xilinx xc7a35t 开发平台，基于Carry4进位链高精度时间数字转换(TDC)代码,分辨率71.4ps#tof测距

一、项目概述

本项目基于Xilinx XC7A35T FPGA开发平台，采用Carry4进位链技术实现高精度时间数字转换（TDC）功能，分辨率可达71.4ps，主要应用于TOF（飞行时间）测距场景。项目代码总数达67个，涵盖时钟管理、TDC核心运算、数据处理与传输等多个模块，通过Verilog和VHDL混合编程，结合Vivado 2017.4开发环境完成综合、实现与仿真验证，最终实现对时间间隔的高精度量化与输出。

二、核心模块功能解析

（一）时钟管理模块（clk_wiz_0）

时钟管理模块是整个TDC系统的时序基础，基于Xilinx MMCME2_ADV（高级混合模式时钟管理器）IP核实现，负责将输入时钟进行分频、倍频处理，生成稳定、高精度的系统工作时钟，同时提供时钟锁定状态指示。

1. 关键参数配置

不同版本的clkwiz0模块通过调整MMCME2_ADV的核心参数，适配不同的时钟需求，核心参数配置如下表所示：

参数名称	配置值（版本1）	配置值（版本2）	配置值（版本3）	配置值（版本4）	说明
CLKIN1_PERIOD	20.000000ns	20.000000ns	20.000000ns	20.000000ns	输入时钟周期，对应输入频率50MHz
CLKFBOUTMULTF	26.500000	26.000000	21.000000	21.000000	反馈时钟倍频系数
CLKOUT0DIVIDEF	6.250000	6.250000	5.000000	3.750000	输出时钟0分频系数
CLKOUT0DUTYCYCLE	0.500000	0.500000	0.500000	0.500000	输出时钟0占空比，固定为50%
COMPENSATION	ZHOLD	ZHOLD	ZHOLD	ZHOLD	时钟补偿模式，采用ZHOLD补偿减少时序偏差

根据上述参数可计算输出时钟频率，以版本1为例，输出时钟频率=（输入频率×CLKFBOUTMULTF）/CLKOUT0DIVIDEF=（50MHz×26.5）/6.25=212MHz，其他版本可通过相同公式计算，满足TDC系统对不同时序精度的需求。

2. 模块接口与功能

• 输入接口：
• clk_in1：50MHz外部输入时钟，为整个时钟模块提供原始时钟源；
• reset：复位信号，高电平有效，用于模块初始化时重置内部状态。
• 输出接口：
• clkout1：经过MMCME2ADV处理后的输出时钟，为TDC其他模块提供稳定时序；
• locked：时钟锁定信号，高电平表示时钟模块已稳定工作，低电平表示时钟未锁定，此时输出时钟不可用。

3. 内部核心结构

模块内部由IBUF（输入缓冲）、BUFG（全局时钟缓冲）、MMCME2_ADV组成：

1. IBUF（clkin1ibufg）：对外部输入时钟clkin1进行缓冲，减少外部噪声干扰，确保输入时钟的稳定性；
2. MMCME2ADV（mmcmadv_inst）：核心时钟处理单元，通过倍频、分频、相位调整等操作，生成符合需求的时钟信号，并通过反馈机制（CLKFBIN与CLKFBOUT）实现时钟稳定控制；
3. BUFG（clkfbuf、clkout1buf）：全局时钟缓冲器，将MMCME2_ADV输出的时钟信号驱动到全局时钟网络，保证时钟信号在FPGA内部传输时的低延迟和低 skew，满足全芯片时序一致性要求。

（二）TDC核心运算模块

TDC核心运算模块是实现时间数字转换的核心，基于Carry4进位链技术，通过对时间间隔的量化，将模拟时间信号转换为数字信号，主要包含GenChanCarry4Delay（进位链延迟生成）和CounterTDC_Carry4（计数与相位处理）两个子模块。

1. Gen_Chan_Carry4_Delay（进位链延迟生成模块）

该模块利用FPGA内部Carry4进位链的固有延迟特性，构建延迟链网络，将输入的触发信号（Trig_TDC）通过不同路径的延迟，生成多个具有固定时间间隔的延迟信号，为后续时间量化提供基础。

• 工作原理：Carry4进位链是Xilinx FPGA中的专用进位逻辑单元，每个Carry4单元包含4个进位级，每个进位级具有固定的延迟（约71.4ps）。通过级联多个Carry4单元，构建50路延迟链（对应TrigTDC1~TrigTDC50输入），使输入触发信号经过不同延迟后输出，形成时间上依次错开的触发信号序列。
• 关键功能：保证每路延迟信号的延迟时间精准可控，且延迟间隔均匀，为后续CounterTDCCarry4模块捕捉时间相位提供准确的时间基准。

2. Counter_TDC_Carry4（计数与相位处理模块）

该模块是TDC核心运算的关键，负责对GenChanCarry4_Delay输出的延迟触发信号进行采样、计数与相位计算，最终输出量化后的时间数字结果。

（1）模块接口

• 输入接口：
• Reset：系统复位信号，高电平有效，初始化模块内部计数器与寄存器；
• SysClk1：来自clkwiz_0模块的稳定时钟（如212MHz），作为采样与计数时序基准；
• TrigTDC1~TrigTDC50：来自GenChanCarry4_Delay的50路延迟触发信号；
• lopt：优化控制信号，用于选择不同的计数优化模式。
• 输出接口：
• Counter_Value[7:0]：8位计数数值，对应时间量化的整数部分，反映触发信号跨越的时钟周期数；
• Phase_Value[5:0]：6位相位数值，对应时间量化的小数部分，通过进位链延迟计算得到，分辨率71.4ps；
• Validflag：数据有效信号，高电平表示CounterValue和Phase_Value输出有效，可被后续模块读取。

（2）核心功能流程

1. 信号采样与同步：通过FDRE（带复位的D触发器）对50路TrigTDC信号进行采样（如Signainpose1r~Signainpose50r），将异步触发信号同步到SysClk1时钟域，避免亚稳态问题；
2. 数据相位缓存：将采样后的信号存入多级寄存器（DataPhase1、DataPhase1r、DataPhase1r1等），进行相位缓存与稳定，确保后续处理时信号的稳定性；
3. 计数与相位计算：
   - 计数器（cnt1pose）：在SysClk1时钟驱动下，对触发信号的周期数进行计数，生成CounterValue；
   - 相位计算：通过LUT（查找表）构建逻辑电路（如PhaseValue[0]i1、PhaseValue[1]i1等），对50路延迟信号的相位差进行计算，结合Carry4进位链的延迟特性，生成Phase_Value，实现71.4ps分辨率的时间量化；
4. 数据有效判断：通过Phasedone1、Validflagr3regsrl6等信号，判断计数与相位计算是否完成，当数据稳定后，将Validflag置高，指示输出数据有效。

（三）数据传输模块（Tx_Module）

数据传输模块负责将TDC核心运算模块输出的CounterValue和PhaseValue传输到外部设备（如上位机或其他处理单元），实现数据的对外交互，确保量化后的时间数据能够被后续系统利用。

• 核心功能：通过异步串行或并行传输方式，将Valid_flag标记为有效的数据进行格式打包与传输，同时处理传输过程中的时序匹配，避免数据丢失或错位；
• 关键特性：适配不同的传输协议，可根据实际需求调整传输速率，确保数据在传输过程中的完整性和实时性，满足TOF测距等场景对数据实时处理的需求。

（四）系统时钟生成模块（Gen_Sys_Clk）

该模块是clkwiz0模块的辅助模块，负责对clkwiz0输出的时钟进行进一步分发与缓冲，为TDC系统中的GenChanCarry4Delay、CounterTDCCarry4、TxModule等模块提供各自所需的时钟信号，确保每个模块都能获得符合自身时序要求的时钟，同时避免单一时钟故障导致整个系统瘫痪，提高系统可靠性。

三、系统工作流程

1. 系统初始化：上电后，reset信号置高，整个TDC系统进入复位状态，clkwiz0模块初始化，开始对输入的50MHz时钟进行处理，当locked信号置高时，时钟模块稳定工作，其他模块开始进入正常工作状态；
2. 触发信号输入与延迟生成：外部触发信号（如TOF测距中的发射与接收触发信号）输入到GenChanCarry4Delay模块，经过Carry4进位链延迟网络，生成50路具有固定时间间隔的延迟触发信号（TrigTDC1~TrigTDC_50）；
3. 时间量化：CounterTDCCarry4模块在SysClk1时钟驱动下，对50路延迟触发信号进行采样、计数与相位计算，生成CounterValue（整数时间）和PhaseValue（小数时间），当数据稳定后，Validflag置高；
4. 数据传输：TxModule模块检测到Validflag高电平后，读取CounterValue和PhaseValue，进行数据格式处理后传输到外部设备；
5. 循环工作：在Reset信号未置高的情况下，系统重复步骤2~4，持续对输入的触发信号进行时间量化与数据传输，实现连续的TDC功能。

四、关键技术特点

1. 高精度时间量化：基于Carry4进位链技术，利用其固定的延迟特性（71.4ps/级），实现高分辨率的时间数字转换，满足TOF测距等对时间精度要求极高的场景；
2. 稳定的时钟系统：采用MMCME2_ADV高级时钟管理器，结合全局时钟缓冲（BUFG），确保时钟信号的低延迟、低 skew，为整个系统提供稳定的时序基础，减少时序偏差对TDC精度的影响；
3. 高可靠性设计：通过多级寄存器同步、数据缓存、复位控制等机制，避免亚稳态、数据丢失等问题，同时时钟模块的locked信号为系统提供时钟状态判断，提高系统工作可靠性；
4. 灵活的可配置性：clkwiz0模块支持多种参数配置，可根据实际需求调整输出时钟频率，CounterTDCCarry4模块的lopt信号支持不同计数优化模式，适配不同应用场景的需求。

五、设计工具与环境

1. 开发工具：Xilinx Vivado 2017.4（win64），用于代码编写、综合、实现、仿真与比特流生成；
2. 目标器件：Xilinx XC7A35TFGG484-2 FPGA，该器件具有丰富的Carry4进位链资源和时钟管理资源，满足TDC高精度与高稳定性的需求；
3. 仿真工具：支持ActiveHDL、ModelSim、Questa、Riviera、VCS、XSim等多种仿真工具，通过编译脚本（如compile.do）和仿真脚本（如simulate.do）实现功能仿真与时序仿真，验证模块功能正确性与时序性能。

六、总结

本基于XC7A35T的Carry4进位链高精度TDC系统，通过合理的模块划分（时钟管理、核心运算、数据传输），结合FPGA专用硬件资源（Carry4、MMCME2_ADV、BUFG），实现了71.4ps分辨率的时间数字转换功能。系统具有高精度、高稳定性、高可靠性的特点，可广泛应用于TOF测距、激光雷达、高精度时序测量等领域。后续可根据实际需求，进一步优化时钟参数、扩展延迟链长度或增加数据处理算法，提升系统性能与适用范围。