SeruTek UltraTDC

– 基于Xilinx Ultrascale+ MPSoc的多通道高精度TDC

版本 1.1

2021年3月29日

簡介

SeruTek UltraTDC 是上海瑟如電子近期推出的高精度、多通道TDC
IP核。該IP核適用于Xilinx Ultrascale/Ultrascale+ 架構的多款FPGA/SoC器件。為了便于客戶能夠快速評估該IP核的性能，掌握IP核的使用方法，我們基于Alinx黑金的ZU3EG開發板，制作了8通道TDC的演示套件ZU3D8。

ZU3D8在ZU3EG MPSoc上集成了8路時間戳單元、自校準模塊、時間戳解析、時差計算模塊以及用于測試的脈沖序列產生模塊，使用開發板PL側的200MHz差分時鐘作為TDC部分的時鐘源；利用40pin
2.54mm擴展接口上的IO接口作為測量脈沖輸入接口。測量得到的時間戳或時差數據為標準的AXI Stream接口。

ZU3D8 每個通道的時間戳精度典型值為10ps，時差測量精度優于10 ps，每通道輸入脈沖最小間隔14ns（最小可定制為6.25ns），相當于每個通道具有最大70MSPS的測量能力。SeRuTDC能夠提供幾乎無限的時間戳測量范圍，默認配置下時間戳的表示范圍約為上電初始化后的60年，如有需要還可進一步擴展。

演示程序中通過，TDC IP輸出的測量數據緩存在PL側的AXI Stream FIFO中，PS（Arm A53）從AXI Stream FIFO讀取測量結果，再通過串口打印輸出。TDC測量結果進行復雜的處理算法，用戶可以在PS側通過C/C++實現，也可以在PL測編寫處理模塊，實現低延遲的高速數據處理。當然，用戶也可自行適配UDP或PCIE接口，實現測量數據的高速轉發。

ZU3D8 TDC演示方案提供了開箱即用的ToF快速驗證評估平臺，只需少量的修改，就可應用于客戶的定制環境，可極大地加快TDC系統設計，加速產品上市。ZU3D8的目標應用包括：多通道時間間隔計數、激光脈沖測距、質譜分析、醫學圖像、半導體自動化測試及精密時間同步等領域。

特點與優勢

優勢特點

集成化的多通道測量	在ZU3EG/CG上可部署多達12-14通道 在ZU4EG/CG上可部署多達20-24通道 在ZU15EG上可部署多達64通道
高精度高速率時間測量	時間戳精度典型值：10ps； 時差精度典型值 ： 10ps; 同一通道最小脈沖間隔：14ns （標準版） 同一通道最小脈沖間隔：6.25ns （高速版） 不同通道間沒有最小脈沖間隔限制。
強大的持續測量能力	默認配置下，每一路TDC年的時間戳范圍高達約60年。 默認配置下，時間戳的持續讀出速率高達33Msa/s（每秒3千3百萬條，8通道總合），最高配置下可達250Msa/s。 配備PL側的鐘差計算模塊，可在線實時計算stop脈沖與start脈沖之間的時間差。標準配置下，可達50Msa/s的持續輸出速率。
片上校準	當TDC使用環境溫度發生大幅變化，對延遲鏈的BIN Size進行校準有利于提高測量準確度。本演示方案利用片上集成的PS處理單元對TDC延遲鏈的BIN Size進行校準，無需借助外部校準信號、外部計算單元。
基于IP的設計 便于用戶增加自定義邏輯	本演示方案包括了PS控制單元、8通道TDC、時間戳解析單元、時差計算單元。并預留了多個clock region，用戶可利用這些資源實現用戶自己的邏輯，如在PL側實現高速的時差分析處理單元，或實現基于UDP或PCIE的高速轉發模塊。 除了輸出時差數據，用戶還可以選擇輸出時間戳數據，以實現更多應用。
靈活配置，按需定制	可定制TDC通道數、時間戳量程、數據吐出速率、最小脈沖間隔等參數。

應用領域

車載多線激光雷達

激光測距

醫學成像（PET）

半導體自動化測試

單光子計數

質譜分析

高能物理

精密時間同步

時間戳格式

默認時間戳長度為12字節，最高位的一個字節為通道標識，用來表示產生該時間戳的通道編號。在ZU3D8中，通道編號范圍是1-8。在時差計算模塊中，通道1為作為start信號，通道2-8作為stop信號。

時間戳的低9個字節用來表示時間戳的值，數據類型為無符號整型。最小位LSB對應的單位是皮秒ps。

[95:88][87:72][71:0]

通道號	無定義	時間戳，無符號整型，LSB ps

時差數據格式

時差數據在這里指通道2-8測得的時間戳相對通道1測得的時間戳的差值。時差數據長度可配置為32bit
或64bit。其中8bit用來表示時差數據的通道號。時差計算模塊默認通道1為start信號，并計算通道2-32相對于通道1的時間差。如果通道號為2，那表示該時差是通道2的時間戳-通道1時間戳得到的。

當時差數據長度為32bit時，剩余的24
bit數據用來表示實際的時間差，數據格式為有符號的整型，單位是ps。能夠表示的時間差范圍約為8.38微秒，用真空中的光速換算得到對應的測距范圍大約為2500米。

[31:24][23:0]

通道號	時間差，有符號整型，LSB ps

當時差數據長度為64bit時，剩余的56bit數據用來表示實際的時間差，數據格式為有符號的整型，單位是ps。能夠表示的時間差范圍約為36000秒，用真空中的光速換算得到對應的測距范圍大約為10億公里。

[63:56][55:0]

通道號	時間差，有符號整型，LSB ps

演示方案與測試

ZU3D8 示例方案設計：

模塊圖設計主要的組成部分為PS，8通道TDC IP，Clock Wizard 以及AXI Stream FIFO。其中Clock Wizard將外部時鐘信號轉化為TDC
所需的100MHz時鐘，用戶可以根據所用開發板的時鐘，更改clk
wiz的設置和輸入時鐘的管腳。TDC IP的8路脈沖輸入引出為外部接口，用戶可以根據實際情況修改管腳約束。TDC IP具有5路AXI-Lite配置總線，用來對內部各個模塊進行配置，這些總線通過AXI Interconnection 連接到 PS。

示例中配備了3個AXI Stream FIFO, 用來將不同的測量數據讀到PS中。FIFO0用來讀取原始測量數據，原始測量數據的格式不開放，但提供SDK軟件包，可以調用解碼函數，在PS中完成對原始數據的解碼，從而得到96bit的時間戳。同時，IP 內部的自校準模塊也需要用到FIFO0，與PS配合，一起完成自校準bin size的功能。

FIFO1用來讀取PL直接解碼輸出的96bit時間戳。相比較PS軟件碼的方式，PL解碼延遲極低（約10個clock）,適合超高速應用。用戶也可自行編寫PL中的模塊，替代FIFO1，對時間戳進行高速處理。

FIFO2讀取時間差的輸出結果，也就是2-8通道相對于通道1的時間戳的時間差。

測試數據

這里以示例工程為基礎，對通道1、2進行簡單的測試，以驗證其高速測量能力，并驗證其測試精度。

TDC IP的時鐘為100MHz，是黑金開發板上的200MHz差分晶振，經過clock wiz
生成。測試信號使用Silicon labs的Si5341 時鐘產生器開發板生成，生成信號的頻率可以通過ClockBuilder
Pro在上位機進行配置。測試信號通過SMA轉杜邦線接入開發板的2.54mm 擴展口。

由于輸入脈沖與TDC時鐘源為不同源信號，為了避免兩個晶振的頻率差、頻率穩定度、頻率漂移過大地影響測試精度，輸入通道1、通道2的兩路信號設置為同相信號（相位基本一致），從而使得通道2相對于通道1的時間差較小，減小晶振對通道間時差測量的影響。當測量時間時間較大時，TDC的時鐘源必須是高穩時鐘，否則將導致測量結果包含較大的抖動和誤差。

70.321M測試

測試脈沖頻率：70.321MHz

測試目的：驗證高速測量能力，評估測量精度

通道1：

根據通道1測量得到的256個時間戳，計算兩個時間戳的前后時間差，得到以下結果：

平均時間間隔：14220.55 ps， 對應的脈沖頻率測量結果為：70.3207M

時間間隔測量的RMS為9.24 ps

通道2：

根據通道2測量得到的256個時間戳，計算兩個時間戳的前后時間差，得到以下結果：

平均時間間隔：14220.51 ps， 對應的脈沖頻率測量結果為：70.3209M

時間間隔測量的RMS為10.03 ps

通道2-通道1：

將通道2與通道1的時間差一一對應地相減，得到兩通道間脈沖信號的時間差，如下圖

時間差的RMS為：8.75ps。

ZU3D8資源利用

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Xilinx Ultrascale 多通道高速TDC的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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