TopMetal2-像素探测器数据获取系统研制

摘要

我校硅探测器实验室完成两款像素传感器MIC1和TopMetal1的设计研发、流片、测试和应用工作后，设计了第三款像素探测器芯片TopMetal2-，该芯片现正处于测试阶段，其基本原理是通过暴露的顶层金属收集电荷并转换为电信号输出。本文的主要研究目标是研制一款用于该芯片测试的高性能数据获取系统。
　　目前应用于高能物理实验的数据获取系统由于结构复杂、体积庞大、数据读出速率低，商用数据采集板卡和主控单元由于高成本、资源浪费等缺点均不适用于小型实验、探测器芯片测试等应用。鉴于此，本文研制了一款基于TopMetal2-芯片测试及应用的低成本、高速、高精度、易扩展的数据获取系统。本系统以可扩展的最小硬件单元中Xilinx Kintex-7系列FPGA为逻辑控制核心，控制4通道、125MSPS、16位ADC完成模数转换，数据以JESD204B协议8b/10b编码，4通道数据合并为2个5Gbps数据通道传输，缓存于512MB DDR3 SDRAM存储器，并在PC和MicroBlaze控制下通过以太网将数据传送到PC端存储和分析。
　　数据获取系统由硬件电路、控制逻辑固件和系统软件三部分组成。硬件电路分为前端调理板、ADC采样板和FPGA主控处理板，前端调理板调理模拟信号以匹配ADC输入要求;ADC采样板完成模数转换并编码传输数据;FPGA主控处理板完成系统控制、数据存储和传输。控制逻辑固件使用JESD204B完成串并转换、解码和数据去扰，通过MIG控制DDR3完成数据缓存，使用TEMAC初始化以太网链路进行控制命令和数据传输。系统软件包含FPGA软核MicroBlaze控制软件和PC端分析软件，控制软件从DDR3存储器中读取所需数据并通过以太网传给PC进行离线分析。
　　目前本数据获取系统已成功应用于多个TopMetal2-测试应用项目中，获得了良好的效果，表明本数据获取系统在125MSPS采样率、16位采样精度、5Gbps数据通道速率下稳定工作。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 项目背景和意义

1．2 数据获取系统发展现状

1．3 论文内容与结构概述

第二章 系统设计方案

2．1 TopMetal2-像素探测器

2．2 数据获取系统设计需求

2．3 总体设计方案

第三章 硬件电路设计

3．1 硬件电路设计方案

3．2 前端调理板

3．3 ADC采样板

3．3．1 模数转换

3．3．2 时钟系统

3．3．3 偏置调节

3．3．4 FMC接口

3．4 FPGA主控处理板

3．4．1 时钟设计

3．4．2 配置设计

3．4．3 以太网和SFP

3．4．4 DDR3 SDRAM

3．4．5 电源设计

3．5 PCB设计

第四章 控制逻辑设计

4．1 控制逻辑设计方案

4．2 ADC采样板配置

4．2．1 ADC配置模块

4．2．2 时钟配置模块

4．2．3 DAC配置模块

4．3 JESD204B控制逻辑

4．3．1 JESD204B简介

4．3．2 ADC数据链路

4．3．3 基于JESD204B的数据链路逻辑

4．4 DDR3存储控制逻辑

4．4．1 MIG IP核简介

4．4．2 数据缓存模块

4．4．3 基于MIG的数据存储逻辑

4．5 以太网控制逻辑

4．5．1 TEMAC IP核简介

4．5．2 RGMⅡ接口

4．5．3 基于TEMAC的以太网接口控制

第五章 系统软件设计

5．1 HicroBlaze软核和SDK简介

5．2 SPI配置程序

5．3 JESD204B寄存器设置

5．4 数据读取控制

5．5 脚本控制设计

第六章 系统测试

6．1 硬件电路测试

6．1．1 FPGA主控处理板测试

6．1．2 AD采样板测试

6．1．3 前端调理板测试

6．2 数据获取链路性能测试

6．2．1 数据获取测试

6．2．2 带宽测试

6．2．3 噪声测试

6．3 TopMetal2-芯片读出测试

6．3．1 参数标定

6．3．2 芯片读出测试

6．3．3 芯片应用测试

第七章 总结与展望

7．1 工作总结

7．2 展望

附录

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢