LHAASO WCDA前端电子学数据传输及时钟接口的研究

摘要

宇宙线是来自于外太空的高能粒子流，包含着很多粒子成分，是我们探索宇宙，了解宇宙的主要介质。高能宇宙线物理是通过对高能宇宙线粒子携带着的丰富信息的研究探寻宇宙的历史、天体的演化、空间的环境和许多未解的科学之谜，这可以帮助人类建构宇宙起源模型。
　　大型高海拔空气簇射观测站（Large High Altitude Air Shower Observatory，缩写为LHAASO）位于海拔4300米的高原地区，占地面积1平方千米，用于全天的γ粒子天文学探测。
　　水切伦科夫探测器阵列是LHAASO实验的重要组成部分。它供包含3600个光电倍增管，这些光电倍增管平均分布在4个探测器水池中，每个水池长宽均为150米。每个水池中含有100个前端电子学。
　　LHAASO WCDA前端电子学(Front End Electronics，FEE)主要完成电荷和时间信息的测量，并将其数字化后的结果发送给数据获取系统(Data AcquisitionSystem，DAQ)。DAQ主要负责对数字化结果信息进行分析、判选、存储。
　　数据传输及时钟接口是前端电子学的重要组成部分。它主要将采集到的数据进行基于TCPIP协议的数据封装并经过光纤传送回DAQ。同时，它还需要将DAQ发来的命令进行译码，并从GTX模块中恢复出时钟并实现各FEE节点同步。
　　由于LHAASO WCDA具有大尺度空间下的多节点分布特性，探测器总面积达90000平方米，通道数多达3600路，在此采用“无硬件触发”的构架。相比传统的触发判选机制，“无触发”无需将硬件触发电子学产生的触发信号回送至前端节点进行有效数据读出，省去了触发信号的专用传输通路，因此简化了大尺度多节点情况下的电子学结构。同时，基于计算机阵列中的软件进行数据的触发判选，也提高了触发判选的灵活度。当然，无触发的构架对数据传输带宽和数据传输可靠性提出了更高的要求，这将成为数据传输及时钟接口设计的技术难点。
　　本文将针对大范围多节点分布式结构下的数据传输及时钟接口的设计进行研究讨论，论文的结构安排如下:
　　第一章作为绪论，主要介绍了LHAASO的实验背景，科学目标，以及LHAASOWCDA读出电子学的整体结构、技术路线以及需要达到的技术指标。
　　第二章主要对国内外大型物理实验中数据传输的技术以及时钟对齐的方法进行了调研对比，从而为LHAASO WCDA读出电子学数据传输及时钟接口模块的设计提供重要参考。
　　第三章主要根据LHAASO WCDA读出电子学对数据传输率及时钟的要求，对数据传输及时钟接口的设计方案进行了相应的讨论。内容包括对数据进行基于嵌入式系统的TCP/IP协议封装的讨论以及对时钟恢复及相位调整电路的讨论。
　　第四章主要介绍了具体电子学的实现。对数据传输及时钟接口中，每个部分的电子学电路都进行了具体的描述。
　　第五章对数据传输及时钟接口进行了相应的性能测试。基于标准TCP/IP协议的数据率测试结果达到230Mbps，达到了实验的预期要求。
　　第六章是本文的总结与展望。主要针对现有的工作进行了总结，提出了需要改进的地方，为下一步工作做好基础准备工作。