《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種用于核與粒子物理實(shí)驗(yàn)數(shù)字化的多重?cái)?shù)觸發(fā)判選電路設(shè)計(jì)
2023年電子技術(shù)應(yīng)用第1期
劉尚銘1,2,曹平1,2,李超1,2,汪曉虎1,2
1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230026; 2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代物理系,安徽 合肥 230026
摘要: 核與粒子物理實(shí)驗(yàn)中,因?qū)嶒?yàn)本底與探測(cè)器噪聲影響,實(shí)驗(yàn)需要通過(guò)觸發(fā)判選機(jī)制篩選出有效物理事例,剔除掉本底噪聲。針對(duì)物理實(shí)驗(yàn)高事例率情況下基于擊中多重?cái)?shù)(Hit multiplicity,NHit)的觸發(fā)判選需求,設(shè)計(jì)了一種高性能數(shù)字觸發(fā)判選電路。該電路具有13路高速串行通信接口,支持光纖數(shù)據(jù)傳輸與千兆網(wǎng)絡(luò)通信;板載32 Gb DDR4緩存與高性能FPGA,以支持大容量高速存儲(chǔ)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。基于該電路可運(yùn)行實(shí)時(shí)的硬件NHit觸發(fā)算法,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)前端數(shù)據(jù)的快速觸發(fā)判選與數(shù)據(jù)讀出,同時(shí)該電路便于擴(kuò)展,可靈活地用在不同的物理實(shí)驗(yàn)上。經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證,數(shù)字觸發(fā)判選電路單路光纖接口傳輸速率可達(dá)8.125 Gb/s,上行網(wǎng)絡(luò)傳輸速率達(dá)949.3 Gb/s,DDR4緩存實(shí)際讀寫(xiě)速率可達(dá)102.6 Gb/s,滿足數(shù)字觸發(fā)判選電路設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸與緩存需求。
中圖分類號(hào):TL822+.3
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.222927
中文引用格式: 劉尚銘,曹平,李超,等. 一種用于核與粒子物理實(shí)驗(yàn)數(shù)字化的多重?cái)?shù)觸發(fā)判選電路設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2023,49(1):124-129.
英文引用格式: Liu Shangming,Cao Ping,Li Chao,et al. Design of a digital NHit trigger circuit for nuclear and particle physics experiment[J]. Application of Electronic Technique,2023,49(1):124-129.
Design of a digital NHit trigger circuit for nuclear and particle physics experiment
Liu Shangming1,2,Cao Ping1,2,Li Chao1,2,Wang Xiaohu1,2
1.State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China;2.Department of Modern Physics, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
Abstract: In nuclear and particle physics experiments, due to the influence of the experimental background and detector noise, the experiment needs to pick out valid physical events by the trigger selection, and eliminate the background noise. Aiming at the trigger selection requirements based on hit multiplicity (NHit) in the cases of high event rates in physical experiments, this paper designs a high-performance digital trigger circuit. This circuit has 13 high-speed serial communication interfaces, which support optical fiber data transmission and Gigabit network communication; onboard 32 Gbit DDR4 cache and high-end FPGA to support large-capacity high-speed storage and real-time data processing. Based on this circuit, the real-time hardware NHit trigger algorithm could be run, which could realize fast trigger selection and data readout for the front-end data. At the same time, the circuit is easy to expand and could be flexibly used in different physical experiments. After testing and verification, the transmission rate of one single optical fiber interface could reach 8.125 Gb/s, the uplink transmission rate of SiTCP could reach 949.3 Mb/s, and the actual read and write rates of the DDR4 cache could reach 102.6 Gb/s, which meet the data transmission and caching requirements of digital trigger circuit design.
Key words : trigger selection;data readout;optical fiber;SiTCP;DDR

0 引言

    核與粒子物理主要研究原子核內(nèi)部及以下層次的微觀結(jié)構(gòu),為研究粒子間相互作用,人們通過(guò)數(shù)量龐大的探測(cè)器陣列和電子學(xué)設(shè)備對(duì)實(shí)驗(yàn)物理現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)[1-2]。物理實(shí)驗(yàn)采用觸發(fā)判選機(jī)制來(lái)濾除實(shí)驗(yàn)本底與探測(cè)器噪聲,通過(guò)觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從前端原始信息中篩選出有效物理事例,從而降低后端數(shù)據(jù)傳輸與緩存壓力。

    核與粒子物理實(shí)驗(yàn)中的觸發(fā)判選技術(shù)主要有模擬硬件觸發(fā)、無(wú)硬件觸發(fā)、數(shù)字硬件觸發(fā)三種方式。早期實(shí)驗(yàn)的觸發(fā)系統(tǒng)因技術(shù)限制,通常使用模擬硬件觸發(fā)方式提取前端信號(hào)特征參量并進(jìn)行觸發(fā)判選,如中國(guó)原子能院GTAF譜儀[3],這些觸發(fā)系統(tǒng)大多專用且固定,具有一定死時(shí)間,無(wú)法適應(yīng)物理實(shí)驗(yàn)高事例率的發(fā)展需要。隨著數(shù)據(jù)傳輸處理能力的快速提高,壓縮重物質(zhì)實(shí)驗(yàn)[4]、反質(zhì)子湮滅實(shí)驗(yàn)[5]、大型高海拔宇宙線觀測(cè)站[6]等實(shí)驗(yàn)開(kāi)始采用無(wú)硬件觸發(fā)的數(shù)據(jù)讀出方法,將前端所有數(shù)據(jù)傳輸至后端,由后端高性能計(jì)算單元進(jìn)行觸發(fā)判選,但對(duì)所有數(shù)據(jù)不加區(qū)分的讀出給讀出系統(tǒng)與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)帶來(lái)了更大的設(shè)計(jì)壓力與資源消耗。近年來(lái)在某些實(shí)驗(yàn)上,如反角白光中子源GTAF-II譜儀[7]、江門中微子實(shí)驗(yàn)[8],逐漸開(kāi)展了基于FPGA實(shí)時(shí)硬件的全數(shù)字化硬件觸發(fā)技術(shù)研究,充分利用FPGA并行處理能力強(qiáng)和實(shí)時(shí)性高的優(yōu)點(diǎn),對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的觸發(fā)判選與數(shù)據(jù)篩選。




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作者信息:

劉尚銘1,2,曹平1,2,李超1,2,汪曉虎1,2

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230026;

2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 近代物理系,安徽 合肥 230026)




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