（物理电子学专业论文）besⅢ触发快控制系统的研制.pdf

摘要 摘要 为了进行更精确的t 一粲物理实验研究3 4g e v 能区精确测量和研究 j v 和v 能区内的稀有衰变，并确保中国的高能物理实验装置在这个能区继续 保持国际领先地位，科学家们在广泛听取国内外专家意见的基础上，将对北京正 负电子对撞机和北京谱仪进行重大升级改造。改建任务是在对撞机现有隧道内新 建一个储存环，采用多束团、大交叉角对撞方式，亮度将提高两个数量级，建成 后的北京正负电子对撞机( b e p c i i ) 成为当前国际上最先进的双环对撞机。升级后 的探测器一北京谱仪i i i ( b e s i i i ) 将大幅度提高探测器的分辨率和粒子识别能 力，减少系统误差，以与b e p c i i 的高亮度提供的高统计精度相匹配。 本论文主要研究目标是研南i i b e s i i i 触发快控制系统( f c s ) ，它是b e s i i i 触发 系统的重要组成部分，也是整个谱仪的关键控制部分。它控制着探测器读出电子 学系统与触发系统协同运行，使数据获取系统记录有效事例数据。本文作者在高 能所触发组的指导下，在充分调研与分析国际上同类装置的快控制系统( 或触发 定时系统) 的基础上，结合b e s i i i 实际需要与目前的先进电子技术，设计了触发 快控制系统，同时对相关问题作了仔细研究。 本论文前两章首先阐述了国际高能物理实验装置电子技术的特点与发展，列 出了本文的具体研究目标。介绍了北京正负电子对撞机和北京谱仪的升级改造规 划，包括各子探测器的功能设计和期望达到的指标。分析了国际上同类装置 b a b a r 粒子探测器和正在建设的大型强子对撞机l h c 的快控制系统，它们的设计给 b e s i i i 的快控制系统的功能结构设计和信号设置带来很多可借鉴之处。 在介绍b e s i i i 触发快控制系统之前，本文首先对其要使用的光纤高速串行传 输技术所进行的详细研究予与介绍。此技术用在b e s i i i 中，关心的问题有：传输 误码率，线路抗干扰性，错误报告及同步恢复，延时离散度，相位稳定性和辐照 损伤特性等。本文选用t i 的t l k l 5 0 1 作为串并转换器，a g i l e n t 的h f b r 一5 9 2 1 l 作为 光收发器组成了一套完整的测试环境，对以上问题进行详细研究，得出了此传输 线路特性的完整资料；同时针对一些问题提出了同步自动恢复方法，延迟晃动消 除方法等解决方案，为光纤串行传输技术在f c s 中的正确应用打下了基础。同时， 还介绍了适用于高能物理装置使用的其它串并转换芯片如a g i l e n t1 0 3 x a ，c e r n g o l 等，并测试了它4 f 的部分性能，比较了各种组合的优缺点。 b e s i i i 触发快控制系统的主要任务一方面是将触发系统的快控制信号通过 光纤或差分电缆下传到子探测器电子学系统和触发系统：另一方面收集子探测器 电子学和触发系统上传的读出状态信号并进行处理；同时扇出b e s i i i 时钟系统 给出的与束团同步的4 1 6 5 m h z 系统时钟信号。本文详细介绍了触发快控制系统 的结构和各个插件的功能。对作者的主要研制对象，也是f c s 的核心快控制 主板进行了详细描述，包括电路设计、器件选择、f p g a 内部的逻辑设计以及它 与快控制子板的连接等。最后对快控制系统的小系统调试结果进行了介绍。 为了保证时钟系统的时钟与束团同步，作者研究了时钟同步信号产生方案 摘要 提出了两种方法：利用p i c k u p 电极感应信号来产生和直接利用加速器的旋转频 率信号的方法。作者用全高速电路设计了从p i c k u p 电极感应信号中提取出同步 信号的方法，保留了信号的快速特性，为保证系统时钟的准确同步提供了可能。 同时介绍了第二种方法的实现方案，为时钟系统的最终设计提供参考。 本论文的意义和创新之处： 1 本文研究内容属于北京正负电子对撞机( b e p c i i ) 重大改造工程项目， 是北京谱仪i i i ( b e s i i i ) 的关键部分之一。此谱仪是国内唯一的大型粒子探测 器。建成后，将是国际高能物理界c 能区上性能最好的探测器，预期将能在t 一 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。 2 在广泛的调研基础上，比较了世界上同类大型谱仪或对撞机的快控制系 统的设计，如b a b a r ，c l e oi i i ，b e l l e 和正在建设的l h c 等。并结合b e s i i i 的 实际需要，在v m e 总线基础上设计出一套功能完善，灵活，可靠的快控制系统。 它具有丰富的快控制信号定义，多种读出状态处理方式和精确稳定的时钟扇出能 力。 3 与各电子学的信号连接采用光纤，从而避免了各个探测器电子学之间的在 触发系统形成共地于扰，同时，在光纤基础上引入高速串行技术，提高了数据传 输的带宽与可靠性，减少了信号线数目，延长了传输距离。针对b e s i i i 的实际 应用，还研究了串行传输的同步恢复，延迟一致性问题，并提出解决方法，为快 控制主板设计了触发端初始化及检测双工光纤链路方法。同时，对光纤传输链路 在辐照条件下的使用情况也要作了理论和实验上的研究。为光纤高速串行传输技 术在b e s i i i 和高能物理实验中的应用打下了基础。 4 在时钟同步信号提取电路中，配合使用了多种高速电路设计方法与器件， 如高速电路中的阻抗匹配，共基极放大，隧道二极管单稳态电路，超高速比较器 高速可重触发单稳态触发器等。电路没有低速元件或逻辑( 如t t l 逻辑) 参与， 总体采用高速的e c l 差分电路，尽量保留了信号精确的定时信息。 关键词：b e s i i i 、快控制系统、光纤串行传输、延迟晃动、同步信号、拾取信 号 本论文工作得到北京正负电子对撞机重大改造工程项目、中国科 学院知识创新基金u - 6 0 2 ，u - 3 4 ( 高能物理研究所) 的支持。 1 1 些! ! ! ! ! ! a b s t r a c t t h et h e s i sd e s c r i b e st h er e s e a r c ha n dd e v o l o p m e n tw o r ko ft h et r i g g e rf a s t c o n 仃o ls y s t e m ( f c s ) o f b e i j i n gs p e c t r o m e t e ri i i ( b e s i i i ) ，w h i c hi sb e i n gb u i l ta s o n ep a r to ft h eb 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 ri i ( b e p c i i ) u p g r a d ep r o j e c t t h e b e p c i ia n db e s i l lw i l lb ec o m p l e t e di n2 0 0 7a n dc o n t i n u e c o n t r i b u t i n gt ot h e t a n - c h a r m p h ) s i e ss t u d i e sa f t e rb e p ca n db e s i i t h ef a s tc o n t r o ls y s t e mi sa ni m p o r t a n t p a r to ft r i g g e rs y s t e m ，a n di sa l s oak e y p a r to fb e s i i i i ti st h eb a c k b o n eo fd a t aa c q u i r es y s t e m ，t r i g g e rs y s t e ma n dt h e f r o n t - e n de l e c t r o n e s ( f e e ) o fs u b d e t e c t o r sf o rc o l l e c t i n gu s e f u le v e n td a t a t h ef c s i sd e s i g n e df o rm e e t i n gt h ea c t u a ln e e d so fb e s i i ia n db a s e do na d v a n c e da n dn e w e l e c t r o n c a lt e c h n o l o g i e s t h ef a s tc o n 仃o ls y s t e m ( o rt i m i n g ，t r i g g e ra n dc o n t r o l s y s t e m ) o f o t h e rs p e c t r o m e t e r sl i k eb a b a r ，c l e oi i i ，b e l l ea n dl h ch a v eb e e ns t u d i e d f o rr e f e r e n c ei nd e s i g no f t h eo n eo f b e s i i i h i g h s p e e ds e r i a lo p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yw i l lb eu s e dt ot r a n s f e r f a s tc o n t r o ls i g n a l sb e t w e e nt h ed e t e c t o rf e e sa n dt h ef c s ，a n di tm a yb eu s e di n o t h e rp a r t so fb e s i i i t h i st e c h n o l o g yh a st h ea d v a n t a g e so fc u t t i n go f ft h eg r o u n d l o o p sb e t w e e nt h es y s t e m s ，i m p r o v i n gt h es y s t e mi m m u n i t yt oe l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c ea n dl e n g t h e n i n gt h et r a n s f e rd i s t a n c e s o m ei m p o r t a n ta s p e c t so ft h i s t e c h n o l o g y a r e c a r e f u l l ys t u d i e d ， s u c ha st h e b i t e r r o r - r a t e ， e r r o r r e p o r t ，s y n c h r o n i z a t i o nr e c o v e r y ，l a t e n c ys k e wo fc h a n n e l sa n dp h a s es t a b i l i t y a f t e r r e s e a r c ha n dt e s t ，s c h e m ef o rl i n ks e l f - s y n c h r o n i z i n gr e c o v e r yi sg i v e n ，w h i c hm a k e s t h es y s t e mm o r er o b u s t t h el a n t e n c ys k e wi sa sl a r g ea sh a l fap e r i o d ，a n d t h e a p p r o a c ht om i n i m i z ei ti st oa d j u s tt h ef r o n te d g eo ft h es a m p l i n gc l o c kf a l l i n ga tt h e m i d d l eo ft h es t a b l eh a l fp e r i o do fa l ld e s e r i a l i z e dd a t ai nt h er e c e i v e rs i d e e s t i m a t i o n a n ds o m eb e a mt e s t i n gf o rr a d i a t i o ne f f e c t so no p t i c a lf i b e r1 i n ki nh a r dr a d i a t i o n c o n d i t i o nh a v eb e e n m a d e s o m et e s t si n u s i n ga g i l e n t 10 3 x aa s s e f i a l i z e r d e s e r i a l i z e rh a v eb e e nm a d e t h ef c so fb e s i l lw i l ls e n dt r i g g e rp a s sa n dc o n t r o ls i g n a l ss u c ha sl1 ，c h kt o a n dr e c e i v er e a d o u ts t a t es i g n a l ss u c ha sf u l l ，r e e rf r o mf e e sa n dt r i g g e r s u b s y s t e m s i ta l s or e c e i v e s4 1 6 5 m h zs y s t e mc l o c ka n df a n si to u t f c si sc o m p o s e d o fc l o c kf a n o u tb o a r d ，f a s tc o n t r o lb o a r d ，f a s tc o n t r o ld a u g h t e rb o a r d ，f a s t c o n t r o ls i g n a lf a n o u tb o a r d ，t r i g g e rr e a d o u tc o n t r o lb o a r db a s e do nv m e b u s i i 一 一 垒! ! ! ! ! ! f a s tc o n t r o lb o a r di st h ek e ym o d u l eo ff c s s ot h ec i r c u i td e s i g n ，i cd e v i c ec h o i s e ， f p g af i r m w a r ed e s i g na b o u tt h eb o a r di sd e s c r i b e di nd e t a i l a tt h ee n d ，t h et e s t r u n n i n go f f c si sp r o v i d e da n dd i s c u s s e d t h es y s t e mc l o c ki sd e r i v e df r o m5 0 0 m h zr fw i t hd i v s i o no f12 t ok e e pt h i s s y s t e mc l o c ks y n c h r o n i z e dw i t ht h eb e a mb u n c h ，af i d u c i a l ( s y n c h r o n o u s ) s i g n a li s r e q u i r e d t h e r ea l et w ow a y st om a k ei t o n ei sg e t t i n gi tf r o mb u n c hp i c k u ps i g n a l s ； t h eo t h e ri su s i n gc i r c u l a rs i g n a lf r o mb e p c i it i m i n gs y s t e m t h et h e s i sp r e s e n t sa h i g h s p e e dc i r c u i tu s i n gt u n n e ld i o d e ，e c l - i n - p sl o g i cd e v i c e ，e t ct oi m p l e m e n tt h ef i r s t i d e a t h es e c o n di d e ai sa l s oi n t r o d u c e di nb r j e f t h es i g n i f i c a n c ea n di n n o v a t i o no f t h et h e s i sa r ea sf o l l o w s 1 b e s i i ii so n ea n do n l yl a r g es p e c t r o m e t e ri nc h i n aa n dw i l ls t r e n g t h e nt a u c h a r mp h y s i c sr e s e a r c hi nc h i n a i tw i l lb et h eb e s ts p e c t r o m e t e ri nc e n e r g er e g i o n a l lo v e rt h e w o r l d t h ef c si sak e yp a r to fb e s i i ia n db e l o n g st ob e p c i ip r o j e c t 2 a f t e rs t u d yo f o t h e rf c so f b a b a r ，c l e oi i i ，b e l l ea n dl h c ( i n b u i l d i n g ) ，t h e t h e s i sd e v e l o p sas e to f f a s tc o n t r o lb o a r d s 、i mr o b u s ta n df l e x i b l ef i m c t i o n nh a sa l l k i n d so ff a s tc o n t r o ls i g n a l s ，m a n a g i n gm o d e so fr e a d o u ts t a t u ss i g n a l ，a n dh a v ea l o w - j i t t e r , s t a b l ec l o c kf a n - o u ts y s t e m 3 t h es t u d i e sh a v eb e e nr e p r e s e n t e di nt h i st h e s i s ，t h a tt of i n db e s ta p p r o a c hf o r h i g h - s p e e d s e r i a ld a t at r a n s m i s s i o nw i t h o p t i c a l f i b e ri n h i g he n e r g yp h y s i c s e x p e r i m e n tf a c i l i t y t h e r e s u l t o f b i t - e r r o r r a t e ，e r r o r r e p o r t f u n c t i o n ， s y n c h r o n i z a t i o n - r e c o v e r y ，l a t e n c ys k e wo fc h a n n e l s ，p h a s es t a b i l i t ya n dr a d i a t i o n e f f e c tt e s ta r en v e n n e wi d e a sf o rp r o b l e m sm e ta r ep r e s e n t e d 4 s y n c h r o n i z a t i o nc i r c u i ti sd e s i g n e dw i t he c lh i g h s p e e dt e c h n o l o g ya n d p a r t sf o rf i n d i n go u tt h ef i d u c i a ls i g n a lf r o mb u n c hp i c k u ps i g n a l s t h i sc i r c u i tg i v e sa p o s s i b l es o l u t i o nf o rs y s t e mc l o c ks y n c h r o n i z a t i o nw i t hb u n c h k e y w o r d s ：b e s i i i ，f a s tc o n t r o ls y s t e m ，f i b e r s e r i a lt r a n s m i s s i o n ， l a t e n c ys k e w ，f i d u e i a ls i g n a l ，p i c k u ps i g n a l 图目录 图目录 图2 1 北京正负电子对撞机 图2 2 北京谱仪的外观图。一 图2 3b e p c i i 的双环结构示意图， 图2 4b e s i i i 探测器剖面图， 图2 5b e s i i i 数据流程图 图2 6 b e s i i i 触发逻辑方块图， 图2 7p e p i i 上的大型探测器b a b a r 图2 8 b a b a r 探测器的f c s 在在线系统中的位置 图2 9f c t m 图2 1 0f c g m 图2 1 l f c p m ， 图2 1 2f c p r ， 图2 1 3f c d m ， 图2 1 4b a b a r 探测器快控制分区规划 图2 1 5 l h ct t c 系统整体结构 一 图2 1 6t t c 电子学控制器框图 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图35 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图32 l 图3 2 2 图3 2 3 翻3 2 4 图3 2 5 图3 2 6 图32 7 图3 2 8 图3 2 9 并串结合传送示意图， t it l k l 5 0 1 a g i l e n th d m p 1 0 3 2 a 1 0 3 4 a c e r ng o l ， a g i l e n th f b r 一5 9 2 i l x 订i n xs p a r t a n i i 芯片内部结构 s l i c e s 结构 f p g a 电路原理实现图 v e r i l o gh d l 与v h d l 建模能力的比较 q f p 6 4 测试座， 光纤串行传输测试方法示意图 f p g a 中f i f o 误码率软件测试流程图 简单线性码序列发生器， 硬件并行数据比较示意图 自恢复电路图 自恢复电路图( 发送接收不相关时) ， 发送延时定义， 接收延时定义， 延迟测量情况 接收数据眼图 延时晃动及消除， a g i l e n tt l d m p 1 0 3 2 a 1 0 3 4 a 传输数据延时( n o r m a lm o d e ) 恢复时钟对发送时钟的相位变化 串行信号眼图， 浴盆曲线， ， 辐照对光纤损耗的影响， 光纤链路辐照实验位置图 系统出错情况图 v i i i o口：他h垢埔墙埽坞坞坞肋肌毖 卯勰船趵船弛弛m诣骗盯鹪蛆驼蛆“蛎们盯鸲鸲h船 图33 0 图3 3 1 图3 3 2 图33 3 图4l 图4 2 图4 3 图44 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图42 1 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图4 2 5 图4 2 6 图4 2 7 图4 2 8 图4 2 9 图4 3 0 图4 3 l 图43 2 图4 3 3 图4 3 4 图43 5 图4 3 6 光功率测试方式 时钟传输线路示意图一 时钟传输测试图( 带统计数据) 高速磁耦合测试图一 v m e 功能模块及总线连接图 触发快控制系统结构图， 一点对多点两种阻抗匹配方法 快控制系统各插件在主触发机箱中的位置 快控制主板功能结构图 l t l 7 6 4 典型应用电路图， 各类信号数据传输率与传输距离的关系 全局时钟分布网络 相位固定时钟g c k 2 的输入设置 五个b u f f e r 组成的延迟线d e l a y 5 板选信号p e q * 产生 寄存器读写电路 w r i e n ，r d e n 及d t a c k 产生电路 总重置元件s t a r t u p s p a r t a n 2 7 5 n s 信号产生器图 控制信号产生原理图 固定频率信号产生器， 4 u s 信号产生 4 k h z 随机信号产生器 4 k h z 随机信号产生器仿真波形 随机电平信号变换为沿信号 l 1 ，c h k 信号的形成 c h k 信号的产生电路 状态信号的计时电路， 状态信号的计数电路( c o u n t 5 ) 总计数电路。， 中断逻辑结构 f p g a 中的光纤控制逻辑 快控制子扳功能结构图 i d c 2 6 接口信号定义 快控制小系统调试图 v m e 总线读写控制程序t a o t a 0 1 e 串行光纤线路初始化与查错电路 调整好的系统时钟与恢复时钟相位一 两个光纤串行通道下发l 1 的延时比较。 r s t 信号下发情况( 对触发系统) 一， 图5 1分频造成相位不稳 图5 2b e p c i i 探测点总体布局示意图 图5 3四钮扣电极b p m 图5 4p i c k u p 电极与外接电路的等效电路 图5 5正电子柬团感应信号波形 图5 6输入波形 图5 7输入频谱与输出频谱 图58衰减后的频谱 图5 9衰减后的波形， 弛弘h ：昌 的加讫他弭佰豫他伯踟趴乱跑姐姐弘龉踮踮盯盯昌昌叭叭蛇鲥 町鸲叭j 图目录 图5 ，1 0 图5 1 1 图5 1 2 图51 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 17 图5 1 8 图5 1 9 图5 2 0 图5 2 l 图5 2 2 图5 2 3 图5 2 4 图52 5 图5 2 6 图5 2 7 图5 2 8 图5 2 9 待处理的双极型脉冲波形 隧道二级管的结构和电路符号 隧道电流和二极管电流随外加电压变化的曲线 隧道二极管的i u 特性曲线 隧道二极管单稳态原理图 共基极放大电路， 梳状带通滤波器成形 梳状产生器的传递函数 几种束团注入情况， m c l 0 1 9 8 定时原理图一 束团缺口判定波形图， 束团缺口判定电路原理 方案a 总电路结构， 同步信号产生板结构 窄脉冲产生波形图 窄脉冲产生电路原理图 单极性信号变为双极性信号， b e p c i i 事件定时系统框架结构 r f 信号传输示意图 时钟分频系统逻辑框图 x 呲舛昕m n u 地他坞坞m h 垢 表目录 表目录 表2 1b e p c 和b e p c i i 主要参数的对照表 表2 2b e s i i b e s i i i 参数的比较 表3 1各种组合光功率测试图 表32光纤时钟传输抖动测试结果 表4 1 表42 表4 3 表4 4 w e 总线的针脚排列 读出方式组合 传输快控制信号的v m e 自定义总线 几种常见信号的参数对照表 表51 b e p c i i 储存环职环方案的一些主要参数( 对撞模式) x 加 船弱 两 蚰 第一章引言 1 1 绪论 第一章引言 物理学是一门迷人的学科，探索未知一直吸引着每一个人。宇宙到底是由什 么组成的? 在我们所能看到的世界后面到底隐藏着什么样的规律? 人们在不断 地寻找着这些自己给自己提出的问题的答案。 在今天的物理学中有很多分支，高能物理是其中一个很活跃的分支。由高能 物理研究的特点决定，建立大型实验装置是高能物理实验研究的一个重要手段。 通过加速器对电子或质子进行加速，并使其对撞，再探测由电子或质子撞击产生 的次级粒子的轨迹、能量和动量，进而得到粒子的若干物理特性是当今高能物理 实验最重要的方法之一。 现代高能物理实验的发展有两个方向，一个方向是采用更高的对撞能量，其 目的是希望发现质量更大的新粒子，例如，美国f n a l ( f e r m in a t i o n a l a c c e l e r a t o rl 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 对撞能量为l i t e v ( 亮度为1 l o “1 c m s 1 ) ，西欧l h c ( l a r g eh a d r o nc o l l i d e r ) 的质心系能量 为1 4 t e v ( 亮度为4 1 0 “c m l s “) 。另一个方向是保持能量不变，而增加加速器的 亮度，以得到高的事例率( 称为工厂) ，进而提高实验的统计精度，如s l a c 的 b a r b a r ，日本的b e l l e ，其亮度分别达到5 1 0 ”c m _ 2 s 1 “埽9 1 0 ”c m _ 2 s “。1 ，而 德国正在设计的t e s l a 的亮度将达到3 4 i 0 “c m _ 2 s “1 。 我国在1 9 8 8 年由中国科学院高能物理研究所建成北京正负电子对撞机b e p c 和北京谱仪( b e s ) ，至今一直在正常运行“3 。十多年来，获取了大量物理数据， 取得了多项世界水平的物理成果。为了提高对撞机的亮度和探测器的测量精度， 使我国高能物理研究继续在世界上占有一席之地，北京正负电子对撞机及北京谱 仪的重大升级改造工程已在中国科学院高能物理研究所全面、深入地展开。升级 后的北京正负电子对撞机和北京谱仪将被分别命名为b e p c i ij n b e s i i i “3 。为了 满足升级后的谱仪数据获取的要求，需要重新建造一套全新的电子学系统。本论 文所论述的触发快控制系统正是这个全新电子学系统的非常重要一部分，它是联 系各个探测器电子学系统与触发系统各分系统的中枢，起着扇出整个系统时钟， 协调系统的数据获取和处理，处理各系统读出错误或其它回传信息的功能。 1 2 现代高能物理实验中电子学系统的特点 电子学系统是大型高能物理实验中必不可少的部分。在实验中，电子学系统 的主要任务是完成对探测器探测到的信号的收集处理，并且转换为可以被计算机 系统接收的数据。由于大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，而且事例率高，因此，其电子学系统具有速度快、实时性高、处理数据 量大的特点。几十年来，随着高能物理实验研究的不断深入，电子学系统的规模 以及对电子学系统的要求都在不断提高。以正在建造的将运行于l h c 上的a l i c e 第一章引言 ( al a r g ei o nc o l l i d e re x p e r i m e n t ) 实验为例，它的t o f ( t i m eo ff 1 i g h t ) 探测器共需要1 6 0 7 0 4 个读出通道，每个通道时间测量的精度要求小于1 2 0 p s ”1 。 另一个将运行在l h c 上的实验装置c m s ( t h ec o m p a c tm u o ns o l e n o i d ) ，其m u o n 探测器共有1 7 2 2 0 0 个读出通道，单通道事例率将达到每秒百万次量级。如何在 保证测量精度的前提下，保证如此庞大的电子学系统能够满足大数据量数据获取 的需要，已经成为所有高能物理实验共同面对的问题。总的来说，当代高能物理 实验的电子学系统将表现为具有如下几个特点【8 】： 需要有流水线处理结构 为了获得更高的束流亮度，通常采用的方法是加速器以多束团运行的方法， 其结果是对撞周期变短。同时，由于束流亮度的提高，造成有效事例率和本底事 例塞都相应提高。这样造成需要在更短的时间内处理更多的事例的矛盾。往往对 于事例的处理时间远远超过平均的事例产生时间，不能在事例产生的周期内完成 对于事例的处理，因而在事例的处理周期内会丢失大量的后续事例，抵消了提高 亮度的意义。因此需要把一个完整的事例处理过程按照流水线结构分为几部分分 时处理，而相同的时间段处理不同的事例。例如在进行时间信号获取时，需要把 整个过程分为时间数据转换，数据筛选等模块。 另外，由于数据获取能力的限制，为了降低数据量，只存储有效事例的数据， 在高能物理实验中需要进行触发判选处理。而触发判选系统通常需要一定的处理 时间，这样就需要把数据暂时保存一段时间毗等待触发判选的结果，与此同时， 新的事例会不断出现，因此要求在接受新事例的同时，还要在一定时间内保存老 事例的数据。如果不采用流水线的工作方式则很难实现。 需要有强大的并行处理能力 面能物理实验中对一个事例描述是由大量数据组成，每个数据来自一个电子 学数据获取通道。在某个事件发生时，这些通道会在很短的时间内同时接收到与 这个事例相关的信息，并且需要在很短的时间内同时把信息转换为数据。流水线 就是一种并行处理的方式，但是对于像b e s i i i 这样的大型实验而言，按照当前 的技术水平，即使将流水线分得很细，某些基本的流水单元也不能同时处理多个 通道的数据，还需要使用通道间的并行处理结构。因此，可以看出，强大的并行 处理能力是保证能够对大量读出通道中的大量连续信号及时处理的基本条件。 死时间要求尽量小 随着流水线技术的应用数据处理时间已经不再等同于死时间，死时间可以 很小，并且由于使用事例驱动方式，死时间只出现在有事例的情况下。系统允许 的死时间与数据获取中允许的事例丢失率有关。例如，一般的系统允许事例丢失 率为1 3 ，这样如果事例率为n ，那么允许的死时间为( 1 n ) ( 3 n ) 。反之， 如果一个系统的死时间为t d e a d ，那么允许的事例率为( 1 t d e a d ) 。( 3 t d e a d ) 。 可见，更小的系统死时间可以允许更高的事例率。因此，很小的死时间是不丢掉 好事例的保证。 第一章引言 1 3 高能物理实验装置触发快控制系统中的重要技术 在近一二十年来，新的电子学技术被不断应用到高能物理实验的电子学系统 中。这些新技术的应用使得电子学系统集成度不断提高，性能不断提高，稳定性 也不断增加。其中，对于快控制系统电路起到很重要影响的技术有下面几项。 1 3 1a s i c f p g a ( c p l d ) 技术 由于高能物理实验的电子学系统具有高精度和规模大的特点，使用专门为高 能物理实验开发的专用集成电路往往会使电子学系统在获得高精度的同时，具有 简单的系统结构。加之a s i c 在抗粒子辐射方面具有良好的稳定性，因此，a s i c 技术被许多大型高能物理实验所采用。高能物理实验中的a s i c 技术，往往体现 了当时集成电路制作的技术水平。 在当今的电子学电路中，广泛应用了可编程逻辑器件，包括c p l d ( c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，复杂可编程逻辑器件) ： u f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c e ，现场可编程逻辑器件) 等。使用可编程逻辑器件，不仅可以使设 计的电子学系统集成度更高、电路更加小型化、功耗降低和可靠性增强，而且其 开发周期也更短、总体性价比提升。在使用可编程器件的过程中，结台硬件描述 语言( h d l ，h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) ，可以使开发人员把更多的注意力 放到电路功能的开发上，而且越来越多的可用i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 使得 像b e s i i i 探测器这样的大型电子学系统的开发更加可靠、方便和灵活。 1 3 2 光纤串行传输技术 在高能物理实验的电子学系统中，由于谱仪内的前端电子学和谱仪外的数据 读出电路之间不可避免地要进行长电缆传输，尤其是谱仪内部电磁干扰强烈，因 此信号在传输过程中很易受到干扰，导致输出信号发生畸变或失真。同时，各电 子学子系统的数据传输线中的地线在触发系统被连接在一起，容易形成地回路， 引起各系统之间的干扰。而光纤传输则不受电磁波干扰。这是因为光纤传输中的 载波是光波，它是频率极高的电磁波，远远高于一般电波通讯所使用的频率，所 以不受干扰；尤其是强电干扰。同时由于光波受束于光纤之内，因此无辐射、对 环境无污染，传送信号无泄露，保密性好，也不对其它线路造成干扰。 由于光纤传输带宽高，现在也广泛的把探测器的并行数据分组，采用并串转 换器件转换后进行传送，在接收端再解回并行数据。大大减少了信号线数目，同 时由于并串转换时采用t 8 b i o b ，c o n d i t i o n a li n v e r s i o nm a s t e r t r a n s i t i o n ( c i m t ) 等编码方式，也增加了传输错误检测的可能性。 1 3 3 高速器件与电路设计技术 如使用现在新出现的超高速比较器，延迟锁相环( d l l ) ，e c l i n p sp l u s 系列器件，设计电路采用l v p e c l ，l v d s 等逻辑或传输方式。