应用于粒子物理实验的通用前端采集系统设计
发布时间：2021-05-21 15:09
现场可编程门阵列FPGA因其资源丰富且可重配置的优点常常应用于实验环境中数据采集系统的设计。然而在粒子物理实验环境中,由于重粒子碰撞作用产生的电离辐射,工作其中的电路容易受到单粒子辐射作用产生错误。因此对于粒子实验数据读出电路,设计具有高效采样能力、高速传输能力以及抗辐射能力的前端采集系统是国际上的研究热点。为了设计前端采集系统,本文基于SRAM型FPGA设计前端采集系统的信号采集和光纤传输的功能,基于Flash型FPGA设计外部刷新电路对SRAM型FPGA中出错电路进行抗辐射刷新,实现了一种混合式的、兼容性能与可靠性的通用前端数据采集系统。为了使前端采集系统具备较高速率的采集和传输能力,本文首先使用AD9656芯片实现模拟数据采集功能,通过配置相关寄存器驱动芯片实时采样粒子实验中的模拟信号,并在转换为数字信号后对数据编码发送到FPGA中。其次使用SRAM型FPGA实现数据处理传输功能,在设计中例化JESD204B软核解码ADC数据,经过FIFO缓冲后,最终通过GBTx纠错协议编码的4.8Gbps速率的光纤链路进行输出。回环测试结果表明,本文设计的采集与传输电路可以实现高效采集和高速光...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究意义
1.1.1 辐射作用机理
1.1.2 粒子辐射效应
1.1.3 课题研究意义
1.2 国内外研究现状及分析
1.2.1 国外相关研究现状
1.2.2 国内相关研究现状
1.3 论文的主要研究内容
1.4 论文结构安排
第2章 系统采集与传输电路设计
2.1 前端采集系统总体框架设计
2.2 采集与传输电路框架设计
2.3 数据采集模块设计
2.3.1 数据采集子板简介
2.3.2 芯片驱动模块设计
2.4 数据传输模块设计
2.4.1 JESD204B通信协议概述及设计
2.4.2 GBTx协议编码的光纤接口设计
2.5 本章小结
第3章 系统抗辐射刷新电路设计
3.1 FLASH型 FPGA辐射方案设计
3.1.1 Flash型 FPGA及其辐射环境介绍
3.1.2 系统级辐射测试设计
3.1.3 测试处理脚本设计
3.2 中子辐射实验与结果分析
3.2.1 中子辐射实验
3.2.2 中子实验数据分析
3.3 FPGA部分重配置技术介绍
3.4 部分重配置刷新电路设计
3.4.1 刷新电路框架设计
3.4.2 针对三模冗余的刷新机制
3.4.3 刷新电路工作机制设计
3.5 抗辐射刷新实现
3.6 本章小结
第4章 系统功能调试与验证
4.1 系统测试环境介绍
4.2 前端采集系统的功能验证
4.2.1 数据采集模块功能验证
4.2.2 数据传输模块功能验证
4.3 三模冗余电路的刷新验证
4.4 冗余区块大小对刷新时间的分析
4.5 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]关于中子辐射的单粒子翻转效应测试与加固研究[J]. 张敏,孟令军. 电子器件. 2019(06)
[2]应用中国散裂中子源9号束线端研究65 nm微控制器大气中子单粒子效应[J]. 胡志良,杨卫涛,李永宏,李洋,贺朝会,王松林,周斌,于全芝,何欢,谢飞,白雨蓉,梁天骄. 物理学报. 2019(23)
[3]基于SRAM型FPGA的实时容错自修复系统设计方法[J]. 徐伟杰,谢永乐,彭礼彪,沈北辰. 电子技术应用. 2019(07)
[4]一种SRAM型FPGA单粒子效应加固平台设计[J]. 齐刘宇,刘国栋,赵正阳. 电子技术应用. 2019(05)
[5]星载Flash型FPGA单粒子翻转加固试验研究[J]. 李晓亮,罗磊,孙毅,于庆奎. 太赫兹科学与电子信息学报. 2018(06)
[6]器件集成电路单粒子效应概论[J]. 张鑫. 科技创新与应用. 2018(30)
[7]一种抗单粒子瞬态辐射效应的自刷新三模冗余触发器[J]. 曹靓,田海燕,王栋. 电子与封装. 2018(09)
[8]SRAM型FPGA的可重构容错结构研究[J]. 张程程,班恬. 电子测量技术. 2016(11)
[9]抗单粒子翻转的双端口SRAM定时刷新机制研究[J]. 陈晨,陈强,林敏,杨根庆. 微电子学. 2015(04)
[10]Virtex FPGA抗单粒子翻转技术[J]. 高鹏,庞宗强,周同. 无线电通信技术. 2014(04)
博士论文
[1]Flash存储器单粒子效应及与总剂量的协同效应研究[D]. 殷亚楠.中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所) 2018
[2]ATLAS液氩量能器触发读出系统Phase-I升级的光纤数据链路与控制链路设计[D]. 肖乐.华中师范大学 2016
[3]HIRFL-CSR外靶实验的数据传输和触发判选研究[D]. 康龙飞.中国科学技术大学 2014
硕士论文
[1]基于Zynq-7000的星载软件抗软错误设计方法研究[D]. 沈露.哈尔滨工业大学 2017
[2]基于FPGA的CAN接口抗SEU容错方法研究[D]. 杨爽.哈尔滨工业大学 2016
本文编号：3199925
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究意义
1.1.1 辐射作用机理
1.1.2 粒子辐射效应
1.1.3 课题研究意义
1.2 国内外研究现状及分析
1.2.1 国外相关研究现状
1.2.2 国内相关研究现状
1.3 论文的主要研究内容
1.4 论文结构安排
第2章 系统采集与传输电路设计
2.1 前端采集系统总体框架设计
2.2 采集与传输电路框架设计
2.3 数据采集模块设计
2.3.1 数据采集子板简介
2.3.2 芯片驱动模块设计
2.4 数据传输模块设计
2.4.1 JESD204B通信协议概述及设计
2.4.2 GBTx协议编码的光纤接口设计
2.5 本章小结
第3章 系统抗辐射刷新电路设计
3.1 FLASH型 FPGA辐射方案设计
3.1.1 Flash型 FPGA及其辐射环境介绍
3.1.2 系统级辐射测试设计
3.1.3 测试处理脚本设计
3.2 中子辐射实验与结果分析
3.2.1 中子辐射实验
3.2.2 中子实验数据分析
3.3 FPGA部分重配置技术介绍
3.4 部分重配置刷新电路设计
3.4.1 刷新电路框架设计
3.4.2 针对三模冗余的刷新机制
3.4.3 刷新电路工作机制设计
3.5 抗辐射刷新实现
3.6 本章小结
第4章 系统功能调试与验证
4.1 系统测试环境介绍
4.2 前端采集系统的功能验证
4.2.1 数据采集模块功能验证
4.2.2 数据传输模块功能验证
4.3 三模冗余电路的刷新验证
4.4 冗余区块大小对刷新时间的分析
4.5 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]关于中子辐射的单粒子翻转效应测试与加固研究[J]. 张敏,孟令军. 电子器件. 2019(06)
[2]应用中国散裂中子源9号束线端研究65 nm微控制器大气中子单粒子效应[J]. 胡志良,杨卫涛,李永宏,李洋,贺朝会,王松林,周斌,于全芝,何欢,谢飞,白雨蓉,梁天骄. 物理学报. 2019(23)
[3]基于SRAM型FPGA的实时容错自修复系统设计方法[J]. 徐伟杰,谢永乐,彭礼彪,沈北辰. 电子技术应用. 2019(07)
[4]一种SRAM型FPGA单粒子效应加固平台设计[J]. 齐刘宇,刘国栋,赵正阳. 电子技术应用. 2019(05)
[5]星载Flash型FPGA单粒子翻转加固试验研究[J]. 李晓亮,罗磊,孙毅,于庆奎. 太赫兹科学与电子信息学报. 2018(06)
[6]器件集成电路单粒子效应概论[J]. 张鑫. 科技创新与应用. 2018(30)
[7]一种抗单粒子瞬态辐射效应的自刷新三模冗余触发器[J]. 曹靓,田海燕,王栋. 电子与封装. 2018(09)
[8]SRAM型FPGA的可重构容错结构研究[J]. 张程程,班恬. 电子测量技术. 2016(11)
[9]抗单粒子翻转的双端口SRAM定时刷新机制研究[J]. 陈晨,陈强,林敏,杨根庆. 微电子学. 2015(04)
[10]Virtex FPGA抗单粒子翻转技术[J]. 高鹏,庞宗强,周同. 无线电通信技术. 2014(04)
博士论文
[1]Flash存储器单粒子效应及与总剂量的协同效应研究[D]. 殷亚楠.中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所) 2018
[2]ATLAS液氩量能器触发读出系统Phase-I升级的光纤数据链路与控制链路设计[D]. 肖乐.华中师范大学 2016
[3]HIRFL-CSR外靶实验的数据传输和触发判选研究[D]. 康龙飞.中国科学技术大学 2014
硕士论文
[1]基于Zynq-7000的星载软件抗软错误设计方法研究[D]. 沈露.哈尔滨工业大学 2017
[2]基于FPGA的CAN接口抗SEU容错方法研究[D]. 杨爽.哈尔滨工业大学 2016
本文编号：3199925
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