重组式数据链读出技术研究——BESⅢ Muon读出电子学系统升级

摘要

在高能物理实验前端电子学日趋数字化的今天，其读出系统大多都是由前端板、数据传输电缆、光电转换板、光纤和后端的VME读出插件组成。为了追求更高的性价比，以及减小传输电缆在谱仪中占据的体积，在一些高能物理实验中，其前端读出系统都是把前端板以串行数据链的方式组织起来并将并行数据转换为串行数据进行数据传输。然而这种数据传输的组织结构存在一定的缺陷，即如果数据链中的某一块前端板发生故障不能工作，则串行数据回传就会中断，致使整条数据链的数据全部丢失。从而使一个探测器的某一个区域全部成为数据的盲点。
　　为了解决这一问题，本论文提出了重组式数据链读出技术研究的方法。该方法可以剔除和隔离数据链中损坏的前端板，重新组织已损坏的数据链，把原来整个数据链的数据损失减少到某一块故障板的数据损失。从而达到了减少运行过程中的数据损失和维修量的目的。这在工程实用性和学术研究上都有着重要的意义。
　　重组式数据链读出技术研究将在BESⅢμ子鉴别器读出电子学系统上进行，研究的主要内容为重组式数据链的设计与实现，以及重组式数据链前端板的稳定性与可靠性设计。为了实现研究内容，我们在BESⅢμ子鉴别器前端电子学读出系统升级的基础上，使用了以下4种技术手段。首先，增强前端板前端保护电路的性能，以减小前端板损坏的可能。其次，抗辐射抗干扰的高可靠性反熔丝FPGA的使用，实现了数据链中串行数据重组的功能;再次，前端板上各个器件的电流使用情况都采用了专门电源管理芯片进行监控，保证了前端板不会因为某个器件的短路而致使整条数据链停止工作;最后，对关键器件采用冗余设计，更加提升了系统的稳定性和可靠性。
　　与国内外同类型实验中的设计相比，本论文设计的改进后的电子学系统方案具有以下几个特点:
　　1.针对RPC探测器打火现象，在RPC探测器的前端电子学板(FEC)上使用两级正反向二极管进行保护，在国外高能物理实验的RPC前端读出电子学系统的设计中尚属首次。
　　2.数据链可重组式的设计，以提高数据链的可靠性，减少数据损失，未见过相关报道。
　　3.通过对甄别阈设置电路的改进，使得各前端板间甄别阈一致性得到了提高。
　　4.反熔丝FPGA的使用进一步提高了安装在探测器内部的前端板的抗辐射能力以及稳定性。
　　5.电源监控芯片的使用保证了前端板上各器件的相互独立性，不会因为由于某个器件短路而导致整个前端板不能工作的情况发生。
　　6.关键器件的冗余设计提高了前端板的容错能力，保证了意外损坏出现时，设备仍能正常工作。
　　目前，重组式数据链读出技术的研究已经完成了前端板的预研与设计，并且通过了实验室条件下的测试，准备进一步应用于实际的工程中去。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 现代粒子物理实验与读出电子学系统

1．2 几个典型的粒子物理实验中RPC探测器读出电子学系统

1．2．1 Babar Moun读出电子学系统

1．2．2 BESⅢ μ子鉴别器读出电子学系统

1．2．3 CMS RPC Muon读出电子学系统

1．2．4 大亚湾RPC读出电子学系统

1．3 重组式数据链读出技术的研究意义

1．4 本论文的主要工作及特点

1．5 论文的内容组织

参考文献

第二章 重组式数据链读出技术应用平台及设计方案

2．1 北京谱仪与BESⅢ μ子鉴别器系统

2．1．1 北京正负电子对撞机的改造

2．1．2 北京谱仪

2．1．3 北京谱仪的升级改造

2．1．4 BESⅢ μ子鉴别器读出电子学系统

2．2 重组式数据链设计方案

2．2．1 重组式数据链前端板设计需求

2．2．2 板级电路原理规划整体设计

2．3 本章小结

参考文献

第三章 BESⅢ μ子鉴别器读出电子学系统升级

3．1 前端板升级改造原因

3．2 前端板升级改造方法

3．2．1 前端保护电路的升级

3．2．2 阈值控制电路的升级

3．2．3 前端板电源部分热工性能的改进设计

3．3 本章小结

参考文献

第四章 重组式数据链前端板设计

4．1 重组式数据链的设计需求以及实现方法

4．2 重组式数据链前端板各功能模块设计

4．2．1 借鉴与模仿升级后前端板的部分

4．2．2 数据重组功能实现部分

4．3 器件选择与PCB设计

4．3．1 数据处理FPGA的选择

4．3．2 反熔丝FPGA芯片选择

4．3．3 PCB设计

4．4 数据处理FPGA逻辑介绍

4．4．1 甄别器输出脉冲的展宽

4．4．2 流水线缓冲器

4．4．3 取数窗口的设计

4．4．4 数据缓冲器

4．4．5 并串转换和数据发送模块

4．4．6 命令接收模块

4．4．7 主控逻辑模块

4．5 反熔丝FPGA逻辑设计

4．5．1 数据选择与重组模块

4．5．2 电源开关管理模块

4．5．3 命令解释模块

4．6 本章小结

参考文献

第五章 相关测试

5．1 测试平台的搭建

5．1．1 测试平台物理结构

5．1．2 上位机取数程序的设计

5．1．3 数据分析软件的设计

5．2 升级后前端板的性能测试

5．2．1 常规测试

5．2．2 升级部分测试

5．2．3 数据链读出测试

5．3 重组式前端板功能测试

5．3．1 数据重组功能测试

5．3．2 电源监控芯片测试

5．3．3 冗余LVDS发送模块测试

5．3．4 重组功能测试结论

5．4 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 未来工作的展望

致谢

缩写词简表

附录

攻读学位期间发表文章