很久没玩硬件了，心想传统手艺不能丢啊，这次设计了个小板子，用于高精度的时间采样~
可并不是我标题党哟，这个小模块能测量皮秒级别的时间差，而这在很多地方都能有应用的，有兴趣的听我继续详细介绍XD
1ps = 10^-12s ,也就是一万亿分之一秒，这是短到窒息的一段时间，即便是以宇宙最快的光速，在1ps的时间里也只能走0.3mm，而要知道光速从上海跑到深圳1200公里只需要4毫秒。
用过单片机的同学都知道，绝大多数的单片机都有定时器的功能，通过计算配置外设寄存器，我们能利用定时器中断来精确测量一段时间。而这个时间的精度是什么决定的呢，答案是MCU时钟的频率。
也就是说，假如我们使用的是1MHz的晶振作为高速时钟（不考虑分频和倍频），那么每个时钟周期就是1us，这也就作为定时器的计数单位 – 开始计时后，每过1us，相应寄存器的值会加1，等中断到来，我们读取最终的计数值，乘以1us的单位，就得到计时的间隔了。
可见，为了提高计时的最小单位，我们就必须用上更高速的时钟，可是单片机的高速时钟都由晶振倍频而来，而晶振的频率是有限的，一般市面上能买到的最高频率为50MHz；另外就算晶振频率够高，单片机能否运行在这么高的主频也是个问题 – Arduino运行在16MHz，高端的ARM单片机也不会超过200MHz，这样算下来，能测量的最小间隔也就是1/200000000 = 5*10^-9s也就是5ns。5ns看起来也还不错，然而事实上，高主频的MCU并不会用来裸跑程序，都会上操作系统，在操作系统内核下，中断的响应一般是控制在ms级别，要综合考虑系统开销，即便ns级的时间也是很难实现的。
那还有什么办法呢？黑科技一般的原子钟，靠的是参考参考原子振动的频率（比如铯的钟跃迁频率是9.1GHz），但我们当然没有办法搞这样的操作😅，所以在ACAM的产品中，他们很聪明地利用芯片内部的逻辑门延迟来以高精度测量时间间隔。
特殊的测量方法使信号通过逻辑门的时间可以被保证非常精确，而最大的测量精度完全取决于内部信号通过逻辑门的传播时间，这个时间一般和电压和温度有关，比如3.3V 和 25°C 时，GP22 的最小分辨率是 90 ps。这次做的模块当中，使用的就是他们家最新的TDC芯片GP22。
介绍具体原理之前，让我们想象一下：假如我用一根导线把Arduino的两个IO连接起来，一个作为输出，一个作为输入，那么当输出脚电平变化的时候，另一个脚会怎么样呢？答案当然是它的电平也会跟着改变啦，但是这不是重点，重点是这个引脚的改变会滞后一段时间，因为信息的传播是有速度上限的，也就是光速，而电场的传播速度当然也是光速；这在日常的使用中我们不会感到在意，但是当我们再对比一下最上面对光速的计算，就会发现，虽然导线很短（几厘米而已），但是这段时间是远大于ps级别的，于是我们就可以通过测量这个延迟，来测量导线的长度~
原理是这样：首先由MCU启动一个假测量信号，程序里面的体现就是向TDC-GP22发一个START脉冲信号，然后MCU向TDC-GP22发一个测量脉冲，也就是其中一个引脚电平变化，该测量脉冲信号先在TDC-GP22的Stop1引脚被接收，再通过测试线缆的传输在TDC-GP22的Stop2引脚被接收，TDC-GP22芯片会计算出测试回波信号在Stop1引脚被接收和在Stop2引脚被接收的时间差（即飞行时间），通过该值乘以光速即可换算得到测试线缆的长度。
具体的测试结果如下，经过校准和拟合之后，精度还是很满意的：
总结
可以测量ps级的时间是很棒，可是这有什么用呢？
用处很多：比如利用激光发射再返回的时间差，我们能制作高精度的激光测距机（实际上TOF的激光雷达原理就是这个）；比如利用光在不同介质里面的速度不同，我们可以测量液体的折射率和厚度；比如利用超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息，通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量来制作无接触的流量计；比如Kinect就是基于TOF的深度摄像头系统，等等。
TDC-GP22的资料国内并不多，但是好在官方的文档写的很详细，于是自己调试了两天得到这个结果，中间还是遇到不少困难的。再感慨一下，做硬件和做软件其实真的需要很不一样的两种思维，这把小小爽完，重回身为软件狗的正轨啦哈哈（逃。
硬件电路开源，软件的话等有空写成库了再发
