基于ATCA的暗物质直接探测实验数据采集系统研究

摘要

粒子物理实验中，探测器信号的读出系统大都是基于总线系统建立起来的。对于物理实验，为了实现多通道复杂信号的采集，实现高速的数据获取和处理，总线是必不可少的。从CAMAC、FASTBUS到VME、PXI，各种总线系统都在粒子物理实验中有着广泛的应用。比如基于VME总线系统的北京谱仪读出电子学、基于PXI总线的兰州重离子加速器冷却储存环外靶实验读出电子学等。然而随着实验规模的进一步扩大和物理指标的提升，海量的数据传输将成为后端电子学和数据获取系统的瓶颈，传统的像VME、PXI等基于并行总线技术的电子学系统架构已经不能满足下一代实验的需求，因此未来实验发展的一大趋势就是需要采用新的总线平台来实现高带宽的数据传输以及数据的高速实时处理。 而ATCA平台架构采用了新型的点对点交叉总线互连结构，不需要共享总线和中断仲裁，使得模块之间可以通过高速串行接口来实现数据的实时传输和并行处理，最大限度地减少了系统延时，可以大大提高系统的工作效率。目前ATCA架构已经在一些大型粒子物理实验中得到了成功应用，比如PANDA实验中用于事例筛选的高性能计算节点以及ATLAS实验触发系统中一级快速追踪系统(FTK system)等。 近年来，在暗物质直接探测实验中，为了进一步提高探测灵敏度，国内外的很多实验都在现有的基础上进行了升级。一方面实验规模的不断扩大使得通道数大幅度增加，另一方面为提高本底甄别能力而采用了更高速、更高精度的波形数字化技术，从而给后端读出电子学系统带来了海量数据传输的压力。针对这一趋势，本论文提出了一种基于ATCA平台的可扩展的数据采集系统设计方案，主要设计思想是利用高带宽光纤、以太网技术和ATCA机箱背板高速串行接口来实现模块间的海量数据传输以及高速实时的触发处理。 本论文的主要工作是针对正在升级中的PandaX-4T实验而开展的，设计了一套基于ATCA平台的原型数据采集系统，包括前端读出模块、数据汇总模块和触发时钟模块。前端读出模块位于PXI机箱内，集成了8通道ADC，可以实现8路PMT信号的读出，采样得到的的数据通过光纤传给后端的数据汇总模块。数据汇总模块和触发时钟模块分别位于ATCA机箱的节点槽和中心槽，每个数据汇总模块集成了16个带宽为10Gb/s的光纤收发器，用来汇总前端读出模块的数据，并利用高性能的FPGA实现数据流的控制和处理，将提取出的有效事例数据通过以太网传给PC机进行数据存储，而提取出的触发信息则通过背板接口传给触发时钟模块。触发时钟模块主要负责收集所有前端读出模块的触发信息，实现触发判选并扇出有效触发信号。核心的触发判选是由FPGA来实现的，利用其丰富的逻辑资源可以实现可重构的触发算法，根据不同的实验需求设计不同的算法逻辑，具有极大的灵活性。同时，触发时钟模块还作为主时钟源，提供整个原型数据采集系统工作的同步时钟，使所有的前端读出模块和数据汇总模块工作在统一时钟下。整个原型系统具有良好的可扩展性，单个ATCA机箱最多可以容纳1个触发时钟模块和13个数据汇总模块，可以汇总208个前端读出模块的数据，对应1664路PMT读出通道。 在完成了硬件设计之后，本论文对原型数据采集系统的电子学性能进行了一系列测试。首先是前端读出模块的ADC性能测试;然后是各个数据传输链路的性能测试，包括眼图测试和误码率测试，验证了前端读出模块和数据汇总模块之间光纤通信、ATCA机箱背板高速串行接口以及以太网数据传输链路的稳定性和可靠性;接着测试了触发时钟模块扇出的同步时钟信号性能。此外将现有的前端读出模块、数据汇总模块和触发时钟模块搭建了一个简单的小系统，对各模块功能进行了相应的测试，验证了目前实现的基本的触发算法和整个数据传输链路的可行性。 最后，本论文总结了基于ATCA平台的暗物质直接探测实验数据采集系统的相关研究工作，并对下一步工作进行了展望，基于目前工作的不足之处和今后实验的需求提出了一些改进升级措施。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1 粒子物理实验中总线系统的发展和变革

1．1．1 FASTBUS

1．1．2 VME

1．1．3 OPCI和PXI

1．2 当今粒子物理实验对高速数据传输的需求

1．3本论文研究内容及结构安排

参考文献

第二章ATCA介绍及粒子物理实验中ATCA架构的应用

2．1 ATCA概述

2．1．1 ATCA规范介绍

2．1．2 ATCA优势

2．2 ATCA架构在粒子物理实验中的应用

2．2．1 PANDA实验

2．2．2 ATLAS FTK系统

2．2．3 ATCA-SRS

2．2．4 NEXT实验

2．3小结

参考文献

第三章基于ATCA的暗物质直接探测实验数据采集系统架构

3．1．1暗物质粒子

3．1．2国内外暗物质直接探测实验的数据读出系统调研

3．2暗物质直接探测实验对高速数据采集和传输的需求

3．2．1暗物质直接探测实验发展趋势

3．2．2读出电子学和数据获取系统面临的挑战

3．3基于ATCA平台的暗物质直接探测实验数据采集系统架构

3．4小结

参考文献

第四章基于ATCA架构的原型数据采集系统设计与实现

4．1原型数据采集系统架构设计

4．2．前端读出模块FE0的设计

4．2．1 ADC芯片选型

4．2．2 FEO模块数据传输流程

4．2．3 PXI接口设计

4．3数据汇总模块的设计

4．3．1 FPGA芯片的选型

4．3．2 FPGA相关技术

4．3．3 ATCA板卡背板数据通信和智能平台管理设计

4．3．4 DCM模块电源设计

4．4触发时钟模块的设计

4．4．1全数字化的触发判选

4．4．2前端读出模块的同步复位

4．5小结

参考文献

第五章原型数据采集系统的性能测试

5．1前端读出模块性能测试

5．2各数据传输链路性能测试

5．2．1光纤链路性能测试

5．2．2 ATCA机箱背板高速串行接口性能测试

5．2．3千兆以太网链路传输性能测试

5．3同步时钟信号性能测试

5．4原型数据采集系统功能验证

5．5小结

参考文献

6．1总结

6．2展望

附录

致谢

在读期间发表的学术论文