（电路与系统专业论文）besⅢ主漂移室电子学测试系统软件设计.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 中文摘要 本文根据b e s i j _ i 主漂移室电子学系统的需要，研制并开发出了一套基于 v m e 总线的“b e s i i i 主漂移室电子学测试系统软件”。本文主要描述的是测 试系统软件的设计与实现，分别对测试系统软件所采用的技术方案、各功能 模块的具体实现进行了详细的描述，并给出了在电子学硬件系统上获取的测 试结果和性能指标。 开发过程中，利用v c + + 强大的底层应用程序接口( a p i ) 访问能力实现 了对v m e 总线的访问；利用图形化开发环境l a b v i e w 优越的图形显示能力， 使用户通过友好的操作界面可以方便、直观地检查硬件系统的工作状况。另 外，作为关键技术的l a b v i e w 调用外部动态链接库的机制将l a b v i e w 的上 层界面与v c + + 的底层访问有效结合，使“数据获取”与“图形显示”一次 完成，为实时快速地调试硬件打下了坚实基础。论文详细描述了b e s i i i 主漂 移室电子学测试系统软件的各个功能模块的设计。通用v m e 读写测试模块方 便硬件调试人员随时检查硬件电路中的任一可访问寄存器；校准刻度插件功 能测试模块与读出控制插件功能测试模块可以检查校准刻度插件与读出控制 插件是否能够提供正常的逻辑功能；基线观测与波形重建测试模块提供了3 2 通道观测与单通道观测两种模式，便于用户整体观测从电荷时间测量插件各 电荷通道读出的基线或原始波形的一致性，以及细致观察某一通道的基线或 原始波形的稳定性。电荷时间测量插件是本测试软件的主要测量插件，它的 各个性能分析子模块包括分辨能力测试、积分非线性分析、通道之间串扰水 平测试、噪声误触发测试等，均能快速获得电荷时间测量插件的各个性能指 标参数，方便了使件系统的调试。 目前该软件已经成功应用于b e s i i i 主漂移室电子学系统的硬件调试和性 能检测中，取得了令人满意的结果。实践表明：该软件使用方便，界面友好， 功能强大，为电子学硬件系统提供了有效、便利、可行的调试手段，节省了 系统的调试时间，提高了调试效率。 关键词：主漂移室电子学；v m e ；l a b v i e w ；动态链接库 i 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ed e s i g no fv m e b u sb a s e dt e s ts o f t w a r ef o rb e s i i i m a i nd r i f tc h a m b e r ( m d c ) e l e c t r o n i cs y s t e ma c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to f m d ce l e c t r o n i c sh a r d w a r es y s t e m t h er e a l i z a t i o n m e t h o d ，k e yt e c h n i q u e ， a r i t h m e t i c ，a n dr e a l i z a t i o no ft e s t i n g f u n c t i o nm o d u l e so ft h es o f t w a r ea r e d e s c r i b e di nd e t a i l i na d d i t i o n ，t h et e s t i n gr e s u l t sa n dp e r f o r m a n c eo ne l e c t r o n i c s s y s t e ma r ea l s op r e s e n t e d t h i sh i g h l ym o d u l a rs o f t w a r ei sd e v e l o p e di nv i s u a lc + + a n dl a b v i e wo n e m b e d d e da l l i n - o n ec o m p u t e rv p 7 i nd e t a i l ，v c + + r e a l i z e sv i s i t i n gt ov m eb u s ， w i t hi t sa c c e s s i n gt oa p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c ep r o v i d e db yv r p 7 l a b v i e w , a g r a p h i c sd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，c o m p l e t e s t h eu s e r i n t e r f a c e ，l i k er e a l i n s t r u m e n t s t h ef r i e n d l yu s e ri n t e r f a c em a k e su s e r se x a m i n et h eh a r d w a r es y s t e m e a s i l ya n dd i r e c t l y a sak e yt e c h n i q u e ，d l lc a l l i n gm e c h a n i s mo fl a b v i e wi s a p p l i e d t oc o n n e c tt h eu s e ri n t e r f a c et ob a s i cd u ，w h i c hr e a l i z e st h a t “d a t a a c q u i s i t i o n a n d “g r a p h i c si n d i c a t i o n ”a r ep r o c e s s i n ga l m o s ta tt h es a m et i m e t h i sr e a l i z a t i o nm e t h o dh e l p st h eh a r d w a r ed e b u g g i n gq u i c k l y t h ed e s i g no f e a c h f u n c t i o nm o d u l e s ，a sw e l la st h et e s t i n gr e s u l ta n da n a l y s i s ，a r ep r e s e n t e di nd e t a i l a 2 4 d 3 2c o m m o n l yu s e dv m er e a da n dw r i t em o d u l ei sd e s i g n e dt oe x a m i n ea c e r t a i nr e g i s t e ro nt h eh a r d w a r e m c ca n dr o ct e s t i n gb l o c k st e s tt h el o g i c a l f u n c t i o n so fm c ca n dr o cm o d u l e s b a s e l i n ei n s p e c t i o na n dw a v e f o r m r e c o n s t r u c t i o nm o d u l e si n c l u d e3 2c h a r n e l sa n ds i n g l ec h a n n e li n s p e c t i o n i nt h i s w a y , u s e r sc a ni n s p e c ta l lo f3 2c h a n n e l s c o n s i s t e n c yo ft h ew h o l em q t m o d u l e ， a n dac e r t a i nc h a n n e l ss t a b i l i t yi np a r t i c u l a r m q tm o d u l ei sb r i e f l yt e s t e di nt h e d e v e l o p m e n t e a c hs u bp e r f o r m a n c ea n a l y s i sm o d u l eo fm q t , s u c ha sr e s o l u t i o n t e s t i n g , i n t e g r a ln o n - l i n e a r i t ya n a l y s i s ，c r o s s t a l kb e t w e e nc h a n n e l st e s t i n g ，e t c ，i s c a p a b l et oa c q u i r et h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r o fm q t c o m p l e t e l y 1 t 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a tp r e s e n t ，t h i ss o f t w a r eh a sb e e na p p l i e di nb e s i i im d ce l e c t r o n i c s h a r d w a r ed e b u g g i n ga n dp e r f o r m a n c et e s t i n gs u c c e s s f u l l y , a n dg a i n e ds a t i s f a c t o r y r e s u l t p r a c t i c eh a ss h o w e dt h a t t h i ss o f t w a r eh a dc o n v e n i e n c ef o ru s e ，f r i e n d l y u s e ri n t e r f a c ea n dp o w e r f u lf u n c t i o n s i ti sa ne f f i o e n t ，w e l l - s u i t e d ，v i a b l e d e b u g g i n gi n s t r u m e n tf o re l e c t r o n i c sh a r d w a r es y s t e m i ts a v e sd e b u g g i n gt i m e ， a n di m p r o v e st e s t i n ge f f i c i e n t l y k e yw o r d s ：m a i nd r i f tc h a m b e re l e c t r o n i c s ；v m e ；l a b v i e w ；d l l i i i 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 斟畸 ， 日期：| ，西年6 月f ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 ， 作者签名：葫脐 导师签名：奎l 心 日期：窜 7 哆年月f 日 日期：h 啤6 月f o 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程，同意将本 人的学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章 程 中的规定享受相关权益。圃童途塞握銮蜃鲎蜃! 旦圭玺i 旦= 生；近丝生 魁 作者签名：钨婶 作者签名：锡娇 日期：j 。巧犁月f 口日 导师签名：专1 | l 词导师签名：乍l - t 1 日期：1 ， 哗月l 日 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 1 课题背景 第一章绪论 北京正负电子对撞机1 1 j ( b e i j i n g e l e c t r o np o s i t r o nc o l l i d e r ，b e p c ) 于1 9 8 8 年1 0 月建成。它的成功建造及其在t 一粲物理研究中取得的重大成果使中国高 能物理研究在世界上占据了一席之地。2 0 0 3 年2 月北京正负电子对撞机重大升 级改造工程正式立项，将设计建造一台全新的正负电子对撞机b e p a l 。b e p c i i 建成后，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。 北京谱仪 2 1 ( b e i j i n gs p e c t r o m e t e r ，b e s ) 是工作在北京正负电子对撞机 南端对撞点上的大型通用磁谱仪，于1 9 8 9 年4 月建成。北京谱仪主要用于测量 正负电子对撞后产生的遍举末态反应，研究末态粒子的性质及其相互作用的规 律。随着b e p c 的重大升级改造，北京谱仪也相应地提到改造议程上，将会建 造一个采用现代技术的新型探测器b e s i i i 。 b e s i i i 探测器由如下各部分组成：主漂移室( m a i nd r i f tc h a m b e r ，m d c ) 、 c s i 量能器、飞行时间计数器( t i m eo ff l i g h tc o u n t e r ，t o f ) 、超导螺线管磁 铁、h 子计数器( m u o nc o u n t e r ) 、触发判选系统、电子学系统、数据获取 系统和离线数据分析系统。 主漂移室【3 4 】是b e s i i i 的主要子探测器之一，其主要任务是： 1 ) 精确测量从相互作用点产生的带电粒子的动量和方向； 2 ) 为带电粒子的粒子鉴别提供足够好的能量损失( d e d x ) 测量； 3 ) 对带电粒子的测量有尽可能大的立体角覆盖( 9 0 4 ps t r ) ； 4 ) 对低动量带电粒子径迹有尽可能大的重建效率； 5 ) 为带电粒子的一级硬件触发提供信号。 主漂移室电子学系统是用来接收主漂移室6 7 9 6 根信号丝的输出信号，并 经过一系列处理后将数据传送至在线数据获取系统作进一步分析处理。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 图1 1 给出了b e s i i i 主漂移室电子学系统组成的示意刚5 1 。全系统基于 v m e 总线设计，有1 台6 u v m e 机箱和1 6 台9 u v m e 机箱。系统主要由m q t 、 r o c 、c o m c 、f a no u t 和前置放大器构成。前置放大器共8 6 0 块左右，每4 块前放对应于一块m q t 插件，前放与m q t 之间以1 8 m 长的双绞屏蔽电缆相 连。 图1 1b e s i i i 主漂移室电子学系统组成示意图 1 2 课题提出及意义 蚕 萋 c r l 在工程领域中，系统检测是保证系统在安全、可靠前提下高效运行的重 要手段1 6 】。有效的系统检测不仅要求检测人员比较清楚地了解系统的组成和 工作原理，而且还可借助于可靠的测试和分析手段，更多地获取设备内部的 信息。这对于大型复杂系统的应用是十分必要的。本文所涉及的主漂移室电 子学系统是主漂移室的重要组成部分，针对它研究并开发出一套系统检测与 维护系统也就成为一个重要的课题被提了出来。 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 主漂移室的输出信号包含了电荷信息和时间信息，而这两个量的测量与 主漂移室电子学系统的性能指标密切相关【7 】。电子学系统的性能越好，测量 精度越高，实验数据越准确可靠。因此，在主漂移室的电子学系统中，有必 要配备一套测试系统，用于检测电子学系统的性能参数变化以及它们对电荷 信息和时间信息的影响。同时，电子学系统在建成后，应该先在校准刻度工 作模式下利用系统本身可程控产生的校准刻度信号，对系统进行性能测试， 以便对系统当前的性能状况作出评估，并进行修正，从而确保在进入o n l i n e 工作模式后的取数质量1 8 1 。 1 3 课题研究内容 本文描述的主漂移室电子学测试系统，是用来检测以模拟信号为输入波 形的主漂移室电子学所获取的电荷信息和时间信息，从而了解电子学系统的 性能状况并对实验结果进行必要校正。测试系统包括硬件和软件两部分，硬 件用来对携带了电荷信息和时间信息的模拟信号进行放大、数字化、判选等 处理，并保存在f i f o ( 先进先出缓冲区) 中，等候下一级处理；软件负责从 硬件f i f o 中采集数字化信号，提取其中的电荷信息及时间信息，并对这两个 信号量进行统计分析。本文主要描述了测试系统软件的设计。 由于主漂移室电子学系统是基于v m e 总线设计的，所以首先要研究的是 采用何种技术和手段控制v m e 总线，达到与v m e 总线通讯的目的，这包括 v m e 总线控制器的选择和开发工具的选择两方面。此外，测试软件的设计意 义在于使可能完全不懂软件的硬件调试人员通过使用该软件能够快速、简便 地检测硬件系统，那么测试软件除了功能强大之外，还必须具有友好的用户 界面，能够操作简单、使用方便。 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第二章系统硬件组建 b e s i i i 主漂移室电子学基于v m e 总线设计，所有插件都需插在6 u 或 9 uv m e 机箱中，o 本章着重介绍v l v l e 总线及其总线控制器v p 7 ，以及测试系 统硬件的组成结构。 2 1v m e 总线 v m e 总线是1 9 8 1 年美国m o t o r o l a 公司西德分部开发的微机接口总 线，它是以v e r s a 总线( m o t o r o l a 公司的总线标准) 和e u r o c a r d ( 欧 洲卡) 标准为参考，针对3 2 位微处理器6 8 0 0 0 而设计的【9 1 。v m e 亦即欧洲 v e r s a 总线模块( v e r s a b u sm o d u l a re u r o p e a n 的简写) t o 】。 2 1 1v m e 总线类属 计算机系统中应用的总线可分为外部总线和内部总线两大类。外部总线 如：r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、i e e e 4 8 8 、u s b 等总线；而内部总线又可分为系统总 线和片级总线，片级总线如：1 2 c 总线、s p i 总线、s c i 总线等；系统总线如： i s a 总线、p c i 总线、e i s a 总线、v e s a 总线；工业现场总线如：v m e 总线、 c a n 总线、l o n w o r k s 总线、c o m p a c tp c i 总线等1 1 1 1 。v m e 总线出现于1 9 8 1 年，经过二十几年连续不断的开发，是稀有的进入2 1 世纪仍然大规模应用的 工控总线，v m e 总线如此强大的生命力和广阔的应用前景来源于v m e 总线 的许多独具的特点。 2 1 2v m e 总线工作原理 v m e 总线上的每项数据传送都是在主设备和从设备之间发生的【1 2 】：为了 完成一次数据传送，主设备必须首先通过板上的总线请求器进行总线申请， 总线控制器批准使用总线后，主设备即可以使用总线进行数据传输。数据传 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 送由主设备启动，被寻址的从设备要对每次传送进行应答，主设备在接到传 送的应答之后，便停止数据传送周期。v m e 总线提供了3 2 条地址线和3 2 条 数据线，地址通道宽度、数据通道宽度均可动态配置，分别由地址修改码 a m 5 a m 0 及控制信号l w o r d , a 0 1 、d s 0 、d s l 控制。v m e 总线配置灵 活，支持多处理器操作，允许有多个主设备和多个从设备，一般总线控制器 由主设备兼任，但在同一时刻只能有一个设备作为主设备【1 3 1 4 1 。图2 1 是一 个典型的v m e 总线系统框图。 2 1 3v m e 总线特点 图2 1v m e 总线系统框图 2 1 3 1 可选择地址总线和数据总线的宽度 v m e 总线的地址总线宽度可以是1 6 、2 4 ，3 2 位，数据总线的宽度可以 是8 、1 6 、2 4 、3 2 、6 4 位，这称为动态地址和数据宽度，从而减少了v m e 总线对c p u 类型的依赖程度。每一个地址都伴随着一个地址修改码，这样从 设备就可以知道监视哪几条数据线，应用地址修改码让3 u 、6 u 和9 u 模块兼 容方式灵活。总线接口j 1 提供了对1 6 位数据总线和2 4 位地址总线的所有总 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 线控制信号，应用j 2 接口可允许插件用3 2 位地址总线和3 2 位数据总线，在 块传送时3 2 位数据总线可扩展到“位，即将地址总线和数据总线带宽复用。 2 1 3 2 强大的总线功能 v m e 总线的控制器将每个地址空间映射到内存，通常控制器板上的内存 放入地址o ，而控制器板上的i o 则置于内存高端，中间的地址用来映射v m e 总线上的地址，每个设备都可作为一个内存地址或一个地址块，地址分配可 以是跳线配置或编程决定的。v m e 总线支持d m a 传送；v m e 总线包含2 1 个插槽，第一个插槽必须是总线控制器；v m e 总线采用主从结构，允许有多 个主设备和多个从设备；v m e 总线是基于t t l 电平的，异步的( 无中心同 步时钟信号) ，数据传送速度可达2 0 m b y t e s s ，支持对数据的读、写、修改、 块传送等操作，并支持多种速度的外接设备；具有总线传送错误检测 ( b e r r * ) 、总线极性保护功能；拥有一个灵活的中断控制方案，7 级优先 权中断系统；具备系统诊断能力( s y s f m l ) 、物理寻址、热插拔、即插即 用、总线锁住、第一槽检测等功能【1 5 】。 2 1 3 3 多子总线结构 v m e 总线系统包括4 类子总线：数据传送总线、仲裁总线、优先权中断 总线和应用总线【1 6 】： 1 ) 数据传送总线： 读写数据到插件上，d o k d 3 1 是实际数据，被访问的地址出现在 a 0 a 3 1 上，地址修改码( a m 旺a m 5 ) 指出地址总线的宽度、数据 周期的种类和主设备识别，地址选通a s ( a d d r e s ss t r o b e ) 用来指示地址有效， 主设备用数据选通信号( d s o 、d s l ) 来控制传送，结合长字选择l w o r d 信 号线一起指出接收数据有效及传送字长，写线用来区别是读还是写操作， d t a c k ( 数据传送响应信号) 被从设备用来指示传送完成，传送中的错误用 b e r r 指示。 2 ) 仲裁总线： 由于v m e 总线可以有多个主设备，获得总线的主设备将b u sb u s y l i n e ( b b s y ) 拉低来表示总线正被应用，当b b s y 不为低时，总线仲裁器 将采样总线请求线b r o b r 3 ，在b r 3 上的请求有最高优先权，相同优先 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 权的两个请求，由菊花链( d a i s y c h a i n ) 信号b g 0 一b g 3 玳来判断谁获 取总线控制权，b g 0 矾珈g 3 玳编码成以离第一槽的远近来决定优先权， b g o o u t - b g 3 0 u t 将由第一槽产生的总线许可信号按槽序号增加的方向 向后传送。在另一个更高优先权的总线请求到来时，总线仲裁器将产生一个 b c l r * ( b u sc l e a r ) 信号，正在应用总线的主设备检测到b c l r 信号后即得 知另一更高优先权主设备要求获得总线，应迅速结束工作，释放总线控制权。 由于从设备不能获取总线的控制权，所以常将菊花链信号短接以提供菊花链 的连续性。 3 ) 优先权中断总线： 通常仅有一个处理器处理中断，监视中断请求线( i r q l i r q 7 ) ，瓜q 7 优先权最高。在响应中断时，一个地址周期产生，这个地址指示请求已被响 应，中断响应线( 认c k ) 被仲裁器改变以菊花链的方式向下传送，用i a c k i n 和i a c k o u t 信号，一个数据周期指出请求设备，并提取请求设备的状态和 w ( i n t e r r u p tv e c t o r ，中断矢量) 。 4 1 应用总线： 提供系统的实用功能。包括电源+ 5 v 、+ 1 2 v ，一个可选的后备电池+ 5 v s t d b y ，独立的1 6 m h z 系统时钟信号( s y s c l k ) 、系统失效信号( s y s r u l ) 和a c 失效信号( a c f a i l ) ，系统复位信号( s y s r e s e t ) 、串行数据线s e r i a l d a t al i n e 信号( s e r d a t ) 及串行时钟同步信号( s e r c l k ) 。 通常一个典型的v m e 总线的传送周期包括一个仲裁周期( 获总线控制) 、 一个地址周期和数据周期【1 7 1 ，由v m e 总线的控制器指挥各种子总线协调完 成工作。 2 2v m e 总线控制器v p 7 2 2 1v p 7 介绍 v p 7 是一种基于i n t e lc p u 的v m e 总线嵌入式单板计算机。v p 7 带有专 用接口，可作为一台完整的计算机嵌入到v m e 系统中。它支持多种操作系统， 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 包括w i n d o w s2 0 0 0 n t 9 8 、q n x 、v x w o r k s 、l y n x 、l i n u x 和m s d o s 等【1 8 1 。 v p 7 符合6 uv m e 标准，专为通讯、工业自动化、医药、科研、军事和 航空等领域设计。它除了灵活的处理器和r a m 配置外，还具有丰富的外围 设备，包括显示卡、以太网接口、s c s i 、以及p m c 扩展。表2 1 列出了v p 7 的性能参数。 表2 1 p 7 性能参数一览表 规格6 u 占槽数 电源 2 + 5 v 一p e n f i u m 5 0 0 - 1 0 0 0 m h z ，c e l e r o n 5 6 6m h z ， 处理器速度和类型 一一 低功耗移动专用c p u d r a m ( m b y t e )最大5 1 2m bs d r a m w e c c f l a s h 驱动最大5 1 2 m b 或本地2 5 英寸硬盘 v g a l c d最大1 6 0 0 1 2 0 0 ，4 m 高速s d r a m d e 4 s c s i最大4 0 m b s e c 软驱1 e t h e m e t1 0 1 0 0m b s f a s te t l l e m e t 串行口4 并行口 2 温度范围4 0 + 7 0 子卡接口 1 p m c * 宰p m c 通过载板扩展其容量 v p 7 内置两个d m a ( d i r e c tm e m o r ya c c e s s ，直接内存访问) 控制器， 其一用于字节长度传输，其二用于字长度传输。d m a 控制器支持以下主从 传输模式：b l t ，a d o h ，r m w ，l o c k ，r e t r y a 3 2 a 2 4 a 1 6 和d 6 4 ( m b l t ) d 3 2 d 1 6 d 8 。v p 7 提供了请求应答v m e 中断的功能，定义了7 级中断，每 级中断支持2 5 5 个不同的中断源【”】。 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 2 2u nis d kn t v p 7 为w i n d o w sn t 用户提供了一套软件开发工具包u n i s d k，便_ntl201 于用户通过p c i v m e 桥接芯片访问v m e 总线。u n i s d kn t 的核心是使用 标准c 语言编写的v m e 总线应用接口函数u n i v e r s er e , i ( 简称u n i a p i ) 。主漂 移室电子学测试系统软件中主要调用的u n i v e r s e a p i 有v m e 读写函数、配置 函数，以及中断函数。 u n i s d k 包括8 位、1 6 位、3 2 位数据长度和可在调用过程中指定长度的 读写函数。在对v m e 总线进行读写操作时，必须先完成一些设置。首先要调 用v m e m a s t e r o p e n 函数打开一个v m em a s t e rc h a n n e l ，然后调用 v m e m a s t e r g e t s e t t i n g s 得到该通道的当前配置，用户可根据需要更改 v m e m a s t e r s e t f i n g s 结构，更改完成后调用v m e m a s t e r a p p l y s e t t i n g s 保存更改。执行完v m e 读写操作后，用户应调用v m e m a s t e r c l o s e 关闭v m e 通道。 用户对v m e 总线进行中断发送或响应操作时，必须先使能v m e 中断， 安装中断服务例程以处理中断，可调用v m e l s r l n s t a l l 函数实现。相应地，用 户可以调用v m e l s r u n i n s t a l l 卸载中断服务例程。表2 2 列举了测试软件涉及 到的u n i v e r s ea p i 。 表2 2v p 7u n i v e r s ea p i 中主要函数一览表 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s d a t a 23 测试系统硬件组成及工作原理 为了在实验室内对所有主漂移室电子学插件进行功能调试和性能检测， 专门措建了一套测试系统。如图2 2 所示，系统的硬件部分由1 台6 u 和1 台 图22 主漂移室电子学测试系统硬件结构图 9 u v m e 机箱组成，主要组成部件有：1 件校准刻度插件( m a i nd r i f lc h a m b e r 】0 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s c a l i b r a t i o nc o n t r o l ，m c c ) 、1 件读出控制插件( r e a d o u tc o n t r o l ，r o c ) 、1 1 6 件电荷时间测量插件( m a i nd r i f tc h a m b e rqa n dtm e s s u r e m e n t ，m q t ) 、 1 件扇出插件( f a n o u t ) 以及4 6 4 块前置放大器电路板。其中v p 7 和校准 刻度插件放置于6 uv m e 机箱中，读出控制插件、电荷时间测量插件和扇出 插件放置于9 uv m e 6 4 x 机箱中，两台机箱使用中继器( r e p e a t e r ) 连接，每 个m q t 插件通过4 根长电缆分别与4 块前置放大器相连。 m c c 插件按照6 uv m e 6 4 x 规范和a 2 4 d 1 6 方式设计，其主要功能是按 要求送出一系列脉冲。它们或用来生成校准信号，或用作f a d c 的采样信号， 或用来控制整个系统的工作节拍，保证系统有序地工作，等等。送出的脉冲 包括：4 0 m h z 时钟信号c l o c k 、系统复位信号r e s e t 、触发信号t r i g g e r 、t r i g g e r 的检测信号c h e c k 以及f p g a 重加载信号r e l o a d 。m c c 插件可程控工作在两 种工作模式下：“校准模式( c a l i b r a t i o n ) 和“在线数据获取模式( o n l i n e ) ”。 在o n l i n e 模式下，上述信号来自触发系统，经本插件直接送出；在校准模式 下，插件电路除了要产生上述5 个信号外，还要模拟产生对撞时亥0 的时间零 点信号t o 和漂移时间信号s t a r t 2 1 1 。校准模式下产生的c l o c k 、t o 、s t a r t 和t r i g g e r 信号时序必须严格同步。 r o c 插件按照9 uv m e 6 4 x 规范和a 2 4 d 1 6 方式设计，其主要功能是按要 求发出中断请求信号，启动主控制器读数。r o c 插件接收m c c 发出的t r i g g e r 信号，并扇出给m q t 插件。当接收到n 个t r i g g e r 信号( n 值可程控设定) 时，r o c 产生中断请求信号，通知主控制器v p 7 从m q t 插件读取数据。r o c 插件使用与主控制器握手的方式来设置中断应答，只有主控制器处理完中断 请求，向r o c 发出一条指令后，r o c 才能够发送下一个中断请求信号。为 此r o c 还对t r i g g e r 信号具有暂存功能，当r o c 还未收到主控制器发出的允 许发中断指令时，之后的中断请求信号将暂存到r o c 的缓冲区中，等候发送。 m q t 插件是该测试系统中的主要测量插件。它接收前放的输出信号，并 且对这些信号进行测量，得到信号所包含的电荷量和信号的到达时刻。插件 符合9 uv m e 6 4 x 规范，板上包含3 2 个通道的信号测量，每个通道包含主放 大及成型、甄别、电荷及时间测量，数据处理及缓冲。插件采用子母板结构【2 2 】。 插件支持的v m e 地址访问方式包括：a 2 4 d 3 2 、d 6 4 c b l t ( c h a i n e d 1 1 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s b l o c kt r a n s f e r ，链状块传输) 和m c s t ( m u l t i c a s t ，多点传送) 等。其中， a 2 4 d 3 2 用于电路初始化、配置和调试数据读取；d 6 4 c b l t 和m c s t 用于“ 位c b l t 数据读出。 m q t 插件有四种基本的工作方式，分别为基线观测、波形获取、正常取 数和调试。其测量目标如图2 3 所示。 u po v e r f l o w l j w a v e f o r | n 飞 ， t t h ，r e s h o l d 翼鼻 ， 、 、力 、 一1 a1 ， lk 一。，i ；l l ；yf ，f1上! ill ；1 7 研一t 图2 3 m q t 测量目标示意图 其中，基线观测测量b a s e l i n e 部分；波形取样读取电荷信号的原始波形； 正常取数时测量图2 3 中的黄色部分( 黑白为灰) 和信号幅度达到时间阈值的 时刻。 前置放大器产生可精确程控的校准信号，并送往前放的各信号输入端。 校准信号为模拟量，其面积( 即图2 3 中的黄色部分) 代表电荷量，信号前沿 带有时间信息。各输入端的校准信号经放大整形后送往m o t 插件。 测试系统中m q t 插件最多将达到1 6 件，每个m q t 插件都需要有m c c 插件提供的时钟和s t a r t 信号，以及r o c 插件提供的t r i g g e r 信号，而这些信 号在各自插件上均只有一个输出端。为此该系统还设计了扇出插件，将m c c 插件与r o c 插件的输出信号分别扇出到1 6 个m q t 插件上，从而达到简化 m c c 插件和r o c 插件电路的目的。 测试系统在工作过程中，由程序控制m c c 和m q t 插件，使电路产生可 精确程控的校准信号送往前置放大器的各信号输入端。m q t 插件将来自前放 1 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 的校准信号分为两路，一路用于电荷测量，一路用于时间测量。每块m q t 插件有3 2 路电荷通道和3 2 路时间通道。用于电荷测量的信号在经过放大、 成形后瞬间数字化，再对这些数字化结果进行数值积分，积分的结果代表了 输入信号的电荷量。信号波形的采样数据为原始数据，采用a 2 4 d 3 2v m e 读 操作读出。积分后的电荷量与时间测量电路产生的时间量采用d 6 4 c b l t 方式 读出。r o c 插件根据硬件时序安排，在适当时候发出v m e 中断，通知主控 制器从m q t 插件读取数据。 1 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 3 1 技术方案 第三章系统软件总体设计 本课题研究的主漂移室电子学测试系统软件部分主要用于对从硬件采集 到的数据和状态进行处理和分析，以此了解电子学的性能状况。由于使用的 v m e 总线控制器7 支持w i n d o w s 操作系统，从实用性、研制周期、性能 价格比和应用推广等角度，本系统在开发环境上决定采用w i n d o w s2 0 0 0 做为 操作系统。 为了缩短开发周期，降低操作难度，在考察了r o o t 、m a t l a b 等开发环 境之后，测试系统决定采用图形化开发环境l a b v i e w 编写上层程序，处理并 显示采集到的数据。l a b v i e w 采用了图形化的编程方式，直观简便，使得程 序更加简化，降低了程序开发难度，缩短了程序开发时间【矧。 l a b v i e w 程序要实现对主漂移室电子学输出信号的采集，必须能够控 制、读写基于v me 总线的各个插件。由于采用了s b sv p 7 控制器，我们可 以利用s b s 提供的库函数，对v m e 总线进行操作，从而采集v me 总线上 插件中的数据。但是，s b s 所提供的库函数是用传统的结构化编程语言c 语 言编写的，要在l a b v i e w 中调用它有两种方法，一种是采用l a b v i e w 的 c i n ( c o d ei n t e r f a c en o d e ) 节点i 川，直接调用用结构化编程语言编写的程序； 另一种方法是，使用v c + + 将需要调用的程序改写为动态链接库的形式，利 用l a b v i e w 的c a l ll i b r a r yf u n c t i o n 节点，调用改写好的动态链接库程序陋】。 本系统采用第二种方法，图3 1 显示了本软件的技术架构方案。 1 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 3 2 动态链接库机制 图3 1 系统软件技术架构框图 3 2 1 动态链接库简介 动态链接库是一个可执行模块，它不可以直接运行，只是提供一群函数供 w i n d o w s 应用程序或其他动态连接库调用；它是在应用程序运行时被装入和链 接的，而不是把库代码复制到应用程序中去；它只是在程序中记录函数的入口 点和接口【驯。 动态链接库实际上是一个函数库，由全局数据、编译的函数及资源组成， 成为进程的一部分【2 7 j 。和静态链接库相比，它可以和其他应用程序共享库中的 函数和资源，减少了因重复复制而造成的应用程序冗长以及计算机资源的占 用。动态链接库具有很强的通用性和实用性，代码的运行效率高，具有开发周 期短、软件容易维护等优点。它独立于编程语言，因此l a b v i e w 可以调用大多 数语言( 如v i s u a lc + + ，c + + b u i l d e r 等) 编写生成的动态链接库。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 3 2 2 动态链接库的创建 以从v m e 总线上某个地址中采集数据为例，在v c + + 6 0 中生成此动态 链接库的过程【2 8 2 9 】如下： 1 ) 在菜单中选择f i l e k n e w w r o j e c t 新建一个工程，工程名命名为 v 匝r e a d ； 2 ) 在工程列表中选择w i n 3 2d y n a m i c l i n kl i b r a r y ； 3 ) 选择存放目录，这样就创建了v m e r e a d d l l 工程； 在v m e r e a d 工程中，选择a d d a d dn e wf i l e ，文件名为v m e r e a d c p p ； 5 ) 编辑v m e r e a d c p p 文件： # i n c l u d e # i n c l u d e # i n c l u d e ”m d c t e s t s y s t e m h ” # p r a g m ac o m m e n t ( 1 i b ，“u n i a p i 1 i b ”) i n tr e g i s t e r c h a n n e l