粒子物理实验中基于ATCA架构的高速数据传输方法研究

The electronics architectures widely used in present particle physics experiments are based on shared bus architecture. The bus and the system controller are share by all of the peripheral modules in the chassis, so the data transmission speed of the architecture is very low. In modern times, the scale of particle physics experiments is bigger and bigger with more channels and higher performance of the measurement, which cause large volume of data. As a result, the shared bus is becoming a big problem for data transmission currently. Especially in waveform digitization readout electronics, the traditional architecture costs so much dead time of data transmission...In this project, a high speed data transmission method is proposed, which leads the Advanced Telecom Computing Architecture (ATCA) widely applied in many industries to the readout electronics for particle physics experiments. The cross bus based on point to point in ATCA will improve the efficiency of the system data transmission and processing of the shared bus in traditional architectures. The readout electronics based on ATCA will be researched, including waveform digitization front end electronics, clock and trigger. The benefit of the cross bus will help to achieve high speed data transmission and processing for readout electronics in particle physics experiments.

当前粒子物理实验电子学系统架构主要的技术路线是基于共享总线结构的数据传输和处理方式。由于总线和处理器被机箱内的所有插件共同使用，因此系统的数据传输速度较低。当代的粒子物理实验规模越来越大，通道数增加和探测性能指标提升导致数据量剧增，共享总线架构数据传输能力有限的问题影响越来越明显。尤其对于使用越来越广泛的波形数字化读出电子学，传统架构带来巨大的数据传输死时间。.本课题利用当前在工业领域有成熟应用的ATCA架构技术，研究将其应用到粒子物理实验的读出电子学，实现高速数据传输的方法。ATCA架构采用点对点的交互总线结构，突破了传统架构的共享总线在数据传输和处理等方面的性能瓶颈。研究基于ACTA架构的粒子物理实验读出电子学设计方法,实现包括基于波形数字化技术的前端电子学、时钟和触发功能设计。利用交互总线结构在数据传输方面的先进性，实现可用于粒子物理实验的读出电子学高速数据传输和处理方法。

当前粒子物理实验电子学系统架构主要的技术路线是基于共享总线结构的数据传输和处理方式。由于总线和处理器被机箱内的所有插件共同使用，因此系统的数据传输速度较低。当代的粒子物理实验规模越来越大，通道数增加和探测性能指标提升导致数据量剧增，共享总线架构数据传输能力有限的问题影响越来越明显。尤其对于使用越来越广泛的波形数字化读出电子学，传统架构带来巨大的数据传输死时间。.本课题着眼于前沿技术，利用当前在工业领域有成熟应用的ATCA架构技术，研究将其应用到粒子物理实验的读出电子学，实现高速数据传输的方法。ATCA架构采用点对点的交互总线结构，突破了传统架构的共享总线在数据传输和处理等方面的性能瓶颈。本项目通过研制实现一套可应用于粒子物理实验的基于ATCA架构的读出电子学完整小系统，完成了研究计划中的以下研究内容：.1）研制了一套基于ATCA架构的读出电子学小系统，包括2块基于高速高精度ADC的波形数字化技术的数据获取节点模块和1个基于高性能FPGA的数据交换和处理模块。.2）基于硬件系统实现了ATCA架构下粒子物理实验高速数据传输，数据处理，触发产生和分发等算法。.3）将本项目与地下暗物质直接探测实验相结合，研制了一套可用于气液两相氩探测器阵列的数据获取和触发原型小系统并进行了电子学系统验证。.本项目实现的基于点对点交互总线的读出电子学系统，在大型物理实验数据采集和大型粒子物理的数据获取和触发方面具有广泛应用前景。目前已经在我国锦屏山地下暗物质直接探测实验PandaX-4T项目的预研中进行了应用。.在本项目的研究资助下，已发表核心期刊和会议论文6篇，高质量完成项目申请书提出的“在国内外核心刊物及相关会议中发表有影响的论文2~3篇”。培养博士学位获得者1名，学士学位获得者1名，国际会议交流报告4次。通过本项目的支持，负责人在2018年申请到了国家自然科学基金面上项目，作为本课题研究的更深层次的研究内容。