应用于光子探测系统的多协议总线

摘要

本文涉及的光子探测系统是欧洲粒子物理研究所的大型离子对撞实验中的多组探测系统中用于光子探测的一组。该系统包括有数据传输、配置、监控、触发等功能。针对其监控功能，在探测系统中的前端电子学板上设计了基于FPGA的控制器模块。该模块需要实现与读出控制单元、环境和工况监控的ADC设备、单片机设备和偏压设置DAC等多个外围设备通信，达到实时监控和设置系统工作状态的目的。由于其需与多个外围设备通信，故在其内部形成了一种多协议总线。多种协议共用该总线，则需要进行总线仲裁来避免总线征用可能产生的冲突。
　　 本文针对该需求提出了应用于光子探测系统的多协议总线的方案，该方案中的多个总线协议包括I2C总线、SPI总线、Altro总线和RCUI2C总线。其中，Altro总线为可用于高速数据传输的并行总线，实现与读出控制单元的高速通信；I2C总线、SPI总线和RCUI2C总线则为低速的串行总线，分别实现与单片机设备、偏压设置DAC和读出控制单元等的通信。
　　 在本文的研究工作中，用Verilog HDL编写了该多协议总线的代码，在ModelSim和Quartus II环境中对多总线协议进行了仿真，仿真的结果表明，所设计的多协议总线满足设计要求。在Quartus II下对该工程进行综合、布局布线、生成下载BIT或PROM文件后，将其在控制器的FPGA芯片内进行硬件调试和测试，测试结果表明本文所设计的多协议总线达到了预期的要求，满足了控制器的需求。
　　 由于本文所设计实现的多协议总线具备一定的通用性，故对其它具有类似需求的设计有一定的参考价值。