一种用于核与粒子物理实验数...化的多重数触发判选电路设计_刘尚铭.pdf

www.ChinaAET.comCircuits and Systems电路与系统一种用于核与粒子物理实验数字化的多重数触发判选电路设计*刘尚铭1，2，曹平1，2，李超1，2，汪晓虎1，2（1.中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室，安徽 合肥 230026；2.中国科学技术大学 近代物理系，安徽 合肥 230026）摘 要：核与粒子物理实验中，因实验本底与探测器噪声影响，实验需要通过触发判选机制筛选出有效物理事例，剔除掉本底噪声。针对物理实验高事例率情况下基于击中多重数（Hit multiplicity，NHit）的触发判选需求，设计了一种高性能数字触发判选电路。该电路具有 13 路高速串行通信接口，支持光纤数据传输与千兆网络通信；板载 32 Gb DDR4 缓存与高性能 FPGA，以支持大容量高速存储与实时数据处理。基于该电路可运行实时的硬件 NHit 触发算法，从而实现对前端数据的快速触发判选与数据读出，同时该电路便于扩展，可灵活地用在不同的物理实验上。经过测试验证，数字触发判选电路单路光纤接口传输速率可达 8.125 Gb/s，上行网络传输速率达 949.3 Gb/s，DDR4 缓存实际读写速率可达 102.6 Gb/s，满足数字触发判选电路设计的数据传输与缓存需求。关键词：触发判选；数据读出；光纤；SiTCP；DDR中图分类号：TL822+.3 文献标志码：A DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.222927中文引用格式：刘尚铭，曹平，李超，等.一种用于核与粒子物理实验数字化的多重数触发判选电路设计J.电子技术应用，2023，49(1)：124-129.英文引用格式：Liu Shangming，Cao Ping，Li Chao，et al.Design of a digital NHit trigger circuit for nuclear and particle physics experimentJ.Application of Electronic Technique，2023，49(1)：124-129.Design of a digital NHit trigger circuit for nuclear and particle physics experimentLiu Shangming1，2，Cao Ping1，2，Li Chao1，2，Wang Xiaohu1，2(1.State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China；2.Department of Modern Physics，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China)Abstract：In nuclear and particle physics experiments,due to the influence of the experimental background and detector noise,the experiment needs to pick out valid physical events by the trigger selection,and eliminate the background noise.Aiming at the trigger selection requirements based on hit multiplicity(NHit)in the cases of high event rates in physical experiments,this paper designs a high-performance digital trigger circuit.This circuit has 13 high-speed serial communication interfaces,which support optical fiber data transmission and Gigabit network communication;onboard 32 Gbit DDR4 cache and high-end FPGA to support large-capacity high-speed storage and real-time data processing.Based on this circuit,the real-time hardware NHit trigger algorithm could be run,which could realize fast trigger selection and data readout for the front-end data.At the same time,the circuit is easy to expand and could be flexibly used in different physical experiments.After testing and verification,the transmission rate of one single optical fiber interface could reach 8.125 Gb/s,the uplink transmission rate of SiTCP could reach 949.3 Mb/s,and the actual read and write rates of the DDR4 cache could reach 102.6 Gb/s,which meet the data transmission and caching requirements of digital trigger circuit design.Key words：trigger selection；data readout；optical fiber；SiTCP；DDR0 引言核与粒子物理主要研究原子核内部及以下层次的微观结构，为研究粒子间相互作用，人们通过数量庞大的探测器阵列和电子学设备对实验物理现象进行观测12。物理实验采用触发判选机制来滤除实验本底与探测器噪声，通过触发系统的设计从前端原始信息中筛*基金项目：核探测与核电子学国家重点实验室项目（SKLPDE-ZZ-202105，SKLPDE-ZZ-202206）124Circuits and Systems电路与系统电子技术应用 2023年 第49卷 第1期选 出 有 效 物 理 事 例，从 而 降 低 后 端 数 据 传 输 与 缓 存压力。核与粒子物理实验中的触发判选技术主要有模拟硬件触发、无硬件触发、数字硬件触发三种方式。早期实验的触发系统因技术限制，通常使用模拟硬件触发方式提取前端信号特征参量并进行触发判选，如中国原子能院 GTAF 谱仪3，这些触发系统大多专用且固定，具有一定死时间，无法适应物理实验高事例率的发展需要。随 着 数 据 传 输 处 理 能 力 的 快 速 提 高，压 缩 重 物 质 实验4、反质子湮灭实验5、大型高海拔宇宙线观测站6等实验开始采用无硬件触发的数据读出方法，将前端所有数据传输至后端，由后端高性能计算单元进行触发判选，但对所有数据不加区分的读出给读出系统与数据获取系统带来了更大的设计压力与资源消耗。近年来在某些实验上，如反角白光中子源 GTAF-II 谱仪7、江门中微子实验8，逐渐开展了基于 FPGA 实时硬件的全数字化硬件触发技术研究，充分利用 FPGA 并行处理能力强和实时性高的优点，对原始数据进行实时的触发判选与数据筛选。物理实验中的触发判选一般根据有效物理事例与本底噪声的特点，设置相应的判选条件。击中多重数（Hit multiplicity，NHit）是一种常用的判选依据，在反角白光中子源 GTAF-II 谱仪、大型高海拔宇宙线观测站、江门中微子实验、暗物质探测9等实验中被广泛应用。触发系统需要接收汇聚前端所有原始数据，并从中快速统计 NHit 信息，从而完成全局触发判选。在高事例率情况下，基于数字硬件方式的 NHit 触发相比于无硬件触发方式具有更好实时性，同时可以有效降低实验成本资源开销，而数字硬件触发方式需要依托具体硬件电路的实现，才能完成实际的触发判选。针对核与粒子物理实验中的数字 NHit 触发处理需求，本文设计了一种高性能数字触发判选电路。该电路支持多个通道的光纤数据传输与千兆网络通信，使用大容量高速 DDR4 缓存与高性能 FPGA 支持高速数据缓存与实时硬件数字触发处理。该电路灵活可扩展，可应用在不同的物理实验场景中，通过多块该电路组合可实现灵活的触发处理；同时具有一定兼容性，可作为机箱标准插卡并入某些物理实验电子学系统。通过对数字触发硬件电路的数据传输与缓存接口的测试，结果表明数字硬件电路可以实现与多个硬件间的光纤数据传输，以及 与 上 位 机 间 的 千 兆 网 络 通 信，同 时 支 持 高 带 宽 的DDR4 数据缓存，满足电路设计需求。1 数字触发方案在核与粒子物理实验中，基于光纤的数据传输是一种高效的远距离数据传输方式，被广泛应用在各个物理实验中。数字触发判选电路可通过光纤与前端电子学硬件相连，通过多个光纤链路汇聚前端原始数据，同时在内部通过高速大容量缓存将其缓存在本地等待后续触发处理；在硬件上使用高性能 FPGA 运行实时的 NHit触发算法，通过分析原始数据的时间信息得到 NHit 统计结果并进行全局触发判选；在得到触发结果后，数字触发判选电路挑选读出本地缓存中的有效物理事例数据，并通过千兆网络发送给后级数据获取系统，其触发处理架构如图 1（a）所示。由于物理实验通道数众多，在某些多通道高事例率的物理实验中，单块数字触发判选电路难以实现对所有前端数据的汇聚、读出以及触发处理。该情况下可根据物理实验的前端通道数、原始事例率、有效事例数据率等具体情况，使用多块数字触发判选单元电路进行级联扩展，从而实现灵活的触发处理操作，图 1（b）展示了多块数字触发判选电路扩展的应用方式。数字触发判选电路具备多通道光纤数据传输与千兆网络通信、大容量高带宽数据缓存、实时数据处理与触发判选能力，该电路实现不依赖具体的机箱平台，出于 兼 容 性 考 虑，将 数 字 触 发 判 选 电 路 设 计 成 标 准 的MTCA 机箱插卡10，实际使用时可作为单独的电子学模块独立运行，也可兼容某些物理实验的电子学系统，可插到 MTCA 机箱内实现与其他插卡的数据交互，从而大大增强数字触发判选电路的灵活性与可扩展性。此外，本方法也不完全依赖于光纤技术，当前端原始数据率不高情况下，也可利用电缆技术进行数据的传输收集。由于光纤数据传输需使用较多数量的 SFP+模块，因用户插卡面板空间限制，数字触发判选电路实际上由一个负责数据传输与处理的主处理模块与一个 IO 扩展模块组成，其电路结构框图如图 2 所示。在主处理模块上使用 1 颗高性能 FPGA 芯片负责数据传输与实时处理，多颗 DDR4 芯片用作大容量高速数据缓存，同时主处理模块与 IO 扩展模块上布有多个 SFP+模块用于多个通道的光纤数据传输与千兆网络通信，数字触发判选电路实图 1数字触发判选电路125Circuits and Systems电路与系统www.ChinaAET.com物如图 3 所示。数字触发判选电路基于光纤来进行高速串行数据通信，使用 SFP+光模块进行光电转换，并将电信号连接到 FPGA 的高速串行收发器上，通过 FPGA 逻辑配置可以使各个高速串行收发器工作在不同的高速串行数据通信协议下，例如 Aurora、SRIO、PCIe 等协议1113。在