發(fā)布時間：2020-03-25 02:03

【摘要】：粒子探測器的發(fā)展極大地促進了人們對微觀世界的了解。RD51項目合作組研發(fā)的SRS系統(tǒng)是一種可擴展的探測器讀出系統(tǒng),可以適用于不同的前端讀出芯片。VMMASIC是在ATLAS實驗中開發(fā)出的一款前端讀出芯片,具有讀出速率高、靈活性強等特點。為了適應更加復雜更高能量的粒子事件,RD51決定用VMM芯片升級SRS的前端電子學。由于前端讀出的速率大幅提升,而現(xiàn)有的SRSFEC固件在數(shù)據(jù)處理上有諸多不足,無法處理迅速增加的數(shù)據(jù)量。本文以此為課題背景,對SRSFEC固件高速數(shù)據(jù)處理部分進行重設計,以期提高讀出系統(tǒng)的傳輸率和實時性。本文首先對SRS系統(tǒng)的核心部件VMM芯片及的其它關(guān)鍵硬件作了簡要介紹,闡述了其數(shù)據(jù)讀出硬件傳輸鏈路。在此基礎上對數(shù)據(jù)匯聚處理中心—FEC固件的整體架構(gòu)以及其中各個模塊進行了簡要分析,指出了原有固件程序在數(shù)據(jù)處理與傳輸結(jié)構(gòu)上不能匹配VMM高數(shù)據(jù)讀出要求的問題。由此提出本文的設計目標與方案,完成了基于VMM前端電子學高速數(shù)據(jù)讀出的固件設計。主要研究工作如下:(1)設計了新的數(shù)據(jù)幀格式,將數(shù)據(jù)存儲效率和數(shù)據(jù)傳輸效率從59%提高到79%。原系統(tǒng)中,輸入的38-bit有效hit數(shù)據(jù)在存儲時添加了26-bit'0'組成64-bit,數(shù)據(jù)存儲效率僅為59%。加上每一幀以太網(wǎng)數(shù)據(jù)在添加時間和位置信息上的損失,數(shù)據(jù)傳輸效率進一步降低。本文設計10-bit字段用于裝載時間和位置信息,與原38-bithit數(shù)據(jù)組成48-bit的新數(shù)據(jù)格式,有效提高了數(shù)據(jù)存儲與傳輸效率。(2)提出了高速FIFO和DDR3兩級緩存方案,解決了大數(shù)據(jù)量突發(fā)時的數(shù)據(jù)丟失問題。原系統(tǒng)中使用的緩沖區(qū)只能存儲512個hit,當短時間內(nèi)輸入速率非常高時,緩沖區(qū)會迅速溢出,導致數(shù)據(jù)丟失。本文設計使用FIFO與DDR3形成兩級緩沖,能將一段時間內(nèi)持續(xù)輸入的高速數(shù)據(jù)全部緩存到大容量DDR3中,避免了前端出現(xiàn)大量突發(fā)數(shù)據(jù)時的數(shù)據(jù)丟失問題。(3)提出并實現(xiàn)了提高數(shù)據(jù)傳輸實時性的解決方案。原系統(tǒng)在一個讀出周期內(nèi)針對每一路VMM數(shù)據(jù)先緩存,再將緩存后的整段數(shù)據(jù)裝入一個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包發(fā)送。這種每通道512hits—次讀出的方案大大降低了傳輸?shù)膶崟r性。本文設計方案將每通道1 hit的數(shù)據(jù)依次循環(huán)讀出、組裝滿以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包后發(fā)送,保證數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)讀出可以獨立同時進行,有效提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。(4)增設了有效事例觸發(fā)判選讀出功能,進一步提升了傳輸帶寬的利用率。根據(jù)觸發(fā)的到達時間和用戶配置信息,計算分析有效事例條件并篩選事例數(shù)據(jù)。實際的物理實驗中存在大量的無效事例,這樣進一步提升了傳輸效率和傳輸帶寬利用率。本文完成了新型SRS系統(tǒng)的固件升級,通過內(nèi)部邏輯分析儀對時序進行分析,驗證了上述功能固件邏輯的正確性。固件升級后的SRS系統(tǒng)進行了實驗室測試和束流測試,測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)能良好穩(wěn)定運行,且實現(xiàn)了高效率、高實時性的傳輸。在觸發(fā)模式下也能有效篩選事例。
【圖文】：

邋硝士學位論文逡逑ｍａｓｔｈｒｓｔｈｉｓｉｓ逡逑Ｃ［ｎ］邋（Ｆｒｏｎｔ－Ｅｎｄ邋Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ），后者通過千兆以太網(wǎng)［｜４］與計算機輸至在線軟件進行數(shù)據(jù)分析或存儲至磁盤以供后續(xù)離線處理。因為前端均采用通用的硬件及協(xié)議標準，ＳＲＳ架構(gòu)可簡化實現(xiàn)不同的讀

個組成部分作簡要描述。逡逑２．１邋ＶＭＭ邋ＡＳ１Ｃ邋簡介逡逑ＡＳＩＣ采用１６０ｎｍ技術(shù)設計，具有６４個輸入通道，圖２．１晸顯示了其中逡逑一個通道的框圖。每個通道集成了一個低噪聲電荷放大器（ＣＡ），具有自適應反饋、逡逑測試電容和可調(diào)極性（處理正負電荷）等特性。每個通道都有前置放大器、整形器、逡逑峰值檢波器和幾個ＡＤＣ。在ＡＤＣ后是一個深度為４的ＦＩＦＯ，，即可以存儲四個粒子逡逑ｈｉｔ邋（擊中事件）數(shù)據(jù)。每個ｈｉｔ邋（３８位）的數(shù)字數(shù)據(jù)是多路復用的，可以以２００ＭＨｚ逡逑時鐘ＤＤＲ邋（Ｄｏｕｂｌｅ邋Ｄａｔａ邋Ｒａｔｅ）方式從兩條數(shù)據(jù)線路上讀出。芯片可以通過兩條數(shù)逡逑字線路（數(shù)據(jù)和時鐘）進行編程。ＶＭＭ的一些主要特性有：逡逑（１）
【學位授予單位】：華中師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O572.212

【參考文獻】

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本文編號：2599217