（物理电子学专业论文）besⅢ数据获取系统前端读出系统的设计与实现.pdf

b e s i i i 数据扶取系统前端读出系统的设计1 j 实现 摘要 北京正负电子对撞机重人政造j 。程( b p c i j 但e s l l l ) 是国家重a 科学j 碑j 受h ，其建 设目标是对北京止负电子对撞机和北京谱仪进行重大改造，建设周期为5 年左右，预期2 0 0 7 年秋建成，投入上i 二式远行。升级后的b e p c l l 将亮度提高2 个数蛀级，为t 一紫物理实验岍究 提供高统计鼙的数据：b e s 川将人幅度提高其分辨率以减少系统误差，与b e p c l l 的高事例 率相匹配，实现精度测鼙同时更新读山电子学系统、触发系统利数据获取系统。 机箱级读出系统( r o c s ) 是北京谱仪( b e s l j j ) 数据获墩系统昀重要绢成部分。机箱 级读出系统是前端电_ f 学和在线数据获取的数据通道属丁数据获取系统的前端部分其主 要任务是实现前端机箱级v m e b u s 设备的高速数据读出，按照规定的数据格式进行数据拆 包重新组装并做机箱级预处理，通过高速以太两将处理后的数据发送猁在线数据读出系统 ( r o s ) ，同时实现与在线运行控制系统的接口。按照b e s i j l 数据获取系统平均事例率达 到4 k h z ，通过一级触发判选后的数据率将超过8 0 m b y i e 幽e c 的设计目标，机箱级读出系统 将是一个分布式的严格的强实时嵌入式系统，其事侧数据快速可靠的读出将直接影响所读取 事例数据的数据质量，决定整个系统的设计日标是否能够实现。本论文研究i 作是分析和设 计机箱级读出系统，包括系统建模、构架及相关技术所作的开拓性研究，为以后系统研制和 最终实现提供相关的决策建议和技术储备。论文提出了基丁有限状态机模块化l 殴计以及框架 设计的实时系统设计方法，确定了机箱级读出系统的体系结构，定义了和其它箨系统的交互 接口，对机箱级读出系统各层次的主要软件模块( 构件) 进行了分析设计以及部分实现，并 在设计过程中对各模块的功能及性能不断进行反复的测试验证，充分利埘了现有的计算机技 术羊网络技术，为今后的一作进行了技术探索和积累，为最终在这些童句什的基础上章句选出一 个完整的满足性能需求的系统打卜了一个坚实的基础。 论文简要介绍了现代高能物理实验的概况以及数据获取系统的特点，对b e p c 平 b e s l l l 全谣升级改造的物理背景包括前端电子学以及数据获取系统的更新改造进行了综述。 根据对比国外探测器的数据获取系统的发展现状，对b e s l l i 数据获取系统的设计目标以及 实现方案作了分析，对机箱级读出系统研究中使用到的关键技术进行了其体描述。针对机箱 级读出系统进彳了了物理模耻的研究，完成了系统需求分析，对丁+ 这样一个要求强实时性、高 可靠性、高稳定性以及可扩展性的数据读出系统，提出了基丁i 有限状态机模块化设计以及框 架设计的实时系统设计方法，按照程f 拇进度，在电子学硕f ，f 原理设计初步完成的情况卜， 构建了前端电子学插作仿真系统、机箱级读出单处理器及多处理器的躁犁系统，寰现了单元 测试及模块集成测试，并且对测试结果作出分析。在不同层次的设计阶段对有限状态机的部 分状态模块进行了初步实现，在慢什插什初步具备的条 ，| ：卜 ，实现了与前端i 乜子学乖| 在线软 件系统的初步联讽。 奉论文的主要创新之处包括： 1 b e p c l i ，b e s 升级改造l 程属丁。人科学i ：样项目，针对b e s i | i 升级厉的高币例率和人 数据苗，为，提高数据读出和并行处理能力，b e s 数据获敬系统人规模延川了先进的计 算机和网络技术，采心了基丁iv m e 总线标准的具有良垒扩展性的分布式结构、在每一级做 升行处理和缓冲存储的方案，并且在国内首狄使i 了符合v m e b u s 总线标准的链式块传输 方法( c b l 卜c h a i n e d8 f o c kt r a n s 佗r ) 实现前端数据读出。 2 在国内高能物理数据获取机箱级读出系统中首次使州了实时操作系统v x w o r k 5 ，提供了 快速的优先绒中断响鹰丰进群调度、良好的进榉问通信手段以及便丁访问外部j o 资源，加 7 摘蛩 快了机箱级读出软竹的开发速度。 3 ，在国内高能物理数据获取机箱级读出系统中首次提出了基丁有限状态机模块化设计以及 框架殴计的实时系统设计方法，并且按照先进的软件【：程的理念结合嵌入式实时软 ，| = 的开发 流群对系统进行分析和设计。通过建立电子学插件仿真系统，按j i f 实时系统的测试方法和手 段完成r 机箱级读出系统的全部分析l ：作：性能、功能、设备( 定删) * i 作。 4 侄国内高能物理数据荻取枫箱级馥出系统中首次提出了具有可扩展性的多处理器实观方 案井进行了初步实现，解决了多处理器之间通信等关键技术。 b e s l l i 数据歌敏系统前端读i | i 系统的i 监计j 实现 a b s t r a c t t 1 1 eu p g r a d ep 画e c to ft h eb e 对i n ge l e c t r o np o s i t r o nc o j l i d e rk n o w na sb e p c l lw a s a p p o v e db yl h es t a t ec o u n c i ii n2 0 0 3y e a r f o rb e p c i l t h ec u n mc o l l i d e ra n dd e t e c t o rw - j lb e t h o r o u g h i yu p g r a d e d j ti se x p e c t e dt h a i t h i sp r o j e c tw 川b en n i s h e db yt h ee n do f2 0 呱a n dt h e p h y s i c sr u n n i n gi ss c h e d u l e db y2 0 0 7a f l e rt h eb e p ci su p g r a d e d ，t h ei u m i n o s i t yw b e i n c r e a s e db yat a c t o ro f t w o ，r e a c h i n g3 1 0 1 0 c m 。s a lt h ec e n l e ro f m a s se n e r g v3 7 7g e v t h eb e u i n gs p e c t r o m e l e “b e s ) w h i c hi n c l u d i n gt h ef m n te n de l e c t r o n i cs y s t e m t h et g g e r s y s t e ma n dl h ed a t aa c qu l s i t i o ns y s t e m ，w 1 la l s ob et h o r o u g h i yu p g m d e di n t oi n c r e a s et h e m e a s u r e m e mp r e c i s o n ，f e d u c es y s t e m a t i ce r i o r sa n dm e e tt h er e q u i r e m e mo ft h eh g hc o t i n t i n g r a t eo d e r a t i o no fb e p c i i t h er e a d o u tc r a t es y s i e ml o c a t e di nt h ef 吣n te n do f t h ed a q 1 ti st h ei m p o n a n t r to f t h e d a qs y s t e mo f b e s l 】l ，w h i c hi st t l ed a 协c h a n n e i b e t w e e nt h ef e es y s t e ma n d 畦砣d a qs y s l e m t h em a i nt a s k so ft h er o c sa r et h ef o h o 、v i n g s ：c o l l e c l i n ge v e n ld a l af 而mt 1 1 ev m er e a d o u t m o d u i e s ( a d ca n dt d c ) a lh i g hs p e e d 卸d 如nu t i l i z et t l eb 柚d w i d t ho f t h ev m eb t l s 蛐盯l e v e l 1 t g g e r ；t oa s s e m b l et h e 出d af a g m e t l t sf 吣mf e ei n t ot 罐髫e ds u l h w 鞠tp a c k a g e s ；t ot r a n s 话rt h e s u b e v e n t st ot h er e a d o u ts y m ( r o s ) v i am eh i g hs p e c dn e t 、v o r kt r 锄s m l s s i o n ；l or e a l i 髓t h e i n t e r f a c ew i 吐1t h er u nc o n t m ls y s t e m a c c o r d i n gl ot h ep u r p “o s eo f t i eb e s l l l ，协ee v e n tr a t ew i l l b ea b o u t4 0 0 0 h za n dt h ed a l ar a t eu pt o8 0 m b y t e s ，sf 醣t l l e 劬r i t 棚订豫a d o u ta r i dt h et h r o u 卧口u t i s5 0 m b ”e s sf o rt h ev m ec r a t e t h er o c si sd e s i g n e dt ob ead i s 啊b u t e dh a r dr e a lt i m e e m b e d d e ds y s t e mt h eh i g h - s p e e d 麟i d o u ti sd e t e n t l j n e dt h e9 0 0 dq l l a l 时o f 廿l ee v e n td a l aa n dt h e g o o dp e r f o m l a n c eo ft h ew h o j es y s 耋c m t h i sp a p e ra n 啪p t st 0p r o p o s cs 啪eo r i g i n a li d e a so n s y s t e mm o d e l i n a r c h i t e c t u r ed e 蝣印锄dk e yt e c 量1 1 1 0 1 0 9 i 器1 tp r o v i d e ss o m ea d v i c e sa n d p r e p a r a t i o no ns t r a t e g ya n dt e c h n o l o g yf o rt h el a t e r 呦1 j z a t i o fl h ei c s t h ep a p e rp r e s e n t s t h em o d u l a r i z a l i o nd e s i g f lm e t h o d o l o g yf b ra 哆p i c a lr e a lt i m e 踟b e d d e ds y s t e mb a s e do nt h e c o n c e p t i o no ft h es 掘把m a c h 讯e t h es y 啦e ma r c h i t e c t u r ei so u t i i n e di n 他p a p e r b a s e do nt h i s a r c h i t e c t u r e ，w ew i i ld e f i n et h ei m e r f 缸eb e t w e e nt h er o c sa n do t h e rs v s t e m s a n a l v 刁ea n d r e a l i z et h em a j o rs o n w a r ef u n c 石0 nm o d u l eo f d i 仃e r e n ts t a g eo f s o r w a 雌d “e l o p m e n t 【) u r i n gt h e p r o g r e s so f d e s i g n ，w ew 川a l w a y s t e s tt h es o 脚a r et o 州母t i l ef u n 嘶o na n dt | i ep e r f b 丌n a n c eo f 吐堆m o d 山e s t h eg o a li st of u l i ym i l i z el t l o d e mc o m p u t e rt e c h n o l o g i e s 蛐dh i g h - s p e e dn e t 、v o r k t e c h n o i o g i e sa f l dt 0m a k eas o l i df o u n d a t i o nf o rt h ef u t u r er c a l i z a t i o no ft h e 曲s 0 i u t eh i g h p e r f o n n a n c er o c ss y s t e 舵 a 惋rab r 斟i 吡r o d u c 6 0 no f t h ec h a r a c t e r i “co f t h eh i 曲e n e r 蹦p h y s i c se x p e r i m e n ta n dt h e d a qs y s t e m ，w ew i i ls u m m r i z et h eb a c k g r o u n do f t h o 咖g h l yu p 曲t eo f t h eb e p c l ia n db e s i n c l u d i n gt h ef r o 眦e n de l 咖n i c ，t r i g g c ra n dt h ed a t aa c qu i s i t i o ns y s t e m c o m p a r e dw i t ht h e d e v e l o p m e n to fo t h e rd e t e c t o r ss u c ha sl h c 蛳da t l a s ，w ea n a l y z et h ed e s i 聊i a r 2 e ta n dt h e s o lu t i o no ft h eb e s i i ld a q s 阿e m s u b s e q u e n t l yw ef u y 栅a i y z et h ek e yt e c h n o l o g i e s 印p l i e d i nt h er ( ) c sa n dr e s e a r c ht h ep h y s i c sm o d e io f t h er o c s ，柚a l y z et h es y s t e mr e q u 沁m e n t t o m e e tt h er e q u i r e m e n to fd e s i g n i n gah a r dr e a i - l i m e ，r e l j 曲i e ，s t e a d ya n ds c a i a b l es y s t c m ，w ew p t o p o s ea nh e a t i v es o r w 锄- ed e s i g nm e t h o db a s e do ns t a t em a c h i n e ，m o d “a r i z a t i o na n d f h m e w o r kt e c h n o i o g i e sf o rt h er e a l t i m es y s l e m a c c o r d i n gt ol h ep r o g r e s so ft h ep r o j e c t ，w ew _ i l s e tu pt h ep r o t o t y p eo f - t h eu n i p r o c e s s 0 ra n dm u l t i p r o c e s s o rr e a d o u tc r a t es y s t e m w ea l s o e s t a b l i s has i m u i a t i o ns y s t e mf 叶t h ef 沁n le n de j e c t r o n i cm o d u l e s w ec a n _ yo u tt h eu n i tf u n c t i o n t e s t i n ga n dt h ei n t e g r a t i o nt e s t i n g ，a sw e l la st h et e s t n gc o m b i n e dw i t ht h ef e es y s t e ma n dt h e 9 a b s t r a c t o n l i n es o r w a r e a d d i i i o n a lw ea n a l y z ea t h er e s u no f l h et e s t i n g t h eo g i n a i j d e a so f t h et h e s i sa r el i s t e df o o w j n g ： 1 c o m p a 陀dw i t hb e s i 【t h eb e s i l ld a qs y s t e mh a sa m u c hh i g h e rd e s i g nl a 罂e tb o t h n s c a i ea n di np e r f o m l a n c e 1 no r d e rt o 陀a do u ti a r g ea m o u n io fd a t af 沁mt h ef 岫r he n de l e c t r o n i c s s y s t e ma n d r e d u c el h ed e a dt i m e t h eb e s l i ld a qs y s t e ma d o p l ss c a l 曲l ed i s t r b u i es l r u c n i r e ， m u i e 垤l b u f 琵r i n p a r 8 l l e ip r o c e s s i n 璺h i g h s p e e dv m e 诧a d 0 呲( c h a i n e db i o c kt r a n s f e r ) a n d n e t w o r ki r a n s m i s s i o nt e c h n i a u e s 2 1 ii st h en r s ll i m ear e a lt i r n e0 p e r a t i o ns y s t e mv x w o 岱i su s e di nl h er e a d o u lc r a t e s y s t e mi nt h ed a qs y s t e m nc h i n a i tp r o v i d e saq u i c kp o r i t yi n t e 删p ta c k n o w i e d g e ，p r o c e s s s c h e d u i e lp e r f 音c tp r o c e s sc o m m u n i c a 毫i o na n de a s yt oa c c e s s i n gt h ee x t e m a i i ，o e s o u r c e 3 1 li st h ef i 哪t i m ean e wd e s i g nm e t h o df o rt h er e a l t i m es y 玳mb 鹊c do nt 埒s 协t em a c h i n e m o d u l a r i z a t i o nd e s i g na n dh m e w o r ki sp m p o s e di nc h i m 下h ec o n c e p tc o m b i n e dt h ea d v a n c e d s o 霞w a r e - d e v e l o p n l e n tm e t h o da n dt h et y p i c a ld e v e l o p m e mm e t h o do fm e 咒a lt i m ee m b e d d e d s y s t e ma r ep 代s e n t e di nt h ea n a l y s i s 越dt h ed e s i g no f t h er o c s ，me 眦晌a n a i y s i s j o bi n c l u d i n g p e r f b 兀n a n c ea n a l y s i s ，凡n c t i o na n a l y s i s 扪dd e v i c ea r i a l y s i sa 他行n i s h e d t e s t i n gm e t h o di nt h e 啪b e d d e d 佗a lt i m es y 啦mi sp r o v i d e df o rt i l er o c s 4 t h es c a i a b l em u i t i p r o c e s s o rs y s t e ms o l u l i o ni nt h cr o c sj sp r e s e n t e da n dr e a l i z e dt | l e p r o t o t y p es y s t e m n ek e yt e c h n i q u e si n c | u d j n gi n 洄。p m c e s s o rc m u n i ca t 呷， ；n t e 卜t a s k c o m m u n j c a t i o na n ds y n c h r o n i z a t i o na r es o l w _ d 0 b e s 数据获取系统前端读 l ：系统的计j 实现 1 1 绪论 第一章引言 物理学是一fj 博人精深的学科，它总是能使人陶醉，为之振奇，唤起人靠j 丰富的想象， 吸引着人们太探索那些奇观背后隐藏的特殊意义。儿个f h = 纪以来，人们在对已 = | 闭l 未知物质 世界的摸索帚i 前进当中，总结出了一套解决问题的科学方法，那就是：观察，推理和实验。 在物理学c p 最基本的研究方法就是实验物理，是一切研究方法的基础。 而粒f 物理( 也称高能物理) 是当代物理学中一个极其重要的分支。粒子物理的发展报 人徉度上都要借助丁粒子物理实验的手段，人类对物质结构的认识也因此而得剑跃足的发展 羽i 重人盼突破。而这一切的发展主要! 1 功于粒子加速器和粒子探测器的不断发展。通过加速 器对电子或粒于进行加速，并使其对撞，再探测由电子或粒子撞击产生的次级粒子的径迹、 能鼙希i 动鼙，进而得剑粒子的若干物理特性是当今高能粒子物理实验最重要的方法之一。 现代高能物理实验的三个研究前沿分别是：加速器物理实验的高能量研究、高亮度研究 与1 f 加速器物理( 或称粒子天体物理) 实验研究。高能龌研究方向是采刚更高的i ：作能茧， 其目的是希望发现质鼙更人的新粒子，其代表是目前正在欧洲核子中心( c e r n ) 建造井将 丁- 2 0 0 7 年运行盼新一代质子一质子( p p ) 对撞机l h c ( l a r g e h a d n c o l i i d 日) ，其i ：作能 量为1 4 t e v ( 亮度为4 1 0 j 4 c m 叫s 叫) 。另外，还有诸如美国f n a l ( f 哪n - n a t i o n a l a c c e i e a t o r l a b o r a t o r y ，费米实验室) 的加速器t e v a t r o n ，其对撞能量为1 1 t c v ( 亮度为1 1 矿? c l n _ 2 s - 1 ) 。在高亮度研究方面，土要是通过提高柬流亮度，以得到高的事例率，其主要代表 是目前正在运行的几个粒子。i ：厂( 如b 粒子l ：厂) ，如美国s l a c 的b 曲a r ，日本的b e e ， 其亮度分别达剑5 l o ”c m s - 1 和9 l o ”c m _ 2 s ，而德国止在设计的t e s l a 的亮度将达 到3 4 1 0 ”c m2 s 。第二个在非加速器物理实验方面，其探测器体积均在数干吨至数万吨 之间，以高灵敏度、低本底与低噪声的特点探测低事椤j 率的物理现象，如宁甫线或犬体过榉 中的中微子、宁宙喑物质粒子等。 经过我国科学家儿代人的奋斗，1 9 8 8 年我国建成了北京正负电子对撞机( b e p c ) 乖i 北 京谱仪( b e s ) ，开始了我国加速器高能物理实验研究。十多年来，北京谱仪取得了l 乍多重 要的物理成果，粲物理实验研究、t 轻于质晕精确测肇、强于r 值的精确测鼙等处丁国际领 先地位，我国在世界高能物理领域 领了一席之地。1 9 9 6 年加速器和探测器均进行了升级， 使性能有了相当人的改进。对撞机和谱仪分别被称为b e p c 和b e s l i 。近年来，人们捌望通 过建造更高亮度的对撞机雨l 高精度的探测器对大样本的精确测量米继续寻找新物理存在的 方法已经成为离能物理实验发展不可避免的新趋势，因此，北京止负电子对撞机及北京谱仪 的进一步重人升级改造i 穰已经在中国科学院高能物理研究所全面展开，升级后的北京正负 电子对撞机( b e p c j l ) 和北京谱仪( b e s i i i ) 在1 粲能区将能达到1 0 ”c m 。s “的峰值亮度， 通过对在该能区的高精度测苗，无疑对在电弱相且作_ h j 研究、强相互作_ i 研究、稀有衰变现 象研究、非标准模璀过程寻找管领域的研究提供了极人的可能性。与此同时，原先的探测器 电子学系统和数据获取系统已不能满足升级后的系统需求，需要重新提出一套全新的垃计方 案。本论文所重点论述的关丁i 前端机箱级读出系统是属丁b e s i l i 数据获取系统的一个重要 编成部分，忙丁前端电子学与在线数据获取土系统中间的位置，对该系统的研究羊实现为整 个数据获取系统的实现解决了一系列最关键的技术环。肖姻题。 第一章0 i 吉 1 2 现代高能物理实验中数据获取系统的特点和基本结构 高能物理实验的基本过牲如l 堇il - l 所示：粒子在加速器中破加速刮一定毹鼙之后进行对 撞域者打靶；反膨所产生的诸如末态粒子的能量、时问和位置等信息由探测器收集，经过触 发判选系统嗣i 前端电子学系统读出，由数据获取系统纽装成为完整的事例数据弦记录f 米： 事例数据通过离线分析重建出其本来的物理过程对这些物理进徉进行统计分析就可能获得 有刖的物理结果。 当代物理宴验的发展趋向表现在实验规模人，实验白动化档瘦越来越高实验精度很高， 事例，本底比越来越小。意味着入射粒子能姑高，末态粒f 能鬣高数蟮多、类犁多。这将 要求探测单元数草人、类型多、体积规模庞人，对丁数据获取系统米谢，信息封巨人，信息 速率极高。随着实验系统的日趋庞人和复杂，同时随着信息技术、计算机技术和网络技术在 本世纪的迅猛发展，决定了当代物理实验中数据获取系统规模庞人，软硬竹结构复杂，综合 了近代电子技术、计算机技术和信息科学技术的摄先进成就。 1 2 1 前端电子学系统 目1 i 商能物理实验蓥本过程 前端电子学系统( f r o n te n de l e c t 咖i c s ) 是大刑高能物理实验中必不可少的部分。顾名 思义它是侥于数据源( 即探测器) 输出端，其主要任务是从探渊单元提取信号，进j i 放人、 成形等模拟处理，经过数字化处理，为获取系统提供数字信息，同时为触发判选系统提供数 据。具体可以分为以卜- 儿部分：一、信号提取和模拟处理，包括前放、成形放人和模拟信号 缓冲存储等。二、数字化，包括甄别、a d c 、n ) c 和地址编码等。二、数据零压缩垌 数据 缓冲。 总的来说当代离能物理实验的电子学系统将表现为贝有如f 几个特点：需妥有流水线 处理结构；需要有强人的井行处理能力：死时间要求尽鼙小。 】2 2 触发判选系统 在高能物理实验中，数据原始速率与记录速度之间不匹配始终是当代物理实验中数据获 取系统的根本矛盾。解决此矛盾的着手点之一就是减少本底事例，降低币例率，主垒刚最新技 术筛选获取更多的有敛数据。而触发判选系统( t 一黯日) 就是通过对原始事例进行筛选剔 1 2 b e s i l l 数据歌取系统前端读m 系统的设计1 j 实现 除本底，保存好事例，有效地降低事例率。总的说来，触发判选系统实际上就是产生事例的 选通，它是对原始事例进行区别或甄别的快速实时事例选择和控制系统。要住极高的本底f 选出有埘的物理事例，把本底压缩到数据获取系统可以接受的程度。除此之外，在线触发削 选可以减轻离线分忻i ：作鼙，减轻记录系统的负担并且降低造价。一般地触发：l ：| | 选系统遵 循以卜原州：必须与作埘时间相天联：尽可能不丢火好事例；尽可能剔除本底事例：尽可能 减! p 托时间。住高能物理实验中经常采h 多级触发判选系统，它实际上也是一个流水线作业 流利，先经过快速初选再进行二级、二级触发判选。 1 2 3 在线数据获取主系统 住线数据获取主系统( d a t aa c q u i s t i o ns y s t e m ) 的基本功能是：按照触发判选信号，将前 端电路各部分信息及时读出( r e a d o u t ) 、缓冲( b u f 诧r ) 、按照定格式组成半例信息集合： 对事例进行预处理( 扣本底和台阶，进行数据刻度) ；对事例进行进一步削选，最终组装成 为完糕事例数据( e v e n tb u i d i n g ) 井记录( s t o m j ，e ) 在永久媒体中；在此过程中，实时 地进行事例( 取样) 分析，以检卉实验质量并进行必要的在线状态监测丰运 i 控制。 由丁人型高能物理实验往往具有数万、数百万乃至数千万的探测通道，而且对撞频率极 高。囡此，其数据获取系统具有信息量大、事例输入率高和实时处理数据鬣人的特点。儿十 年米，随着高能物理实验研究的不断深入，电子学系统的规模以及相麻对数据获墩系统的要 求都在不断提高。以止在建造的将运行丁- 大型强子对撞机l h c ( l h c - t h el a r 2 ch a d c o l l i d e r ) 上的al l c e ( al a r g ei o nc o l i d e re x p e r i l n e m ) 实验为例。一级触发i 亓的数据率达 到3 g b y t e s ，s e c ，它最终的记带率最高将达到l g b y t c s 船c 。另一个将运行在l h c 上的人刑 同定靶实验b 介子探测器l h c b ，它在前端有两级电子学触发系统l “e i o 州职e r 羊l e v e l l t r i g g e r ，经过l l 触发之后数据率将达到6 g b y t e 眺e c ，展终记带率达到5 0 m b ”e 以e c 。再如， l h c 上探测质二f 质子对撞的主要探测器a 1 1 a s ，它也是l h c 上在建的四个探测器中撮人 的一个，其中一级触发后事例率达到7 5 k h z ，最终记带率将达到i 加m b y t e 眺e c 。在满足如 此庞人的数据鼙的系统需求前提卜i 。如何设计出一个具有高性能的高数据率读出的数据获取 系统，已经成为所有高能物理实验共同面对的问题之一。 1 3 北京正负电子对撞机的升级改造 北京上i ：负电子对撞机( b e 的i n g e l e c t m np 0 s i t r o n c o l l j d e r ，b e p c ) ，1 9 8 8 年1 0 月建成。它 的成功建造及其在t 粲物理研究中取得的重人成果使中国高能物理研究在世界上 领了一 席之地。 b e p c 主要由注入器( b e l ) 、储存环、输运线等儿人部分组成，如蒯i 2 所示。其中， 注入器是一台正负电子直线加速器，总k 为2 0 2 米。储存环是一台跑道犁的环形加速器中 心轨道周长2 4 0 4 米。注入器和储存环由输运线连接，包括3 0 米的公_ l i 线和并9 0 米的尔、 帕线。在运行过程巾，注入器将止负电子加速到1 3 g e v ，再由输运线将注入器输出的止负 电子柬流分别传送剑储存环里。正负电子在储存环中被加速到需要的能量2 厉进行对撞。 b e p c 兆有两个对撞点，分别在直线加速器延伸线与储存环交接处，在地理位置上称为南端 和北端。北京谱仪i 作在南端，北端对撞点没有使朋。除了止负l b 子对撞研究外，b e p c 可 同时提供同步辐射光源，州丁对同步辐射光的戍用研究。 2 0 0 3 年2 月北京止负电子对撞机重火升级改造工程止式立项，目标是设计建造一台拿 第一章j i 击 新的止负电子对撞机b e p c i i 和新的北京谱仪b e s l i i 。b e p c 儿建成后预期将能庄p 粲物 理前沿课题取得多项具有世界领先水平的重大物理成果。升级后的b e p c i i 将采川与今廿f ：界 上最先进的域环交义对撞技术，即在b p c 现有的储存环内增建一个储存环，使得升级币的 亮度比目前提高约两个数埘级。 凹l 2 北京i f 负| b 了对掩机示意图 f 面是b e p c 和b e p c i l 一些参数的对照。 表l lb e p c 和b e p c i i 参数对照表 项目b e p cb e p c i l 单位 求流能餐 1 o 之51 m 2 s g e v 注入能量 l ，31 8 9 g e v 周长 2 4 0 4 2 3 7 5m 对撞周期8 0 08n s 高频频率 1 9 9 ，5 3 34 9 9 8 m h z 求流强度 2 0 9 1 0m a 峰值亮度 i 1 0 3 ( 3 j 0 0 ) l 矿。 c m s 1 1 4 北京谱仪 北京谱仪是台人型通刖磁谱仪，安放在b e p c 储存环南端的对撞区，止、负电f 束团 在谱仪中心发生对撞。整个谱仪由多个探测器组成，用于测鼙正负电子对撞斤产生的遍率末 态反麻以进行t 粒子和l 絮物理的研究。 在1 9 9 5 1 9 9 6 年对b e s 进行了一次较人规模的改进，使谱仪性能有了较人提高第 一次改进后的北京谱仪命名为b e s f l 。冀主要特性为：对带电径迹和中性径迹有人的立体角 覆蔫率：对光子的测鼙有较好的能麓分辨率和角度分辨率；有较高的动姑分辨率：有较强的 4 b e s l l i 数据秩取系统前端凄 i j 系统的砹汁。实现 带电粒于鉴别能力。 豳1 3 、1 - 4 平1 5 给出了北京谱仪的止侧向示意图和外观幽。 躅1 3 北京谱仪侧i 句示意瞄 幽l - 4 北京鹋仪轴向求意赳 5 第一章0 i 言 圈l 5 北京谱仪外观 北京谱仪土要由以r 儿部分组成： ( 1 ) 顶点室( v e r t e xc h b e r ，v c ) ：顶点室位于j e 京谱仪的中心，主要作h j 是探测对撞 求团中粒子相互作州的顶点以及次级粒子衰变的二二次顶点，与生漂移室配合测颦荷电粒子的 径迹审l 动蛀，还与b 行时间计数器t o f ) 配合参与触发判选。 ( 2 ) 土漂移室( m a i n d r 讯c h a m b e r ，m d c ) ：其作用是测量带电粒子的径迹、动姑羽l 能龉 损火从而鉴别粒子的种类。 ( 3 ) b 行时问计数器( t i 嗽o f f i i g h t c o u n t e 丁，丁o f ) ：飞行时间计数器由桶部和端蔫两部 分组成。土要作是测量带电粒子的e 行时问，与主漂移室测姑信息配合推算粒子的质鼙。 另外利埘j i l l 得的时间信息为触发判选系统提供信号，以 除本底。 ( 4 ) 簇射计数器( s h o w e rc o m t 盯，s c ) ；簇射计数器也由阿个部分组成，分别为桶部簇 射计数器和端蔫簇射计数器。土要作心是探测止负电子对撞扁产生的次级粒子中的i 岜r ：羽i 光 f 的位置丰能草，以区分电子飘i 强子。其能量分辨年i i 位置分辨的好坏直接影响谱仪对牲子的 分辨能力。 ( 5 ) 螺旋线_ | 蛀铁 ( 6 ) u 子计数器( m u o nc o u n t e r ) ：u 子计数器位丁北京谱仪的晟外面。士要作川楚测埘 穿透能力很强的“子，通过测鼙多层击中点的位置米确定粒子的e 行轨迹，与其它探测器 测鼙结果匹配，确定u 子的动譬，从而实现对平的鉴别。 ( 7 ) 亮度监测器 ( 8 ) 气体系统 ( 9 ) 触发判选系统：触发判选系统是北京谱仪快速实时事例选择羊控制系统。其作川是对 6 b e s i i l 数摧捩取系统前端读 | ：系统的设汁j 实脱 探测器收到的人鼙事例进行筛选，把每秒1 0 6 次封级的本底雁缩到每砂儿玖的鼙级井且尽 龄多地保留好事例。北京谱仪的触发判选分为二级通过第一级触发划选的事例率约为l 2 k h z 经过第二级触发削选的韦例率约为i 昨3 0 h z 经过第二级触发列选的事例率约为儿 h z 。当发现通过二级翔选的事例后，就会通知数据获取系统进行读出。 ( 1 0 ) 电子学系统：北京谱仪的电子学系统是一个规模庞人，十分复朵的系统。其基本任务 为接收符个探测器的信号：为碰发判选系统提供信息：对好景例进行信号纠数据的变换：! j 在线计算机通信进行数据读山；与住线计算机配合进行臼身的刻度。 电子学系统共包括七个f 系统，共有万多信道，分别是：中心漂移室电子学：土潆移 室电子学：e 行时间计数器电子学；捕部簇射计数器电子学；端盖簇射计数器电f 学：pf 计数器电子学；环境参鼙监测系统。 ( 1 1 ) 在线数据获取系统：b e s 的数据获取系统是一个中型的多分支的数据获取系统，它 利心c a m a c 技术做前端电子学，由v m e i v c b d 、c a m a c b a d c 一前端电子学 函仆彩成一 个树刑结构，升采州了升行读出技术嗣i 多级缓冲存储处理。其软仆系统包括前端部分软什和 上位机部分软仆，主要实现数据采集、过释控制、事例组裟以及运行控制、事例分析、幽形 显示承 实时监测等一系列功能。虽然c a m a c 在技术上比较成熟，插件晶种齐全，但是速 度较慢，随着现代高能物理实验规模越米越人，速度要求越米越高，它已经逐渐退出现代数 据获取系统廊_ 【 j 的舞台了。 ( j 2 ) 离线数据分析 1 5 北京谱仪的升级改造 在b e p c 升级改造的同时，b e sj j 将进行全面更新，升级为b e s l i l 以适应新的要求。 1 5 ib e s l i i 的整体设计 新建的b e s 将满足由丁对撞机柬流亮度的人幅度提高对探测器系统提出的新要求。 其设计日标如f ： ( 1 ) 非常蚶的光子能耸分辨率、蚶的角度分辨率和光子识别能力。 ( 2 ) 精确测蛙低动蜮带电粒子的动擎。 ( 3 ) 好的强子识别能力。 ( 4 ) 殴计性能优良的运行丁高事例率卜的基丁流水线技术的前端电千学系统。 ( 5 ) 实现能够高速、实耐处理海鼙数据适商对撞枫多束团模式的现代倥线数据挟取系统。 根据以上殴计目标，b e s i i i 探 9 1 | 器的总体结构如图1 _ 6 所示，主要由以r 子探测器组成： ( 1 ) 土漂移空( 简称m d c ) 。负责精确测苗带电粒子动量和方向，测昔带l 巳粒子的能鼙损 火率( d e ，d x ) 。 ( 2 ) b 行时间计数器( 简称t o f ) 。士要功能是通过所测姑的粒子b 行时间信息，弗结台 土漂移室铡得的粒子动晕帛l 彳j f = 迹，辨识粒子；给触发刿选系统提供一个快时问响麻信号。 ( 3 ) 电融垃能器( 简称e m c ) 。其基本功能是测肇电于和y 光子的能苗和位置信息。 ( 4 ) f 鉴别器( 简称u ) 。其上要功能是溯培事例反庶末态中的uf ，通过多层测鼙给 1 7 第章0 i 苦 出它们的佗誊和人致e 行轨迹。与内层探测器的粒子释迹结台，可精确测茸uf 的动凿升将 其与其它带电粒子( 尤其是n ) r 分开米。 1 5 2b e s l i l 前靖电子学 斟i _ 6b e s i i l 探测器的结构目 b e s i j i 探测器的主要由四个子探测器组成相应的前端电子学读出系统需要重新设计 以适廊新的探测器系统。由于b e p c i j 将采用多束团运行，对撞周期为8 n s ，根据此设计要 求，在b e s l i i 电子学读出系统设计方案中采j j | 了流水线技术，对信息进行实时获取年i i