概述 本文档通过详细的Markdown流程图，展示时钟定时卡中TDC（Time-to-Digital Converter）系统的完整工作流程，包括信号触发、时间戳采集、处理和输出的全过程。
系统架构流程图 graph TB subgraph "输入信号源" GPS[GPS PPS信号] EXT[外部信号] SMA[SMA连接器信号] end subgraph "信号预处理" POL[极性选择器] BUF[输入缓冲器] end subgraph "TDC核心系统" HRCLK[高分辨率时钟域200MHz] SYSCLK[系统时钟域50MHz] SHIFT[移位寄存器TDC] CALC[时间戳计算器] end subgraph "时间基准" ADJCLK[可调时钟Adjustable Clock] LOCALTIME[本地时间基准秒+纳秒] end subgraph "处理与控制" PI[PI控制器] SERVO[伺服算法] COMP[延迟补偿] end subgraph "输出与接口" IRQ[中断输出] AXI[AXI4接口] CPU[CPU/软件] end GPS --> POL EXT --> POL SMA --> POL POL --> BUF BUF --> SHIFT HRCLK --> SHIFT SHIFT --> CALC SYSCLK --> CALC ADJCLK --> LOCALTIME LOCALTIME --> CALC CALC --> COMP COMP --> PI PI --> SERVO SERVO --> ADJCLK CALC --> IRQ IRQ --> CPU CALC --> AXI AXI --> CPU详细工作流程 1. PPS Slave TDC工作流程 sequenceDiagram participant GPS as GPS信号 participant HR as 高分辨率时钟域 participant SYS as 系统时钟域 participant TS as 时间戳处理 participant PI as PI控制器 participant ADJ as 可调时钟 Note over GPS,ADJ: PPS信号处理流程 GPS->>HR: PPS边沿信号 Note right of HR: 200MHz采样 HR->>HR: 移位寄存器记录 loop 高分辨率采样 HR->>HR: shift_reg <= shift_reg[N-2:0] & pps_input end HR->>SYS: 同步到系统时钟域 Note right of SYS: 时钟域切换 SYS->>TS: 检测边沿事件 alt 检测到PPS边沿 TS->>TS: 计算高分辨率延迟 TS->>TS: 补偿输入延迟 TS->>TS: 补偿电缆延迟 TS->>TS: 生成精确时间戳 end TS->>PI: 发送偏移误差 PI->>PI: 计算PI控制输出 PI->>ADJ: 发送调整命令 Note over GPS,ADJ: 完成一次PPS处理循环2. 信号时间戳器TDC工作流程 sequenceDiagram participant SIG as 输入信号 participant HR as 高分辨率时钟 participant SYS as 系统时钟 participant TS as 时间戳器 participant IRQ as 中断控制 participant CPU as CPU Note over SIG,CPU: 信号时间戳处理流程 SIG->>HR: 信号边沿触发 HR->>HR: 高频采样记录 Note right of HR: TimestampSysClkNx_EvtShiftReg记录 HR->>SYS: 域同步传输 Note right of SYS: 移位寄存器同步 SYS->>TS: 边沿检测 alt 检测到有效边沿 TS->>TS: 计算寄存器延迟 Note right of TS: 分析移位寄存器状态 TS->>TS: 应用延迟补偿 TS->>TS: 生成最终时间戳 TS->>TS: 递增事件计数器 end TS->>IRQ: 检查中断状态 alt 中断未挂起 IRQ->>IRQ: 设置中断标志 IRQ->>CPU: 发送中断信号 IRQ->>TS: 存储时间戳到寄存器 else 中断已挂起 TS->>TS: 设置丢弃标志 Note right of TS: 时间戳被丢弃 end CPU->>IRQ: 读取时间戳 CPU->>IRQ: 清除中断标志 Note over SIG,CPU: 准备处理下一个事件3. 高分辨率时间戳生成详细流程 flowchart TD START([输入信号边沿]) --> HRCLK{高分辨率时钟域} HRCLK --> SHIFT1[移位寄存器采样shift_reg <= shift_reg N-2:0 & input] SHIFT1 --> SHIFT2[连续移位记录记录信号状态变化] SHIFT2 --> SYNC[同步到系统时钟域TimestampSysClk_EvtShiftReg <= TimestampSysClkNx_EvtShiftReg] SYNC --> DETECT{检测边沿?TimestampSysClk2_EvtReg = '1'and TimestampSysClk3_EvtReg = '0'} DETECT -->|是| ANALYZE[分析移位寄存器状态] DETECT -->|否| WAIT[等待下一个时钟周期] WAIT --> DETECT ANALYZE --> CALC_DELAY[计算高分辨率延迟] subgraph "延迟计算逻辑" CALC_DELAY --> LOOP_START[遍历移位寄存器位] LOOP_START --> CHECK_BIT{检查位i是否为'1'} CHECK_BIT -->|是,i >= N*2-3| DELAY1[RegisterDelay = 3*ClockPeriod] CHECK_BIT -->|是,i >= N-3| DELAY2[RegisterDelay = 2*ClockPeriod + 精细调整] CHECK_BIT -->|否| DELAY3[RegisterDelay = 2*ClockPeriod] DELAY1 --> DELAY_DONE[延迟计算完成] DELAY2 --> DELAY_DONE DELAY3 --> DELAY_DONE end DELAY_DONE --> COMPENSATE[应用延迟补偿] subgraph "延迟补偿计算" COMPENSATE --> TOTAL_DELAY[总延迟 = 输入延迟 + 寄存器延迟 + 电缆延迟] TOTAL_DELAY --> CHECK_UNDERFLOW{纳秒字段会下溢?} CHECK_UNDERFLOW -->|是| BORROW[从秒字段借位纳秒 = 1000000000 + 当前纳秒 - 总延迟秒 = 当前秒 - 1] CHECK_UNDERFLOW -->|否| SUBTRACT[纳秒 = 当前纳秒 - 总延迟秒 = 当前秒] BORROW --> TIMESTAMP_READY[时间戳准备就绪] SUBTRACT --> TIMESTAMP_READY end TIMESTAMP_READY --> OUTPUT[输出最终时间戳Timestamp_Second_DatRegTimestamp_Nanosecond_DatReg] OUTPUT --> TRIGGER[触发后续处理Timestamp_ValReg = '1'] TRIGGER --> END([流程结束])4. PI控制器处理流程 flowchart TD START([接收偏移/漂移数据]) --> CHECK_ENABLE{系统使能?} CHECK_ENABLE -->|否| RESET[重置PI积分器输出零调整] CHECK_ENABLE -->|是| CHECK_VALID{数据有效?} CHECK_VALID -->|否| ERROR[输出错误标志保持上次输出] CHECK_VALID -->|是| CHECK_JUMP{时间跳跃?秒字段 != 0} CHECK_JUMP -->|是| TIME_JUMP[直接时间设置重置积分器] CHECK_JUMP -->|否| PI_CALC[PI控制计算] subgraph "PI控制算法" PI_CALC --> UPDATE_INTEGRAL[更新积分项根据误差符号累加/相减] UPDATE_INTEGRAL --> CALC_P[计算比例项P_out = Kp × error] CALC_P --> CALC_I[计算积分项I_out = Ki × integral] CALC_I --> COMBINE[组合PI输出output = P_out + I_out] COMBINE --> LIMIT_CHECK{输出限幅检查} LIMIT_CHECK -->|超限| LIMIT[限制到最大值重置积分器] LIMIT_CHECK -->|正常| NORMAL[正常输出] LIMIT --> PI_OUTPUT[PI控制器输出] NORMAL --> PI_OUTPUT end TIME_JUMP --> DIRECT_OUTPUT[直接调整输出] PI_OUTPUT --> FORMAT[格式化输出] DIRECT_OUTPUT --> FORMAT ERROR --> FORMAT RESET --> FORMAT FORMAT --> OUTPUT_REGS[更新输出寄存器OffsetAdjustment_*DriftAdjustment_*] OUTPUT_REGS --> TRIGGER[触发调整信号Adjustment_ValOut = '1'] TRIGGER --> END([发送到可调时钟])5. 中断处理流程 flowchart TD START([时间戳生成完成]) --> CHECK_ENABLE{时间戳器使能?} CHECK_ENABLE -->|否| DISABLE[清除所有中断重置计数器] CHECK_ENABLE -->|是| CHECK_IRQ{当前中断状态?} CHECK_IRQ -->|无中断挂起| NEW_IRQ[设置新中断] CHECK_IRQ -->|中断已挂起| DROP[设置丢弃标志TimestamperStatus_DropBit = '1'] subgraph "新中断处理" NEW_IRQ --> SET_IRQ[设置中断标志TimestamperIrq_TimestampBit = '1'] SET_IRQ --> STORE_TS[存储时间戳TimestamperTimeValueL/H_DatReg] STORE_TS --> STORE_COUNT[存储事件计数TimestamperCount_DatReg] STORE_COUNT --> UPDATE_TOTAL[更新总事件计数TimestamperEvtCount_DatReg++] UPDATE_TOTAL --> CHECK_MASK{中断屏蔽?} CHECK_MASK -->|未屏蔽| SEND_IRQ[发送中断到CPUIrq_EvtOut = '1'] CHECK_MASK -->|已屏蔽| NO_IRQ[不发送中断] end DROP --> UPDATE_DROP[更新丢弃计数] SEND_IRQ --> WAIT_CPU[等待CPU响应] NO_IRQ --> WAIT_CPU UPDATE_DROP --> WAIT_CPU DISABLE --> END WAIT_CPU --> CPU_READ{CPU读取时间戳?} CPU_READ -->|是| CLEAR_IRQ[CPU清除中断标志] CPU_READ -->|否| WAIT_CPU CLEAR_IRQ --> READY[准备处理下一个事件] READY --> END([流程结束])6. 系统级TDC集成流程 flowchart LR subgraph "信号输入层" GPS_IN[GPS PPS] EXT_IN[外部信号] SMA_IN[SMA信号] end subgraph "TDC处理层" direction TB PPSTDC[PPS Slave TDCGPS同步处理] SIGTDC[Signal Timestamper TDC通用信号时间戳] FREQTDC[Frequency Counter TDC频率测量] end subgraph "时间基准层" ADJCLK[可调时钟系统时间基准] CLKDET[时钟检测器时钟源选择] end subgraph "控制算法层" PI_OFFSET[偏移PI控制器] PI_DRIFT[漂移PI控制器] TOD[TOD Slave绝对时间获取] end subgraph "接口层" AXI_BUS[AXI4总线] IRQ_CTRL[中断控制器] PCIE[PCIe接口] end GPS_IN --> PPSTDC EXT_IN --> SIGTDC SMA_IN --> FREQTDC PPSTDC --> PI_OFFSET PPSTDC --> PI_DRIFT PI_OFFSET --> ADJCLK PI_DRIFT --> ADJCLK TOD --> ADJCLK CLKDET --> ADJCLK ADJCLK --> PPSTDC ADJCLK --> SIGTDC ADJCLK --> FREQTDC SIGTDC --> IRQ_CTRL PPSTDC --> AXI_BUS SIGTDC --> AXI_BUS FREQTDC --> AXI_BUS AXI_BUS --> PCIE IRQ_CTRL --> PCIE关键时序参数 时间精度参数 参数 数值 说明 系统时钟频率 50MHz 基准时钟频率 高分辨率时钟频率 200MHz TDC采样频率 时间戳分辨率 5ns 理论最高精度 寄存器延迟 2-3个时钟周期 时钟域切换延迟 输入延迟 可配置 缓冲器延迟补偿 电缆延迟 可配置 传输延迟补偿 处理延迟分析 1 2 3 4 5 6 7 8 9 总处理延迟 = 高分辨率采样延迟 + 域同步延迟 + 计算延迟 + 输出延迟 其中: - 高分辨率采样延迟: 0-5ns (取决于信号到达时间) - 域同步延迟: 20ns (1个系统时钟周期) - 计算延迟: 40-60ns (2-3个系统时钟周期) - 输出延迟: 20ns (1个系统时钟周期) 总延迟范围: 80-105ns 软件接口流程 CPU读取时间戳流程 sequenceDiagram participant CPU as CPU软件 participant AXI as AXI总线 participant TS as 时间戳器 participant IRQ as 中断控制器 Note over CPU,IRQ: 时间戳读取流程 IRQ->>CPU: 中断信号 CPU->>AXI: 读取中断状态寄存器 AXI->>TS: 访问TimestamperIrq_Reg TS->>AXI: 返回中断状态 AXI->>CPU: 中断状态数据 alt 有时间戳中断 CPU->>AXI: 读取时间戳低32位 AXI->>TS: 访问TimestamperTimeValueL_Reg TS->>AXI: 返回纳秒字段 AXI->>CPU: 纳秒数据 CPU->>AXI: 读取时间戳高32位 AXI->>TS: 访问TimestamperTimeValueH_Reg TS->>AXI: 返回秒字段 AXI->>CPU: 秒数据 CPU->>AXI: 读取事件计数 AXI->>TS: 访问TimestamperCount_Reg TS->>AXI: 返回计数值 AXI->>CPU: 计数数据 CPU->>AXI: 清除中断标志 AXI->>TS: 写TimestamperIrq_Reg TS->>TS: 清除中断位 TS->>IRQ: 取消中断信号 end Note over CPU,IRQ: 准备处理下一个中断故障处理流程 时间戳丢弃处理 flowchart TD START([新时间戳事件]) --> CHECK_IRQ{检查中断状态} CHECK_IRQ -->|无中断挂起| NORMAL[正常处理流程] CHECK_IRQ -->|中断已挂起| DROP_EVENT[丢弃当前事件] NORMAL --> PROCESS[处理时间戳] PROCESS --> SET_IRQ[设置中断标志] SET_IRQ --> STORE[存储时间戳数据] DROP_EVENT --> SET_DROP[设置丢弃标志TimestamperStatus_DropBit = '1'] SET_DROP --> COUNT_DROP[递增丢弃计数] COUNT_DROP --> LOG[记录丢弃事件] STORE --> SUCCESS[处理成功] LOG --> DROPPED[事件已丢弃] SUCCESS --> END([等待CPU读取]) DROPPED --> END总结 时钟定时卡的TDC系统通过以下关键技术实现高精度时间测量：
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