SeruTek Plus 基于Kintex的4通道TDC–简介与测试
目录
简介
SeruTek TDC 是上海瑟如电子公司开发的一款基于Xilinx 7系列FPGA/SoC的TDC IP核。当前，SeruTek TDC 分为2种型号。基本型号适用于全系列Artix-7，对Zynq最高支持到Z7020。从Z7030开始，Zynq更高阶的器件的PL部分等效于Kintex系列。虽然Kintex与Artix同为28nm制程，但速度更快，门延迟更小，因此在Kintex上TDC的形态也与Artix上的不同。基于这个原因，将适用与Kintex系列的TDC IP 单列一个型号，称为SeruTek Plus TDC。
在测量精度上，SeruTek Plus与基本型号大致相当。如果时钟信号和hit信号设计良好，SeruTek Plus的测量RMS精度能比基本型号小3-5ps，达到20ps。SeruTek Plus的主要优势在于更高的hit速率，从基本型的70MHz提升至90MHz，对应的单通道最小脉冲间隔从14ns提升至11ns。
此外，由于高阶器件资源更为丰富，便于多通道TDC与用户逻辑的集成，从而能够实现更为复杂的时间测量及数据处理逻辑。
以下对SeruTek TDC 基本型的介绍同样使用于SeruTek Plus。
SeruTek TDC采用多通道时间戳机制，对各个通道输入的脉冲记录其时间戳。时间戳分为两部分：粗计数和精计数。粗计数由FPGA内部实现的计数器得到，精密计数由FPGA内部的进位链组成的延时链得到。在采用类似的粗、精计数组合的技术方法中，最大的问题在于输入脉冲有可能非常靠近粗计数器时钟的上升沿，从而不满足其Flip-Flop
register的setup时序要求并导致非稳态。非稳态的产生使得粗计数的值极有可能发生单周期跳变，从而严重影响计数精度。SeruTek
TDC采用自研的独有技术完美解决了这一问题，从而大大提升了TDC的实用性。此外，SeruTek TDC还具有片上自动码宽度自动校准功能，并采取了多种技术手段减小了通道之间的时延差变化波动，
保证了在结温变化时，通道之间的时延差小于20ps。
高精度、大量程、高速率、低通道差、多通道等优异的特性使得SeruTek广泛适用于通用计数器领域以及需要用到脉冲飞行时间(ToF)的应用，如激光测距、激光雷达、PET、超声波等应用。SeruTek TDC可选择标准的AXI或AXIS接口输出时间戳数据，可与Zynq A9硬核以及Microblaze软核集成，实现数据高速传输与处理。
SeruTek Plus TDC的主要技术特性如下：
| One-shot RMS 精度 | < 25ps | |
|---|---|---|
| 最大量程 | 约70年 | |
| 单通道最小触发间隔（dead time） | 11 ns | |
| 最小可测时间间隔 | 单通道：11ns 将start、stop信号分布在不同通道上可以测量任意小的时间间隔 | |
| 通道间一致性 | < 20 ps（外部校准后，时延差变化范围） | |
| 突发触发速率（burst hit rate） | 90MHz 突发速率最大样本数受限于片上FIFO的容量。标准情况下为2048个点，可根据使用芯片容量定制。 | |
| 连续触发速率 | 取决于采用的readout机制，当使用DMA时，单通道连续触发速率>30MSa/s。当配合riffa实现PCIE传输时，可在PCIE2.0 X8配置下实现多通道总和180Msa/s的连续采样速率。 |
测试设置
IP 设计
基于Kintex的4通道TDC IP如上图所示。下表是接口描述：
| 接口名称 | 输入/输出 | 功能 |
|---|---|---|
| CMD_AXI | 输入/输出 | 配置及控制TDC IP |
| CLK_IND_200MHz_clk_p/n | 输入 | 200MHz差分参考时钟输入 |
| arestn | 输入 | TDC IP 内部重置信号 |
| cmd_axi_aclk | 输入 | CMD_AXI的时钟输入 |
| Cmd_axi_arestn | 输入 | CMD_AXI的重置输入 |
| Hitn(1…4) | 输入 | 4路hit 脉冲信号 |
| DATA_MAXIS | 输出 | 输出timestamp的AXI-Stream Master 接口 |
| CLK_OUT_100M | 输出 | 输出100MHz频率，供Microblaze及相关外设使用 |
| LOCKED | 输出 | 内部MMCM锁定指示信号。可连接LED显示状态。可连接System processor reset的dcm_loced输入，实现reset时序。 |
示例程序
为了方便用户对4通道SeruTek Plus TDC IP进行快速测试与评估，我们开发了基于Xilinx官方开发板Avnet KC705的最小示例程序。
设计框图
示例的Vivado 设计框图如下图：
该最小系统例化了一个MicroBlaze核，用以控制及配置TDC；128KB的BRAM用以储存程序及作为运行内存；一个UART_lite IP，波特率115200，用以打印时间戳信息；一个SeruTek Plus 4通道TDC IP；此外还例化了一个AXIS- FIFO，用来读取TDC IP输出的时间戳数据。
TDC IP具有1个AXI-lite接口：CMD_AXI，其附属的时钟和重置信号都可以通过Vivado的自动连接功能进行快速连接。 Zynq PS或MicroBlaze可通过CMD_AXI对TDC IP进行配置和控制。
时间戳原始数据通过TDC IP 上的Data_MAXIS接口向外输出。其Data宽度为12 bytes，其时钟信号在IP内部由CLK_OUT_100M提供。
与IP核一起发布的SDK函数库中提供了配置控制TDC IP以及读取时间戳并解码的函数，还提供了示例程序，用以采集时间戳数据后通过串口打印输出。
布局与资源利用
该示例的所使用资源在器件中的布局如下图：
4通道TDC占用了两个时钟域：X0Y0和X0Y1。一部分BRAM被用作Microblaze的运存，另一部分被用作了TDC的高速FIFO。每通道FIFO的大小决定了该通道能够以高hit速率（最大约90Msa/s）测量的点数。在示例中，每通道配有2048点FIFO。FIFO大小可定制。
下图是4通道TDC最小系统所消耗资源的统计。值得注意的是，如果继续增加通道数，每增加一个通道需要增加一个BUFG。如果用户BUFG资源紧张，也可从普通IO引入hit信号，但根据测试经验，通道差在温度变化时的变化范围会增加。
能耗预估
根据Vivado的Porject Summary预估的能耗，如下图：
软硬件环境
测试硬件组成：
-
KC705开发板，芯片型号为XC7K325T-ffg9002-2；
-
一块Si5338 开发板，作为TDC时钟源与hit信号源；
测试软件组成：
-
Vivado Suit 2019.1
-
SeruTek sdk library r2.0(SDK 软件库，用于TDC核配置、控制以及原始数据解析)
SeruTek 4通道TDC 测试设置时钟及hit信号连接
KC705开发板购入已近5年，板载晶振抖动偏大。因此从Si5338 EVB引入一路200MHz LVDS信号接入KC705上的USER CLK SMA作为TDC的参考时钟源。4路hit信号也由Si5338产生。KC705通过一个FMC LPC、一个FMC
HPC接口引出了大量IO，除此之外只有一路差分USER GPIO
SMA可供使用。因此测试时，通过一块FMC LPC breakout转接板将 FMC
LPC的IO引出。4路hit信号的连接方式如下表：
| Hit1 | CCIO | LA00_P (FMC LPC breakout 2.54mm pin) |
|---|---|---|
| Hit2 | User IO | User GPIO SMA P(on KC705 board) |
| Hit3 | CCIO | CLK0_M2C(FMC LPC breakout SMA) |
| Hit4 | CCIO | LA17_P(FMC LPC breakout 2.54mm pin) |
其中除了Hit2用的是普通IO外，其它3路Hit信号都用的CCIO引脚。而4路信号中，hit3和hit2使用了SMA接口，接地性能较好，其它两路用的转接板上的2.54mm引脚，容易引起串扰。
连接方式参考下图：
需要指出的是FMC转接板上总共有4路差分SMA，但其中3路是GT信号，无法作为hit信号的输入。
测试内容
在之前发布的《SeruTek双通道TDC测试报告》已经对Serutek TDC的各项指标进行了详尽的测试，如需了解SeruTek TDC在不同hit速率下的表现，请参阅该报告。
本次测试第一个考察项目是在最高90MHz hit 速率下，SeruTek Plus TDC的性能。
第二个考察项目是测量TDC IP核各通道之间的时延差波动。Hit信号的走线长度很难保证精确一致，这是因为hit信号线的长度是FPGA地板走线、核心板走线以及FPGA内部走线长度之和。因此当产品定型后，需要通过外部校准手段，校准各通道间的时延差。但时延差本身的波动是无法通过外部校准进行补偿的。因此，通道间的时延差波动对最终测时的准确度有着非常重要的影响。
测试结果 – 90.54321MHz
被测信号为Si5338 EVB输出的4路LVCMOS25信号，都为同相信号，频率为90.54321MHz，以下截图是各项测试内容的计算结果：
为了减少篇幅，便于阅读，现将通道1的各项数据绘制如下，如需完整数据，和联系瑟如电子，提供原始数据以及分析的python程序。
原始数据截图
下图为串口输出的原始时间戳数据截图。第一列为通道号，第二列为时间戳，单位是ns（小数点前一位表示ns）。在IP核内部4路TDC的输出通过AXI
Stream Interconnection 连接在一起，通过一个AXI Stream
Master输出，因此读出的数据中混有各通道的时间戳。
为了减少篇幅，便于阅读，现将通道1的各项数据绘制如下，如需完整数据，和联系瑟如电子，提供原始数据以及分析的python程序。
时间戳轨迹
测量残差
将测量结果的时间序列做一阶拟合，然后将真值减去拟合值，得到残差，如下图。
残差Histogram
对残差序列统计各取值区域出现的频率，绘制直方图。
邻差序列
对测量结果序列前后做差，得到邻差序列，也就是相邻两个时间戳的差值序列。
理想情况下，90.54321MHz对应的时钟周期为11044.45ps。所有通道测得的时钟周期均值为11044.47 ps或11044.48 ps。由于hit速率高90.54321MHz，因此每通道采样点的数量上限为每通道FIFO的深度(本示例中每通道FIFO深度为2048点，再加上AXIS Interconnection中还有一部分FIFO。在最大hit速率下，每通道可采约2200点)。可见在2000多点平均后，测时精度能达到0.1ps。
通道间时延变化测试
多通道测量能力是SeruTek TDC极为重要的特性，不仅拓展了其使用场景，更大大简化了多通道TDC的部署与校准流程。对于SeruTek TDC
IP而言，由于每个通道hit信号、时钟信号的走线长度不同，各通道间存在时延差。这些时延差是否固定，它们随结温变化的波动幅度关系到多通道TDC测量值的可信程度。在SeruTek TDC内部，针对重要的信号如时钟信号等都采用了低时延斜率（skew）布线资源，以减小通道时延差，并控制走线长度、减小结温对时延的影响。
需要指出的是，通过FMC转接板将FMC LPC 的IO引出为2.54mm引脚这种形式，接地性能较差，在频率增大时容易发生串扰，所以hit频率不宜太高。
采取多次断电重启FPGA开发板的方式，验证每次重启后对相同hit时钟信号的时差测量值。下表列出了6次断电启动后，对2组（4路）180.54321KHz信号进行测量，所有信号都是同相信号。得到时间戳序列，并将通道n-通道1，得到通道间时差序列，每个通道2230个点，求平均值及标准差，录表于下：
| Mean(Chan2-Chan1) (ps) | Mean(Chan3-Chan1) (ps) | Mean(Chan4-Chan1) (ps) | |
|---|---|---|---|
| 1 | 2176.43 | -485.61 | 131.83 |
| 2 | 2178.93 | -482.32 | 140.20 |
| 3 | 2175.09 | -485.49 | 132.61 |
| 4 | 2183.39 | -480.67 | 132,44 |
| 5 | 2185.14 | -478.32 | 135.40 |
| 6 | 2184.68 | -479.31 | 132.46 |
可以看出chan2-chan1通道差较大，为2ns左右，而另外两组通道差都小于1ns。这是因为通道2用的是KC705 USER GPIO SMA，其对应的引脚不是CCIO，因此时延较大。
从测试结果可以看出，在6次断电启动的过程中，各通道间时延差变化小于10ps，能够满足绝大部分应用的需求。
下表为通道时差测量值的方差。由于采用转接板的方式，对信号串扰抑制较差，所以结果仅供参考。虽然通道4-通道1的方差较小，但是很有可能是因为两者之间的串扰，使得连个本来相位接近的信号相位更加趋于一致。这两路hit信号都是通过转接板的2.54mm引脚引入的。
| Std(Chan2-Chan1) (ps) | Std(Chan3-Chan1) (ps) | Std(Chan4-Chan1) (ps) | |
|---|---|---|---|
| 1 | 24.09 | 21.89 | 16.26 |
| 2 | 24.10 | 22.39 | 16.13 |
| 3 | 23.41 | 21.90 | 15.37 |
| 4 | 24.55 | 22.38 | 15.95 |
| 5 | 23.73 | 21.89 | 16.32 |
| 6 | 23.75 | 21.58 | 16.13 |