LHAASO-WFCTA讀出電子學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

張進(jìn)文,周 榮,張壽山,李 堯,熊 浩,胡剛菱,楊朝文

(1.四川大學(xué)物理學(xué)院， 成都 610065； 2.中國科學(xué)院高能物理研究所， 北京 100049)

1 引 言

大型高海拔宇宙線觀測(cè)站(Large High Altitude Air Shower Observatory，LHAASO)是我國“十二五”規(guī)劃中的重大科學(xué)項(xiàng)目，該觀測(cè)站站址修建在四川省甘孜州稻城縣的海子山上，平均海拔4 400 m[1-2]. LHAASO使用了復(fù)合探測(cè)的設(shè)計(jì)方案，由多種探測(cè)器陣列共同構(gòu)成，包括電磁粒子探測(cè)器陣列，水切倫科夫探測(cè)器陣列，廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列[3-4]. 廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列(wide field of view Cherenkov telescope array，WFCTA)用來探測(cè)大氣簇射時(shí)產(chǎn)生的切倫科夫光和熒光，使用了可移動(dòng)的設(shè)計(jì)，方便根據(jù)探測(cè)需求進(jìn)行不同的布局，每臺(tái)望遠(yuǎn)鏡有1 024個(gè)硅光電倍增管(silicon photomultiplier,SiPM)，視角為0.5°. 為了讀出1 024個(gè)通道的數(shù)據(jù)，我們需要設(shè)計(jì)一套讀出電子學(xué)系統(tǒng)，目前已有的讀出電子學(xué)方案，如LHAASO的電磁粒子探測(cè)器陣列(ED)或者水切倫科夫探測(cè)器陣列(WCDA)，采用無觸發(fā)的方式[5-6]，直接對(duì)每個(gè)通道的時(shí)間信息和電荷信息進(jìn)行測(cè)量，然后把各通道的數(shù)據(jù)包上傳到服務(wù)器，離線進(jìn)行事例分析. 而望遠(yuǎn)鏡不僅僅需要獲得事例的時(shí)間和電荷信息，各個(gè)通道的波形信息包含了宇宙線物理的相關(guān)信息，也需要被記錄下來. 按單通道數(shù)據(jù)量1 024 bit，且單道觸發(fā)率為10 kHz計(jì)算，1 024通道就需要10 Gbit/s的帶寬才可以將數(shù)據(jù)全部傳出. 因此，ED或WCDA的讀出電子學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)WFCTA望遠(yuǎn)鏡來說并不適用，需要開發(fā)一套新的架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)事例數(shù)據(jù)的在線挑選. 設(shè)計(jì)思路為：采用前端電子學(xué)聯(lián)合后端觸發(fā)電路的方式，在前端電子學(xué)上實(shí)現(xiàn)第一級(jí)觸發(fā)：判別著火通道，然后在觸發(fā)電路上實(shí)現(xiàn)第二級(jí)觸發(fā)：根據(jù)著火通道的位置判別是否事例觸發(fā). 與無觸發(fā)的方式相比，可以通過對(duì)事例的在線判別，過濾掉噪聲數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)量，并且前端電子學(xué)只需要將著火通道的位置信息發(fā)送到觸發(fā)電路上，而不用將通道的全部數(shù)據(jù)都發(fā)送到觸發(fā)電路上進(jìn)行事例判別，這樣又減少了前端電子學(xué)和觸發(fā)電路之間的數(shù)據(jù)量，使得系統(tǒng)的帶寬得到充分利用. 為了兼容記錄切倫科夫信號(hào)和熒光信號(hào)的波形，考慮到熒光信號(hào)是μs量級(jí)，在波形獲取時(shí)使用4點(diǎn)壓縮方式，將模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital convertor,ADC)采樣點(diǎn)的相鄰4點(diǎn)累加起來作為波形點(diǎn)，這樣每個(gè)事例波形包含28個(gè)波形點(diǎn)，覆蓋2.24 μs的寬度. 根據(jù)WFCTA項(xiàng)目需求，讀出電子學(xué)的主要指標(biāo)如表1所示.

表1 讀出電子學(xué)主要指標(biāo)

2 WFCTA讀出電子學(xué)系統(tǒng)

讀出電子學(xué)的硬件設(shè)計(jì)分為兩部分：子模塊和觸發(fā)電路[7]. 如圖1所示，讀出電子學(xué)由64個(gè)子模塊和一塊觸發(fā)電路組成. 每個(gè)子模塊由4×4的SiPM陣列、前置放大電路[8]、溫度偏壓補(bǔ)償電路[9]、模擬電路[10]和數(shù)字電路[11]組成.

圖1 WFCTA讀出電子學(xué)框架Fig.1 Framework of the WFCTA readout electronics system

SiPM陣列將收集入射的切倫科夫光或熒光，前置放大電路把來自SiPM的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成為電壓信號(hào)，以供后續(xù)電路處理. 模擬電路用來處理前置放大電路的輸出信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，分為高低兩種增益，覆蓋3 200倍的動(dòng)態(tài)范圍. 溫度偏壓補(bǔ)償電路的作用是讀取SiPM的溫度信息，并向SiPM提供所需高壓. 數(shù)字電路的作用是對(duì)模擬板的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理和觸發(fā)判選. 觸發(fā)電路負(fù)責(zé)對(duì)事例數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和匯總.

2.1 在線觸發(fā)架構(gòu)

子模塊讀出電子學(xué)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，4×4的SiPM陣列與前放板的輸出信號(hào)半高寬為42 ns，由模擬板進(jìn)行處理，子模塊包含兩塊模擬板，分別處理8路信號(hào)，為了滿足測(cè)量10～32 000 P.E.的動(dòng)態(tài)范圍，模擬板采用高低增益設(shè)計(jì). 數(shù)字電路上使用了兩片采樣率為50 MHz，12 bit的AD9249對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，并且使用Spartan-6系列的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)對(duì)串行數(shù)據(jù)進(jìn)行解串，解串后的原始采樣點(diǎn)(20 ns/bin)會(huì)流入FPGA開辟的兩條線形緩存中，一條線性緩存用來計(jì)算單道觸發(fā)，使用寬度80 ns的積分窗口逐點(diǎn)滑動(dòng)，每滑過1.6 μs就找出積分窗口的最大值，然后將該值扣除基線，再分別與單道閾值和記錄閾值進(jìn)行比較[12]. 如果過單道閾值則單道觸發(fā)，相應(yīng)單道觸發(fā)標(biāo)志位為1，如果過記錄閾值則記錄標(biāo)志位為1. 單道標(biāo)志用來對(duì)單通道的觸發(fā)進(jìn)行判斷，而記錄標(biāo)志則用于判斷單通道數(shù)據(jù)是否應(yīng)該被保留記錄. 另一條線性緩存用來進(jìn)行波形壓縮，原始采樣點(diǎn)會(huì)進(jìn)行4點(diǎn)求和，和值被存在線性緩存中，事例獲取模塊將直接從該緩存中獲取波形數(shù)據(jù). 一個(gè)子模塊的單道觸發(fā)信號(hào)由16 bit單道觸發(fā)標(biāo)志組成，每個(gè)bit分別代表相應(yīng)的SiPM通道是否過單道閾值.

圖2 WFCTA子模塊讀出電子學(xué)框架Fig.2 Framework of the WFCTA subcluster readout electronics

圖3 WFCTA讀出電子學(xué)在線觸發(fā)邏輯框架Fig.3 Framework of the WFCTA readout electronics online trigger logic

每個(gè)子模塊的單道觸發(fā)模塊將會(huì)把16 bit的單道觸發(fā)信息串行發(fā)送給觸發(fā)電路，如圖3. 觸發(fā)電路上使用8個(gè)FPGA(FPGA1-8)對(duì)單道觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行匯總，每個(gè)FPGA分別匯總8個(gè)子模塊傳來的單道觸發(fā)信息. 由于進(jìn)行事例觸發(fā)判選的FPGA9plus與FPGA1-8之間的管腳有限，所以在FPGA1-8上對(duì)單道信息進(jìn)行匯總，把兩個(gè)子模塊的單道信息合并為32 bit，再串行發(fā)送到FPGA9plus上，這樣FPGA1-8與FPGA9plus將分別有4對(duì)差分線用來傳輸單道信息. 單道信息的傳輸是流水線式的，子模塊每1.6 μs會(huì)向觸發(fā)電路的FPGA1-8發(fā)送一次單道觸發(fā)信息，代表當(dāng)前1.6 μs的窗口內(nèi)單道是否觸發(fā)，F(xiàn)PGA1-8每1.6 μs向FPGA9plus發(fā)送一次匯總后的單道觸發(fā)信息，F(xiàn)PGA9plus每1.6 μs會(huì)判斷收到的1 024 bit單道信息是否滿足事例觸發(fā)條件并產(chǎn)生事例觸發(fā)信號(hào)返回給64個(gè)子模塊，當(dāng)子模塊收到事例觸發(fā)信號(hào)后會(huì)耗時(shí)1.6 μs對(duì)觸發(fā)標(biāo)志進(jìn)行解析. 因此，子模塊從發(fā)出單道觸發(fā)信號(hào)再到接收事例觸發(fā)信號(hào)耗時(shí)4個(gè)1.6 μs，合計(jì)6.4 μs. 由于觸發(fā)信號(hào)傳遞產(chǎn)生的延遲，子模塊上的先進(jìn)先出隊(duì)列(First in First Out,FIFO)至少需要可以容納4個(gè)事例，而子模塊上FPGA的資源足夠容納16個(gè)事例，可以滿足需求. 如圖2所示，如果事例觸發(fā)，則子模塊中的事例獲取模塊將從數(shù)據(jù)緩存中取出事例數(shù)據(jù)存入FIFO中，在子模塊上同一個(gè)事例的各通道數(shù)據(jù)都是固定長(zhǎng)度的，讀取固定長(zhǎng)度數(shù)據(jù)即可將同一個(gè)事例打包在一起，然后通過數(shù)據(jù)發(fā)送模塊發(fā)送給觸發(fā)電路. 子模塊的溫度偏壓補(bǔ)償電路用來獲取SiPM的溫度數(shù)據(jù)并為其設(shè)置高壓，SiPM的溫度和高壓等狀態(tài)數(shù)據(jù)將被發(fā)送到數(shù)字電路上，數(shù)字電路上使用FIFO對(duì)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)發(fā)送模塊傳輸給觸發(fā)電路.

2.2 事例獲取架構(gòu)

子模塊上的數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將使用1對(duì)差分線將事例數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)串行發(fā)送到觸發(fā)電路FPGA1-8上，如圖4所示. 每個(gè)FPGA分別接收8個(gè)子模塊的數(shù)據(jù)，并同時(shí)依據(jù)記錄標(biāo)志位去挑選需要保留的通道數(shù)據(jù). 然后將它們匯總后再經(jīng)過1對(duì)差分線串行發(fā)送給FPGA9. 小白兔(white rabbit,WR)是基于以太網(wǎng)技術(shù)而改進(jìn)的全數(shù)字頻率分布和時(shí)間同步技術(shù)[13]，可以提供任意數(shù)量節(jié)點(diǎn)間頻率鎖相及亞納秒級(jí)時(shí)間同步. WR交換機(jī)通過單模光纖與觸發(fā)電路上的WR節(jié)點(diǎn)相連，為望遠(yuǎn)鏡提供統(tǒng)一的參考頻率和時(shí)間，F(xiàn)PGA10上的WR節(jié)點(diǎn)將解析出WR交換機(jī)傳來的國際原子時(shí)(temps atomique international，TAI)并提供相應(yīng)的秒脈沖(pulse per second，PPS). 事例時(shí)間由粗時(shí)間和細(xì)時(shí)間組成，粗時(shí)間為TAI，計(jì)數(shù)周期是秒，細(xì)時(shí)間統(tǒng)計(jì)由FPGA9上的時(shí)間獲取模塊完成，F(xiàn)PGA9使用50 MHz時(shí)鐘對(duì)細(xì)時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，時(shí)間精度為20 ns. FPGA9上事例數(shù)據(jù)匯總模塊使用8個(gè)FIFO分別對(duì)FPGA1-8傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，并與事例時(shí)間一起打包后發(fā)送給DDR3 SDRAM進(jìn)行存儲(chǔ). DDR3 SDRAM選用了Micron公司的MT41J64M16-15E，緩存容量為1 Gbits. FPGA9上的事例數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將從DDR3中讀取數(shù)據(jù)并發(fā)送給FPGA10. FPGA10使用FIFO對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存然后使用TCP/IP協(xié)議經(jīng)WR交換機(jī)上傳到服務(wù)器.

圖4 WFCTA讀出電子學(xué)事例獲取邏輯框架Fig.4 Framework of the WFCTA readout electronics event acquisition logic

3 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

3.1 波形獲取

RIGOL(DG4102)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生半高寬為42 ns的波形代替前置放大電路的輸出信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過模擬電路放大后進(jìn)入數(shù)字電路，進(jìn)行波形獲取. 我們可以從獲得的波形中計(jì)算出信號(hào)的電荷量，信號(hào)的電荷量與SiPM產(chǎn)生的光電子數(shù)目成正比. 實(shí)驗(yàn)室中自行研制的扇出電路用來將該信號(hào)扇出到每一個(gè)子模塊，子模塊的數(shù)據(jù)將會(huì)被觸發(fā)電路接收并由WR交換機(jī)發(fā)送到上位機(jī)，使用Matlab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理. 子模塊一個(gè)通道的高低增益波形如圖5和圖6所示. 為了在線壓縮數(shù)據(jù)量，波形的每一個(gè)點(diǎn)都代表了4個(gè)ADC采樣點(diǎn)的和，每個(gè)ADC采樣點(diǎn)是12 bit，不做壓縮時(shí)，4個(gè)采樣點(diǎn)總共48 bit，進(jìn)行壓縮后僅占14 bit，并且波形的電荷量和壓縮前是一樣的. 圖中波形由28個(gè)波形點(diǎn)組成，總共代表112個(gè)ADC采樣點(diǎn)，合計(jì)2.24 μs.

圖5 高增益通道波形Fig.5 Waveform of high gain channel

圖6 低增益通道波形Fig.6 Waveform of low gain channel

3.2 動(dòng)態(tài)范圍和高低增益比

用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生不同幅度的波形來測(cè)試讀出電子學(xué)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，圖7顯示了電荷測(cè)量結(jié)果，動(dòng)態(tài)范圍可以覆蓋10～32 143 P.E.并且高增益通道和低增益通道的重疊區(qū)從 857～1 714 P.E.. 在理論設(shè)計(jì)中，高增益通道的增益是15，低增益通道增益是0.7，因此高低增益通道間的增益比是21.4. 我們使用信號(hào)幅度為857 P.E.的信號(hào)對(duì)高低增益比進(jìn)行測(cè)試，圖8為1 024個(gè)通道的高低增益比.

3.3 電荷測(cè)量分辨率

由于電子學(xué)系統(tǒng)的噪聲和統(tǒng)計(jì)漲落，輸出信號(hào)的波形面積會(huì)呈高斯分布，分辨率用來量化高斯分布的展寬，反映了噪聲水平大小. 在實(shí)驗(yàn)室中使用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生不同幅度的信號(hào)，幅度范圍從10 P.E.一直測(cè)到32 143 P.E.，在每個(gè)幅度下分別采集1 000個(gè)波形，然后使用Matlab對(duì)電子學(xué)系統(tǒng)獲取的波形面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出波形面積均值和標(biāo)準(zhǔn)差，使用標(biāo)準(zhǔn)差除以均值即可得到相應(yīng)幅度下的分辨率. 圖9為電荷分辨率的測(cè)試結(jié)果，電荷分辨率在10 P.E.時(shí)優(yōu)于20%，在32 000 P.E.時(shí)優(yōu)于5%.

圖7 電荷測(cè)量結(jié)果，1 024個(gè)高增益通道標(biāo)記為“+”，1 024個(gè)低增益通道標(biāo)記為“*”

圖8 1 024個(gè)通道的高低增益比

圖9 分辨率測(cè)量結(jié)果，1 024個(gè)高增益通道標(biāo)記為“+”，1 024個(gè)低增益通道標(biāo)記為“*”Fig.9 Resolution measurement results,1 024 high gain channels marked as “ + ” and 1 024 low gain channels marked as “*”

3.4 相對(duì)偏差

電子學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)線性系統(tǒng)，為了衡量系統(tǒng)的線性程度，使用相對(duì)偏差來進(jìn)行量化. 相對(duì)偏差的定義為：(測(cè)量值-擬合值)/測(cè)量值×100%，對(duì)1 024個(gè)通道的相對(duì)偏差進(jìn)行測(cè)量，如圖10所示，相對(duì)偏差在10 P.E.時(shí)優(yōu)于5%，在32 000 P.E.時(shí)優(yōu)于2%.

圖10 相對(duì)偏差測(cè)量結(jié)果，1 024個(gè)高增益通道標(biāo)記為“+”，1 024個(gè)低增益通道標(biāo)記為“*”Fig.10 Relative deviation measurement results,1 024 high gain channels marked as “ + ” and 1 024 low gain channels marked as “*”

4 結(jié) 論

LHAASO-WFCTA望遠(yuǎn)鏡讀出電子學(xué)系統(tǒng)使用了在線觸發(fā)架構(gòu)：采用64個(gè)子模塊先將SiPM著火信息傳到觸發(fā)電路，由觸發(fā)電路進(jìn)行在線觸發(fā)判選，然后將事例觸發(fā)信息回傳給64個(gè)子模塊的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取. 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明：電子學(xué)系統(tǒng)可以正確獲取信號(hào)波形，電荷測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍可以覆蓋10～32 143 P.E. 并且高增益通道和低增益通道的重疊區(qū)為857～1 714 P.E.，高低增益比值與設(shè)計(jì)相符，電荷分辨率在10 P.E.時(shí)優(yōu)于20%，在32 000 P.E.時(shí)優(yōu)于5%，相對(duì)偏差在10 P.E.時(shí)優(yōu)于5%，在32 000 P.E.時(shí)優(yōu)于2%，指標(biāo)滿足WFCTA項(xiàng)目所需.