基于TDC的低资源消耗分辨率可调时间测量统计系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于TDC的低资源消耗分辨率可调时间测量统计系统及方法，包括：TDC模块、采样模块、统计模块以及控制模块；所述TDC模块与采样模块相连；所述统计模块与采样模块相连；所述控制模块与TDC模块、采样模块、统计模块分别相连；所述控制模块能够完成TDC模块的初始化；所述控制模块能够对统计模块中分仓寄存单元和存储单元的读写时序进行控制。本发明专利技术的测量分辨率可调，单次测量能够完成数百个stop信号采样。另外，统计模块中采用的分仓统计和定时筛选存储方法降低了硬件资源消耗，适合应用中多路测量的需求。

【技术实现步骤摘要】
基于TDC的低资源消耗分辨率可调时间测量统计系统及方法
本专利技术涉及时间测量与统计电路
，具体地，涉及一种基于TDC的低资源消耗分辨率可调时间测量统计系统及方法，尤其涉及一种低资源消耗，测量分辨率可调的时间测量与统计电路。
技术介绍
激光测距在无人驾驶等多个领域有着广泛应用，具有精度高，测量速度快的特点。激光测距通过接受回波信号并对时间间隔进行测量即可得到对应距离。在车载环境下，激光测距需要进行多路测量，同时由于受到自然光等因素的影响，接受信号存在大量噪声，单次测量与少数stop信号接收阈值难以得到真实准确的测量结果。通过使用时间数字转换器(TDC)电路，能够实现高精度的测量。基于FPGA的数组TDC技术被广泛的应用，实现方式也多种多样。基于延迟线的TDC电路利用FPGA内部的加法器进位链等资源，构成基本的延迟单元，通过系统时钟控制的寄存器对进位链数据进行采样，利用温度码得到最终延迟测量结果，但此类电路受到时钟抖动的影响，尤其随着FPGA工艺的提升，抖动影响更加明显；基于振荡环的TDC电路则利用振荡环生成多相时钟，结合计数器对开始、结束信号间隔进行计数得到最终结果，振荡环型TDC较延迟线型TDC对FPGA资源要求更高。为了保证单次测量在受噪声影响下仍然能测量得到有效激光回波信号对应时间间隔，电路需要对开始信号发出后测量量程内的全部结束信号进行时间间隔测量。现有电路大多以单个结束信号为主，德州仪器生产的TDC7200电路，最多支持5个结束信号，难以满足应用需求。同时，一方面少次测量难以从众多回波信号中筛选出有效时间间隔，因此需要数次测量统计众数得到结果；另一方面，激光测距需要多路TDC进行测量，意味着对单路电路的资源消耗约束较高。在实际应用中，众数统计算法多通过处理器完成，基于硬件的众数统计电路存在大量资源消耗的问题，尤其需要庞大的存储资源，难以在有限资源下实现。专利文献CN103257569B公开了一种时间测量电路、方法和系统，其中电路包括脉冲生成器、第一时间数字转换器、第二时间数字转换器和测量值校准单元；脉冲生成器在校准模式下根据外部参考时钟信号生成内部参考时钟信号；第一时间数字转换器用于在校准模式下根据内部参考时钟信号测量外部参考时钟信号的第一码值，在测量模式下根据外部参考时钟信号测量数据信号的时间码值；第二时间数字转换器用于在校准模式下根据内部参考时钟信号测量外部参考时钟信号的第二码值；测量值校准单元根据第一码值、第二码值、外部参考时钟信号的周期对时间码值进行校准。本专利技术提供的时间测量电路、方法和系统能够提高时间测量精度。该专利在结构和性能上仍然有待完善的空间。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于TDC的低资源消耗分辨率可调时间测量统计系统及方法。根据本专利技术提供的一种基于TDC的低资源消耗分辨率可调时间测量统计系统，包括：TDC模块、采样模块、统计模块以及控制模块；所述TDC模块与采样模块相连；所述统计模块与采样模块相连；所述控制模块与TDC模块、采样模块、统计模块分别相连；所述控制模块能够完成TDC模块的初始化；所述控制模块能够对统计模块中分仓寄存单元和存储单元的读写时序进行控制。优选地，所述TDC模块包括：自定时振荡环(STR)单元、计数单元、同步采样电路、计算单元以及校准单元；所述自定时振荡环(STR)单元与计数单元相连；所述计数单元与同步采样电路相连；所述计算单元与同步采样电路相连；所述计算单元与校准单元相连。优选地，所述自定时振荡环(STR)单元使用多级Muller-C单元产生多相位时钟，分布均匀的多级相位差可以对一个振荡周期进行细分，实现很高的分辨率。对多级Muller-C单元进行不同的初始化，可以改变振荡信号的频率，进而实现分辨率可调。计数单元在STR产生的多相位时钟的驱动下，对待测的时间信号进行计数。每个stop信号到来时，同步采样电路对计数器进行采样，并将采样到的计数值输入到计算单元中，由计算单元根据采样结果计算出最后的测量结果。校准单元对计算出的测量结果进行校准，得到TDC模块测量的结果。使用同步采样电路采样计数值，降低了亚稳态的影响。使用码密度校准方法，可以减小相位分布不均匀带来的非线性误差，提高测量结果的精度。优选地，所述采样模块包括：触发器；优选地，所述采样模块由两级触发器级联组成。两级触发器级联电路对stop信号进行边沿检测。在检测到上升沿之后，采样模块延迟一个周期采样TDC模块的测量结果。电路在测量过程中，需对TDC产生的测量结果进行采样。由于STR产生时钟、系统时钟以及结束信号间均不相关，采样电路需保证在结束信号到来后得到正确的测量结果，同时需要避免亚稳态问题。本专利技术利用结束(stop)信号脉冲脉宽存在最小值，采用周期小于1/2脉宽的时钟信号作为系统时钟，当stop信号为高电平后固定STR时钟域测量结果。如图5所示，由于采样时钟周期小于1/2脉宽，且输入保持不变，系统时钟域寄存器可在stop上升沿到来后的第二个周期采样得到稳定的正确测量结果，从而避免了亚稳态问题；通过探测stop信号上升沿到来，经过两级系统时钟域寄存器作为采样标记信号输出，即可得到上述正确采样结果。优选地，所述统计模块包括：存储单元、分仓寄存单元以及筛选单元；所述分仓寄存单元的数量为2个。优选地，所述筛选单元包括：第一筛选电路、第二筛选电路；所述分仓寄存单元包括：第一分仓寄存单元、第二分仓寄存单元；所述第一分仓寄存单元与第一筛选电路相连；所述第二分仓寄存单元与第二筛选电路相连；所述第二分仓寄存单元与存储单元相连。优选地，所述统计模块的统计方式采用分仓统计与即时存储筛选相结合的方法，利用统计结果及时对大量的测量数据进行筛选并重排序，经过重排序后的有效数据才占用存储资源，极大地降低了存储资源需求。存储单元使用FPGA的BRAM实现，从BRAM底部开始，依次存储采样模块采样到的每个测量结果。每次测量需要发射多个start信号，每个start信号包含多个噪声的一系列stop信号。为了降低存储资源，每隔30个start信号就对存储数据进行一次筛选，只保留数据分布集中某几个区间的测量结果。分仓寄存模块采用FPGA上的LUT实现存储功能。为了记录测量结果分布的区间，使用测量结果的高八位作为存储地址，可以对测量结果划分成256个区间，存储的数据为测量结果落在对应区间的计数值。筛选模块由流水化的比较电路组成，可以根据分仓寄存中各存储地址对应的计数值对测量数据进行筛选，并根据筛选结果对有效的测量数据重排序。每组数据要进行多次测量，因此每隔一定的测量次数就要对测量数据进行筛选。在每组数据测量结束之后，就可以将众数区间筛选出来。对众数区间中的测量结果，使用另一个分仓寄存单元和另一个筛选单元，继续对众数区间中的测量结果进行筛选，就可以将该区间中的测量结果的众数值筛选出来。该众数值对应的测量结果即为最后的测量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于TDC的低资源消耗分辨率可调时间测量统计系统，其特征在于，包括：TDC模块、采样模块、统计模块以及控制模块；/n所述TDC模块与采样模块相连；/n所述统计模块与采样模块相连；/n所述控制模块与TDC模块、采样模块、统计模块分别相连；/n所述控制模块能够完成TDC模块的初始化；/n所述控制模块能够对统计模块中分仓寄存单元和存储单元的读写时序进行控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于TDC的低资源消耗分辨率可调时间测量统计系统，其特征在于，包括：TDC模块、采样模块、统计模块以及控制模块；
所述TDC模块与采样模块相连；
所述统计模块与采样模块相连；
所述控制模块与TDC模块、采样模块、统计模块分别相连；
所述控制模块能够完成TDC模块的初始化；
所述控制模块能够对统计模块中分仓寄存单元和存储单元的读写时序进行控制。


2.根据权利要求1所述的基于TDC的低资源消耗分辨率可调时间测量统计系统，其特征在于，所述TDC模块包括：自定时振荡环单元、计数单元、同步采样电路、计算单元以及校准单元；
所述自定时振荡环单元与计数单元相连；
所述计数单元与同步采样电路相连；
所述计算单元与同步采样电路相连；
所述计算单元与校准单元相连。


3.根据权利要求2所述的基于TDC的低资源消耗分辨率可调时间测量统计系统，其特征在于，所述自定时振荡环单元使用多级Muller-C单元产生多相位时钟。


4.根据权利要求1所述的基于TDC的低资源消耗分辨率可调时间测量统计系统，其特征在于，所述采样模块包括：同步触发器。


5.根据权利要求4所述的基于TDC的低资源消耗分辨率可调时间测量统计系统，其特征在于，所述采样模块由两级触发器级联组成。


6.根据权利要求1所述的基于TDC的低资源消耗分辨率可调时间测量统计系统，其特征在于，所述统计模块包括：存储单元、分仓寄存单元以及筛选单元；
所述分仓寄存单元的数量为2个。


7.根据权利要求6所述的基于TDC的低资源消耗分辨率可调时间测量统计系统，其特征在于，所述筛选单元包括：第一筛选电路、第二筛选电路；
所述分仓寄存单元包括：第一分仓寄存单元、第二分仓寄存单元；
所述第一分仓寄存单元与第一筛选电路相连；
所述第二分仓寄存单元与第二筛选电路相连；
所述第二分仓寄存单元与存储单元相连。


8.根据权利要求1所述的基于TDC的低资源消耗分辨率可调时间测量统计系统，其特征在于，所述统计模块的统计方式采用分仓统计与即时存储筛选相结合的方法。...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琴，蒋剑飞，毛志刚，闫娇玉，洪起润，冉旭仲，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31