Design of versatile ASIC and protocol tester for CBM readout system
Аннотация: Система детектирования кремниевой трекинга (STS), Мюонной камеры (MUCH) и детектора переходного излучения (TRD) в детекторной системе сжатого барионного вещества (CBM) в Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) использует тот же инновационный протокол, обеспечивающий надежную синхронизацию Линии связи между контроллером и интерфейсной ASIC, передачи времени-детерминированных команд в ASIC и эффективного считывания данных. В документе описывается платформа тестеров на основе FPGA, которая может использоваться как для проверки реализации протокола в интерфейсной ASIC на этапе проектирования, так и для тестирования произведенных ASIC. Благодаря своей модульности платформа может быть легко адаптирована для различных интегральных схем и систем считывания.
Ключевые слова: схемы сбора данных; Системы контроля детектора (мониторинг детекторов и экспериментов и системы медленного управления, архитектура, аппаратные средства, алгоритмы, базы данных); Передняя электроника для считывания детектора; Цифровые электронные схемы
1. Введение
Эксперимент с сжатой барионной массой (CBM) является одним из экспериментов, подготовленных в Институте антипротонных и ионных исследований (FAIR) в Дармштадте. Его основная цель - исследование фазовой диаграммы КХД в области высоких барионных плотностей при высокоэнергетических ядро-ядерных столкновениях [1]. CBM будет использовать различные детекторы частиц: детектор Micro Vertex (MVD), систему слежения за силиконом (STS), детектор черенковского изображения (RICH), мюонную камеру (MUCH)
Детектор излучения переходного излучения (TRD), детектор времени полета (TOF), детектор зрелищного снаряда (PSD). Специфические для детектора интерфейсные платы (FEB) используются для приема сигналов, создаваемых детектором, и преобразования их в цифровую форму, подходящую для передачи в систему сбора данных (DAQ). Поскольку FEB обычно расположены в области облучения, они основаны на выделенных радиационно-твердых ASIC. Чтобы свести к минимуму усилия по разработке и разработке, был разработан и реализован общий протокол связи (HCTSP) [2] в считывающих ASIC для детекторов STS, MUCH и TRD [3].
STS / MUCH-XYTER2 (SMX2) предназначен для считывания двухсторонних кремниевых микрополосковых датчиков (STS) и датчиков GEM (MUCH). Микросхема выполняет самозапускаемую амплитудную и временную оцифровку в 128 каналах. Передняя схема была оптимизирована для работы с низким уровнем шума [4, 5] со средней скоростью 250 кГц / с / каналом. Для каждого удара он предоставляет 14-битную метку времени (с разрешением 3,125 нс) и 5-битные данные амплитуды сигнала. Цифровой интерфейс ASIC [6] обеспечивает путь передачи данных для высокопроизводительного считывания оцифрованных ударов и путь управления для конфигурирования и управления функциями сбора и диагностики данных чипа. Цифровая информация, сгенерированная в каждом канале, записывается в отдельный канал FIFO. Все FIFO считываются сортировщиком хитов, и полученные данные доставляются в пять программных маскирующих сериализаторов и далее к дифференциальным каналам считывания. ASIC также реализует многоуровневое управление потоком данных (дросселирование) для учета возможных флуктуаций интенсивности пучка. Чип реализует множество функций диагностики и мониторинга, включая отчетность об обнаруженных событиях SEU и связанных с ними проблемах. Внутренняя структура чипа показана на рисунке
Восемь микросхем SMX2s, расположенных на плате FEB, подключены к считывающим устройствам GBTX (ROB) [7] через так называемые E-Links. Микросхемы GBTX [8] обеспечивают синхронную, детерминированную релевантность, двунаправленную связь между FEB (через E-Links) и систему управления (платы обработки данных - DPB [10, 11]) через высокоскоростную оптическую линию 4,8 Гбит / с , Каждый E-Link представляет собой последовательный синхронный интерфейс SPI, который может использоваться с настраиваемой тактовой частотой (40 МГц, 80 МГц, 160 МГц или 320 МГц) и скоростью передачи (80 Мбит / с, 160 Мбит / с или 320 Мбит / с) в зависимости от Количество E-Links, используемых в одном GBTX. Конфигурация для SMX2 использует тактовые сигналы 160 МГц, данные по нисходящему направлению 160 Мбит / с и линии передачи данных по восходящему каналу 320 Мбит / с. Считывание двухсторонних датчиков в STS подразумевает необходимость использования электрических соединений переменного тока (см. Рисунок 2) из-за различных потенциалов заземления FEB, прикрепленных к обеим сторонам датчика, смещенного с высоким напряжением [12], подключенного к Такой же ROB. Сигналы данных часов и нисходящей линии связи распределяются между SMX2, расположенными на одной FEB.