一种用于核与粒子物理实验数字化的多重数触发判选电路设计
2023年电子技术应用第1期
刘尚铭1，2，曹平1，2，李超1，2，汪晓虎1，2
1.中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室，安徽 合肥 230026； 2.中国科学技术大学 近代物理系，安徽 合肥 230026
摘要： 核与粒子物理实验中，因实验本底与探测器噪声影响，实验需要通过触发判选机制筛选出有效物理事例，剔除掉本底噪声。针对物理实验高事例率情况下基于击中多重数（Hit multiplicity，NHit）的触发判选需求，设计了一种高性能数字触发判选电路。该电路具有13路高速串行通信接口，支持光纤数据传输与千兆网络通信；板载32 Gb DDR4缓存与高性能FPGA，以支持大容量高速存储与实时数据处理。基于该电路可运行实时的硬件NHit触发算法，从而实现对前端数据的快速触发判选与数据读出，同时该电路便于扩展，可灵活地用在不同的物理实验上。经过测试验证，数字触发判选电路单路光纤接口传输速率可达8.125 Gb/s，上行网络传输速率达949.3 Gb/s，DDR4缓存实际读写速率可达102.6 Gb/s，满足数字触发判选电路设计的数据传输与缓存需求。
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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