束流监测器多通道数据获取系统的设计

发布时间：2017-09-10 01:18

  本文关键词：束流监测器多通道数据获取系统的设计

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【摘要】：硅像素传感器由于具有体积小、位置分辨率高、响应速度快等优势而成为核探测技术的重要研究领域,为此,我校硅探测技术实验室研发了TopMetal像素传感芯片,在此基础上,承担了可用于肿瘤治疗中束流配送的束流监测器的研发任务,并成功申报了国家自然科学基金项目。该束流监测器由基于TopMetal的微型时间投影室(TPC)和与其配套的多通道数据获取系统组成,后者即为本文研究内容。依据“以固代硬”、“以软代固”、通用性好、便于维护的设计原则,本数据获取系统以高性能的FPGA为控制核心,控制多通道、12位高速ADC采集TopMetal各像素的探测信息,缓存至大容量的DDR2存储器中,并经USB最后传送到PC机上存储与分析。PC端的控制指令由RS232串口下发到FPGA中。本文主要研究工作包括：1、硬件平台设计：该平台主要涵盖TopMetal驱动板、ADC采样板.FT2232H传输板。驱动板实现TopMetal芯片内部所需的高稳定度偏置电压、高速像素扫描时钟。采样板完成低噪声的TopMetal输出模拟信号调理以及8通道、12位ADC同步采样并采用8路差分线实现3.8Gbps的数据传输。2、固件逻辑设计：为达到灵活控制目的,将高速数据传输通路的固件逻辑与低速控制命令分开设计。采用全局控制寄存器GCR (Global Control Register)位操作来控制数据传输通道的ADC、USB和DDR2等关键器件。高速数据传输通道固件逻辑主要包括多通道高速串并转换、DDR2 SDRAM存储器控制及USB数据传输等固件逻辑。3、上层软件设计：在PC端开发了与FPGA固件相对应的上端设置和控制软件,使得PC端可以采用脚本方式控制整个数据获取系统。最后,对系统进行了模块级和系统级测试,并通过大型物理分析软件ROOT分析了测试数据。结果表明,本数据获取系统在系统数据吞吐量达3.8Gbps时仍能实现无误码传输,很好地满足束流监测器对数据获取系统的要求。
【关键词】：数据获取系统 TopMetal FPGA ADC USB2.0
【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH774
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-13
• 1.1 研究背景与意义9-10
• 1.2 数据获取系统的研究现状10-11
• 1.3 论文结构11-13
• 第二章 系统设计方案13-19
• 2.1 Beam Monitor介绍13-15
• 2.2 总体方案设计15-17
• 2.3 主要器件选型17-19
• 2.3.1 FPGA芯片选型17-18
• 2.3.2 ADC芯片选型18-19
• 第三章 硬件电路设计19-29
• 3.1 TopMetal驱动电路设计19-20
• 3.2 前端调理电路设计20-23
• 3.2.1 ADC驱动电路20-22
• 3.2.2 磁保持继电器22
• 3.2.3 偏置调节22-23
• 3.3 ADC采样电路设计23-25
• 3.4 FT2232H数据传输电路设计25-26
• 3.5 ADC采样板PCB设计26-29
• 3.5.1 PCB元件布局26
• 3.5.2 PCB板布线26-29
• 第四章 FPGA逻辑固件设计29-52
• 4.1 控制命令逻辑设计29-32
• 4.1.1 UART控制逻辑29-30
• 4.1.2 GCR逻辑设计30-32
• 4.2 DAC8568控制逻辑固件32-37
• 4.2.1 DAC8568简介33-35
• 4.2.2 DAC8568控制逻辑35-37
• 4.3 ADC采样逻辑固件37-43
• 4.3.1 串行LVDS输出与源同步技术37-38
• 4.3.2 串并转换38-40
• 4.3.3 延时调节40-43
• 4.4 FT2232H数据传输固件设计43-46
• 4.4.1 FT2232H原理及功能简介43-44
• 4.4.2 FT2232H时序分析44-46
• 4.5 动态存储器控制逻辑46-52
• 4.5.1 DDR2 SDRAM简介46
• 4.5.2 Xilinx MIG IP核简介46-50
• 4.5.3 基于MIG的上层用户逻辑50-52
• 第五章 系统软件设计52-56
• 5.1 数据存储格式52-53
• 5.2 FT2232H上位机程序53
• 5.3 延时自动调节53-54
• 5.4 自动误码校验54-55
• 5.5 脚本控制程序设计55-56
• 第六章 系统测试56-63
• 6.1 数据传输链路测试56-60
• 6.1.1 TopMetal驱动板测试56-57
• 6.1.2 前端调理电路测试57-58
• 6.1.3 ADC采样板测试58-59
• 6.1.4 FT2232H数据传输板测试59-60
• 6.2 TopMetal芯片及应用测试60-63
• 6.2.1 TopMetal芯片模拟读出测试60
• 6.2.2 TopMetal芯片典型应用测试60-63
• 第七章 工作总结与展望63-65
• 7.1 工作总结63-64
• 7.2 展望64-65
• 参考文献65-68
• 致谢68

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

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2 贺美华;钱锐;郑飞雁;;基于Virtex-5的DDR2内存条存储管理[J];电脑编程技巧与维护;2013年06期

3 袁子建,吴志敏;PCB的布局布线设计[J];世界产品与技术;2002年05期

4 王钢;王世刚;刘财;高凯;;Camera Link在Virtex5系列FPGA上的实现[J];山东大学学报(工学版);2013年02期

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中国硕士学位论文全文数据库 前3条

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2 任颖;DDR2 SDRAM在高端数字存储示波器中的应用[D];电子科技大学;2009年

3 李森;高可靠性电路结构设计与应用[D];西安电子科技大学;2013年

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本文编号：823880