Cˇeske´ vysoke´ ucˇenı´ technicke´ v Praze Fakulta jaderna´ a fyzika´lneˇ inzˇeny´rska´ Katedra fyzika´lnı´ elektroniky
Modul pro Time Correlated Photon Counting Rocˇnı´kova´ pra´ce
Autor pa´ce: Sˇkolitel: Konzultant: Sˇkolnı´ rok:
Jakub Ka´kona Ing. Jan Kodet Prof. Ing. Ivan Procha´zka, DrSc. 2010/2011
Prohlasˇuji, zˇe jsem prˇedlozˇenou pra´ci vypracoval samostatneˇ a zˇe jsem uvedl vesˇkerou pouzˇitou literaturu.
Praha, 13.9.2011
Jakub Ka´kona
2
Obsah 1
Zada´nı´ pra´ce 1.1 Cˇasoveˇ digita´lnı´ prˇevodnı´k (TDC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
Realizace 2.1 Architektura zarˇ´ızenı´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Konstrukcˇnı´ platforma . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Testovacı´ prototypy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Mikroprocesory . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2 Kalibracˇnı´ oscila´tor . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.3 Teplotnı´ kalibrace . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Firmware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1 Meˇrˇ´ıcı´ mo´d 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.2 Meˇrˇ´ıcı´ mo´d 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.3 Fire generator - generova´nı´ spousˇteˇcı´ho signa´lu 2.5.4 Meˇrˇenı´ teploty . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.5 Datovy´ vy´stup . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
4
. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
Vy´sledky 3.1 Nameˇrˇene´ charakteristiky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Pouzˇitı´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Mozˇnosti dalsˇ´ıho vy´voje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Komunikacˇnı´ protokol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Specia´lnı´ zpracova´nı´ rychly´ch vstupnı´ch a vy´stupnı´ch signa´lu˚ Za´veˇr
. . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . . . . . . . . . . .
. . . . .
4 4
. . . . . . . . . . . . .
5 5 7 8 11 11 12 12 12 12 12 15 15 15
. . . . .
16 16 19 19 21 21 21
3
Abstrakt Prˇedmeˇtem te´to pra´ce je na´vrh konstrukce prˇ´ıstroje urcˇene´ho k meˇrˇenı´ kra´tky´ch cˇasovy´ch intervalu˚ va´zany´ch na elektricke´ impulznı´ signa´ly. Kra´tky´m cˇasovy´m intervalem se v tomto prˇ´ıpadeˇ rozumı´ rˇa´doveˇ desı´tky piko sekund azˇ jednotky mikrosekund. Od prˇ´ıstroje tohoto typu je obvykle vyzˇadova´no velke´ cˇasove´ rozlisˇenı´ (65ps). Prˇ´ıstroj pak ma´ sˇiroke´ uplatneˇnı´ v medicı´neˇ pru˚myslu, kosmicke´m vy´zkumu a v experimenta´lnı´ch prˇ´ıstrojı´ch fyziky vysoky´ch energiı´.
1
Zada´nı´ pra´ce
Vytvorˇte prˇ´ıstroj meˇrˇ´ıcı´ cˇasove´ intervaly vyuzˇ´ıvajı´cı´ cˇip TDC-GP2 od firmy Acam. Navrhneˇte a osad’te tisˇteˇny´ spoj. Hotove´ a odladeˇne´ zarˇ´ızenı´ otestujte ve Va´mi zvoleny´ch a navrzˇeny´ch experimentech. 1. Seznamte se s funkcı´ mikrokontrole´ru˚ PIC. 2. Seznamte se s funkcı´ TDC-GP2. 3. Realizujte prototyp zarˇ´ızenı´. 4. Oveˇrˇte jeho funkci.
1.1
Cˇasoveˇ digita´lnı´ prˇevodnı´k (TDC)
Nejjednodusˇsˇ´ım zpu˚sobem elektronicke´ho meˇrˇenı´ cˇasovy´ch intervalu˚ je pouzˇitı´ cˇ´ıtacˇe a oscila´toru. Cˇ´ıtacˇ pak pocˇ´ıta´ pocˇet period oscila´toru mezi prˇ´ıchozı´mi pulzy pro start a stop signa´l. Toto rˇesˇenı´ ale zacˇ´ına´ by´t se zkracujı´cı´mi se intervaly velmi neprakticke´, jelikozˇ pro zı´ska´nı´ velke´ho cˇasove´ho rozlisˇenı´ je trˇeba vysoka´ frekvence velice prˇesne´ho oscila´toru. Navı´c pro pozˇadovane´ cˇasove´ rozlisˇenı´ asi 65ps by nutna´ frekvence oscila´toru byla zhruba 15,3GHz, cozˇ je ale se soucˇasnou digita´lnı´ technikou neproveditelne´. Nezanedbatelna´ je za´rovenˇ take´ potrˇebna´ de´lka extre´mneˇ rychle´ho cˇ´ıtacˇe, ktera´ by pro prakticke´ pouzˇitı´ dosahovala desı´tek bitu˚. K meˇrˇenı´ se proto pouzˇ´ıva´ vhodneˇjsˇ´ıho principu a to sˇ´ırˇenı´ postupne´ vlny v sofistikovane´m rˇeteˇzci logicky´ch hradel. Ideove´ zna´zorneˇnı´ je na obra´zku 1. Metoda funguje tak, zˇe prˇ´ıchozı´m startovacı´m impulzem je v rˇeteˇzci vygenerova´na postupna´ vlna, ktera´ se sˇ´ırˇ´ı po jednotlivy´ch hradlech azˇ do doby, nezˇ je pomocı´ nadrˇazene´ logiky zamezeno jejı´mu sˇ´ırˇenı´ prˇ´ıchozı´m stop pulsem. Na´sledneˇ je pak podle pocˇtu prˇeklopeny´ch hradel mezi pulzy START a STOP mozˇne´ urcˇit de´lku cˇasove´ho intervalu. Metoda tedy vyuzˇ´ıva´ konecˇnou rychlost sˇ´ırˇenı´ signa´lu prˇes hradla a jejı´ prˇesnost za´visı´ na mnoha faktorech, jako je naprˇ´ıklad geometrie cˇipu nebo zapojenı´ rˇeteˇzce. Zajı´mavy´m proble´mem te´to metody je potrˇeba omezit pocˇet hradel v rˇeteˇzci na minima´lnı´ mnozˇstvı´, nebot’ tak lze le´pe udrzˇet linearitu meˇrˇenı´ a zjednodusˇit vy´robu. Jednou z mozˇnostı´, jak tento proble´m vyrˇesˇit je zkombinovat meˇrˇenı´ na rˇeteˇzci s meˇrˇenı´m pomocı´ cˇ´ıtacˇe. Prˇ´ıchodem startovacı´ho pulzu je pak aktivova´na rychla´ meˇrˇ´ıcı´ jednotka, ktera´ meˇrˇ´ı pouze do nejblizˇsˇ´ı hrany hodin cˇ´ıtacˇe. Na´sledneˇ pocˇ´ıta´ cˇ´ıtacˇ intervaly oscila´toru azˇ do doby nezˇ 4
Obra´zek 1: Ideove´ sche´ma meˇrˇ´ıcı´ jednotky TDC
prˇ´ıchozı´ stop impulz aktivuje meˇrˇ´ıcı´ jednotku ktera´ pak domeˇrˇ´ı cˇas do zby´vajı´cı´ hrany hodin. Rozdı´l pak uda´va´ skutecˇnou de´lku intervalu. Tento zpu˚sob meˇrˇenı´ je zna´zorneˇn na obra´zku 2.
Obra´zek 2: Zpu˚sob prˇesne´ho meˇrˇenı´ delsˇ´ıch cˇasovy´ch u´seku˚
Prˇedpokladem uzˇitı´ tohoto zpu˚sobu meˇrˇenı´ je dostatecˇneˇ stabilnı´ oscila´tor s periodou kratsˇ´ı, nezˇ je meˇrˇ´ıcı´ rozsah rychle´ TDC jednotky.
2 2.1
Realizace Architektura zarˇ´ızenı´
Pro konstrukci prˇ´ıstroje byl zvolen jako hlavnı´ meˇrˇ´ıcı´ prvek cˇip TDC-GP2 od firmy Acam. Tento integrovany´ obvod vyuzˇ´ıva´ k meˇˇrenı´ kra´tky´ch cˇasovy´ch intervalu˚ vy´sˇe popsane´ metody 5
ˇreteˇzoveˇ zapojeny´ch hradel. Blokove´ sche´ma vnitrˇnı´ architektury cˇipu je zna´zorneˇno na obra´zku 4. Cˇip obsahuje mnoho dalsˇ´ıch podpu˚rny´ch obvodu˚, ktere´ zjednodusˇujı´ jeho pouzˇitı´ a take´ prˇida´vajı´ dalsˇ´ı funkce (generova´nı´ spousˇteˇcı´ho pulzu naprˇ´ıklad pro vy´strˇel LASERu, blok umozˇnˇujı´cı´ meˇrˇenı´ teploty atd.). S ohledem na tyto mozˇnosti byla navrzˇena koncepce vy´sledne´ho zarˇ´ızenı´ tak, aby umozˇnila vyuzˇitı´ vsˇech potencia´lnı´ch mozˇnostı´ cˇipu. Blokove´ sche´ma te´to koncepce je na obra´zku 3. A obsahuje jednak obvody potrˇebne´ pro funkci cˇipu TDC-GP2, jako kalibracˇnı´ oscila´tor a napeˇt’ovy´ stabiliza´tor. Tak i rˇ´ıdı´cı´ mikroprocesor, neˇkolik mozˇny´ch komunikacˇnı´ch rozhranı´ a obvody pro referencˇnı´ meˇrˇenı´ teploty i pro manipulaci se vstupnı´mi a vy´stupnı´mi signa´ly (vstupnı´ signa´l z experimentu mu˚zˇe by´t posˇkozen rusˇenı´m, nebo disperzı´ vedenı´, vy´stupnı´ signa´l musı´ naopak odpovı´dat pozˇadavku˚m experimenta´lnı´ho zarˇ´ızenı´).
Obra´zek 3: Ideove´ sche´ma cı´love´ho zarˇ´ızenı´
6
Obra´zek 4: Blokove´ sche´ma cˇipu TDC-GP2
2.2
Konstrukcˇnı´ platforma
Vzhledem k neprˇ´ılisˇ kvalitnı´ technicke´ dokumentaci ke zvolene´mu cˇipu by nebylo cˇasoveˇ ani ekonomicky vy´hodne´ pro prˇ´ıstroj navrhovat okamzˇiteˇ jednou´cˇelovy´ plosˇny´ spoj. Pro vy´voj zarˇ´ızenı´ byla proto zvolena prototypovacı´ platforma MLAB [8], ktera´ dı´ky sve´ variabilnı´ modula´rnı´ konstrukci umozˇnˇuje snadno a rychle meˇnit zapojenı´ i fyzicke´ rozlozˇenı´. Tı´m je umozˇneˇno velmi efektivneˇ procha´zet nejru˚zneˇjsˇ´ı provoznı´ stavy a upravovat konstrukci podle aktua´lnı´ch potrˇeb programu nebo externı´ho meˇrˇ´ıcı´ho prˇ´ıstroje.
7
2.3
Testovacı´ prototypy
Pro otestova´nı´ funkcˇnosti zvolene´ho cˇipu byly sestaveny dva testovacı´ prototypy, ktere´ se lisˇ´ı, prˇedevsˇ´ım komunikacˇnı´m rozhranı´m a zpu˚sobem generova´nı´ testovacı´ch impulzu˚.
Obra´zek 5: Prvnı´ testovacı´ prototyp
Prvnı´ prototyp obsahoval pouze jeden mikroprocesor, ktery´ obstara´val jak komunikaci s meˇrˇ´ıcı´m cˇipem TDC-GP2, tak i generova´nı´ testovacı´ch start-stop impulzu˚. Komunikace a prˇenos dat pak byla rˇesˇena prˇ´ımo programa´torem PICPROGUSB02A. Toto rˇesˇenı´ se po zprovozneˇnı´ za´kladnı´ch funkcı´ meˇrˇ´ıcı´ho cˇipu uka´zalo by´t neprakticke´, nebot’ nezohlednˇovalo rea´lny´ zpu˚sob vzniku meˇrˇeny´ch signa´lu˚, cozˇ pomeˇrneˇ komplikovalo programova´nı´. Navı´c zpu˚sob komunikace mezi rˇ´ıdı´cı´m mikroprocesorem a pocˇ´ıtacˇem nemohl by´t trvaly´m rˇesˇenı´m. Z tohoto du˚vodu byl prˇipraven dalsˇ´ı prototyp. V ktere´m byl rychlejsˇ´ı mikroprocesor dedikova´n pouze pro generova´nı´ testovacı´ch impulzu˚ simulujı´cı´ch rea´lny´ experiment. Pro komunikaci s cˇipem byl pak prˇida´n levneˇjsˇ´ı a pomalejsˇ´ı mikroprocesor a prˇevodnı´k USB232R01B pro se´riovou komunikaci s pocˇ´ıtacˇem.
8
Obra´zek 6: Druhy´ testovacı´ prototyp
9
Obra´zek 7: Zpu˚sob propojenı´ modulu˚ druhe´ho prototypu
10
2.4
Hardware
Pro realizaci vsˇech prototypu˚ experimenta´lnı´ho zarˇ´ızenı´ bylo s vy´hodou vyuzˇito sta´vajı´cı´ho elektronicke´ho vy´vojove´ho syste´mu MLAB, ktery´ byl pro u´cˇely realizace meˇrˇ´ıcı´ho zarˇ´ızenı´ obohacen o novy´ modul GP201A, ktery´ obsahuje cˇip TDC-GP2. Zapojenı´ modulu bylo opeˇt zvoleno tak, aby neomezilo vyuzˇitelne´ mozˇnosti cˇipu. Jeho konkre´tnı´ zapojenı´ je soucˇa´stı´ prˇ´ılohy. Motiv navrzˇene´ho plosˇne´ho spoje je na obra´zku 8.
Obra´zek 8: Na´vrh plosˇne´ho spoje modulu GP201A
2.4.1
Mikroprocesory
V prvnı´m prototypu byl k ovla´da´nı´ meˇrˇ´ıcı´ho cˇipu TDC-GP2 vyuzˇit mikroprocesor PIC18F4550 v modulu PIC18F4550v01A, ktery´ za´rovenˇ generoval testovacı´ signa´ly. V na´sledujı´cı´m druhe´m prototypu byl odsunut pouze do pozice genera´toru testovacı´ho signa´lu. A pro obsluhu meˇrˇ´ıcı´ho cˇipu byl prˇida´n mikroprocesor PIC16F887 v modulu PIC16F87xTQ4401B. Jehozˇ parametry jsou dostacˇujı´cı´ pro komunikaci s meˇrˇ´ıcı´m cˇipem i nadrˇazeny´m pocˇ´ıtacˇem.
11
2.4.2
Kalibracˇnı´ oscila´tor
Princip meˇrˇenı´ cˇipu TDC-GP2 je ze sve´ podstaty za´visly´ na mnoha dalsˇ´ıch promeˇnny´ch (Rychlost prˇekla´peˇnı´ hradel se meˇnı´ naprˇ´ıklad s teplotou a napa´jecı´m napeˇtı´m) a proto je trˇeba meˇrˇ´ıcı´ rˇeteˇzec soustavneˇ a systematicky kalibrovat. K tomu slouzˇ´ı externı´ oscila´tor o ktere´m se prˇedpokla´da´, zˇe ma´ stabilnı´ periodu. Meˇrˇ´ıcı´ rˇeteˇzec TDC cˇipu se pak pouzˇije ke zmeˇrˇenı´ periody oscila´toru a je jej pak mozˇne´ kalibrovat za prˇedpokladu, zˇe vy´stupnı´ digita´lnı´ hodnota z meˇrˇ´ıcı´ho rˇeteˇzce je linea´rnı´ funkcı´ cˇasu. Prˇi na´vrhu konstrukce prototypu bylo vybı´ra´no z cele´ rˇady oscila´toru˚ [viz prˇ´ıloha] a hodnoceny jejich parametry; cena, stabilita a dostupnost. Vy´sledny´m vybrany´m kalibracˇnı´m oscila´torem je CFPS-73 - 6MHz. 2.4.3
Teplotnı´ kalibrace
Samotny´ cˇip TDC-GP2 je vybaven elektronikou urcˇenou k meˇrˇenı´ teploty avsˇak jejı´ princip je zalozˇen meˇrˇenı´ doby nabı´jenı´ externı´ho referencˇnı´ho kondenza´toru prˇes staticke´ odpory a termistory - jde tedy o pomeˇrovou metodu, ktera´ navı´c prˇedpokla´da´ absolutnı´ teplotnı´ stabilitu referencˇnı´ho kondenza´toru. Pouzˇitı´ pomeˇrove´ho meˇrˇenı´ ke korekci teplotnı´ch driftu˚ samotne´ho cˇipu TDC-GP2 by tudı´zˇ bylo problematicke´. A navı´c jeho TDC jednotka, kterou chceme teplotneˇ kalibrovat se v tomto meˇrˇenı´ prˇ´ımo vyuzˇ´ıva´. Prototyp byl tedy doplneˇn o digita´lnı´ teplomeˇr DS18B20 jehozˇ absolutnı´ prˇesnost 0,6K a rozlisˇenı´ 0,01K lze pokla´dat za dostacˇujı´cı´. A lze tedy TDC cˇip spolu s referencˇnı´m oscila´torem kalibrovat vzhledem k teploteˇ nameˇrˇene´ tı´mto teplomeˇrem.
2.5
Firmware
Firmware mikroprocesoru je napsa´n v jazyce C v prostrˇedı´ CCS C compiler. Programova´ smycˇka rˇ´ıdı´cı´ho mikrokontrole´ru je navrzˇena tak, aby umozˇnila realizovat hlavnı´ meˇrˇ´ıcı´ rezˇimy TDC cˇipu. K ovla´da´nı´ TDC-GP2 byla vytvorˇena knihovna, ktera´ umozˇnˇuje nastavit vsˇechny mozˇnosti cˇipu. Obsahuje take´ neˇkolik funkcı´ vysˇsˇ´ı u´rovneˇ, ktere´ se ty´kajı´ ovla´da´nı´ urcˇite´ho meˇrˇ´ıcı´ho mo´du cˇipu. TDC-GP2 ma´ dva hlavnı´ cˇasove´ meˇrˇ´ıcı´ mo´dy, lisˇ´ı se prˇedevsˇ´ım v rozsahu meˇrˇene´ho intervalu a pocˇtem kana´lu˚ na ktery´ch je mozˇne´ cˇekat na STOP impuls. 2.5.1
Meˇrˇ´ıcı´ mo´d 1
Tento meˇrˇ´ıcı´ mo´d je urcˇen k meˇrˇenı´ kratsˇ´ıch intervalu˚ v rozsahu 3,5ns do 1,8us. Na dvou vstupnı´ch kana´lech. Vy´robcem uda´vane´ rozlisˇenı´ pro tento mo´d je 50ps RMS. Kazˇdy´ ze vstupu˚ je schopen zmeˇrˇit azˇ 4 za´sahy a citlivost vstupu˚ je mozˇne´ nastavit na sestupnou, cˇi na´beˇzˇnou hranu. 2.5.2
Meˇrˇ´ıcı´ mo´d 2
Tı´mto meˇrˇ´ıcı´m mo´dem je mozˇne´ meˇrˇit delsˇ´ı cˇasove´ u´seky od 500ns azˇ do 4ms, avsˇak pouze na jednom kana´le STOP1. Na tento kana´l mohou by´t zaznamena´ny 3 za´sahy a citlivost mu˚zˇe by´t opeˇt zvolena na na´beˇzˇnou, nebo sestupnou hranu. 12
Obra´zek 9: Hlavnı´ programova´ smycˇka rˇ´ıdı´cı´ho mikrokontrole´ru PIC16F887
Obra´zek 10: Pru˚beˇh meˇrˇenı´ v cˇipu GP2 beˇhem meˇrˇ´ıcı´ho mo´du 1.
13
Obra´zek 11: Pru˚beˇh meˇrˇenı´ v cˇipu GP2 beˇhem meˇrˇ´ıcı´ho mo´du 2.
14
2.5.3
Fire generator - generova´nı´ spousˇteˇcı´ho signa´lu
Oba meˇrˇ´ıcı´ mo´dy cˇipu umı´ vyuzˇ´ıt takzvany´ ”Fire generator”, ktery´ slouzˇ´ı k vygenerova´nı´ spousˇteˇcı´ho signa´lu pro zacˇa´tek meˇrˇenı´ (Naprˇ´ıklad vy´strˇel LASERu). 2.5.4
Meˇrˇenı´ teploty
Prˇi meˇrˇenı´ teploty cˇipem TDC-GP2 je trˇeba jej resetovat do tova´rnı´ho nastavenı´ a na´sledneˇ nastavit pocˇet meˇrˇeny´ch kana´lu˚ (Dva nebo cˇtyrˇi). Dalsˇ´ı nastavenı´ nenı´ trˇeba prova´deˇt. A lze rovnou spustit meˇrˇenı´. Tento postup ale nenı´ v datasheetu stejneˇ jako dalsˇ´ı procedury podrobneˇ dokumentova´n, cozˇ zpu˚sobilo znacˇne´ zdrzˇenı´ ve vy´voji knihovny. Firmware je od druhe´ho prototypu nakonfigurova´n tak, zˇe automaticky meˇrˇ´ı vsˇechny cˇtyrˇi mozˇne´ teplotnı´ kana´ly a navı´c prˇecˇte i digita´lnı´ senzor teploty DS18B20. Nameˇrˇeny´ vy´stup ze cˇtyrˇ pomeˇrovy´ch termocˇla´nkovy´ch teplomeˇrny´ch kana´lu˚ nenı´ firmwarem nijak zpracova´va´n a jeho vyhodnocenı´ je ponecha´no na uzˇivateli. 2.5.5
Datovy´ vy´stup
Datovy´ vy´stup je inspirova´n textovy´m forma´tem GPS NMEA. Prˇ´ıklad datove´ho vy´stupu je na´sledujı´cı´. # TDC0.2 (C) 2011 Jakub Kakona $TDC0.2->TM $TDC0.2 TMP 0007506076 0007519380 0008204130 4294967295 291.90 $TDC0.2->M2 1 $TDC0.2 M2 0.7005860 Po resetu se prˇ´ıstroj ohla´sı´ jako TDC a prˇida´ verzi firmwaru. Na na´sledujı´cı´ rˇa´dek je vypsa´n prompt $TDC0.2-> Prompt opeˇt pokazˇde´ obsahuje verzi firmwaru, aby bylo mozˇne´ v nadrˇazene´m pocˇ´ıtacˇi rozlisˇit vı´ce prˇ´ıstroju˚ v ru˚zny´ch sta´diı´ch vy´voje. Prˇ´ıkaz TM Spousˇtı´ meˇrˇenı´ teploty, vy´stupem jsou 4 relativnı´ hodnoty + teplota nameˇrˇena´ cˇidlem DS18B20 uda´vana´ v kelvinech. Prˇ´ıkaz M2 1 Spousˇtı´ cˇasove´ meˇrˇenı´ v mo´du 2 prˇ´ıkaz ma´ jeden jednociferny´ parametr - pocˇet prˇedpokla´dany´ch za´sahu˚ meˇrˇ´ıcı´ho kana´lu 1 (V prˇ´ıkladu ma´ hodnotu 1). Vy´stupem je zmeˇrˇeny´ cˇas pocˇ´ıtany´ od hrany START pulzu v us. (Pocˇet za´sahu˚ je trˇeba nastavit spra´vneˇ, nebot’ v opacˇne´m prˇ´ıpadeˇ je vy´stupem nesmyslna´ hodnota.) 15
Vy´stupnı´ data jsou odesı´la´na na se´rovy´ port s parametry 9800 8N1. A ke sbeˇru dat lze pouzˇ´ıt libovolny´ textovy´ termina´l. Firmware zpracova´va´ pouze prvnı´ch 20 prˇ´ıchozı´ch znaku˚ v kazˇde´ rˇa´dce (rˇa´dka musı´ by´t ukoncˇena ASCII rˇ´ıdı´cı´m znakem 13 ), vsˇechny prˇecˇtene´ prˇ´ıchozı´ znaky jsou echova´ny zpeˇt na vy´stup, je tak umozˇneˇna kontrola spra´vnosti prˇenosu a implementace vlastnı´ check-sum. Nezna´my´, nebo syntakticky sˇpatny´ prˇ´ıkaz, je firmwarem ignorova´n a je vypsa´n novy´ prompt. Kazˇda´ provedena´ vy´stupnı´ rˇa´dka obsahuje identifikaci meˇrˇenı´ - TMP, M2, nebo M1.
3
Vy´sledky
3.1
Nameˇrˇene´ charakteristiky
Na druhe´m prototypu byla oveˇrˇena funkcˇnost cˇipu TDC-GP2 pomocı´ experimentu - meˇrˇenı´ zpozˇdeˇnı´ pru˚chodu signa´lu vedenı´m. Zpozˇdeˇnı´ bylo meˇrˇeno na dvou typech elektricky´ch vedenı´. • Koaxia´lnı´ kabel RG174 de´lka 4,15m + dveˇ koncovky o de´lce 17cm. • Zkrouceny´ pa´r vodicˇu˚ 2x0,35mm2 vneˇjsˇ´ı pru˚meˇr izolace 1,21mm de´lka 2x1m. Vodicˇe byly po celou dobu meˇrˇenı´ volneˇ polozˇeny na stole. Meˇrˇ´ıcı´ impulz byl vytva´rˇen vestaveˇny´m Fire-genera´torem a jeho de´lka byla nastavena na 300ns. Vy´stup Fire2 byl prˇ´ımo prˇipojen na vstup START z neˇj byl signa´l odveden do koaxia´lnı´ho kabelu, ktery´m se vra´til zpeˇt na vstup STOP1. Vstup STOP2 byl pak prˇipojen 20cm dlouhy´m vodicˇem ke vstupu STOP1. V druhe´ cˇa´sti experimentu (se zkroucenou dvojlinkou) byl prvnı´ metr dvojlinky odveden ze vstupu START, na vstup STOP1. Z tohoto vstupu pak signa´l da´le pokracˇoval na vstup STOP2 dalsˇ´ım 1m dı´lem dvojlinky. V obou prˇ´ıpadech nebyl konec vedenı´ nijak terminova´n, ale pouze prˇipojen na CMOS vstupy TDC cˇipu. Z tohoto du˚vodu bylo mozˇne´ meˇrˇenı´ prova´deˇt pouze s jednı´m impulzem s dostatecˇnou prodlevou mezi meˇrˇenı´mi, aby bezpecˇneˇ dosˇlo k pohlcenı´ odrazu˚ ve vedenı´. Vy´sledek meˇrˇenı´ cˇasovy´ch intervalu˚ s dvoulinkou je viditelny´ na obra´zku 12. Je zde vybra´n pouze druhy´ STOP kana´l, nebot’ na prvnı´m nebyly nameˇrˇeny zˇa´dne´ fluktuace a cˇas byl konstantneˇ 4,338ns. Prˇi meˇrˇenı´ na koaxia´lnı´m kabelu RG174 dosˇlo k fluktuacı´m na obou meˇrˇeny´ch kana´lech a nameˇrˇena´ data jsou zobrazena na obra´zku 13. Pru˚beˇh experimentu byl po neˇkolik hodin rˇ´ızen z PC pomocı´ skriptu, ktery´ spousˇteˇl meˇrˇenı´ cˇasu a teploty v opakujı´cı´ch se 5s intervalech. Podobny´m zpu˚sobem bylo provedeno meˇrˇenı´ i v meˇrˇ´ıcı´m mo´du 2, zde ale kvu˚li nutnosti vytvorˇenı´ delsˇ´ıho cˇasove´ho intervalu nemohlo by´t vyuzˇito zpozˇdeˇnı´ signa´lu prˇi pru˚chodu vedenı´m a proto byl jako genera´tor vyuzˇit mikroprocesor PIC18F4550. Impulzy byly generova´ny na dvou jednotlivy´ch vy´stupech mikroprocesoru. (Pro START a STOP1 vstup TDC-GP2). Pomocı´ na´sledujı´cı´ cˇa´sti programu.
16
Obra´zek 12: Pru˚beˇh zpozˇdeˇnı´ signa´lu a teploty beˇhem meˇrˇenı´ zkroucene´ho pa´ru vodicˇu˚.
17
Obra´zek 13: Pru˚beˇh zpozˇdeˇnı´ signa´lu a teploty beˇhem meˇrˇenı´ koaxia´lnı´ho kabelu RG174.
18
if(!input(MODE_SELECT)) { while(!input(FIRE_DETECT)); output_high(START); output_low(START); delay_us(150); output_high(STOP1); output_low(STOP1); delay_us(1); output_high(STOP1); output_low(STOP1); delay_us(10); output_high(STOP1); output_low(STOP1); } Z uka´zky programu je videˇt, zˇe ocˇeka´vane´ zpozˇdeˇnı´ trˇech vy´stupnı´ch impulzu˚ meˇly by´t 150us, 151us a 161us. Z podstaty fungova´nı´ mikroprocesoru jsou ale skutecˇne´ cˇasy o neˇco delsˇ´ı. Konkre´tneˇ 150.243us, 151.408us a 161.575us pro zvy´razneˇnı´ fluktuacı´ byly tyto cˇasy odecˇteny od zmeˇrˇeny´ch dat a vy´sledny´ rozdı´l zobrazen v obra´zku 14. Z obra´zku je pak viditelne´, zˇe prˇi meˇrˇenı´ nebyla zjisˇteˇna zˇa´dna´ teplotnı´ za´vislost. Rozptyl nameˇrˇeny´ch hodnot je pak da´n pravdeˇpodobneˇ spı´sˇe parametry pouzˇite´ho mikroprocesoru, nezˇ nestabilitou meˇrˇ´ıcı´ TDC jednotky. Je trˇeba ale zdu˚raznit, zˇe u vsˇech meˇrˇenı´ nedocha´zelo v jejich pru˚beˇhu k vy´razneˇjsˇ´ı zmeˇneˇ teploty. A vlivem maly´ch rozdı´lu˚ nameˇrˇeny´ch hodnot jsou zatı´zˇeny znacˇny´m kvantizacˇnı´m sˇumem. Nicme´neˇ meˇrˇenı´ vypovı´dajı´ o pravdeˇpodobne´m chova´nı´ cˇipu TDC-GP2 v beˇzˇny´ch stabilnı´ch laboratornı´ch podmı´nka´ch.
3.2
Pouzˇitı´
Po vybavenı´ prˇ´ıstroje potrˇebny´mi opticky´mi elementy by bylo mozˇne´ jej pouzˇ´ıt k laserove´mu meˇrˇenı´ vzda´lenostı´, pro Time Correlated Photon Countig a i v dalsˇ´ıch aplikacı´ch.
3.3
Mozˇnosti dalsˇ´ıho vy´voje
Dalsˇ´ı vy´voj zarˇ´ızenı´ by jizˇ meˇl by´t cı´len na konkre´tnı´ aplikaci ve ktere´ bude prˇ´ıstroje nasazen. Aktua´lnı´ stav je dobry´m vy´chozı´m bodem pro pouzˇitı´ v konkre´tnı´ch experimentech. Pro ktere´ je mozˇne´ prˇ´ıstroj snadno upravit.
19
Obra´zek 14: Nameˇrˇene´ fluktuace vy´stupu˚ PIC18F4550 beˇhem cˇasove´ho meˇrˇ´ıcı´ho mo´du 2
20
3.3.1
Komunikacˇnı´ protokol
Pouzˇity´ komunikacˇnı´ protokol je du˚sledkem postupne´ho vy´voje prototypu˚ a zatı´m se sta´le vyvı´jı´. Nebot’nenı´ zna´me´ podobne´ zarˇ´ızenı´ od ktere´ho by bylo mozˇno prˇevzı´t komunikacˇnı´ forma´t. A jeho konkre´tnı´ podoba se usta´lı´ pravdeˇpodobneˇ azˇ po jeho skutecˇne´m vyuzˇitı´ v experimentu. 3.3.2
Specia´lnı´ zpracova´nı´ rychly´ch vstupnı´ch a vy´stupnı´ch signa´lu˚
Samotny´ cˇip TDC-GP2 pouzˇ´ıva´ jako vstupnı´ a vy´stupnı´ signa´l logicke´ u´rovneˇ 5V CMOS. To nemusı´ by´t pro neˇktere´ aplikace vhodne´, jednak kvu˚li komplikacı´m s vedenı´m jednoduche´ho CMOS signa´lu na delsˇ´ı vzda´lenosti a potom i z hlediska ochrany samotne´ho obvodu prˇed posˇkozenı´m externı´m zarˇ´ızenı´m. Do budoucna bylo proto prˇipraveno neˇkolik rozsˇirˇujı´cı´ch modulu˚ umozˇnujı´cı´ch interakci s jiny´mi prˇ´ıstroji. Patrˇ´ı mezi neˇ prˇevodnı´k TTL na PECL, vy´stupnı´ PECL signa´l je pak diferencia´lnı´ a lze jej proto snadno odva´deˇt na velke´ vzda´lenosti kvalitnı´m diferencia´lnı´m vedenı´m, jako jsou naprˇ´ıklad kabely SATA, nebo UTP kabely bez rizika posˇkozenı´ signa´lu elektrickou interferencı´. Stejny´ prˇevodnı´k (Osazeny´ jiny´m IO) pak lze pouzˇ´ıt i k prˇevedenı´ PECL signa´lu zpeˇt na TTL a dovedenı´m pouze na kra´tkou vzda´lenost. Proble´my kompatibility CMOS a TTL lze pak v takove´m prˇ´ıpadeˇ zanedbat. Dalsˇ´ım modulem je vı´cena´sobny´ aktivnı´ rozbocˇovacˇ na 10 kana´lu˚ CLKHUB02A, ktery´ lze vyuzˇ´ıt k rozvodu signa´lu do vı´ce mı´st bez ztra´ty jeho intenzity a se zachova´nı´m definovane´ fa´ze. V prˇ´ıpadeˇ zˇe by bylo prˇesto nutne´ sta´le pouzˇ´ıvat CMOS signa´l a hrozilo by narusˇenı´ jeho integrity disperzı´ vedenı´ nebo jiny´mi vlivy, tak lze zarˇ´ızenı´ snadno dovybavit rychly´m kompara´torem, jako je naprˇ´ıklad neˇktery´ z ADCMP551/ADCMP552/ADCMP553.
4
Za´veˇr
Vy´sledkem pra´ce je prˇ´ıstroj, ktery´ lze bez za´sadnı´ch u´prav vyuzˇ´ıt k meˇrˇenı´ kra´tky´ch cˇasovy´ch intervalu˚ v laboratornı´ch experimentech. Zarˇ´ızenı´ je za´rovenˇ dostatecˇneˇ flexibilnı´ pro potrˇebne´ u´pravy na za´kladeˇ pozˇadavku˚ neˇktery´ch specia´lnı´ch aplikacı´, ktere´ zatı´m nelze prˇedvı´dat.
21
Obra´zek 15: Na´vrh desky plosˇne´ho spoje prˇevodnı´ku TTL na PECL a opacˇneˇ.
Seznam obra´zku˚ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Ideove´ sche´ma meˇrˇ´ıcı´ jednotky TDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zpu˚sob prˇesne´ho meˇrˇenı´ delsˇ´ıch cˇasovy´ch u´seku˚ . . . . . . . . . . . . . . Ideove´ sche´ma cı´love´ho zarˇ´ızenı´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Blokove´ sche´ma cˇipu TDC-GP2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prvnı´ testovacı´ prototyp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druhy´ testovacı´ prototyp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zpu˚sob propojenı´ modulu˚ druhe´ho prototypu . . . . . . . . . . . . . . . . Na´vrh plosˇne´ho spoje modulu GP201A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hlavnı´ programova´ smycˇka ˇr´ıdı´cı´ho mikrokontrole´ru PIC16F887 . . . . . Pru˚beˇh meˇrˇenı´ v cˇipu GP2 beˇhem meˇrˇ´ıcı´ho mo´du 1. . . . . . . . . . . . . . Pru˚beˇh meˇrˇenı´ v cˇipu GP2 beˇhem meˇrˇ´ıcı´ho mo´du 2. . . . . . . . . . . . . . Pru˚beˇh zpozˇdeˇnı´ signa´lu a teploty beˇhem meˇrˇenı´ zkroucene´ho pa´ru vodicˇu˚. Pru˚beˇh zpozˇdeˇnı´ signa´lu a teploty beˇhem meˇrˇenı´ koaxia´lnı´ho kabelu RG174. Nameˇrˇene´ fluktuace vy´stupu˚ PIC18F4550 beˇhem cˇasove´ho meˇrˇ´ıcı´ho mo´du 2 Na´vrh desky plosˇne´ho spoje prˇevodnı´ku TTL na PECL a opacˇneˇ. . . . . . .
5 5 6 7 8 9 10 11 13 13 14 17 18 20 22
Reference [1] Silicon Labs Application Note AN491 http://www.silabs.com/support%20documents/technicaldocs/an491.pdf
22
[2] Fairchild Semiconductor Application Note 393 March 1985 [3] Fairchild Semiconductor Application Note AN-610 April 1989 [4] Analysis on the Effectiveness of Clock Trace Termination Methods and Trace Lengths on a Printed Circuit Board Mark I. Montrose Montrose Compliance Services 2353 Mission Glen Dr. Santa Clara, CA 95051-1214 (408) 247-5715 [5] PIC16F887 datasheet http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/41291F.pdf [6] PIC18F4550 datasheet http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39632e.pdf [7] TDC-GP2 datasheet http://www.acam-usa.com/GP2-Data-Sheet-Download.html [8] MLAB electronics development system http://www.mlab.cz
23
5
4
3
2
1
VCC VCC
JUMP3
U2 1
OE
Vio J2
GND
OUT
SG8002 C7 2
1
R4 560k 1 2
2
Vio
R6 1k 2
1
2
19 20 23 24
J13 J14 J15
1 1 1
32 26 25 31 30 27
Vio
RSTN
En_Start En_Stop1 En_Stop2
8
1
13
J16
M6 FIDU_PASTE 1
9 10 11 12
1 3 5 7 JUMP2X2
J3 Clk32in
TDC-GP2
M5 FIDU
R5 10k
J17 SSN SCK SI SO
Start Stop1 Stop2
C
2
PT4 PT3 PT2 PT1
GND GND GND
J19 PT1000
1 1 1
HOLE_M3
3 22 INTN
28 21 4
J10 J11 J12
Vio Vio
1 Xin
2
SenseT LoadT
J18 PT1000 1 2 2
1
HOLE_M3
Fire2 Fire1 Fire_in
R7 1k
1
M4 1
1
1
1
M3
Clk32Out
16 15
1 3
B
2
6 5 7
HOLE_M3
J6
R8 49R9
J4
R1 100k 1
3
1 1 1
1
HOLE_M3
1
1 J7 J9 J8
17 18
B
15pF
5MHz
Xout
4
2 C13 C0805/1206
29 14 Vcc Vcc
5
U1
M2 1
1
1
2 1
U3A 74HC1G14A/SO
2
C
B
R3 220
VCC
M1
C8 2
JUMP2X1
X2 A
15pF
Vio
C12 100nF
3
2
C4 100nF 1
C3 100nF
1
C
C5 4,7uF 1
C11 100uF
2
2
2
2
D2 A
JUMP2X3
D
1
1N4007SMD
C9 100nF
OSC
J5
A
1 3 5
C
D
4
VCC
2
1 2 3
R2 10M 1 2 X1 A
B G1
J20 JUMP6
32.768kHz
VCC
2 C1 100nF
C2 100nF 1
C6 4,7uF 1
C10 100uF C
A
2
A D1
1
JUMP2X3
A
2
1N4007SMD C
1 3 5
1 2 3 4 5 6
J1
A Firma
Author KAKLIK
MLAB Size A4 Date:
Project Name
TDC
Schematic Name TDC-GP201A
Tuesday, November 23, 2010
Sheet
1
Rev A of
1
List1 Type
name
oscillator
CFPS-67, -68, -69
crystal crystal oscillator
HC49US Q 7.3728MHz SMD7050 SG – 310
oscillator
CFPS-9
oscillator
CFPS-72, -73
oscillator oscillator oscillator
crystal crystal crystal crystal
High speed Temperature Frequency Stability Frequency tolerance Frequency ±25ppm, ±50ppm, ±100ppm (inclusive of supply voltage & output load variations over the operating temperature 1,8-50MHz range) 50ppm
30ppm
25ppm 20ppm ±25ppm, ±50ppm, ±100ppm (inclusive of supply voltage & output load variations over the operating temperature Range) ±20ppm, ±25ppm, ±50ppm, ±100ppm (inclusive of supply voltage & output load variations over the operating temperature range)
Package
Jitter
5.0 x 3.2 x 0.95mm SMD Ceramic Package
Farnell
HC49US
3,5-80MHz
3,2x2,5 SMD
36 Kč 51 Kč
1,8-160MHz
5.0 x 3.2 SMD ceramic package with a sealed metal lid
92 Kč
1,25-160MHz
Farnell GME
7.0 x 5.0mm SMD Ceramic Package.
±25ppm, ±50ppm, ±100ppm (inclusive of supply voltage & output load variations over the operating temperature range)
1,8-125MHz
7.5 x 5.0mm SMD Ceramic Package
FXO-HC736R-4
25ppm
4MHz
7,5 x 5,2 Footprint compatible with industrystandard 3.2 x 5.0 mm XOs
<1.5 ps
4,9x1,8 SMD 3x8mm DT 38 cilinder 3,8X8 SMD 3x8 cilinder
-
CM519 Q 32.768KHZ Q 32.768KHZ MP03 32.768K-20PPM
10ppm
0,034ppm/K^2
150ppm
0,9-200MHz
Low speed crystals 20ppm 32,768kHz 20ppm 32,768kHz 32,768kHz 20ppm 32,768kHz
Stránka 1
149 Kč
3,5-30MHz
CFPS-32
Si500S
Price
TME
57 Kč
Farnell GME GME TME
8 Kč 4 Kč 15 Kč 4 Kč
