基于PC的高速数据获取系统的设计

摘要

中国散裂中子源(CSNS)是我国第一台散裂中子源，使用新型GEM Monitor作为中子束监测器实时监控中子源束流的强度。中子束监测器产生的有关束流强度信息的电信号，经过前端读出电子学系统的一系列处理后，需要传输到上位机进行实时在线处理。而传统的数据传输方式由于数据传输速率及数据传输带宽的限制，已无法满足项目的设计需求。
　　针对上述情况，设计了一套基于高性能VIRTEX-6型FPGA的高速数据获取系统。中子束监测器产生的信号经过放大、滤波成形等一系列处理后，经光纤传输至板卡，通过FPGA进行电路控制，实现数据的串并转换、压缩、存储、高速数据缓存等功能，最后将处理结果通过PCIE总线传送至上位机进行分析和处理。系统的高速光纤传输使用开源、可扩展的Aurora轻量化数据链路层协议，以实现数据在单通道或多通道间的高速串行点对点传输，协议使用方便，可靠性很高，PCIE总线传输则通过调用xilinx公司生产的IP核，采用BMD方式来实现。
　　系统PCB设计采用6层结构，其中包含三个信号线层，两个电源层及一个地层。光纤及PCIE信号线均采用差分数据线结构，对于信号完整性、电磁兼容性、电源完整性等问题，设计中均进行了针对性的优化处理。
　　论文主要包含以下内容：1、系统整体设计；2、硬件电路及PCB版图设计；3、基于Verilog语言的硬件逻辑设计。
　　最后对系统各个模块的功能和系统的整体性能进行了测试，测试结果表明，该数据获取系统具有极高的数据传输速率以及极低的误码率，完全可以满足GEM中子束监测器在数据传输方面的需求。

目录

文摘

英文文摘

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 项目背景

1.3 读出电子学发展现状

1.4 论文主要内容及结构

第2章 系统整体设计

2.1 系统需求分析

2.1.1 传输方式需求

2.1.2 总线接口需求

2.1.3 传输协议需求

2.2 系统整体设计

第3章 硬件设计

3.1 FPGA电路设计

3.1.1 FPGA选型

3.1.2 FPGA配置

3.1.3 FPGA分布式电源设计

3.2 光纤传输模块设计

3.2.1 GTX收发器设计

3.2.2 滤波电路设计

3.2.3 光纤传输模块设计

3.3 PCIE总线传输模块设计

3.3.1 Integrated Block for PCI Express

3.3.2 PCI Express设备拓扑结构

3.3.3 DMA设计

3.3.4 物理结构与接口规范

3.4 时钟模块设计

3.5 电源模块设计

3.6 PCB设计

3.6.1 PCB叠层结构

3.6.2 PCB布局

3.6.3 PCB布线

第4章 FPGA逻辑设计

4.1 顶层模块设计

4.2 GTX传输模块

4.2.1 发送模块

4.2.2 接收模块

4.3 PCIE模块

4.3.1 接收通路

4.3.2 发送通路

4.3.3 Endpoint存储器

4.3.4 DMA操作

第5章 测试与分析

5.1 电源及上电加载测试

5.2 光纤传输测试

5.3 PCIE总线传输测试

5.3.1 驱动程序及应用软件

5.3.2 驱动安装及测试

5.3.3 总结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B 基于PC高速数据获取系统实物图

附录C 电路原理图

附录D PCB版图