（物理電子學(xué)專業(yè)論文）粒子物理實驗中的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究.pdf

粒子物理實驗中的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究摘要 摘要 粒子物理實驗中數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞接泻芏喾N，總結(jié)各種數(shù)據(jù)傳輸方式的特性。根據(jù)粒子物 理實驗中高能數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，對?yīng)不同部分和系統(tǒng)采用不同的數(shù)據(jù)傳輸方式，使得粒子物 理中的高能數(shù)據(jù)在傳輸過程中能夠保持更好的完整性和有效性。 本論文研究的粒子物理中的高能數(shù)據(jù)傳輸主要是應(yīng)用在北京正負電子對撞機( b e p c ) 升 級改造工程中北京譜儀( b e s ) 的電子學(xué)系統(tǒng)，北京譜儀( b e s ，b e i j i n gs p e c t r o m e t e r ) ：是3 2 作在 北京正負電子對撞機( b e p c ，b e i i n ge l e c t r o np o s i t r o nc o l l i d e r ) 上的大型通用磁譜儀，為 配臺b e p c i i 的改造，目前北京譜儀正在進行第三期升級改造工程，稱為b e s ，i i i 。b e s i i i 中信號的各部分功能指標(biāo)相比b e s i i ，能量高，頻率高，時間分辨率高。因此為了更好的 將b e s i i i 中的信號傳送給各個系統(tǒng)，需要根據(jù)不同部分的耍求采用更加有效和可靠的傳送 方式。 本文的第一章緒論部分，介紹了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展，以及國際上部分粒子物理實驗的大致 介紹，晟后介紹了目前粒子物理實驗中的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?第二章介紹了探測器到數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)( d a q ) 的數(shù)據(jù)傳輸，這里分別對探測器，探測 器到前端電子學(xué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸進行了介紹。對現(xiàn)在主要應(yīng)用在系統(tǒng)問傳輸?shù)膸追N數(shù)據(jù)傳輸 方式做了比較和介紹。 第三章是本文的重點，這一章詳細闡述了應(yīng)用在b e s i i i 中的t o f 項目中的系統(tǒng)間傳輸 的要求并通過兩個實際系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娐?，來驗證了采用的一些新技術(shù)在粒子物理中 高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行?，并介紹了兩個實際電路測試方案以及一些傳輸測試的結(jié)果。 論文的最后一章介紹了粒子物理實驗中高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢。 粒子物理實驗中的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究摘要 a b s t r a c t e x p e r i m e n t a lp a r t i c l ep h y s i c sd a t at r a n s m i s s i o nt h e r ea r em a n yw a y s c o n c l u s i o no ft h ew a y d a t at r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s a c c o r d i n gt oh i g h - e n e r g yp a r t i c l ep h y s i c se x p e r i m e n td a t a t r a n s m i s s i o nn e e d s ，c o u n t e r p a r td i f f e r e n tp a r t so ft h es y s t e ma n dt h er i s eo fd i f f e r e n td a t a t r a n s m i s s i o nm e t h o d s ，m a k e st h eh i g h - e n e r g yp a r t i c l ep h y s i c sd a t ad u r i n gt r a n s m i s s i o nt ob e t t e r m a i n t a i nt h ei n t e g r i t ya n de f f e c t i v e n e s s t h es e l e c t i o no fs u b j e c t so fs t u d yi nh i g h e n e r g yp a r t i c l ep h y s i c sd a t at r a n s m i s s i o ni sm a i n l y u s e di nt h eb e i j i n gs p e c t r o m e t e r ( b e s ) e l e c t r o n i c ss y s t e m ，b e i j i n gs p e c t r o m e t e r ( b e s ) i s w o r k i n gi nt h eb e i j i n ge l e c t r o n p o s i t r o nc o l l i d e r ( b e p c ) ，al a r g em a g n e t i cs p e c t r o m e t e r t om e e t b e p c i it r a n s f o r m a t i o n ，b e i j i n g s p e c t r o m e t e rc u r r e n te s c a l a t i o no ft h eo n g o i n gp h a s et h r e e p r o j e c t ，c a l l e db e s i i i b e s i i if u n c t i o n a lc o m p o n e n t so fs i g n a l sc o m p a r e db e s 一1 ii n d i c a t o r s ，i t h a sh i g h e n e r g y , h i g h - f r e q u e n c y , h i g ht e m p o r a lr e s o l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h e r e f o r e ，i no r d e r b e r e rt ob e s i i is i g n a l st r a n s m i t t e dt ot h ev a r i o u ss y s t e m s a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so f d i f f e r e n tp a r t so f t h en e e dt oa d o p tm o r ee f f i c i e n ta n dr e l i a b l et r a n s m i s s i o n t h ef i r s tp a r to ft h i sc h a p t e ri n t r o d u c t i o n ，i n t r o d u c e dad a t at r a n s m i s s i o nd e v e l o p m e n ta n d i n t e r n a t i o n a lp a r t i c l ep h y s i c se x p e r i m e n t sa r ep a r to ft h eb r i e f i n g ，f i n a l l yi n t r o d u c e di nt h ec u r r e n t p a r t i c l ep h y s i c se x p e r i m e n t si nt h eh i g h - s p e e dd a t at r a n s m i s s i o nn e e d s c h a p t e r1 1i n t r o d u c e dd e t e c t o r st od a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ( d a q ) d a t at r a n s m i s s i o n ，h e r ea r e t h ed e t e c t o r sa n dd e t e c t o rt of r o n t e n de l e c t r o n i c sd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mi n t r o d u c e dn o w , t h e m a i na p p l i c a t i o nf o rat r a n s m i s s i o ns y s t e mi ns e v e r a lw a y st od om o r ed a t at r a n s m i s s i o na n d p r e s e n t a t i o n h a v ed o n eac o m p a r i s o na n di n t r o d u c t i o ni nt h em a i na p p l i c a t i o nf o rat r a n s m i s s i o n s y s t e mi ns e v e r a lw a y si np r e s e n t c h a p t e ri l li st h ef o c u so ft h i sp a p e r , e l a b o r a t e do nt h ea p p l i c a t i o no f t h i sc h a p t e ri nt h et o f b e s i i ip r o j e c tb e t w e e nt r a n s m i s s i o ns y s t e mr e q u i r e m e n t sa n dt h r o u g ht w oc i r c u i to fa c t u a ld a t a t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，c e r t i f i c a t i o no fan u m b e ro fn e wt e c h n o l o g i e si n p a r t i c l ep h y s i c s ，t h e f e a s i b i l i t yo fh i g h s p e e dd a t at r a n s m i s s i o n a n di n t r o d u c e dt w oa c t u a lc i r c u i tt e s t i n gp r o g r a m m e r a n dan u m b e ro f t r a n s m i s s i o nt e s tr e s u l t s t h el a s tc h a p t e ri n t r o d u c e dp a r t i c l ep h y s i c se x p e r i m e n th i g h s p e e dd a t at r a n s m i s s i o nt r e n d s 2 粒于物理實驗中的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究 第一章緒論 1 1 數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展 數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展距今已經(jīng)1 0 0 多年了，無論是在我們的生活還是在科研工作領(lǐng)域，都與 數(shù)據(jù)的傳輸有著密切的聯(lián)系。數(shù)據(jù)傳輸發(fā)展到今天，從1 8 7 6 年貝爾發(fā)明的電話開始，標(biāo)志 著電子數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼介_始，到今天萬兆以太網(wǎng)傳輸，傳輸?shù)乃俣扔辛撕艽蟮奶岣?；此外?數(shù)據(jù)的傳輸方式和傳輸介質(zhì)也有了很大得發(fā)展，傳輸方式由普通模擬電信號傳輸，到數(shù)字信 號傳輸，傳輸介質(zhì)按照有線傳輸介質(zhì)和無線傳輸介質(zhì)分，有線傳輸介質(zhì)是指利用電纜或光纜 等充當(dāng)傳輸導(dǎo)體的傳輸介質(zhì)，有線傳輸介質(zhì)主要包括雙絞線、同軸電纜和光纜等。無線傳輸 介質(zhì)是指利用電波或光波充當(dāng)傳輸導(dǎo)體的傳輸介質(zhì)，無線傳輸介質(zhì)包括無線電波，微波，有 特殊的發(fā)射器發(fā)出高頻率射線：激光和紅外線等。 不論是有線傳輸介質(zhì)的雙絞線、同軸電纜和光纖，還是無線傳輸?shù)臒o線電波，微波，高 頻率射線，激光和紅外線，它們都各自有自己的優(yōu)缺點，可以根據(jù)實際的傳輸需求選用晟合 適的傳輸介質(zhì)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。 雙絞線按照屏蔽與否分為屏蔽雙絞線( s t p ) 和非屏蔽雙絞線( u t p ) ，雙絞線既可以 傳輸模擬信號也可以傳輸數(shù)字信號，但因為信號的衰減雙絞線最遠的傳輸距離為1 0 0 米， 超過】0 0 米就需要一個中續(xù)設(shè)備對信號進行放大處理。同軸電纜按照阻抗值的大小可以分為 r g 8 、r g 1 1 、r g 5 8 ( 5 0 歐姆) ，它們又稱基帶同軸電纜，基帶同軸電纜主要是應(yīng)用于數(shù) 字信號的傳輸；此外還有r g 一5 9 ( 7 5 歐姆) ，用于模擬信號的傳輸，又稱寬帶同軸電纜。同 軸電纜的傳輸距離受電纜的橫截面限制，細同軸電纜最遠傳輸距離18 5 米，粗同軸電纜最遠 傳輸距離5 0 0 米。光纖傳輸?shù)男盘柺枪庑盘?，光在光纖中進行全反射所以信號衰減較少， 傳輸距離比較遠，光纖按照傳輸?shù)墓獾哪Ｊ降亩嗌倏梢苑譃閱文９饫w和多模光纖，其中單模 光纖內(nèi)芯更細，傳輸距離更遠，造價更高n l o 應(yīng)用在粒子物理實驗中數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞接泻芏喾N，總結(jié)各種數(shù)據(jù)傳輸方式的特性。根據(jù) 粒子物理實驗中高能數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，對?yīng)不同部分和系統(tǒng)采用不同的數(shù)據(jù)傳輸方式，使得 粒子物理中的高能數(shù)據(jù)在傳輸過程中能夠保持更好的完整性和有效性。 1 2 國際上的粒子物理實驗簡介 國際上相關(guān)的粒子物理的研究有歐洲核子中心( c e r n ) 正在研制的超級對撞機l h c ( l a r g eh a d r o nc o l l i g e r ) 將是世界上最高能量的質(zhì)子一質(zhì)子對撞機，在它的兩個對撞點上 將分別安裝各具特色的a t l a s 和c m s 兩個高能物理實驗，開展粒子物理前沿的研究課題。 3 粒于物理實驗中的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究 緒論 其質(zhì)心系能量為1 4 t e v ，亮度為1 0 ”c m 。s 。l h c 的主要物理目標(biāo)是探索期待以久的h i g g s 機制，該機制能驅(qū)動弱電標(biāo)準(zhǔn)模型圖像中的自發(fā)對稱性破缺。a t l a s 探測器的主要物理目 標(biāo)為在最可能的質(zhì)量區(qū)尋找h i g g s 粒子。除此之外，還可以尋找類w ( w - l i k e ) 和類z ( z l i k e ) 粒子，這些粒子可以來自超對稱( s u s y ) 粒子，或是基本費米子的復(fù)臺粒子( c o m p o s i t e n e s s o ft h ef u n d a m e n t a lf e r m i o n s ) 。a t l a s 探測器也適用于研究b 衰變中的c p 破壞以及詳細地 研究t o p 夸克。c m s ( c o m p a c tm u o ns o l e n o i d ) 探測器是一個緊湊子螺線管探測器，它 要在很高的對撞率和很大的能量范圍下通過鑒別和精確測量子、電子和光子來清晰地探測 各種新物理圖像除了研究質(zhì)子一質(zhì)子對撞之外，還要進行重離子對撞研究 圖卜ia 1 l a s 探測器 粒于物理實驗中的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究 圖1 2 c m s 探測器 位于美國紐約k 島的布魯柯海文( b r o o k h a v e n ) 國家實驗室的相對論重離子對撞機 ( r e l a t i v i s t i c h e a v y i o n c o l l i d e r ，r h i c ) 經(jīng)過l o 年的建設(shè)，于2 0 0 0 年正式運行。物理學(xué)家們 試圖利用這一世界項級設(shè)備米研究宇宙起源的最初時刻所發(fā)生的事情。該加速器驅(qū)動兩束金 離子柬流對撞，制造出“夸克膠子等離子體”。這是一種全新的物質(zhì)形態(tài)，曾廣泛存在于宇宙 誕生后的百萬分之幾秒內(nèi)，然后隨宇宙的冷卻，結(jié)合形成質(zhì)子和中子等粒子，后又形成原子 核，最終產(chǎn)生原子以及今天的宇宙萬物。在宇宙現(xiàn)有物質(zhì)中夸克被約束在質(zhì)子和中子內(nèi)， 無法獨立存在。讓金原子核以接近光速的速度相撞，相撞產(chǎn)生的巨大能量和溫度有可能“融 解”質(zhì)子和中子，使夸克以自由形態(tài)釋放出來，有助于科學(xué)家們研究宇宙在誕生后的最初形 態(tài)。應(yīng)用在這個國際大型碰撞物理實驗上的探測器是我校白行研發(fā)的高時間分辨m r p c 粒 子探測器，經(jīng)過兩年多的研究和發(fā)展，成功研制出多種結(jié)構(gòu)的m r p c 實驗?zāi)Ｐ?，并且其?方面性能指標(biāo)均達到原設(shè)計要求。比如，6 氣隱的m r p c ( 工作氣體為9 0 f r e o n + 5 i - c 棚l o + 5 s f 6 ) 的束流測試結(jié)果為：時間分辨為6 0 p s ，對最小電離粒子的探測效率好于9 5 ；壩 層結(jié)構(gòu)1 0 氣隙的m r p c ，時問分辨小于5 0 p s ，探測效率大予9 9 ，達到國際先進水平。此 外，還有位于美國利桑那州的p a l o v e r d e n u c l e a r g e n e r a t i n gs t a t i o n 是美國最大的核電站， 在這里進行的p a l ov e r d e 中微子振蕩實驗的主要目的是在距離核電站反應(yīng)堆約l k m 的距離 處尋找中微子震蕩。實驗以核電站反應(yīng)堆作為電子反中微子源，測量電子反中微子光譜，并 尋找證明瓦_ 礦，振動的畸變現(xiàn)象。 本論文探討的粒子物理中的高能數(shù)據(jù)傳輸主要是應(yīng)用在北京正負電子對撞機( b e p c ) 升 粒子物理實驗中的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究緒論 級改造工程中北京譜儀( b e s ) 的電子學(xué)系統(tǒng)，北京譜儀( b e s ，b e i j i n gs p e c t m m e l e r ) 是工作在 北京正負電子對撞機( b e p c ，b e i j i n ge l e c t r o np o s i t r o nc o l l i d e r ) 上的大型通用磁譜儀，為 配合b e p c i i 的改造，目前北京譜儀正在進行第三期升級改造工程，稱為b e s i l i 3 i 。b e s 1 1 i 中信號的各部分功能指標(biāo)相比b e s i i ，能量高，頻率高，時間分辨率高。因此為了更好的 將b e s i i i 中的信號傳送給各個系統(tǒng)，需要根據(jù)不同部分的要求采用更加有效和可靠的傳送 方式。 1 3 目前粒子物理實驗中的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?從國內(nèi)和國際上各個粒子物理實驗的研究可以看出，實驗的規(guī)模越來越大，入射的粒子 能量高，數(shù)量多，類型多，如a t l a s 的通道數(shù)達到1 0 7 ，原始信息流量在1 0 0 0 g b y t e s 以上： 此外，在實驗過程中直接人為干預(yù)是不可能的，只能依賴于計算機在內(nèi)的智能設(shè)備對實驗進 程的自動控制：實驗的精度更加高，事例，本底比越來越小等特點。 為了能夠更加有效的保持?jǐn)?shù)據(jù)的正確性和可靠性，需要對粒子物理實驗中的高能數(shù)據(jù)的 傳輸進行研究，應(yīng)用在粒子物理實驗中的數(shù)據(jù)傳輸主要是將探測器系統(tǒng)的信號發(fā)送給數(shù)據(jù)獲 取( d a q ) 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。( 在窄義上說，數(shù)據(jù)傳輸指的的數(shù)字信號的傳輸：在廣義上，探 測器到前端讀出電子學(xué)系統(tǒng)的模擬信號傳輸也納為數(shù)據(jù)傳輸，在本論文中提到的數(shù)據(jù)傳輸指 的是廣義上的數(shù)據(jù)傳輸。) 數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)包括前端讀出電子學(xué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)獲取主系統(tǒng)、觸發(fā) 判選系統(tǒng)。這部分的信號傳輸包括模擬信號的傳輸和數(shù)字信號的傳輸。其中，探測器將粒子 對撞產(chǎn)生的各種物理量轉(zhuǎn)換成電信號通過電纜傳輸給前端讀出電子學(xué)系統(tǒng)，前端讀出電子學(xué) 系統(tǒng)將信號傳送給觸發(fā)判選系統(tǒng)和數(shù)據(jù)獲取主系統(tǒng)。 例如：在b e s i i i 中，飛行時間測量系統(tǒng)將信號傳送給數(shù)據(jù)主獲取系統(tǒng)的同時又將部分 信扈、傳送給飛行時間觸發(fā)系統(tǒng)，飛行時間觸發(fā)系統(tǒng)負責(zé)為整個觸發(fā)系統(tǒng)提供位置信息、背對 背信息以及擊中數(shù)信息等，對事例進行選擇，使事例率達到主觸發(fā)能夠承受的程度。飛行時 間觸發(fā)系統(tǒng)經(jīng)過處理后的信號又分別送給數(shù)據(jù)獲取主系統(tǒng)和送給徑跡配對電路以及主觸發(fā) 系統(tǒng)。 粒子物理實驗室中的高速數(shù)據(jù)傳輸采用了多種傳輸方式，根據(jù)不同部分的需求采用了不 同的方法。對于從探測器到電子學(xué)系統(tǒng)的信號傳輸，主要是采用通過模擬信號傳輸；系統(tǒng)內(nèi) 部的信號傳輸主要是機箱內(nèi)總線傳輸和機箱之間的l v d s 、光纖、p e c l 甚至網(wǎng)絡(luò)的信號傳 輸。系統(tǒng)間的傳輸主要是指l v d s 、光纖、p e c l 和網(wǎng)絡(luò)的信號傳輸。 6 粒子物理實驗中的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究 緒論 參考文獻： 【1 】h t t p ：c o m p u t e r s u d a e d uc n j x k y k e j i a n z i l i a o t o n g x i r d t o n g x i n 3p p t 【2 】安琪，粒子物理實驗中的屯子學(xué)，中國科大與中科院高能所聯(lián)合實驗室內(nèi)部學(xué)術(shù)報告 2 0 0 6 0 4 2 5 3 】h t t p ：w w w i h e p a c c n b e p c i l i n d e x h t m 粒子物理實驗中的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究 第二章探測器到數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的傳輸 第二章探測器到數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)( d a q ) 的傳輸 粒子物理實驗中電子學(xué)系統(tǒng)主要包括以下幾個系統(tǒng)：如圖2 1 所示“1 前端讀出電 圖2 一1 電子學(xué)系統(tǒng)的基本構(gòu)成 前端讀出電子學(xué)的功能是將探測器輸出的微弱電信號放大，數(shù)字化后將其轉(zhuǎn)化為能夠反 映粒子特性的數(shù)據(jù)，供d a q 系統(tǒng)重建物理事例和記錄；前端讀出電子學(xué)將探測器輸出的信號 經(jīng)過初步處理后可以向觸發(fā)判選系統(tǒng)提供探測器的哪些部分被粒子擊中，以及粒子在探測 器中能量沉積等信息，作為觸發(fā)判選的原始條件；前端瀆出電子學(xué)需要對數(shù)據(jù)進行必要的預(yù) 處理，如：數(shù)據(jù)壓縮，數(shù)據(jù)歸化等。 觸發(fā)判選系統(tǒng)是粒子物理實驗中進行快速實時事例選擇和控制的一個特殊電子學(xué)系統(tǒng)。 觸發(fā)判選系統(tǒng)的功能是對前端電子學(xué)提供的數(shù)據(jù)進行實時分析，從大量的假事例( 本底) 數(shù) 據(jù)中挑選出物理上感興趣的事例，而將假事例( 本底) 數(shù)據(jù)舍棄；同時決定前端電子學(xué)及數(shù) 據(jù)獲取系統(tǒng)對每次對撞應(yīng)執(zhí)行的動作。 數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的主要任務(wù)： 整個電子學(xué)系統(tǒng)運行的初始化、系統(tǒng)刻度和記檔； 讀取讀出電子學(xué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)( 來自各探測器) ； 事例數(shù)據(jù)的預(yù)處理和裝配，重建分析和記錄； 探測器運行情況的監(jiān)測抽樣分析事例，建立各種直方圖并顯示。 在粒子物理實驗中，探測器到數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的傳輸是必不可少的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。粒子物 理實驗中的粒子是由粒子加速器產(chǎn)生的高能的質(zhì)子和電子束相互作用后產(chǎn)生的各種粒子，我 們可以通過探測器來測量這些粒子和物理量。 2 1 探測器 粒子物理實驗中需要測量的是入射電子碰撞的能量損失值和碰撞電離的次級粒子類型。 8 粒子物理實驗中的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究 第二章探測器到數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的傳輸 因為粒子柬作用后產(chǎn)生的各種次級粒子及其衰變產(chǎn)物是不同的粒子類型，次級粒子的種類除 了有散射電子以外，在發(fā)生碰撞電離時，有正離子加負離子；所以探測器是由多個部件構(gòu)成 的，探測器的每一個部件測量某種或者某幾種次級粒子的能量和動量，區(qū)分不同的粒子類型， 把這些部件結(jié)合在一起，組成完整的探測器，為計算機數(shù)據(jù)分析提供完整的信息。 物理學(xué)家在設(shè)計探測器時，必須認真考慮粒子碰撞類型，不同碰撞類型，有不同探測器 的布局，如圖所示2 2 ” ： 圖2 2 探測器布局 探測器的每一個部件用來測量一組特定的粒子特性，這些部件組合在一起，使所有次級 粒子順序通過不同層部件，如圖2 3 所示 圖2 3 各種次級粒子在探測器的不同部件中作用的示意圖 其中，帶電粒子( 如電子、質(zhì)子等) 在尋跡室和量能器中被探測到。中性粒子( 如中子、光 子等) 在尋跡室中探測不到，但光子通過與量能器中物質(zhì)作用后，可在電磁量能器中被探測 到：中子通過在強子量能器中沉積能量，可以被探測到。每一種粒子類型在探測器中都有它 的“標(biāo)記”。例如，一個粒子只要在電磁量能器中被探測到，那一定是光f 。 探測器一個重要功能是測量粒子的電荷和動量，因此，探測器內(nèi)層部件一定放在一個強 磁場中，帶電粒子的在磁場中偏轉(zhuǎn)方向不同可以來確定其電荷，如圖2 4 所示，由其路徑的偏 轉(zhuǎn)程度不同可計算其動量大小如圖2 5 所示。 粒子物理實驗中的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究 第二章探測器到數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的傳輸 如圖2 4 帶電粒子 如圖2 5 帶電粒子的在磁場中路徑的偏轉(zhuǎn)程度不同可計算其動量大小 探測單元的信號處理有半導(dǎo)體探測單元信號處理，閃爍器探測單元信號處理，多絲室探 測單元信號處理。 2 1 1 半導(dǎo)體探測單元信號處理 2 1 1 1 粒子物理中半導(dǎo)體探測器 半導(dǎo)體探測器早在上世紀(jì)七、八是年代己廣泛應(yīng)用在核物理研究中，由于它具有極好的 能量和空間分辨以及快的相應(yīng)時間，在粒子物理中得到了廣泛的應(yīng)用。半導(dǎo)體探測器傳統(tǒng)上 是由高阻單晶硅材料制成的，目前還在研究g a a s ( 砷化鎵) 半導(dǎo)體探測器，如圖2 - 6 所示， 石探測器也是有望可以開發(fā)的一種探測器。 s 1 1 0 n a l 州p3 0 0 0 - 4 0 0 0a i 一 如圖2 - 6 半導(dǎo)體探測器示意圖 電離粒子穿過探測器，沿著其徑跡產(chǎn)生電子一空穴時，電子一空穴對數(shù)正比于粒子在探 測器內(nèi)的能量損失，探測器兩端加上反偏的電場，使電荷對在復(fù)合之前由電極將其收集起來， 在電荷收集過程中在電極上產(chǎn)生電流脈沖，其積分( 即電荷) 正比于粒子在探測器內(nèi)沉積的 能量，通過電荷積分器和成形放大器將其讀出，其信號的幅度正比于電荷值，即正比于能量 1 0 勘一穢韻一譽 粒子物理實驗中的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究第二二帝探測器到數(shù)據(jù)歌取系統(tǒng)的傳輸 沉積。 由于產(chǎn)生電荷對所需的能量只有36 e v ( 硅半導(dǎo)體探測器) 比氣體電離能( 3 0 e v ) 和 閃爍計數(shù)器中從光電轉(zhuǎn)換器件的光陰極上拉出電子所需的能量( 3 0 0 e v ) 要小。另一方面， 在硅中平均能量損失很高，大約3 9 0 e v l lm ，每um 產(chǎn)生1 1 0 e - h 對產(chǎn)額很高，因而使i 司有能量 分辨很佳，在高能物理應(yīng)用中最佳厚度為3 0 0um ，電離粒子通過平均可以得到3 2 1 0 4 e h 對。 半導(dǎo)體探測器除有很高能量分辨之外，另一個特點是其空間分辨很好，這是因為當(dāng)代半 導(dǎo)體工藝使探測單元可以做得很小，集成密度很高。具體有以f 特性：位置精度5um ：雙 徑跡分辨在1 0um 以下特性：對于微條型探測器偏壓低于l o o v ：時間響應(yīng)d 、工5 n s ；安裝相對 簡單。 2 1 1 2 半導(dǎo)體探測器前端讀出電路 對前端讀出電路的要求：低噪聲、高靈敏、快響應(yīng)、抗輻射、高計數(shù)率、低功耗、高 集成度：半導(dǎo)體探測器前端讀出電路包括有：置放大器( 一般為電荷靈敏放大器) ；成形放 大器；甄別器和甄別閩設(shè)置電路。如圖2 7 所示 如圖2 7 、r 導(dǎo)體前端讀出電路 2 1 2 閃爍器探測單元信號處理 2 1 2 1 粒子物理中的閃爍計數(shù)器 閃爍計數(shù)器被廣泛用于核物理和高能粒子物理實驗中。它是利用某些化合物在帶電粒子 通過或光激發(fā)后能發(fā)射短的光脈沖特性，通過光電轉(zhuǎn)換器件將其轉(zhuǎn)換成電脈沖信號。電脈沖 信號的電荷量一般正比于閃爍體發(fā)射的光產(chǎn)額，即正比于粒子沉積在閃爍體中能量，因此它 可以用來測量粒子的能量。快響應(yīng)閃爍體與恢光電轉(zhuǎn)換器件相配合，可以得快的輸出信號， 信號的上升和下降時間可以小于l n s ，因此它可以朋來作為時間測量。 在粒子物理實驗中，閃爍計數(shù)器常用作定時( b 行時i n t o f 計數(shù)器) ，快事例選擇( 觸 發(fā)計數(shù)器，或為描跡儀中提供快邏輯信號) ，在量能器中，閃爍計數(shù)器往往是關(guān)鍵部4 - f 。 一1 1 粒子物理實驗中的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究第二章探測器到數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的傳輸 粒子物理中的閃爍計數(shù)器閃爍體可以是有機閃爍體：晶體、塑料和液體，以及無機閃爍 體：晶體，玻璃體；常用的有機閃爍晶體有：蒽( c 。h 。o ) ，萘( c o h 8 ) 等：常用的無機閃 爍晶體有：n a i ( t 1 ) ，c s i ( t 1 ) ，e g o ，b a f 。等。 閃爍計數(shù)器中常用的光電轉(zhuǎn)換器有：光電倍增管( p m t ) ，光電二極管( p d ) 2 1 ，2 2 光電倍加管p b l t 讀出前端電子學(xué) 在光電倍增管( p m t ) 讀出前端電子學(xué)中p m t 作為探測單元輸出部分在粒子物理實驗中有 廣泛應(yīng)用，它可接在量能系統(tǒng)中閃爍晶體之后，也可以作為環(huán)狀成像契侖科夫計數(shù)器( r i c h ) 和飛行時間計數(shù)器( t o f ) 的輸出部分。無論p m t 用在何種情況，脈沖到達時間都需要精確記 錄，大多數(shù)情況下還需要記錄脈沖高度。如圖2 8 所示。 如圖2 8p m t 前端的讀出電子學(xué)示意圖 輸入信號經(jīng)前置放大之后分成二種不同增益的放大成形，其目的是為了得到很大動態(tài)范 圍，同時有較高能量分辨i 作為幅度測量，每次主時鐘將放大器輸出存儲在模擬存儲單元之 中，事例一級判選之后選通進入a d c ；前放信號經(jīng)過甄別，作為t a c 的時間標(biāo)記信號，t a c 輸 出存儲在模擬存儲單元之中，事例一級判選之后選通進入n ) c ：甄別器另一路輸出作為一級 觸發(fā)判選予處理器的輸入，經(jīng)處理后送n - 級觸發(fā)判選系統(tǒng)。 2 1 3 多絲室探測單元信號處理 2 1 3 1 粒子物理實驗中絲室 多絲室是一種氣體探測器。布有平行、等間隔- - ! h f f h 極絲的平面夾在二個陰極平面之間， 組成了多絲室，室內(nèi)充滿一定氣壓的電離氣體。在陰極與陽極之間加以電壓，當(dāng)帶電粒子通 過多絲室時，產(chǎn)生電離，電子和正離子分別在電場作用下向陽極和陰極運動，最后被收集。 粒子物理實驗中的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究 第二章探測器到數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的傳輸 在運動過程中，在電極上感應(yīng)出電流脈沖，這就是氣體探測器工作基本原理。通常電流脈沖 信號從陽極絲輸出，只有粒子通過的陰極絲才有信號產(chǎn)生，因此多絲室可以用來定位，陽極 絲問的間隔一般在m l i l 量級，因此定位精度也可以達t j m m 量級。 如果陽極與陰極之間電壓加得足夠高，在陽極絲周圍形成很高電場，在電場作用下，電 子進入高場區(qū)( 在陽極絲周圍極小空間) ，電子動能很大，因而會產(chǎn)生再電離，甚至雪崩式 電離，使電荷量激倍增，即稱為氣體放大作用。在這種條件下，電極收集到的電荷量遠比原 始電荷量大得多。在一定電壓范圍內(nèi)，氣體放大倍數(shù)是常數(shù)，這樣組成的多絲室即為多絲正 比室。多絲正比室不僅可以用來定位，也可以測量帶電粒子在室內(nèi)沉積的能量，作為d e d x 測量。 如果陰極平面也是由絲或條狀電極做成，而且與陽極絲的排布方向垂直，即可以定出另 一位座標(biāo)。 多絲室類型很多，如：多絲正比室( m u l t i 州i r ep r o p o r t i o n a lc h a m b e r ) 漂移室( d r i f tc h a m b e r ) 時間擴展室( t i m ep r o j e c tc h a m b e r ) 噴注室( j e tc h a m b e r ) 時間投影室( t i m ee x p a n s i o nc h a m b e r ) 薄間隙室( t h i ng a pc h a m b e r ) 如圖2 8 所示， 多絲室的主要參數(shù)是單次和多次擊中的探測效率，空間分辨永l 雙徑跡分辯以及死時間。 如圖2 8 薄間隙室t 6 c 1 3 粒子物理實驗中的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究第二章探測器到數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的傳輸 2 1 3 2 多絲室讀出電路 多絲室通常多作為位置探鍘，最簡單為多絲正比室，其前端信號處理電路由放大器甄 別器( 具有較低閥值) 和鎖存電路等組成。薄間隙室t g c 信號提取和模擬處理的放大、成形 和甄別電路的原理框圖如圖2 9 所示， * 曲啦擲l # * m 蟬晰計n d l # a 自舢鼎r i s 研t 腳 如圖2 9 多絲室讀出電路 2 2 探測器到前端電子學(xué)的數(shù)據(jù)傳輸 在粒子物理實驗中，探測器接受到的粒子信息傳送給前端電子學(xué)系統(tǒng)的模擬信號的傳輸 是整個系統(tǒng)的一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，選擇何種介質(zhì)和設(shè)備傳送這些模擬信號將直接關(guān)系到系 統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性。目前，在粒子物理實驗中探測器傳輸給前端電子學(xué)系統(tǒng)的模擬信號的介 質(zhì)主要有同軸電纜、雙絞線”j 。 2 21 同軸電纜 同軸電纜以硬銅線為芯，外包一層絕緣材料。這層絕緣材料用密織的網(wǎng)狀導(dǎo)體環(huán)繞，網(wǎng) 外又覆蓋一層保護性材料。同軸電纜的這種結(jié)構(gòu)，使它具有高帶寬和極好的噪聲抑制特| 生。 有兩種廣泛使用的同軸電纜。一種是基帶同軸電纜；另一種是寬帶同軸電纜。在粒子物理實 驗中的數(shù)據(jù)傳輸，一般速度都比較高，所以在粒子物理實驗中應(yīng)用的同軸電纜都是帶寬比較 高的寬帶同軸電纜， 1 主要電氣參數(shù) ( 1 ) 同軸電纜的特性阻抗同軸電纜的平均特性阻抗為5 0 2 q ，沿單根同軸電纜的阻抗的周 期性變化為正弦波，中心平均值3q ，其長度小于2 米。 ( 2 ) 同軸電纜的衰減一般指5 0 0 米| 受的電纜段的衰減值。當(dāng)用i o m h z 的正弦波進行測量時， 它的值不超過85 d b ( 1 7 d b 公里) ：而用5 m h z 的正弦波進行測量時，它的值不超過 6 o d b ( 1 2 d b 公里) 。 粒子物理實驗中的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究第二章探測器到數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的傳輸 ( 3 ) 同軸電纜的傳播速度需要的最低傳播速度為07 7 c ( c 為光速) 。 ( 4 ) 同軸電纜直流回路電阻電纜的中心導(dǎo)體的電阻與屏蔽層的電阻之和不超過1 0 毫歐米 ( 在2 0 下測量) 。 2 同軸電纜的物理參數(shù) 同軸電纜是由中心導(dǎo)體、絕緣材料層、網(wǎng)狀織物構(gòu)成的屏蔽層以及外部隔離材料層組成 同軸電纜具有足夠的可柔性，能支持2 5 4 m m ( 1 0 英寸) 的彎曲半徑。中心導(dǎo)體是直徑為 2 1 7 m m 0 0 1 3 m m 的實芯銅線。絕緣材料必須滿足同軸電纜電氣參數(shù)。屏蔽層是由滿足傳輸 阻抗和e c m 規(guī)范說明的金屬帶或薄片組成，屏蔽層的內(nèi)徑為6 1 5 m m ，外徑為82 8 m m 。外部隔 離材料一般選用聚氯乙烯( 如p v c ) 或類似材料。 3 對電纜進行測試的主要參數(shù)有： ( 1 ) 導(dǎo)體或屏蔽層的開路情況。 ( 2 ) 導(dǎo)體和屏蔽層之間的短路情況。 ( 3 ) 導(dǎo)體接地情況。 ( 4 ) 在各屏蔽接頭之間的短路情況 3 同軸電纜的特點 頻帶較寬，傳輸率較高： 損耗較低，傳輸距離較遠； 輻射較低，保密性較好，抗干擾能力強； 電纜比較粗笨，成本較高。 22 2 雙絞線 雙絞線由兩根具有絕緣保護層的銅導(dǎo)線組成。把兩根絕緣的銅導(dǎo)線按一定密度互相絞在 一起可降低信號干擾的程度，每一根導(dǎo)線在傳輸中輻射的電波會被另一根線上發(fā)出的電波 抵消。雙絞線一般由兩根2 2 2 6 號絕緣銅導(dǎo)線相互纏繞而成。如果把一對或多對雙絞線放在 一個絕緣套管中便成了雙絞線電纜。在雙絞線電纜( 也稱雙扭線電纜) 內(nèi)，不同線對具有不同 的扭絞長度，一般地說，扭絞氏度在3 8i c m 至1 4 c m 內(nèi)，按逆時針方向扭絞，相臨線對的扭絞長 度在1 27 c m 以上。與其他傳輸介質(zhì)相比，雙絞線在傳輸距離、信道寬度和數(shù)據(jù)傳輸速度等方 面均受到一定限制，但價格較為低廉。目前，雙絞線可分為非屏蔽雙絞線( u t p ：u n s h i l d e d w is t e dp a i r ) 和屏蔽取絞線( s t p ：s h i e l d e dt w is t e dp a i r ) 。 雖然雙絞線主要是用來傳輸模擬聲音信息的，但同樣適用于數(shù)字信號的傳輸，特別適用 于較短距離的信息傳輸。由于利用雙絞線傳輸信息時要向周圍幅射，信息很容易被竊聽，因此 一15 粒子物理實驗中的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究第二章探測器到數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的傳輸 要花費額外的代價加以屏蔽。屏蔽積絞線電纜的外層由鋁泊包裹，以減小幅射，但并不能完全 消除輻射。屏蔽雙絞線價格相對較高，安裝時要l t ：- t e - 屏蔽雙絞線電纜困難。 2 、雙絞線的特點 對于雙絞線，用戶最關(guān)心的是表征其性能的幾個指標(biāo)。這些指標(biāo)包括衰減、近端串?dāng)_、 阻抗特性、分布電容、直流電阻等。 非屏蔽雙絞線電纜具有咀下優(yōu)點： ( 1 ) 無屏蔽外套，直徑小，節(jié)省所占用的空間； ( 2 ) 重量輕、易彎曲、易安裝； ( 3 ) 將串?dāng)_減至最小或加以消除； ( 4 ) 具有阻燃性； ( 5 ) 具有獨立性和靈活性，適用于結(jié)構(gòu)化綜合布線。 2 3 系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸 從探測單元提取的信號送到前端電子學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)過前置放大、信號成形、模擬信號存儲， 數(shù)字化以及邏輯判選和編碼以后，傳輸?shù)接|發(fā)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。這些系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸 可以通過局域網(wǎng)傳輸以及點到點之間的l v d s 傳輸和光纖數(shù)據(jù)傳輸來實現(xiàn)， 總線傳輸主要是指為了將所有板上的信號匯總到一起?？偩€傳輸主要有c n 托& c 、v m e 、 f a s t b u s 等標(biāo)準(zhǔn)總線及自定義的非標(biāo)準(zhǔn)總線。點到點之間的數(shù)據(jù)傳輸有光纖傳輸，差分信號 ( l v d s ) 傳輸?shù)?。無論是總線數(shù)據(jù)傳輸還是點到點之間的數(shù)據(jù)傳輸是為了給數(shù)據(jù)流提供從前 端電路向主系統(tǒng)傳送的通道。 2 3 1 總線數(shù)據(jù)傳輸 23 1 1 概述 自從計算機問世以來，已經(jīng)提出多種總線標(biāo)準(zhǔn)。所謂總線就是從任意個源點到任意一 個終點的一組傳送數(shù)字信息的公共通道，它是各種信號線的集合。這些信號線包括數(shù)據(jù)線、 地址線和控制線，還有電源線、地線與備用線等。 總線按用途和應(yīng)用場合可以分為以下三級： l 板內(nèi)總線：通常包括地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線，這就是我們在計算機系統(tǒng)中經(jīng)常 提到的三總線；其目的是將集成電路通過總線連接搭建成具有一定功能的系統(tǒng)； 2 系統(tǒng)總線：指數(shù)字或者計算機系統(tǒng)的專用總線，主要用于連接各種具有獨立功能的插件。 系統(tǒng)總線必須遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)，以保證不同廠家的硬件板卡能夠互聯(lián)。這種標(biāo)準(zhǔn)一般包括電 氣、機械、功能和操作時序方面規(guī)定。系統(tǒng)總線的規(guī)范有很多，過去比較常用的系統(tǒng)總線有 1 6 粒子物理實驗中的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究 第二章探測器到數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的傳輸 s 1 0 0 總線、s t d 總線、m u l t i b u s 總線、f a s t b a s 總線、i b m p c 總線，目前常用的總線有p c i 總線、 v m e 、p x i 總線等等。 3 通訊總線：是用?。河嬎銠C與其它設(shè)備或者計算機系統(tǒng)之間的通訊。外總線由進一步分為 并行與串行兩種。并行總線是使全部信息位在同一時刻進行傳送，需要較多的信號線，如 i e e e 4 8 8 ( g p i b ) 定義的接插件是d b 2 5 ，使用2 5 根通訊線；串行總線以每次一位各位連續(xù)發(fā) 送的串行方式傳送信息，所用的通訊信號線較少，如r s 2 3 2 的最小連接方式可以只使用3 條信 號線，但串行總線的數(shù)據(jù)傳輸速率一般比并行總線低。通訊總線的規(guī)范也有很多，如i e e e 4 8 8 總線、以及r s 2 3 2 、r s 4 8 5 j 目前流行的u s b 、i e e e l 3 9 4 等等。 各種總線按其控制方式又可以分為同步總線和異步總線兩種類型。同步總線的數(shù)據(jù)按成 組同步的字符碼進行發(fā)送，必須通過時鐘信號提供同步的控制：異步總線的數(shù)據(jù)是按批量的 數(shù)據(jù)群，不要求時鐘信號，但一般需要在發(fā)送和接受進行控制信號握手。 2 3 1 2v m e 總線 v m e 總線是一種面向高級科學(xué)應(yīng)用的系統(tǒng)總線，在粒子物理實驗的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中得到 了廣泛的應(yīng)用。 1 v 肛總線規(guī)范產(chǎn)生的背景 傳統(tǒng)的在線系統(tǒng)是基于單處理機的體系，在新的條件下受到的沖擊： ( 1 ) 一個大型實驗系統(tǒng)通常有多種任務(wù)，依靠單個處理機負擔(dān)多種任務(wù)，剝處理器速度要求 越來越高，到一定條件f 達到了極限；多種任務(wù)集中在一個處理機上，務(wù)必采用通用的操作 系統(tǒng)進行管理，而通用操作系統(tǒng)實時性能差。 5 ( 2 ) 實驗規(guī)模越來越大，探測的通道量增到1 0 以上，往往將整個系統(tǒng)分成若干個探測子系 統(tǒng)，這些子系統(tǒng)都分別研制，各自風(fēng)格不一，很難集成到一個處理機中去。 ( 3 ) 當(dāng)代實驗提出很多新的要求：當(dāng)代實驗中數(shù)據(jù)預(yù)處理與預(yù)壓縮的要求提高了；隨著實驗 復(fù)雜程度的增加，刻度用的數(shù)據(jù)與狀態(tài)信息量也急劇增加；為了給實驗人員提供直觀的實時 信息，需要圖形和圖像處理功能。 總之，諸多新的要求不僅增加機器負擔(dān)，而且機器面臨的任務(wù)類型差異很大，罔一個通 用處理器來完成各種復(fù)雜任務(wù)顯得力不從心。 多種因素對多機系統(tǒng)的支持： ( 1 ) 微處理機的發(fā)展提供了物質(zhì)條件。 ( 2 ) 新型支持多處理機的標(biāo)準(zhǔn)總線的確定為多機體系提供了機器問通訊的條件。 粒子物理實驗中的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究第二章探測器到數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的傳輸 ( 3 ) 個人工作站的發(fā)展，為提高系統(tǒng)交互圖形能力提供了條件，促使系統(tǒng)的圖形處理趨向分 布式、智能化。 由于以上各種原因，當(dāng)代大型實驗中，在線處理系統(tǒng)大多采用多機體系，在功能上進行 分布式處理 2 v m e 總線的發(fā)展過程 v m e 最初是由m o t o r o l a 公司作為以6 8 0 0 0 為處理器規(guī)定的計算機總線，稱為v e r s a 總線，于 1 9 7 9 年推出，其目的是為了開發(fā)6 8 k 系列處理器構(gòu)成系統(tǒng)所定義的總線。它與當(dāng)時出現(xiàn)的 i b m p c 總線、q - b u s 等一樣是針對某種類型c p u 芯片構(gòu)成計算機總線，因而不具有普適性，尋 址范圍較小，速度較慢。1 9 8 1 年m o t o r o l a 公司與m o t s t e k 和s i g n e t i c s 等一些公司聯(lián)合成立一 個工作組，為了制定一個新的總線標(biāo)準(zhǔn)，即v m e 總線 墾r s a 些d u le 魚r o c a r db u s 這種總線不是針對某一種c p u 設(shè)計的、它容易從1 6 位擴展到3 2 位乃至6 4 位、可靠的機械標(biāo)準(zhǔn) ( e u r o c a r d ) 、完全開放無專利等策略使得更多人能夠接受它并去發(fā)展它，因而成為一種模 塊化計算機系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)總線。它是以v e r s a 作為框架，選擇已經(jīng)流行多年的e u r o c a r d 格式的 機械標(biāo)準(zhǔn)，將v e r s a 和e u r o c a r d 相結(jié)合，首先提出了v m eb u sv e r s i o na 標(biāo)準(zhǔn)。幾經(jīng)修訂，陸 續(xù)有v m eb u sv e r s i o nb 、v e r s i o nc 、v e r s i