（检测技术与自动化装置专业论文）amsc飞行时间探测器数据采集软件的设计与实现.pdf

学学位论文独创性声明i 1 眦y 1 8 帆1 m 9 帆叭5 叭9 心2 腿 论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：鱼甚日期：翌垦里丝矽 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 期： 啦恤厂 摘要 摘要 宇宙射线是来自宇宙空间的高能粒子流。长期观测宇宙射线对于研究宇宙空间环境、空间飞行 器的防护等具有重大意义。a m s 实验是人类第一次在太空中精确测量高能带电粒子的实验。 a m s c 磁谱仪是a m s 0 1 的地面简化版本，可以在地面上对宇宙射线及其次级粒子进行长期观 测。a m s c 主要包括磁体、飞行时间探测器和硅微条探测器，其中飞行时间探测器不仅能测量粒子 的飞行时间、速度、电量绝对值，而且为整个磁谱仪的电子系统提供采集粒子穿越事件数据的触发 信号。 本文首先研究了a m s c 飞行时间探测器数据采集系统的原理、结构以及电子系统，再根据硬件 条件和数据采集要求，运用面向对象的设计思想，使用c + + 语言、q t 、r o o t 软件包，设计并实现 了该探测器数据采集软件。本软件系统分为三部分：硬件接口、软件核一t l , 接口、用户接口，实现了 飞行时间探测器数据采集的全过程。硬件接口封装硬件信息，软件核心接口控制数据采集过程，用 户接口提供图形界面。在软件系统中根据是否具有通信功能，将数据采集插件抽象为两类：i n t e r f a c e 和m o d u l e ，增强了软件系统的适应能力。 本文还对采集到的飞行时间探测器数据进行初步分析，包括数据显示和作图分析，显示了飞行 时间探测器的工作状态。在分析探测器输出信号的基础上提出两个原则，完成了飞行时间探测器的 优化工作，使该探测器性能得到明显改善。论文最后讨论了一种计算粒子击中闪烁体条的方法并给 出了初步的分析结果。 关键词：a m s c 磁谱仪飞行时间探测器数据采集面向对象程序设计q t r o o t o fc o s m i c m si st h e a n dt h e i r s u b - p a r t i c l e s t h es p e c t r o m e t e ri sm a i n l yc o m p o s e do fm a g n e t ，t i m eo ff l i g h td e t e c t o r ( t o f ) a n dt r a c k e r d e t e c t o r t o fd e t e c t o ri sa l li m p o r t a n tp a r tb e c a u s ei tn o to n l ym e a s u r e st h ef l i g h tt i m e ，v e l o c i t yo fp a r t i c l e s b u ta l s op r o v i d e st r i g g e rs i g n a l sf o rt h ew h o l ee l e c t r o n i c ss y s t e mo fa m s cs p e c t r o m e t e rt oa c q u i r ea p a r t i c l e - p a s s i n ge v e n t f i r s t l y , t h i st h e s i si n t r o d u c e st h em a i np r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo ft o fd e t e c t o r s e c o n d l y , t h es o f t w a r e p r o g r a mo ft o fd e t e c t o rd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ( d a q ) i sd e s i g n e da c c o r d i n gt oe x i s t i n gh a r d w a r e c o n d i t i o n sa n dp r a c t i c a le v e n ta c q u i s i t i o nr e q u e s t s t h ed a qs o f t w a r ei sb a s e do no b j e c t o r i e n t e d p r o g r a m m i n ga n dw r i t t e nv i ac + + l a n g u a g e ，i n t e g r a t e dw i t ht w ok i t s ，q ta n dr o o t t h es o t t w a r ec o n s i s t s o ft h r e ep a r t s ，h a r d w a r ei n t e r f a c e ，k e r n e li n t e r f a c ea n du s e ri n t e r f a c e h a r d w a r ei n t e r f a c ep a c k sh a r d w a r e i n f o r m a t i o n 。k e r n e li n t e r f a c ec o n t r o l st h ep r o c e s so fd a t aa c q u i s i t i o na n du s e ri n t e r f a c ep r o v i d e sg u if o r u s e r sc o r r e s p o n d i n g l y i nt h ep r o g r a m ，t h em o d u l e so fd a qs y s t e ma r ed i v i d e di n t oi n t e r f a c e sa n dm o d u l e s b a s e do nc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n t h i sm a n i p u l a t i o ne n h a n c e st h ea d a p t a b i l i t yo ft h es o f t w a r e s o m ep r o c e s s e sa n da n a l y s i so ft h ed a t aa c q u i r e db yt o fd e t e c t o rh a v eb e e nd o n et oe v a l u a t et h e s t a t u s ，a n dc o r r e s p o n d i n gr e s u l t sa r ep r o v i d e di nt h i sp a p e r , i n c l u d i n gd i s p l a y i n gd a t aa n dd r a w i n g h i s t o g r a m s t w oo p t i m i z a t i o np r i n c i p l e sa r ep r o p o s e db a s e do nt h es t u d yo ft h ed e t e c t o re l e c t r o n i cs i g n a l s c h a r a c t e r i s t i c s t h eo p t i m i z a t i o ne x p e r i m e n to ft h ed e t e c t o rh a sb e e nd o n ew h i c he v i d e n t l yi m p r o v e st h e p e r f o r m a n c eo ft o fd e t e c t o r f i n a l l y , as t r a t e g yh o wt oi d e n t i f yt h es c i n t i l l a t o rp a d d l ew h i c hap a r t i c l eh a s j u s tp a s tt h r o u g hi sd i s c u s s e d ，a n ds o m ep r e l i m i n a r yr e s u l t sa l ea l s op r o v i d e d k e yw o r d s ：a m s - cs p e c t r o m e t e r , t i m eo ff l i g h td e t e c t o r , d a t aa c q u i s i t i o n , o b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ，q t r o o t 3 2 软件详细设计2 0 3 2 1 硬件接口设计。2 0 3 2 2 软件核心接口设计。2 4 3 2 3 用户接口设计3 3 3 3 设备驱动程序3 5 3 3 1l i n u x 设备驱动程序简介3 5 3 3 2m o d u l e6 1 8 的设备驱动和典型应用程序接口。3 6 3 4 运行平台和几个软件包3 8 3 4 1r e d h a t7 3 3 8 3 4 2q t 4 0 3 4 3r o o t 4 2 3 5 软件调试与运行4 4 3 5 1 软件调试4 4 3 5 2 软件运行与结果4 5 3 6 本章小结。4 6 第四章t o f 数据初步分析4 7 4 1 数据显示4 7 4 2 数据初步分析4 8 4 2 1b e t h e b l o c h 公式与朗道分布4 8 4 2 2 击中位置的粗略判断。5 0 4 3t o f 探测器优化工作5l 4 4 本章小结5 4 i i i j n l l l 2 3 3 5 7 8 8 8 9 5 7 8 9 9 i 一 一 ： l l l l l “ ， 东南大学硕士学位论文 5 5 5 5 5 5 5 5 5 7 6 0 6 3 i v 粒子探测器是探测宇宙射线的主要工具。按照记录方式的不同，粒子探测器大体上分为计数器 和径迹室两大类。 计数器记录、分析粒子在其中产生的电脉冲信息，常见的有多丝室、漂移室、闪烁计数器、 半导体探测器、切伦科夫计数器、穿越辐射计数器、电磁量能器和强子量能器等。 径迹室用于记录、分析粒子产生的径迹图像，常见的有火花室、流光室、云室、泡室和固 体径迹探测器等。 随着粒子物理实验的规模越来越大，仅仅依靠某一种粒子探测器已不能完成粒子物理实验的任 务，往往需要将多种探测器组合成为一个大的探测装置，通常称为大型谱仪，有时也简称为某探测 器1 4 j ，如北京谱仪、a t l a s 探测器、l 3 探测器等。a m s 磁谱仪正是这样一种探测装置。 1 2a m s 磁谱仪 a m s ( a l p h am a g n e t i cs p e c t r o m e t e r ) 全称阿尔法磁谱仪。a m s 实验是由丁肇中博士领导的由美、 俄、德、法、中等1 6 个国家和地区共3 0 0 多名科学家参加的大型国际合作项目，集中了一批世界著 名的高校和专家学者，包括美国麻省理工学院、瑞士日内瓦大学和意大利佩鲁贾大学等知名大学， 得到了各参加国和地区的高度重视。a m s 实验是国际空间站上唯一大型物理实验，是人类第一次在 太空中精密地测量高能量带电原子和粒子的实验1 5 j 。 a m s 磁谱仪的物理目标主要包括三个方面 6 1 1 7 1 1 9 】： 一寻找宇宙中的反物质 根据目前公认的大爆炸学说，宇宙是由大约1 5 0 亿年前的一次大爆炸形成的( 原来空间只有混 浊的气体，没有天体，更无星系) ，宇宙间的所有物质都是在大爆炸后产生的，大量的天文学观察和 1 图l 一1a m s 一0 1 结构图 a m s 实验分为两期工程，一期工程称为a m s 一0 1 ，已于1 9 9 8 年6 月搭乘美国“发现号”航天飞 机成功升空并进行首次实验。在太空飞行了1 0 天，发现了很多近地球轨道宇宙线的新现象。 a m s 0 1 的结构如图1 1 所示1 9 | ，主要由飞行时间探测器( t i m e o f f l i g h t ) 、硅微条探测器( s i l i c o n t r a c k e r ) 、反符合计数器( a n t i c o u n t e r s ) 、切伦科夫计数器( a e r o g e l ) 和永磁体( m a g n e t ) 组成。 a m s 一0 1 不仅检验了探测器的各项性能，还观测到了原初宇宙线粒子，包括质子、各种原子核， 也看到了反质子，为a m s 进一步开展相关实验奠定了基础并积累了经验。 a m s 0 2 将由美国n a s a 航天飞机运送到国际空间站，并进行3 5 年的数据采集。此次a m s 登天的首要目标是寻找宇宙中的反氦核1 1 们。 1 3a m s c 磁谱仪的原理与结构 a m s c 磁谱仪是a m s 一0 1 的地面简化版本，其原理与a m s 0 1 相同，结构上有所简化。a m s c 磁谱仪的意义在于： 2 第一章绪论 一a m s c 可以为a i s ( 反物质探测系统) 研究提供数据源； - 对宇宙射线次级粒子的探测可以为我国空间科学发展提供极其重要物理数据； a m s c 对于科普教育也具有重要价值。 a m s c 的基本结构如图1 2 所示，主要包括由磁体、硅微条探测器、飞行时间探测器组成。 粒于。 飞行时间探测墨 芒= = = = 芋= = = = 宅= = = = = 5 = = 兰号气b = = = = f = = = = pi p 2 z x j 图1 2a m s c 基本结构示意图 磁体为探测器提供强磁场，使经过的带电粒子发生偏转。硅微条探测器用于确定粒子穿越轨迹、 质量、刚度以及能量损失。飞行时间探测器用于测量粒子穿越时间、速度、电量等，同时作为触发 系统为探测器提供触发信号。 1 3 1 磁体 永磁体是a m s 磁谱仪的关键部件，它是由中国科学院电工所在1 9 9 7 年3 月建成的。磁体内径 1 11 4 m m ，外径1 2 9 6 m m ，高8 0 0 m m i o j 。这块 磁铁的设计非常巧妙，采用永磁魔环结构i l ， 它的磁化方向是连续变化的，磁场集中在磁铁 所包含的空间内部，磁漏非常小，磁二极矩接 近于零。 磁体的功能是使穿越其内部的带电粒子 发生偏转。来自顶部的正粒子( 如正电子、质 子、原子核) 向某个方向偏转，负粒子向相反 方向偏转。它们弯曲的程度即嗌率半径取决于 粒子的刚度，而刚度又取决于动量与电荷大 小。 永磁体安装在柱形壳中，由钕铁硼稀土材 料做成的磁体块构成，重1 9 0 0 k g ，如图1 3 所 示。对这些磁体块的磁矢量的仔细安排可建立 一个偶极子场，在磁体内腔里的磁场强度可达 到0 1 4 特斯拉，各处均匀并与内腔垂直。而 图1 3 磁体外形图 在内腔外，磁场强度迅速降低，小于相距磁场中心几米处的磁场强度几个高斯。磁体用铝质支撑结 构包住。永磁体的使用是a m s 0 1 ( a m s c ) 的一个主要的设计思想，排除了电源和辅助设备的需 要。 1 3 2 硅微条探测器 硅微条探测器又叫t r a c k e r 探测器，用于测量粒子经过磁体内腔时的轨迹，确定粒子质量和刚度。 3 东南大学硕士学位论文 通过测量粒子在四层硅微条中的能量损失，确定粒子的绝对电量。 1 、硅微条探测器的构成 a m s - c 装有四层双面的硅微条探测器( 分别是t 2 、t 3 、t 4 、t 5 ) ，都安装在磁体的内腔里。与 a m s 0 1 相比，少了安装在磁体内腔的上部、下部的两层( t 1 、t 6 ) 。 每一层由一些硅梯组成，硅梯是硅微条探测器的基本组成单位 1 2 】。硅梯主要由7 1 5 个双边硅微 条传感器、可弯曲电缆和前端电子学组成。如图1 3 所示。 图1 _ 4 硅梯结构 f 删e d l e c t m n l c 漕 双边硅微条传感器在偏转方向( y 轴) 和非偏转方向( x 轴) 测量粒子的轨迹位置。在偏转方向 的硅微条沿硅梯的长度方向排列，每个传感器之间首尾相连；在非偏转方向，硅微条由电缆连接， 并沿硅梯的宽度方向排列。 每个硅传感器尺寸为7 0 0 4x4 0 1 4x0 3 0 0 r a m ，p 型杂质层厚2 7 5 1 a m ，n 型杂质层厚2 6 1 m ，中间 是3 0 0 9 m 厚的高纯度n 型硅晶片【1 2 j 。 2 、硅微条探测器探测原理 在高阻硅片上制作一个p - n 结就构成一个简单的平面硅粒子探测器，如图1 5 所示。 v 图1 5 平面硅探测器探测原理图 p 在p - n 结上加反向电压，将形成一耗尽层。当电压足够高时，耗尽层可扩展到整个高阻硅衬底。 粒子通过耗尽层时，会产生许多电子一空穴对。在电场的作用下，电子向正电极，空穴向负电极漂 移。在高阻高纯硅中，电子空穴的迁移率均很高，故在很短的时间内外电路就可测到一电荷信号。 根据此信号，就可以知道有无粒子入射到硅衬底；由信号的大小，则可以得知入射粒子损失的能量。 如果入射粒子的全部能量都消耗在p - n 结的耗尽层，则通过测量电荷信号，就可测定粒子的能量引。 如果将许多条状p n 结( 简称微条) 平行地作在高阻硅衬底上，就形成了硅微条。每一个硅微 条都有信号读出通道。图1 - 6 显示了单边读出的硅微条探测器基本结构。 在无辐射电离时，基本没有信号输出。当有带电粒子穿过探测器的灵敏区( 耗尽层) 时，相应 4 t i 1 上 b 第一章绪论 的微条上能很快读出由于电子一空穴运动产生的电荷信号。 图i - 6 单边读出的硅微条探测器基本结构 随着加工工艺的提高，出现了双边读出的硅微条探测器【1 4 】。a m s c 中正是使用了这一类型的硅 微条探测器。这种探测器也是基于p - n 结的工作原理。只在一片n 型硅片的两面，分别制成重掺杂 p + 型和n + 型微条。每一面的微条相互平行，而与对面的微条相互垂直。这样，当带电粒子经过探测 器时，就能读出其二维位置信息了。 1 3 3 飞行时间探测器 飞行时间探测器也称t o f 探测器，用来测量粒子穿越探测器的时间、方向、速度和粒子电量的 绝对值，同时飞行时间探测器为整个磁谱仪提供数据采集的触发信号1 5 1 6 1 。 图1 7 飞行时间系统结构图 l 、飞行时间探测器的构成 j 蝴s c 飞行时间探测器由三层闪烁体组成( 比a m s 0 1 少了最下面的一层p 4 ) ，p 1 和p 2 层位 于磁体的顶部，p 3 位于磁体的底部。每一闪烁体层安装在1 0 厘米厚的铝蜂窝板上。每层由6 块厚1 厘米、宽1 1 厘米的闪烁体条排列而成( a m s 0 l 每层由1 2 块闪烁体条) ，两个闪烁体条间有1 厘米 的重叠。p i 层的闪烁体条沿着“x ”方向排列，p 2 和p 3 层沿着“y ”方向排列【l 引。图l - 7 显示了 j 蝴s 0 1 的p 3 、p 4 两层闪烁体。 2 、工作原理 带电粒子入射到闪烁体内，闪烁体内的原子或分子电离、激发，在退激过程中发出“荧光”。利 5 东南大学硕士学位论文 用光导和反射体等光收集部件使荧光尽可能多地收集到光电倍增管的光阴极上。由于光电效应，光 子在光阴极上打出光电子。光电子在光电倍增管中倍增，经过倍增的电子流在阳极负载上产生电信 号。该电信号由电子学处理并记录”j 。 ( 1 ) 闪烁体 闪烁体一般可分为三类：无机闪烁体、有机闪烁体和和气体闪烁体f 引。 - 无机闪烁体 无机闪烁体大都是一些固体晶体，它们对粒子有高的阻止能力，适合于小型高能探测器。 一有机闪烁体 有机闪烁体包括有机晶体、有机闪烁液体和塑料闪烁体。a m s c 中t o f 探测器采用了塑料闪 烁体。 - 气体闪烁体 气体闪烁体多使用惰性气体，如氙、氦、氩，有时也用混合气体，气体的发光效率很低，发 光谱主要位于紫外区，但发光衰减时较快，约1 0 纳秒。 a m s c 闪烁体条的结构如图1 8 所示。在每一闪烁体条的两边各有3 个光电倍增管。每个光电 倍增管有一个电子信号通道和一个受控的高压电源通道，高压电源为光电倍增管提供工作高压。 高压绝缘圩 光电信增曹揍只： 光电倍增言庶瘴 jl 光电信增曹 图1 - 8 闪烁体条的结构 ( 2 ) 光电倍增管 光电倍增管在闪烁探测器中占有非常重要的地位，它对光的响应很快，从入射光道电信号输出 的渡越时间为6 3 0 纳秒。高的光电倍增管灵敏度可测量单光子计数，放大倍数可达1 0 8 倍【4 1 。光电 倍增管是由一个光阴极和多个打拿极以及阳极构成的真空器件，如图1 - 9 所示。 獭 图1 - 9 光电倍增管结构示意图 6 第一章绪论 闪烁光通过光电倍增管窗口打在光阴极上，击出光电子。一个高压电场加在光阴极和阳极之间， 同时通过分压电阻使聚焦极和各打拿极阳极之间呈现一级比一级高的电场。从光阴极出来的每个光 电子经过聚焦、加速，打在第一打拿极上。由于打拿极为铍铜材料，又可击出n 个新的电子( 一般 3 4 个) ，然后通过在电场中加速，又打在第二级打拿极上。每一级打拿极都具有相同的倍增功能， 经过k 级倍增，倍增数为n 。，最后到达阳极形成电流。原理上光电倍增管是标准的电流器件，电流 在光电倍增管的负载电阻上产生电压信号输出【i7 1 。 3 、电子学与触发系统 使用不同的电子器件可以记录不同的物理信息。一般情况下，在t o f 系统中使用两类电子器件： 记录信号幅度的a d c 插件、记录信号时间的t d c 插件。a d c 插件能获取粒子穿越闪烁体时的能量 损失信息，通过计算可得到粒子电量。t d c 插件能精确记录粒子的穿越时间，可用于计算粒子的飞 行速度等信息。目前，a m s c 的t o f 系统中仅包含a d c 插件，在将来有需要时可添加t d c 插件。 飞行时间探测器不仅用于测量粒子信息，还为整个系统提供触发信号，是整个系统的触发系统。 利用几层闪烁体获得的快速信号组成的符合事件，可以表明何时有粒子穿透探测器，这能作为探测 器的所有元件触发精确数据采集的信号。 1 4 本课题的研究意义与主要内容 a m s c 磁谱仪将以探测次级粒子为基础，向国内外物理学家开放，进行广泛的科学实验研究， 能为我国空间科学发展提供极其重要的物理数据。 a m s c 由两个子探测器组成，其中飞行时间探测器不仅能够单独执行探测任务，还为整个系统 提供触发信号，具有举足轻重的作用。a m s c 的数据采集是一个复杂的过程，需要一个结构完善、 性能优异的数据采集软件来控制。本文在详细研究飞行时间探测器的原理、结构、电子系统的基础 上，运用面向对象设计思想，采用c + + 程序设计语言，设计并实现飞行时间探测器数据采集系统软 件。 本论文的主要内容是： 第一章介绍课题背景，主要介绍a m s c 磁谱仪的原理、构成、电气结构，提出课题的目标。 第二章介绍a m s - c 数据采集系统的硬件，主要是飞行时间探测器部分。其中详细分析了飞行时 间探测器的触发系统。 第三章是设计并实现飞行时间探测器数据采集系统的软件，能够按照实验需要完成数据采集任 务，并能在线显示数据采集状态。本章从数据采集过程出发，将t o f 系统数据采集软件分为三个部 分，依次设计并实现。本章还包含了软件运行平台、所用软件包和设备驱动程序的介绍。 第四章初步分析了飞行时间探测器的数据，能够显示数据值、作图分析数据，显示探测器工作 状态。在此基础上完成了t o f 系统的优化工作。 第五章总结了本文的工作，展望了后续工作。 7 第二章a m s c 数据采集系统的硬件介绍 第二章a m s c 数据采集系统的硬件介绍 a m s c 的数据采集系统主要由以下四个部分组成：飞行时间探测器( t o f ) 数据采集系统、 硅微条探测器( t r a c k e r ) 数据采集系统、电源系统和计算机。其示意图如图2 1 所示。 图2 1a m s c 数据采集系统示意图 t o f 不仅作为一个单独的子探测器，同时也是整个系统的触发系统。t o f 数据采集系统主要包 括三个部分：闪烁体及其前端电子学、t o f 信号前处理模块和v m e 机箱。 图中，p l a n e1 、p l a n e2 、p l a n e3 表示t o f 的三层闪烁体及其前端电子学。t o f 的信号经前端电 子学处理转换为适当的模拟电信号之后被传输到t o f 信号前处理模块中。t o f 信号前处理模块负责 优化信号并将其转化v m e 插件能处理的信号。v m e 机箱中包含两种插件：模数转换插件和逻辑插 件。前者将t o f 模拟信号转化为数字信号，后者利用t o f 信号按照系统运行要求作逻辑运算并产生 系统的触发信号。采集到的t o f 数据将通过p c i 总线存储到计算机上。 t r a c k e r 数据采集系统主要包括三个部分：t r a c k e r 探测器、t r a c k e r 数据采集机箱和t r a c k e r i n t e r f a c e 模块。t r a c k e r 数据采集机箱负责采集t r a c k e r 探测器的数据，t r a c k e ri n t e r f a c e 模块负责 t r a c k e r 数据采集机箱和计算机之间的通信，由v m e 机箱为其供电。 电源系统为系统的各个部分提供了不同的工作电压。 2 1 飞行时间探测器的数据采集系统 2 1 1t o f 数据采集系统电气结构与原理 a m s c 的1 0 f 探测器系统的电气结构示意图如图2 2 所示。 t o f 探测器共三层闪烁体层，p 1 、p 2 位于磁体上端，p 3 位于磁体下端。每层闪烁体信号经过前 端处理后各形成1 2 路输出通道。这3 6 路通道经过一个信号分裂器形成7 2 路信号输出，其中3 6 路 与输入信号相同，另外3 6 路除延时2 0 0 纳秒外，其余性质与输入信号相同。 延时的3 6 路通道连接到v m e 机箱中的a d c 插件上，作模数转换。a d c 插件包括两个a d c v 7 9 2 ，分别接受3 2 路、4 路信号。 未延时的3 6 路信号用于作逻辑判断以提供系统的触发信号。它们首先经过信号甄别模块处理后 进行电平转化，转化得到的信号输入逻辑单元，逻辑单元产生触发信号，分别输送给a d c 插件和 8 东南大学硕士学位论文 t r a c k e ri n t e r f a c e 模块，以采集t o f 和t r a c k e r 数据。 闪烁体层p l 闪烁体层p 2 闪烁体层p 3 信号 分裂器 3 6l 延时模块i 3 6 、i ( 2 0 0 纳秒) l 、 信号 甄别模块 电平转换 模块 图2 - 2t o f 数据采集系统示意图 v m e 机箱 逻辑插件 数据采集 计算机 固一掌 以下介绍各模块的构成和作用： _ 信号分裂器和延时功能模块是意大利国家核物理研究院( r n f n ) 专门为a m s c 设计制造的模 块，完成信号分裂和延时两个功能。延时模块使得触发信号逻辑单元有时间产生触发脉冲，以便a d c 插件能获得与触发脉冲同时到达的模拟信号输入。 - a d c 插件包括两个a d cv 7 9 2 ，负责模数转换。 信号甄别模块主要由五个n i m 插件电压鉴别器f d 2 5 4 构成，其阈值设置为1 5 0 m v ，将得到负 方波信号。 电平转换模块由三个n i m e c l - n i m 电平转换器m o d u l e4 6 1 6 组成。系统中各个插件的输入 输出信号电平不同，需要在n i m 电平和e c l 电平之间转换。 _ 逻辑单元由逻辑插件和定时模块组成。逻辑插件包括三个l o g i cv 5 1 2 ( 接受3 2 路信号) 和 m o d u l e4 5 5 ( 接受4 路信号) 。定时模块由三个d u a lt i m e r2 2 5 5 组成。将在2 1 3 节中详细介绍逻 辑单元的连线与原理。 s b sm o d u l e6 1 8 是v m e p c i 适配器，它将v m e 机箱和工作在p c i 总线上的数据采集计算 机相连，把计算机命令和信息传递给v m e 插件，把v m e 插件采集的t o f 系统数据传送到计算机中。 2 1 2t o f 数据采集系统硬件介绍 1 总线 ( 1 ) v m e 总线 现代粒子物理实验中，为了在实验中获取和处理海量数据，必须要采用标准化总线系统。探测 器信号的读出和数据采集系统几乎一定是在某类总线系统或者数据通道的基础上建立起来的【4 1 。 v m e ( v e r s am o d u l ee u r o c a r d ) 总线是一种灵活、可扩展的使用欧洲卡标准的总线系统。它结合 了m o t o r o l a 公司v e r s a 总线的电气标准和在欧洲建立的e u r o c a r d 标准的机械形状因子，是一种开放 式架构【1 8 】。它定义了一个在紧密耦合硬件构架中可进行互连数据处理、数据存储和连接外围控制器 件的系统。经过多年的改造升级，v m e 系统已经发展的非常完善，围绕其开发的产品遍及了工业控 制、军用系统、航空航天、交通运输和医疗等领域。 1 ) v m e 的特点 v m e 总线是从计算机的观点发展起来的，所以采用了一种完全的内存图式的结构方式，可以把 每一个设备都看成是一个地址或地址块。v m e 的数据传输机制是异步的，有多个总线周期，地址总线 的宽度是1 6 、2 4 、3 2 、4 0 或6 4 位，数据总线的宽度是8 、1 6 、2 4 、3 2 、6 4 位，系统可以动态的选择它 们。它的数据传输方式为异步方式，因此只受制于信号交换协议，而不依赖于系统时钟；其数据传输 速率为0 - 5 0 0 m b s ；此外，还有误差纠正能力和自我诊断能力，用户可以定义i o 端口；其配有2 1 个 插卡插槽和多个背板，在军事应用中可以使用传导冷却模块。 9 盏一 第二章a m s c 数据采集系统的硬件介绍 v m e 总线是现代粒子物理实验装备中的主流技术，能够提高数据传输速率、提供更灵活的操作、 更高的并行处理数据的能力、支持多处理器应用和容易实现分布式结构等诸多优点。 2 ) v m e 结构 v m e 总线规范规定了两种结构：机械结构和功能结构。机械结构给出了机箱、总线连接背板和 插件板等的机械尺寸。功能结构规范描述了总线是如何工作的，以及在各种操作之中使用了何种功 能模块和控制这些模块操作的规范。此外，还规定了各部分必须满足的某些电性能方面的要求。 a 、v m e 的机械结构 v m e 机械构架中的主要部分为背板，是一个印刷电路板。它的大小有三种型号：3 u ( 1 6 0 m i n x 1 0 0 r a m ) 、6 u ( 1 6 0 m m x 2 3 3 m m ) 和9 u ( 3 6 7m m x 4 0 0 m m ) 。同时规定了插件板的机械尺寸。插件 板从前面插入机箱的槽( s l o t ) 中。 b 、v m e 的功能结构 如图2 3 所示，v m e 总线的功能构成包括总线连接背板接口逻辑、四组总线的信号线和功能模 块。四组总线与它们相连的功能模块协作，来进行特定的操作。 c p u 模块i o 模块中断器请求器 ( )0( )0 总线背板接口逻辑 ，( )o、 ，、 ，j ：、 ) 图2 3 v m e 功能结构图 背板接口逻辑的性能是由背板上的一些特性所左右的，比如信号线阻抗、传播时间、终端数值 等等。它和信号线是系统各部分之间的纽带。 功能模块则是执行具体任务的电路集合。一个功能模块是一种概念性的模型，用它来描述总线 的每个部分。其中，主设备( m a s t e r ) 是一种能够初始化数据传输总线周期的功能模块，其决定着数 据传输的顺序，例如c p u 模块。根据主设备数据传输情况而动作的模块叫做从设备( s l a v e ) ，从设 备模块检测由主设备发生的总线周期，如果选择了本从设备时，它就要参与进行这些总线周期的操 作。存储器和i o 模块就是从设备的粒子。此外，还包括本地检测器、总线定时器、中断器、中断 处理器、i a c k 雏菊花链驱动器、请求器、仲裁器、系统时钟驱动器、串行时钟驱动器和电源监测 器。这些模块虽然各有分工，但是要想集体配合，还需要总线的支持。 v m e 系统的总线分为四大类：数据传输总线、仲裁总线、优先中断总线和通用总线。 - 数据传输总线是高速异步平行数据传输总线，能传输数据和地址信号，用于读写插件之间的数 据。中断处理器也使用数据传输总线，以取得在中断应答周期中断处理器发来的s t a n 7 s d 信号。 _ 仲裁总线是为确保在特定的时间内只有一个模块占用数据传输总线而设定的。工作在其上的请 求模块和仲裁模块