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。
中图分类号：TL822+.3
文献标志码：A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.222927
中文引用格式：刘尚铭，曹平，李超，等. 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[J]. 电子技术应用，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.
文献标志码：A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.222927
中文引用格式：刘尚铭，曹平，李超，等. 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[J]. 电子技术应用，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
核与粒子物理主要研究原子核内部及以下层次的微观结构，为研究粒子间相互作用，人们通过数量庞大的探测器阵列和电子学设备对实验物理现象进行观测[1-2]。物理实验采用触发判选机制来滤除实验本底与探测器噪声，通过触发系统的设计从前端原始信息中筛选出有效物理事例，从而降低后端数据传输与缓存压力。
核与粒子物理实验中的触发判选技术主要有模拟硬件触发、无硬件触发、数字硬件触发三种方式。早期实验的触发系统因技术限制，通常使用模拟硬件触发方式提取前端信号特征参量并进行触发判选，如中国原子能院GTAF谱仪[3]，这些触发系统大多专用且固定，具有一定死时间，无法适应物理实验高事例率的发展需要。随着数据传输处理能力的快速提高，压缩重物质实验[4]、反质子湮灭实验[5]、大型高海拔宇宙线观测站[6]等实验开始采用无硬件触发的数据读出方法，将前端所有数据传输至后端，由后端高性能计算单元进行触发判选，但对所有数据不加区分的读出给读出系统与数据获取系统带来了更大的设计压力与资源消耗。近年来在某些实验上，如反角白光中子源GTAF-II谱仪[7]、江门中微子实验[8]，逐渐开展了基于FPGA实时硬件的全数字化硬件触发技术研究，充分利用FPGA并行处理能力强和实时性高的优点，对原始数据进行实时的触发判选与数据筛选。
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作者信息：
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）
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