技術(shù)報(bào)告TDC-GP2時(shí)間數(shù)字芯片關(guān)鍵編程算法與實(shí)現(xiàn)

1、計(jì)劃類別 項(xiàng)目編號(hào) 項(xiàng)目技術(shù)報(bào)告課題名稱 項(xiàng)目主持人 承擔(dān)單位 題目：TDCGP22時(shí)間數(shù)字芯片關(guān)鍵編程算法研究與實(shí)現(xiàn)TDC-GP22芯片是一款皮秒級(jí)高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，由于TDC-GP22內(nèi)部寄存器種類繁多，所以芯片編程操作相對(duì)較復(fù)雜。為此根據(jù)TDC-GP22的SPI接口特點(diǎn)，并結(jié)合AVR單片機(jī)主機(jī)優(yōu)勢(shì)，用高級(jí)語言編制符合SPI接口協(xié)議程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)TDC-GP22的兩種主要操作，一種是按照SPI協(xié)議對(duì)芯片的寄存器進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)操作，另一種是根據(jù)SPI協(xié)議數(shù)據(jù)循環(huán)特點(diǎn)對(duì)芯片寄存器進(jìn)行寫入數(shù)據(jù)操作。TDC-GP22實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明所編制程序運(yùn)行完全穩(wěn)定可行。關(guān)鍵詞：芯片；高級(jí)語言；單片機(jī)；接口

2、1 引言（Introduction）TDC-GP22芯片是德國(guó)ACAM公司推出的一款高分辨率時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，高分辨率時(shí)間差計(jì)算使得TDC-GP22可以用于對(duì)時(shí)間精度要求嚴(yán)格的場(chǎng)合，如激光測(cè)距、電纜長(zhǎng)度測(cè)量及超聲波流量計(jì)等領(lǐng)域。此芯片可以通過單片機(jī)讀寫其內(nèi)部寄存器來完成時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換，由于該芯片官方文檔資料比較零散，在芯片的開發(fā)和使用上帶來很多障礙，軟件程序難以調(diào)試，和單片機(jī)難以建立通信。同時(shí)TDC-GP22芯片是通過SPI（Serial Peripheral Interface）協(xié)議接口和主機(jī)建立通信，所以芯片編程上的主機(jī)程序需要嚴(yán)格遵循SPI接口協(xié)議來對(duì)TDC-GP22內(nèi)部寄存器進(jìn)行正確讀寫

3、，從而完成TDC-GP22的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換過程。2 TDC-GP22的SPI接口協(xié)議（SPI interface protocolof TDC-GP22 ）2.1 SPI通信協(xié)議接口簡(jiǎn)介SPI的中文名為串行外圍接口，該協(xié)議接口是由摩托羅拉公司提出的通信接口技術(shù)；SPI是一種高速、全雙工、同步串行總線，SPI接口只占用可編程芯片的四個(gè)腳位，這四個(gè)腳位分別為主機(jī)輸入從機(jī)輸出（MISO）、主機(jī)輸出從機(jī)輸入（MOSI）、從機(jī)選擇線（SSN）及串行時(shí)鐘（SCK）。SPI協(xié)議接口的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為信號(hào)連接線少、全雙工通信、協(xié)議相對(duì)簡(jiǎn)單及數(shù)據(jù)傳輸速率較高。SPI協(xié)議接口主要應(yīng)用在一些FLASH型可編程芯片，如模

4、數(shù)轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理芯片和各類單片機(jī)等。2.2 SPI通信協(xié)議接口工作原理SPI通信雙方為主從方式，既SPI通信雙方一方為主設(shè)備另一方為從設(shè)備，SPI通信網(wǎng)絡(luò)中可以有多個(gè)從機(jī)，但是主機(jī)只能為一個(gè)，主機(jī)通過控制從機(jī)的SSN片選端來和相應(yīng)的從機(jī)建立數(shù)據(jù)通信；SPI通信雙方中的主機(jī)和從機(jī)的物理連接只要相應(yīng)功能引腳對(duì)應(yīng)連接即可，既主機(jī)MISO連接從機(jī)MISO，其他三類引腳也以此互相連接。SPI中的主從機(jī)的雙方移位寄存器連接成一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，主從機(jī)的數(shù)據(jù)通信通過在主機(jī)時(shí)鐘的控制下進(jìn)行每次兩個(gè)8bit數(shù)據(jù)的移出和移入，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)高位在前低位在后。2.3 TDC-GP22的SPITDC-GP22采用4線制SPI

5、接口，SSN需要強(qiáng)制置高電平，在每次讀寫序列之間SSN保持高電平至少要50ns；TDC-GP22只支持如下SPI模式，時(shí)鐘極性位（Clock Polarity Bit）為0和時(shí)鐘相位（Clock Phase Bit）為1。3 TDC-GP22的SPI主機(jī)選擇（SPI host selection ofTDC-GP22）SPI主機(jī)的選擇最好選擇引腳功能具有SPI功能的各類單片機(jī)，當(dāng)然對(duì)于沒有SPI引腳功能的單片機(jī)也可以使用，只不過這類單片機(jī)需要在軟件程序中進(jìn)行額外的SPI功能模擬，相對(duì)給開發(fā)和使用上帶來一些難度。為了簡(jiǎn)化單片機(jī)軟件程序和SPI通信中主從機(jī)的硬件電路，此處選擇ATMEL公司的ATm

6、ega128a低功耗單片機(jī)1；ATmega128a單片機(jī)自帶SPI接口，該單片機(jī)為高性能低功耗8位單片機(jī)，工作于16MHz時(shí)性能高達(dá)16MIPS，ATmega128a自帶128K可編程Flash存儲(chǔ)，這樣方便使用C語言進(jìn)行大容量單片機(jī)編程。ATmega128a可在3.3V電壓下穩(wěn)定工作，TDC-GP22正常工作電壓也為3.3V2，這樣兩者SPI引腳就可以直接進(jìn)行連接。4 TDC-GP22和AVR單片機(jī)的SPI通信算法（SPIcommunication algorithm between TDC-GP22and AVR）AVR單片機(jī)和TDC-GP22時(shí)間數(shù)字芯片之間以SPI方式通信，其中AVR單

7、片機(jī)為主機(jī)，TDC-GP22為從機(jī)。4.1 TDC-GP22算法前導(dǎo)TDC-GP22有七個(gè)32位的配置寄存器，每個(gè)寄存器的高24位是用作配置，是只可以寫入的，這七個(gè)寄存器用于配置TDC-GP22的相應(yīng)操作。同時(shí)TDC-GP22還有相應(yīng)可讀狀態(tài)的結(jié)果寄存器和狀態(tài)寄存器3，4，TDC-GP22的測(cè)量結(jié)果和測(cè)量狀態(tài)都可以通過發(fā)送操作碼0 xBX從可讀寄存器中讀取。4.2 TDC-GP22算法詳解TDC-GP22在正常運(yùn)行前，必須先對(duì)其七個(gè)配置寄存器進(jìn)行相應(yīng)的模式配置，七個(gè)配置寄存器的配置是相互聯(lián)系制約的，在寄存器參數(shù)的配置上不能有任何沖突，否則TDC-GP22會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行異常的狀況。下面代碼主要是七個(gè)

8、配置寄存器的配置示例。gp22_wr_config_reg（0 x80，0 x00242000）； /最大測(cè)量時(shí)間2xTref=2sgp22_wr_config_reg（0 x81，0 x19490000）； /在測(cè)量模式1下Stop CH2Stop CH1gp22_wr_config_reg（0 x82，0 xE0000000）； /通過Timeout給出中斷gp22_wr_config_reg（0 x83，0 x00000000）；gp22_wr_config_reg（0 x84，0 x20000000）；gp22_wr_config_reg（0 x85，0 x10000000）； /EN

9、_STARTNOISE=1，switch ongp22_wr_config_reg（0 x86，0 x00000000）；gp22_send_1byte（0 x70）； /初始化PORTF|=（12）； PORTF&=（12）；/給start引腳一個(gè)虛擬開始信號(hào)上述代碼中為了測(cè)試stop2-stop1引腳時(shí)間差，所以先給start引腳一個(gè)虛擬開始信號(hào)，然后TDC-GP22的stop2和stop1引腳才開始工作。下面示例函數(shù)gp22_send_1byte（unsigned char gp22_opcode_byte）可以按照SPI協(xié)議向TDC-GP22寄存器寫入相應(yīng)數(shù)據(jù)。void gp22_se

10、nd_1byte（unsigned char gp22_opcode_byte）PORTB&=（10）； /TDC-GP22的SS位置低SPDR=gp22_opcode_byte；while（?。⊿PSR&（1spif） delay_us（8）；PORTB|=（10）； /將SS位置高上述函數(shù)中主機(jī)往SPDR寫入數(shù)據(jù)以移位到從機(jī)中去，串行發(fā)送結(jié)束后，SPIF置位，若此時(shí)寄存器SPCR的SPIE和全局中斷使能位置位，SPI中斷即產(chǎn)生。下面示例函數(shù)gp22_read_1_bytes（unsigned char read_opcode，unsigned char read_addr）為讀取TDC-g

11、p22寄存器中八位數(shù)據(jù)算法；函數(shù)中SPDR=0 xFF是每次虛寫一次寄存器，只有虛寫一次才能保證單片機(jī)和TDC-gp22二者的寄存器數(shù)據(jù)循環(huán)移位5。unsigned char gp22_read_1_bytes（unsigned char read_opcode，unsigned char read_addr）unsigned char read_opcode_addr=read_opcode|read_addr；PORTB&=（10）； /ss置低SPDR=read_opcode_addr；while（！（SPSR&（1spif） delay_us（8）；SPDR=0 xFF； /虛寫一次，

12、推出數(shù)據(jù)while（?。⊿PSR&（1spif） delay_us（8）；return SPDR； /主機(jī)讀取數(shù)據(jù)PORTB|=（10）； /將ss位置高如下函數(shù)gp22_read_status_bytes（）為讀取TDC-GP22中狀態(tài)寄存器算法，算法中用到了循環(huán)結(jié)構(gòu)，這樣可以保證讀取TDC-GP22狀態(tài)寄存器的多個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)6。unsigned int gp22_read_status_bytes（）int n；unsigned int Result_read=0；unsigned char n_bytes=2；unsigned char read_opcode_addr=0 xB0|0 x

13、04；PORTB&=（10）； /ss位置低SPDR=read_opcode_addr；while（?。⊿PSR&（1spif） delay_us（8）；SPDR=0 xFF； /虛寫一次，推出數(shù)據(jù)while（！（SPSR&（1spif） delay_us（8）；Result_read=SPDR； /主機(jī)讀取數(shù)據(jù)for（n=1；nn_bytes；n+） SPDR=0 xFF； /虛寫一次，推出數(shù)據(jù)while（?。⊿PSR&（1spif） delay_us（8）；Result_read=Result_read8；Result_read |=SPDR； PORTB|=（10）； /將ss位置高re

14、turn Result_read；以下函數(shù)gp22_wr_config_reg（unsigned char opcode_address，unsigned long config_reg_data）為寫狀態(tài)寄存器的示例算法，該算法中按照SPI協(xié)議規(guī)范，先寫高位字節(jié)，然后再寫低位字節(jié)。void gp22_wr_config_reg（unsigned char opcode_address，unsigned long config_reg_data）unsigned char Data_Byte_Lo=config_reg_data；/自動(dòng)截取低8位進(jìn)行賦值unsigned char Data_B

15、yte_Mid1=config_reg_data8；unsigned char Data_Byte_Mid2=config_reg_data16；unsigned char Data_Byte_Hi=config_reg_data24；PORTB&=（10）； /ss位置低SPDR=opcode_address；while（?。⊿PSR&（1spif） delay_us（8）；SPDR=Data_Byte_Hi；while（！（SPSR&（1spif）； delay_us（8）；SPDR=Data_Byte_Mid2；while（?。⊿PSR&（1spif） delay_us（8）；SPDR=

16、Data_Byte_Mid1；while（?。⊿PSR&（1spif） delay_us（8）；SPDR=Data_Byte_Lo；while（?。⊿PSR&（1spif） delay_us（8）；PORTB|=（10）； /將ss位置高5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程（Experimental testing process）為了驗(yàn)證上述算法的準(zhǔn)確性，專門用TDC-GP22進(jìn)行了雙絞線長(zhǎng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)；由于雙絞線可看作傳輸線，所以測(cè)量時(shí)向被測(cè)雙絞線注入一定寬度的入射矩形脈沖7，如果被測(cè)雙絞線終端開路就會(huì)產(chǎn)生矩形脈沖的正反射，同時(shí)將入射矩形脈沖和反射脈沖分別送入TDC-GP22的stop1、stop2引腳，通過計(jì)

17、算stop2-stop1的時(shí)間差并按如下公式即可計(jì)算出開路雙絞線的長(zhǎng)度。其中，L為被測(cè)電纜長(zhǎng)度，V為脈沖信號(hào)在電纜中的傳播速度，一般V為0.660.85倍光速8，約為200m/s，?t為入射脈沖與反射脈沖的時(shí)間差，具體測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。表1 測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results實(shí)長(zhǎng)時(shí)間差測(cè)試長(zhǎng)度測(cè)試狀態(tài)5m0.048s4.8m開路10m0.1s10m開路20m0.195s19.5m開路35m0.346s34.6m開路100m0.97s97m開路表1測(cè)試結(jié)果顯示雙絞線測(cè)試長(zhǎng)度的誤差在10%以內(nèi)，該誤差范圍符合實(shí)際工程需求，測(cè)試結(jié)果也驗(yàn)證了TDC-GP22算法準(zhǔn)確穩(wěn)定。6 結(jié)論（Conclu

18、sion）TDC-GP22的SPI協(xié)議接口編程必須嚴(yán)格按照SPI接口數(shù)據(jù)環(huán)狀傳輸?shù)奶攸c(diǎn)進(jìn)行編程控制，否則主機(jī)和從機(jī)難以建立有效的通信。TDC-GP22主機(jī)的選擇有多種方案，這里選用了AVR系列單片機(jī)，并用C語言做了編程示范，當(dāng)然也可以選用其他廠家其他型號(hào)的單片機(jī)作為控制主機(jī)，并結(jié)合相應(yīng)的程序語言進(jìn)行SPI接口編程。同時(shí)用測(cè)量雙絞線長(zhǎng)度的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了算法的準(zhǔn)確性。參考文獻(xiàn)（References）1 Microchip Technology.ATmega128A datasheet completeEB/OL.https：/wwwproducts/en/ATmega128A，2016-12-10.2 Acam-messelectronic gmbh.TDC-GP22 ultrasonic flow converter datasheetEB/OL.https：/tdc-gp22，2014-03-13.3 莫朗，朱建良，薄煜明.基于TDC-GP22的室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)J.電子設(shè)計(jì)工程，2017，25（18）：168-177.4 劉宇杰，李斌，劉振凱，等.基