通信；时序发生模块2主要负责产生触发接收器开启的延时脉冲，并且能够根据时间间隔测量模块3上次测量的时间实时调整延时脉冲的发生时间，使得接收器能够准确接收到返回信号；时序发生模块2实现脉冲的分辨率为10ns，时间范围为100us。时间间隔测量模块3主要用于测量从检测到外部触发信号到接收器开启的精确时间间隔，要求测量精度达到皮秒数量级，该测量数据的准确程度直接影响系统的测距性能。本发明系统指标要求测距范围在5千米以上，所以时间间隔测量模块的测时范围要求达到100us，同时光脉冲反射信号可能同时返回多组，所以要求能进行多通道测量。本发明采用两片TDC并行测量，将测量的数据结果取平均值，用于降低测时数据的抖动；实现测时分辨率为40ps，测量范围为100us，测量数据线性度好，测量时间抖动小于100ps。时间间隔测量模块3测量分辨率最高可达10ps，且适合于集成化系统的应用；采用逻辑控制模块FPGA完成和TDC-GPX之间的通信，TDC-GPX作为一个外围设备连接到FPGA上，通过读写TDC-GPX的内部寄存器控制其工作。GPS授时模块4主要负责利用卫星授时给每组测量数据添加时间标签，便于后续数据的处理，GPS的授时精度达到微秒数量级。电机控制模块5主要负责在测距过程中调整和测量激光发射器的角度和位置。

时序发生模块2利用FPGA内部100M时钟，实现了纳秒级精确延时，产生延时脉冲的宽度与FPGA时钟周期成正比，利用Vivado软件设计延时控制IP核，通过AXI总线将其挂载到ARM处理器上，搭建FPGA所需硬件平台。利用寄存器读写函数在ARM处理器上完成对延时脉冲发生时间和脉冲宽度的控制。ARM处理器可以根据采集的时间间隔，实时调节接收器的工作时间，使得激光接收器能够准确的接收到返回信号。利用ARM处理器丰富的外设控制接口控制电机和码盘等外设，能够实时调整激光发射器的发射角度。

参见图3，GPS授时模块4利用串口模块1-1将时间数据包传输给FPGA，同时为了满足微秒级授时精度的要求，利用FPGA的内部时钟和BD-126发送的整秒脉冲信号设计内部计时器模块。

图4中，逻辑控制模块1为主控制系统，STM32f103RB作为次控制系统5-1采样光栅编码器5-2并控制伺服电机。光栅编码器5-2采用雷尼绍公司的TONIC产品，电机的驱动采用松下的MBDHDHT2510E，液晶显示屏5-3为串口显示屏。STM32的次控制系统5-1与逻辑控制模块1通过串口通信，逻辑控制模块1通过脉冲信号触发STM32开始工作。STM32单片机控制电机旋转一圈，寻找零点，即初始位置，然后根据要求，采样光栅编码器5-2的脉冲数目，控制电机以零点为基准，左右正反转30度。当有逻辑控制模块1控制信号时，次控制系统5-1向逻辑控制模块1报告电机位置，并用液晶显示屏显示电机偏离零点的角度。

图2中，TDC测时模块3-2采用德国ACAM公司推出的高精度时间测量芯片TDC-GPX进行测时，其测量分辨率最高可达10ps，且适合于集成化系统的应用；采用FPGA完成和TDC-GPX之间的通信，TDC-GPX作为一个外围设备连接到FPGA上，通过读写TDC-GPX的内部寄存器控制其工作。电源模块3-1分三部分，第一部分将外接12V电源转成5V给模块整体供电，第二部分VDDO/H电源模块将5V转成3.3V给I/O供电，第三部分VDDC-H/O电源模块给TDC核心，硬件宏单元和振荡器单元供电。采用LM7805模块将FPGA提供的12Ｖ电压转换为５V；采用三端稳压器LM1117-3.3将5V电压转换为3.3V，提供VDDO/H电源，使用肖特基二极管对Vddc降压得到Vddo，VDDO/H电压主要用来给I/O供电；采用三端稳压器LM1117-ADJ将5V电压转换为VDDC-H/O，Vddc电源为TDC核心供电，Vddc-o和Vddc-h电源分别为TDC芯片内部振荡器单元和硬件宏单元模块供电。TDC-GPX的精度是由内部逻辑门传播延迟所决定，它与温度、电压和制造工艺有关。且其对精度的影响是不确定的，必须通过校准计算得出。因此TDC-GPX的精度并不稳定，会随电压和温度的变化而摆动。本发明中采用TDC-GPX精度可调模式，利用锁相环输出的相位调整VDDC-H/O，以补偿温度对测时精度的影响，因此测量精度被固定在一个可调整的数值上。 TDC测时模块3-2与FPGA的接口总线分为控制线、地址线、数据线和标志位信号线。其中28位数据线可以双向传输，每位数据线需要通过10K的排阻接地起到保护的作用。晶振模块3-3采用40M有源晶振作为参考输入时钟，该时钟提供给芯片内部锁相环Phase Locke d Loop，锁相环控制TDC-GPX芯片的核心电压以保证该芯片测量精度的稳定性。由于晶振的频率稳定度直接影响芯片测时的精度，所以要求晶振的短期稳定度小于1ppm。选择开关模块3-4设计测时信号TStart，Tstop1~Tstop8可以通过FPGA和外部电路两种方式触发。通过开关可以进行选择，置F表示输入信号由FPGA提供，置O表示输入信号由外部电路提供，外部电路采用SMA接口。同时，ALU和OEN信号也添加使能开关，置U表示使能，置N表示非使能。