基于Kintex-7 325T的32通道高速TDC演示方案

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
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]
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。

资源利用报告