一种高分辨率的嵌入式时间测量装置的制作方法

本发明涉及弱磁测量技术领域，特别涉及一种高分辨率的嵌入式时间测量装置。

背景技术：

弱磁测量作为探测物质特性和未知世界的有效手段之一，被广泛应用于地球物理勘探、军事和医疗等领域。基于不同测量原理的弱磁传感器的结构、特性、以及应用领域也各不相同。overhauser传感器(也称为探头)是一种基于自由基物质动态核极化(dynamicnuclearpolarisation，dnp)效应的弱磁测量传感器，具有高精度和高灵敏度的特点，在陆地磁测、海洋磁测、空间磁测、军事和各类工程领域已得到广泛应用。

自由基物质动态核极化的实质是自由基溶液中电子系统与质子系统的双共振现象，也就是电子-核的overhauser效应，动态核极化效应会增强自由感应衰减(freeinductiondecay，fid)信号。通过测量得到fid信号的频率，即可计算出其对应的磁场强度。现有的基于overhauser原理的弱磁检测装置，其频率测量部件通常采用mcu或cpld/fpga实现，因其分辨率受限于所用晶振的工作频率，一般为mhz级别，即时间分辨率在ns级别。

由于fid信号测量时间短，信号衰减过快，在有效段时间内只能测得几百个周期，限制了测量精度的提高。目前对质子磁力仪fid信号的主要测量方法是硬件测频。一般的，从硬件上实现这种测频方法必须使fid整形，再使用一个高精度的时钟信号，来统计整数个fid信号的周期，周期值取倒数即为频率。较常见的周期时间测量部件是基于mcu或fpga/cpld嵌入式芯片实现的测量电路，通常时间测量分辨率在ns级别，若要实现更高精度的测量，则要使用更高精度的频率基准(温补晶振)、使用高信噪比电路等等，但上述方法都是以提高硬件复杂性和成本为代价的。

针对此问题，本申请提供了一种高分辨率的嵌入式时间测量装置，采用mcu与tdc结合的方法，实现高精度的时间测量。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高分辨率的嵌入式时间测量装置，采用mcu与tdc结合的方法，实现高精度的时间测量。

本发明提供了一种高分辨率的嵌入式时间测量装置，包括：控制单元、测时单元和电源，所述控制单元与测时单元之间电信号连接，所述控制单元与测时单元均与电源电连接；

所述控制单元包括mcu及其外围辅助电路、数字控制电路和第一数据通信接口，所述mcu用于输出起停和控制命令，所述数字控制电路电连接在所述mcu的输出端，所述第一数据通信接口用于向所述mcu输入方波信号和输出控制命令至所述测时单元；

所述测时单元包括tdc及其外围辅助电路和第二数据通信接口，所述tdc用于测量时间间隔，所述第二数据通信接口用于向所述tdc输入控制命令、方波信号和输出测量数据。

较佳地，所述mcu的输出端输出起始命令和停止命令，所述起始命令和停止命令分别与方波信号与关系连接，两个与关系的输出端均与所述tdc连接，用于输出起停命令。

较佳地，所述tdc外部电连接4mhz和32khz的晶振电路。

较佳地，所述tdc及其外围辅助电路选用的时间转换器型号为tdc-gp22。

较佳地，应用一种高分辨率的嵌入式时间测量装置的测量方法，包括如下步骤：

步骤一：整形fid信号，以方波的形式输入至测时装置中；

步骤二：触发mcu外部中断，mcu输出起始命令和停止命令，控制tdc进行时间间隔测量；

步骤三：测量完毕后，tdc产生中断信号，触发mcu读取逻辑，mcu则通过spi通信读取测量结果。

进一步地，所述时间测量装置的磁场值与fid信号频率的关系为其中，f为fid信号的频率，t为fid信号的周期，γp为质子的旋磁比，地磁场范围20000～100000nt，得出fid信号整形后的方波信号周期t取值范围为1250us～200us。

与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

本发明提供了一种高分辨率的嵌入式时间测量装置，设置控制单元和测时单元相配合，避开了晶振频率对测量分辨率的限制，提高了测量分辨率。整体电路简便，电路成本低廉，仅需4mhz和32khz两个晶振，即达到100ps的测时精度。避开了晶振频率对测量分辨率的限制，提高了测量分辨率。本申请提供了一种高分辨率的嵌入式时间测量装置，采用mcu与tdc结合的方法，实现高精度的时间测量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种高分辨率的嵌入式时间测量装置的系统原理图；

图2为本发明实施例提供的一种高分辨率的嵌入式时间测量装置的mcu与tdc-gp22连接关系图；

图3为本发明实施例提供的一种高分辨率的嵌入式时间测量装置的测量时序图。

具体实施方式

下面结合本发明中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

参照图1-3，本发明提供了一种高分辨率的嵌入式时间测量装置，包括：控制单元、测时单元和电源，所述控制单元与测时单元之间电信号连接，所述控制单元与测时单元均与电源电连接；

所述控制单元包括mcu及其外围辅助电路、数字控制电路和第一数据通信接口，所述mcu用于输出起停和控制命令，所述tdc外部电连接4mhz和32khz的晶振电路。所述数字控制电路电连接在所述mcu的输出端，所述第一数据通信接口用于向所述mcu输入方波信号和输出控制命令至所述测时单元；所述mcu的输出端输出起始命令和停止命令，所述起始命令和停止命令分别与方波信号与关系连接，两个与关系的输出端均与所述tdc连接，用于输出起停命令；

所述测时单元包括tdc及其外围辅助电路和第二数据通信接口，所述tdc用于测量时间间隔，所述tdc及其外围辅助电路选用的时间转换器型号为tdc-gp22。所述第二数据通信接口用于向所述tdc输入控制命令、方波信号和输出测量数据。

所述控制单元按照一定的时序控制所述测时单元进行工作，所述测时单元测量得到fid信号周期时间，如图3，所述控制单元读取所述测时单元的测量结果数据，然后转换为最终的磁场值，最终保存在非易失性存储器中或通过通信接口传输出去。

实施例1

一种高分辨率的嵌入式时间测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：整形fid信号，以方波的形式输入至测时装置中；

步骤二：触发mcu外部中断，mcu输出起始命令和停止命令，控制tdc进行时间间隔测量；

步骤三：测量完毕后，tdc产生中断信号，触发mcu读取逻辑，mcu则通过spi通信读取测量结果。

其中，所述时间测量装置的磁场值与fid信号频率的关系为其中，f为fid信号的频率，t为fid信号的周期，γp为质子的旋磁比，地磁场范围20000～100000nt，得出fid信号整形后的方波信号周期t取值范围为1250us～200us。tdc的时间测量范围为1us～4ms，所以考虑方波周期范围，可以将2个或3个方波周期时间作为测量目标，进一步减小随机扰动误差。

工作原理：mcu施加启停控制，tdc则在接收到外部施加的启停信号后，则给出启动信号至停止信号之间时间间隔值。

整形后的fid信号，以方波的形式进入测时装置，触发mcu外部中断，从而运行测量逻辑，其按方波的周期规律，顺序输出“起始使能”、“停止使能”两个信号，它们与方波信号分别构成两个与门的输入，两个与门的输出则分别作为启停信号，进入tdc芯片的“起始”和“停止”控制端，时间测量完毕后，tdc产生中断信号，触发mcu读取逻辑，mcu则通过spi通信读取测量结果。

如图3所示，方波时间测量过程描述如下：方波的某一个下降沿触发mcu外部中断，测量逻辑运行，使能“起始使能”信号，待紧邻的方波上升沿到来，则“起始”信号被放行至tdc测时芯片，控制测时开始；

在方波的下一个下降沿再次触发mcu外部中断时，测量逻辑再次运行，失能“起始使能”信号，同时使能“停止使能”信号，待紧邻的方波上升沿到来时，则“停止”信号被放行至tdc测时芯片，控制测时结束。最终输出待测时间t’。

分析方波时间测量与周期时间t的差别：

δ1和δ2是“起始使能”和“停止使能”信号相对与方波下降沿的延迟时间，包含mcu检测到方波下降沿后，控制io输出的响应时间，延时远远小于0.5t，保证了这两个控制信号是在方波的半个周期时间内完成的。

δ1和δ2是“起始”和“停止”信号相对于方波上升沿的延迟时间，包含门电路的延迟时间，其远远小于0.5t，当理想情况下两个延迟时间严格相等时，则待测时间t’严格等于周期时间t，这两个延迟时间的差与测量结果的误差是正相关的。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。