高密度塑料閃爍體探測器的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)設(shè)計

楊海波，孔 潔，趙紅赟，丁朋程,3，周 勇，楊振雷，蘇 弘,*

(1.中國科學(xué)院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.西北師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

高密度塑料閃爍體探測器的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)設(shè)計

楊海波1,2，孔 潔1，趙紅赟1，丁朋程1,3，周 勇1,2，楊振雷1,2，蘇 弘1,*

(1.中國科學(xué)院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.西北師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

由中國科學(xué)院近代物理研究所承擔(dān)的塑料閃爍體探測器研究項目，其目標是開展空間粒子探測、重構(gòu)入射電子軌跡、區(qū)分電子和光子、鑒別重離子。為配合該探測器測試工作，設(shè)計了一套完備的數(shù)據(jù)獲取電路(DAQ)與上位機軟件。DAQ接收4塊前端電子學(xué)(FEE)板的數(shù)據(jù)，可完成360路電子學(xué)通道的數(shù)據(jù)讀出；接收上位機的控制命令并分發(fā)給各FEE；接收探測器的擊中信息并產(chǎn)生觸發(fā)信號；接收FEE的遙測數(shù)據(jù)并傳給上位機。該DAQ與上位機通過USB總線和RS232總線實現(xiàn)實時通信。上位機軟件基于LabWindows/CVI軟件平臺開發(fā)，實現(xiàn)對FEE電子學(xué)系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)讀取與保存，以及FEE系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)信息的實時顯示。該數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)緊湊、功能完善，上位機軟件具有良好的人機交互界面。經(jīng)現(xiàn)場實際運行，DAQ與上位機軟件滿足設(shè)計要求，目前已成功應(yīng)用于塑料閃爍體探測器讀出電子學(xué)測試系統(tǒng)。

塑料閃爍體探測器；DAQ；FPGA；USB；LabWindows/CVI

有機塑料閃爍體由于具有強的抗輻照特性、螢光的波長范圍與光陰極的光譜響應(yīng)能很好配合、長的光衰減長度、快的時間響應(yīng)特性、易于加工且光輸出高等優(yōu)點[1-3]，已成為核物理實驗中應(yīng)用非常廣泛的一種探測器。該探測器也常作為空間探測器系統(tǒng)中最重要的組成部分之一[4-5]，通過多層橫縱交叉結(jié)構(gòu)重構(gòu)入射粒子的軌跡，并結(jié)合其他探測器陣列構(gòu)成反符合系統(tǒng)，實現(xiàn)電子和γ光子的鑒別，同時，通過粒子在探測器單元中的能損信息實現(xiàn)輕、重帶電粒子的鑒別，所以塑料閃爍體探測器的研制具有重要意義。

中國科學(xué)院近代物理研究所承擔(dān)研制的DAMPE衛(wèi)星塑料閃爍體探測器，采用雙層塑料閃爍體結(jié)構(gòu)，整個塑料閃爍體系統(tǒng)共90個單元，由于每單元均采取了雙端讀出方式，讀出器件為光電倍增管，而每個光電倍增管又有兩路信號輸出，整個探測器系統(tǒng)共需360路電子學(xué)讀出通道。作為實驗探測裝置的重要組成部分之一，數(shù)據(jù)獲取電路(DAQ)和上位機軟件在運行中至關(guān)重要，相應(yīng)數(shù)據(jù)獲取通道數(shù)的增多，在數(shù)據(jù)獲取效率和速率方面，均對數(shù)據(jù)獲取電子學(xué)的設(shè)計提出更高要求。為配合該探測器研制，本文提出一套完備的數(shù)據(jù)獲取電路和上位機軟件的設(shè)計方案。

1 電子學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)

圖1 塑料閃爍體探測器讀出電子學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Readout electronics system structure for plastic scintillator detector

塑料閃爍體探測器讀出電子學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個塑料閃爍體陣列探測器電子學(xué)包括3部分：FEE(前端電子學(xué))、DAQ和讀出控制上位機軟件。每塊FEE負責(zé)每層單側(cè)90路打拿級信號的電荷測量，因此共需4塊FEE。每塊DAQ負責(zé)匯總4塊FEE的電荷測量數(shù)據(jù)(粒子信息)，即科學(xué)數(shù)據(jù)，配置4塊FEE的控制命令以及接收4塊FEE應(yīng)答包和遙測數(shù)據(jù)(包括溫度、電流以及FPGA狀態(tài)參數(shù)等)，因此，每套讀出電子學(xué)部分需4塊FEE和1塊DAQ。具體設(shè)計要求為：1) DAQ與FEE間科學(xué)數(shù)據(jù)傳輸速率為20 MB/s；2) 控制命令和遙測狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸速率不小于100 kB/s；3) DAQ與上位機控制軟件交互科學(xué)數(shù)據(jù)傳輸速率大于160 MB/s；4) 上位機軟件具有良好的人機交互界面；5) 具有較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性，長時間工作時系統(tǒng)能正常運行。

2 數(shù)據(jù)獲取電路

2.1 硬件設(shè)計

電路硬件框圖如圖2所示，電路的硬件單元主要包括差分驅(qū)動、邏輯控制FPGA、USB微控制器、串口、電源時鐘電路以及調(diào)試擴展接口等單元。整個電路只需5 V電源供電，功耗1.1 W。

圖2 DAQ硬件框圖Fig.2 Diagram of DAQ hardware

FEE板上的科學(xué)數(shù)據(jù)通過LVDS硬件接口向DAQ發(fā)送，門控時鐘和數(shù)據(jù)通過LVDS差分總線進行傳輸，傳輸時鐘頻率為20 MHz(時鐘信號占空比為50%±5%)，發(fā)送端時鐘下降沿和數(shù)據(jù)的偏移小于時鐘周期的±10%。觸發(fā)信號使用單工方式通過RS422硬件接口向FEE發(fā)送，而指令和獲取工作狀態(tài)的遙測數(shù)據(jù)使用主從式半雙工方式，調(diào)制速率為115 200 B/s，誤差小于2%。由于科學(xué)數(shù)據(jù)量較大，采用LVDS傳輸可實現(xiàn)高速傳輸，并有低噪聲、低功耗以及低電壓等優(yōu)點。RS422接口在空間粒子探測中應(yīng)用更成熟，抗干擾能力強，可靠性更高，對指令和遙測的傳輸速率要求完全可滿足。DAQ與上位機軟件通過USB和RS232通信，通過USB總線上傳科學(xué)數(shù)據(jù)并下發(fā)DAQ自身的控制命令，通過RS232總線發(fā)送FEE的控制命令，并回讀FEE的遙測狀態(tài)數(shù)據(jù)。USB采用480 MB/s的高速傳輸，完全可滿足DAQ對科學(xué)數(shù)據(jù)傳輸可靠性和數(shù)據(jù)傳輸速率的要求，RS232接口調(diào)制速率設(shè)置為115 200 B/s進行數(shù)據(jù)傳輸，優(yōu)點是可實現(xiàn)對FEE的實時監(jiān)測和指令配置而不干擾科學(xué)數(shù)據(jù)的傳輸。USB接口芯片采用Cypress公司的CY7C68013[6]微控制器，集成了串行接口引擎和USB 2.0收發(fā)器，微控制器的固件基于Keil C51編譯環(huán)境進行設(shè)計。RS232收發(fā)器采用的芯片為MAX3232[7]，該芯片配備專有的低漏失電壓發(fā)射器輸出狀態(tài)，在最差工作條件下能保證120 kB/s的數(shù)據(jù)速率，完全滿足設(shè)計需求。根據(jù)應(yīng)用中需要的RAM容量、I/O數(shù)、邏輯單元數(shù)等資源的計算，F(xiàn)PGA選用Altera公司CycloneⅡ系列的EP2C20F484C8N[8]，該芯片包含約239 kB的專用RAM資源和約18 kB邏輯單元，F(xiàn)IFO資源豐富。根據(jù)設(shè)計方案，DAQ所有邏輯均在同一片F(xiàn)PGA中設(shè)計并實現(xiàn)。

2.2 基于硬件描述性語言的設(shè)計

FPGA邏輯的設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的核心，它是貫通上層應(yīng)用程序和執(zhí)行部件之間的橋梁，也是電路監(jiān)測系統(tǒng)的主要決策及處理單元。FPGA邏輯主要實現(xiàn)的功能包括科學(xué)數(shù)據(jù)處理模塊、USB通信模塊、UART通信模塊、觸發(fā)控制模塊、系統(tǒng)時鐘和復(fù)位模塊等5大模塊。FPGA主要完成以下功能：與FEE之間的通信；對FEE的科學(xué)數(shù)據(jù)和遙測數(shù)據(jù)進行事例組裝；控制USB接口芯片上傳數(shù)據(jù)到PC機中；控制RS232總線接口芯片下發(fā)命令；進行解析并分發(fā)FEE命令以及上傳FEE的遙測狀態(tài)。整個FPGA邏輯設(shè)計采用模塊化設(shè)計，每個模塊負責(zé)各自功能，當某模塊升級時，不會影響其他模塊的功能。

1) 科學(xué)數(shù)據(jù)處理模塊

圖3 科學(xué)數(shù)據(jù)處理流程Fig.3 Flow of scientific data processing

科學(xué)數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。FEE的串行數(shù)據(jù)流發(fā)送到DAQ后，首先進行數(shù)據(jù)流的解碼，然后將接收到的串行科學(xué)數(shù)據(jù)通過串并轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成16位寬的并行數(shù)據(jù)，將其緩存到LVDS_FIFO中，再將4個LVDS_FIFO中的數(shù)據(jù)匯總到1個USB_FIFO中，最后通過USB總線將USB_FIFO中的總數(shù)據(jù)上傳到PC機中。由于DAQ每發(fā)出1個觸發(fā)信號便接收1次數(shù)據(jù)，所以4個LVDS_FIFO的數(shù)據(jù)，采用令牌環(huán)的方式讀出。上電檢測到觸發(fā)信號后，各LVDS_FIFO接收到Token，若LVDS_FIFO中有數(shù)據(jù)，將其讀出并寫入USB_FIFO中；如為空，直接將令牌傳遞給下一LVDS_FIFO。采用令牌讀出控制方式的優(yōu)點是系統(tǒng)配置靈活。

2) USB通信模塊

USB通信模塊實現(xiàn)科學(xué)數(shù)據(jù)上傳控制時序和解析DAQ控制指令。該模塊一方面用于將打包完成的科學(xué)數(shù)據(jù)寫入CY7C68013芯片的FIFO中，與USB_FIFO配合實現(xiàn)科學(xué)數(shù)據(jù)的上傳。每次讀取512字節(jié)數(shù)據(jù)，若上位機軟件停止數(shù)據(jù)采集，則強制將剩余數(shù)據(jù)全部上傳；另一方面，接收PC機下行的DAQ控制指令，進行命令解析并完成相應(yīng)的響應(yīng)處理。圖4為DAQ板上的CY7C68013微控制器與FPGA間的互聯(lián)方式。

圖4 FPGA與CY7C68013的互聯(lián)Fig.4 Interconnection between FPGA and CY7C68013

3) UART通信模塊

DAQ和上位機之間通過串口實現(xiàn)對各FEE的控制配置與實時監(jiān)測?？刂泼钔ㄟ^輪流循環(huán)依次向FEE發(fā)送，F(xiàn)EE收到并解析控制命令后返回相應(yīng)的應(yīng)答包，包含溫度、電流和FPGA狀態(tài)參數(shù)。UART模塊具體實現(xiàn)框圖如圖5所示。接收器模塊如圖5a所示，首先對異步輸入信號通過同步器對數(shù)據(jù)信號進行同步處理，使得輸入信號同步化并減少系統(tǒng)的亞穩(wěn)態(tài)。同步后的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字濾波器，將濾波后的數(shù)據(jù)信號再分別發(fā)送到串并轉(zhuǎn)換器和起始信號檢測器中，若收到起始信號標志，則啟動狀態(tài)機實現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換，開始數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)送器模塊如圖5b所示，首先將輸入的并行數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)鎖存器中鎖存，由波特率發(fā)生器產(chǎn)生時鐘信號控制狀態(tài)機實現(xiàn)并行數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換。接收器模塊波特率和發(fā)送器模塊波特率一致才能保證其數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

a——接收器模塊；b——發(fā)送器模塊

4) 觸發(fā)控制模塊

觸發(fā)控制模塊可工作在外觸發(fā)和自觸發(fā)兩種工作模式下。當探測器正常工作時，由觸發(fā)探測器提供外部觸發(fā)信號，將其同步后直接送給相應(yīng)的FEE；當電子學(xué)自檢或刻度時，由FPGA產(chǎn)生頻率為50 Hz的固定個數(shù)的脈沖信號作為觸發(fā)發(fā)給相應(yīng)的FEE。觸發(fā)控制模塊接收上位機的控制命令，包括觸發(fā)產(chǎn)生使能、同步開始和同步結(jié)束。該模塊還具備產(chǎn)生觸發(fā)檢查信號的能力，每隔212個事例時輸出觸發(fā)檢測信號，用于多個FEE共同工作時數(shù)據(jù)包的同步和檢查。

5) 系統(tǒng)時鐘和復(fù)位模塊

該模塊產(chǎn)生全局時鐘信號和全局復(fù)位信號。負責(zé)將外部輸入時鐘引入全局時鐘網(wǎng)絡(luò)中，利用PLL實現(xiàn)時鐘的倍頻。為避免復(fù)位信號產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)的危害，設(shè)計采用異步復(fù)位、同步釋放。同時調(diào)用ALTCLKCTRL模塊將USB時鐘信號引入到全局時鐘網(wǎng)絡(luò)，提高USB控制模塊的時序性能。

3 上位機軟件

塑料閃爍體陣列探測器上位機軟件在LabWindows/CVI平臺上開發(fā)[9]，根據(jù)實際需要，最終采用模塊化的設(shè)計思想。軟件主要包括FEE和DAQ命令模塊、狀態(tài)監(jiān)測模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及實時顯示模塊，基本組成框圖如圖6所示。

圖6 軟件基本層次結(jié)構(gòu)Fig.6 Basic hierarchical structure of software

對于不同的測試任務(wù)，命令模塊按照操作者對上位機軟件相應(yīng)控件的操作向FEE或DAQ發(fā)送控制命令，完成命令的配置。狀態(tài)監(jiān)測模塊實時讀取遙測數(shù)據(jù)信息，對FEE指令做出相應(yīng)的應(yīng)答動作，對DAQ和軟件本身的運行狀態(tài)和工作條件進行監(jiān)測。數(shù)據(jù)采集模塊負責(zé)接收并保存上傳的科學(xué)數(shù)據(jù)和遙測數(shù)據(jù)，并將遙測數(shù)據(jù)發(fā)送到實時顯示模塊進行分析和顯示。實時顯示模塊顯示遙測數(shù)據(jù)信息、軟件操作狀態(tài)以及硬件應(yīng)答等狀態(tài)。

上位機軟件讀取科學(xué)數(shù)據(jù)主要有正常數(shù)據(jù)采集模式、刻度數(shù)據(jù)模式、信號源掃描模式3種工作模式。LabWindows/CVI開發(fā)USB通信通過NI-VISA[10]實現(xiàn)，與DAQ相關(guān)的控制與數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)均采用VISA庫函數(shù)進行處理。遙測數(shù)據(jù)利用RS232串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議傳輸至上位機軟件，利用LabWindows/CVI自帶RS232函數(shù)庫實現(xiàn)對FEE控制命令、遙測數(shù)據(jù)的實時通信。為實現(xiàn)讀取并保存數(shù)據(jù)、顯示FEE工作狀態(tài)、顯示軟件工作狀態(tài)等多個任務(wù)，借助于多處理器的能力，上位機軟件采用多線程設(shè)計。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

基于上述的設(shè)計方案，進行實際電路的設(shè)計與實現(xiàn)并應(yīng)用于工程中。

4.1 系統(tǒng)電子學(xué)線性

利用DAQ產(chǎn)生觸發(fā)信號和刻度命令依次對所有電子學(xué)通道進行刻度，刻度觸發(fā)的頻率為50 Hz，每個幅度點重復(fù)512次。對測量數(shù)據(jù)進行分析可得到刻度線性曲線，并進行一次線性擬合。同時，對該數(shù)據(jù)進行分析，也可得到電子學(xué)系統(tǒng)的RMS噪聲。圖7為某一通道的線性圖，非線性為0.3%，RMS噪聲為2.5 fC。

圖7 電子學(xué)系統(tǒng)線性圖Fig.7 Electronics system linear graph

4.2 宇宙射線測試

通過兩重符合產(chǎn)生觸發(fā)信號供給DAQ，用來記錄宇宙線。圖8為測到的某通道的宇宙線能譜，從圖中可看到一清晰的朗道分布，峰位在2 083 ADC道值。

圖8 宇宙射線實測波形Fig.8 Measured spectrum of cosmic rays

4.3 蘭州重離子加速器束流試驗

為檢驗探測器對重離子的鑒別能力及系統(tǒng)的可靠性，在蘭州重離子加速器試驗終端用O的次級束對探測器進行了束流照射試驗，試驗結(jié)果如圖9所示，對應(yīng)位置出現(xiàn)了能譜尖峰，從He到O清晰可見。

圖9 束流測試結(jié)果Fig.9 Result of beam test

5 結(jié)論

本文為塑料閃爍體探測器設(shè)計了一套電路結(jié)構(gòu)緊湊、功能完善的數(shù)據(jù)獲取電路和上位機軟件。數(shù)據(jù)獲取模塊構(gòu)架以FPGA為核心器件，每塊DAQ負責(zé)匯總4塊FEE的電荷測量數(shù)據(jù)，提供強大的數(shù)據(jù)處理和傳輸能力，能對系統(tǒng)實時進行監(jiān)測和控制。通過USB總線和RS232總線接口的傳輸模式能高效地與上位機進行大批量數(shù)據(jù)交互。上位機軟件基于LabWindows/CVI開發(fā)環(huán)境，開發(fā)出能獨立運行于測試PC機上的程序。在軟件設(shè)計過程中，采用了多線程的編程技術(shù)，使軟件能高效運行。系統(tǒng)已在現(xiàn)場實際運行半年多，多次應(yīng)用在各環(huán)境試驗中，均未發(fā)生故障，在穩(wěn)定性、可靠性及安全性方面取得了滿意的效果，證實其工作原理正確可靠。且該系統(tǒng)也具有通用性，可方便地應(yīng)用于其他探測器前端電子學(xué)的讀出系統(tǒng)中。

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Design on Data Acquisition System for High Density Plastic Scintillator Detector

YANG Hai-bo1,2, KONG Jie1, ZHAO Hong-yun1, DING Peng-cheng1,3,ZHOU Yong1,2, YANG Zhen-lei1,2, SU Hong1,*

(1.InstituteofModernPhysics,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;3.CollegeofPhysicsandElectronicEngineering,NorthwestNormalUniversity,Lanzhou730070,China)

The project developing a plastic scintillator detector, undertaken by the Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, is targeted for detection of space particles, reconstructing tracks of incident electron, distinguishing electrons and photons, and identifying heavy ions. In order to construct a test system for the detector, a complete set of data acquisition circuit (DAQ) and upper computer software for test control and date acquisition was designed. The DAQ can receive the data from four front-end electronics (FEE) boards, and complete the data readout of 360 electronics channels on the FEE boards. The DAQ also received the control commands from the upper computer and distributed them to FEEs, received the hit information from the detector and generated trigger signals, and collected the telemetric data of FEEs and sent them to the upper computer for processing after packing. The real-time communication between DAQ and upper computer was achieved via USB bus and RS232 bus. The software of upper computer was developed based on the LabWindows/CVI framework, which can implement the control of FEEs, read and storage of the data from FEEs, and the display of the operation state parameters and other information of FEEs on real time. The system was developed with a compact circuit structure and multiple functions, and the upper computer software has a good human-computer interaction interface. After operation and test practically, the performances of DAQ and upper computer software meet the design requirements, and the system has been applied successfully in the plastic scintillator detector and read-out electronics currently.

plastic scintillator detector; DAQ; FPGA; USB; LabWindows/CVI

2014-07-10;

2014-09-25

國家自然科學(xué)基金資助項目(11305233)；中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項資助項目(XDA04040202-3)

楊海波(1987—)，男，黑龍江哈爾濱人，博士研究生，核技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)

*通信作者：蘇 弘，E-mail: suhong@impcas.ac.cn

TL82

A

1000-6931(2015)10-1882-06

10.7538/yzk.2015.49.10.1882