SeruTek K732D
– 基于Kintex-7 325T的32通道高速TDC演示方案
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简介
SeruTek K732D是上海瑟如电子科技基于KC705开发板制作的一款32通道TDC演示方案。K732D在单片K7325T上集成了33路时间戳单元、一个Microblaze微控制器、128KB Block SRAM、自校准模块、时间戳解析、时差计算模块以及用于测试的脉冲序列产生模块。K732D使用KC705开发板PL侧的200MHz差分时钟作为系统的主时钟;利用FMCvLPC扩展接口上的IO接口作为测量脉冲输入接口,或使用脉冲序列模块产生的测试脉冲作为输入。测量得到的时间戳或时差数据为标准的AXI Stream接口。在演示方案中,Microblaze通过 AXI Stream FIFO读取测量结果,再通过串口打印输出。客户可自行适配UDP或PCIE高速数据转发模块,实现测量数据的对外播发。K732D TDC演示方案提供了开箱即用的ToF快速验证评估平台,只需少量的修改,就可应用于客户的定制环境,可极大地加快ToF系统设计,加速产品上市。K732D的目标应用包括:多通道时间间隔计数、激光脉冲测距、质谱分析、医学图像、半导体自动化测试及精密时间同步等领域。
K732D每个通道的时间戳精度典型值为20ps,时差测量精度典型值为25ps,每通道输入脉冲最小间隔11ns,相当于每个通道具有最大90MSPS的测量能力。SeRuTDC能够提供几乎无限的测时量程,默认配置下时间戳的表示范围约为60年,如有需要还可进一步扩展。
K732D提供标准的AXI Stream测量数据读取接口,在演示方案中 Microblaze通过AXI Stream FIFO读取测量数据,再通过UART 打印输出。用户可利用FPGA中的剩余资源,实现PL端的数据处理或高速转发模块。瑟如电子可提供UDP的转发模块。
特点与优势
优势 | 特点 |
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集成化的多通道测量 | 在7K325T上集成了33路TDC测量单元,其中一路可用作start 信号测量,其余32路可用作stop信号测量。 |
高精度高速率时间测量 | 时间戳精度典型值:20ps; 时差精度典型值 : 25ps; 同一通道最小脉冲间隔:11ns (相当于90MHz的脉冲重复速率)。不同通道间没有最小脉冲间隔限制。 |
强大的持续测量能力 | 默认配置下,每一路TDC年的时间戳范围高达58年。默认配置下,时间戳的持续读出速率高达100Msa/s(每秒1亿条,33通道总合),最高配置下可达200Msa/s。 |
片上校准 | 当TDC使用环境温度发生大幅变化,对延迟链的BIN Size进行校准有利于提高测量准确度。本演示方案利用片上集成的Microblaze处理单元利用码密度原理对TDC延迟链的BIN Size进行校准,无需借助外部校准信号、外部计算单元。 |
基于IP的设计 便于用户增加自定义逻辑 | 本演示方案包括了Microblaze微控制软核、128KByte Block RAM, 33通道TDC、时间戳解析单元、时差计算单元。并预留了X1Y3、X1Y4、X1Y5、X1Y6四个clock region,用户可利用该区域实现用户逻辑,如在PL侧实现高速的时差分析处理单元,或实现基于UDP或PCIE的高速转发模块。配备PL侧的钟差计算模块,可在线实时计算stop脉冲与start脉冲之间的时间差。接口速度为100MHz。 |
灵活配置,按需定制 | 可定制TDC通道数、时间戳量程、数据吐出速率、最小脉冲间隔等参数。除了输出时差数据,用户还可以选择输出时间戳数据,以实现更多应用。 |
应用领域
车载多线激光雷达
激光测距
医学成像(PET)
半导体自动化测试
单光子计数
质谱分析
高能物理
精密时间同步
时间戳格式
默认时间戳长度为12 字节,最高位的一个字节为通道标识,用来表示产生该时间戳的通道编号。在SeruTek K732D中,通道编号范围是1-33。在时差计算模块中,通道1为作为start信号,通道2-33作为stop信号。
时间戳的低9个字节用来表示时间戳的值,数据类型为无符号整型。最小位LSB对应的单位是皮秒ps。
[95:88] | [87:72] | [71:0] |
---|---|---|
通道号 | 无定义 | 时间戳,无符号整型,LSB ps |
时差数据格式
时差数据长度可配置为32bit 或64bit。其中8bit用来表示时差数据的通道号。时差计算模块默认通道1为start信号,并计算通道2-32相对于通道1的时间差。如果通道号为2,那表示该时差是通道2的时间戳-通道1时间戳得到的。
当时差数据长度为32bit时,剩余的24 bit数据用来表示实际的时间差,数据格式为有符号的整型,单位是ps。能够表示的时间差范围约为8.38微秒,用真空中的光速换算得到对应的测距范围大约为2500米。
[31:24] | [23:0] |
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通道号 | 时间差,有符号整型,LSB ps |
当时差数据长度为64bit时,剩余的56bit数据用来表示实际的时间差,数据格式为有符号的整型,单位是ps。能够表示的时间差范围约为36000秒,用真空中的光速换算得到对应的测距范围大约为10亿公里。
[63:56] | [55:0] |
---|---|
通道号 | 时间差,有符号整型,LSB ps |
演示方案设计简介
K732D 演示方案整体BD 设计:
注:客户得到的示例程序于上图有所不同,33通道TDC、时间戳解析、时差计算模块会被封装为一个IP。
测量数据接口设计
在演示方案中例化了3个AXI Stream
FIFO,Microblaze从这三个FIFO中分别读取原始数据、解析后的时间戳以及时差数据。同时例化了2个AXI
Stream Switch,用来控制数据的流向。
当进行片上自动校准时,配置switch0从M0输出,Mb读取原始数据,并计算bin size。
当工作在时间戳模式下,switch0从M1输出,switch1从M0输出。Mb可以读取到经过解析后的时间戳。当用户需要在PL侧直接获取时间戳时,可以在switch0增加一个输出端口。
当工作在时差输出模式下,switch0从M1输出,switch1也从M1输出,Mb读取到的是2-33通道相对于通道1的时间差。如果需要在PL侧直接获取时间差数据,可在switch1增加一个输出端口。
K732D资源占用
器件视图
如上图所示,演示方案中还剩下约4个完整的clock region。客户可以利用这些资源实现数据处理模块以及UDP或PCIE的高速转发模块。如果采用更大的器件,甚至可以在剩余的资源中实现DPU,在片上对点云数据直接进行物体识别。如果采用更大的器件,甚至可以在剩余的资源中实现DPU,在片上对点云数据直接进行物体识别。