一種用于核與粒子物理實驗數字化的多重數觸發判選電路設計
2023年電子技術應用第1期
劉尚銘1，2，曹平1，2，李超1，2，汪曉虎1，2
1.中國科學技術大學 核探測與核電子學國家重點實驗室，安徽 合肥 230026； 2.中國科學技術大學 近代物理系，安徽 合肥 230026
摘要： 核與粒子物理實驗中，因實驗本底與探測器噪聲影響，實驗需要通過觸發判選機制篩選出有效物理事例，剔除掉本底噪聲。針對物理實驗高事例率情況下基于擊中多重數（Hit multiplicity，NHit）的觸發判選需求，設計了一種高性能數字觸發判選電路。該電路具有13路高速串行通信接口，支持光纖數據傳輸與千兆網絡通信；板載32 Gb DDR4緩存與高性能FPGA，以支持大容量高速存儲與實時數據處理。基于該電路可運行實時的硬件NHit觸發算法，從而實現對前端數據的快速觸發判選與數據讀出，同時該電路便于擴展，可靈活地用在不同的物理實驗上。經過測試驗證，數字觸發判選電路單路光纖接口傳輸速率可達8.125 Gb/s，上行網絡傳輸速率達949.3 Gb/s，DDR4緩存實際讀寫速率可達102.6 Gb/s，滿足數字觸發判選電路設計的數據傳輸與緩存需求。
中圖分類號：TL822+.3
文獻標志碼：A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.222927
中文引用格式： 劉尚銘，曹平，李超，等. 一種用于核與粒子物理實驗數字化的多重數觸發判選電路設計[J]. 電子技術應用，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 experiment[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(1)：124-129.
文獻標志碼：A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.222927
中文引用格式： 劉尚銘，曹平，李超，等. 一種用于核與粒子物理實驗數字化的多重數觸發判選電路設計[J]. 電子技術應用，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 experiment[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(1)：124-129.
Design of a digital NHit trigger circuit for nuclear and particle physics experiment
Liu 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；DDR
0 引言
核與粒子物理主要研究原子核內部及以下層次的微觀結構，為研究粒子間相互作用，人們通過數量龐大的探測器陣列和電子學設備對實驗物理現象進行觀測[1-2]。物理實驗采用觸發判選機制來濾除實驗本底與探測器噪聲，通過觸發系統的設計從前端原始信息中篩選出有效物理事例，從而降低后端數據傳輸與緩存壓力。
核與粒子物理實驗中的觸發判選技術主要有模擬硬件觸發、無硬件觸發、數字硬件觸發三種方式。早期實驗的觸發系統因技術限制，通常使用模擬硬件觸發方式提取前端信號特征參量并進行觸發判選，如中國原子能院GTAF譜儀[3]，這些觸發系統大多專用且固定，具有一定死時間，無法適應物理實驗高事例率的發展需要。隨著數據傳輸處理能力的快速提高，壓縮重物質實驗[4]、反質子湮滅實驗[5]、大型高海拔宇宙線觀測站[6]等實驗開始采用無硬件觸發的數據讀出方法，將前端所有數據傳輸至后端，由后端高性能計算單元進行觸發判選，但對所有數據不加區分的讀出給讀出系統與數據獲取系統帶來了更大的設計壓力與資源消耗。近年來在某些實驗上，如反角白光中子源GTAF-II譜儀[7]、江門中微子實驗[8]，逐漸開展了基于FPGA實時硬件的全數字化硬件觸發技術研究，充分利用FPGA并行處理能力強和實時性高的優點，對原始數據進行實時的觸發判選與數據篩選。
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作者信息：
劉尚銘1，2，曹平1，2，李超1，2，汪曉虎1，2
（1.中國科學技術大學 核探測與核電子學國家重點實驗室，安徽 合肥 230026；
2.中國科學技術大學 近代物理系，安徽 合肥 230026）
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