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《中国科学技术大学》 2017年
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LHAASO WCDA读出电子学时钟同步与数据传输研究

褚少平  
【摘要】:宇宙线是从宇宙空间到达地球的高能粒子,主要成分包括带电粒子,伽玛光子以及中微子。宇宙线起源于各类天体的演化和高能活动,在传播过程中会受到各种星际介质以及电磁场的影响。对宇宙线进行研究可以帮助理解高能粒子的特性,验证粒子理论,甚至发现新粒子。另一方面研究宇宙线及其起源问题可以帮助我们了解宇宙的起源,发展和演化。伽玛光子作为中性粒子,不易受磁场的干扰而改变传播方向。探测伽玛射线是研究宇宙线起源的重要手段,为此我国科学家提出了建设大型高海拔空气簇射观测站(Large High Altitude Air Shower Observatory,LHAASO)的计划。LHAASO海拔四千多米,包含多个子探测器,分别是广角切伦科夫望远镜阵列,μ子探测器,电磁粒子探测器,水切伦科夫探测器阵列(Water Cherenkov Detector Array,WCDA)。其中WCDA包含三个水池,占地约80000平方米,其间分布着3120个光电倍增管(Photomultiplier Tube,PMT)。WCDA读出电子学采用分布式的前端数字化构架,前端电子学模块(Front End Electronic,FEE)在水池上方就近PMT放置,直接对PMT信号进行电荷和时间的测量,完成数字化,此方案避免了长电缆传输带来的衰减,噪声和干扰,减少了高质量长电缆带来的成本。相应地则要求FEE将数据结果经400~500米的距离传输至后端数据获取系统(DataAcquisition,DAQ)。为保证信号长距传输的质量,在WCDA电子学中使用光纤进行信号传输,并将命令、数据和时钟融合在一个光纤上进行混合传输。LHAASO位于高原上,环境恶劣,四季温差较大,电子学及光纤所处环境都无温度控制的条件,考虑到WCDA对于时间测量精度的需求,则要求在大面积空间范围以及变温环境下实现高精度的时钟相位自动同步与对齐,这是WCDA读出电子学的一个关键技术与设计难点。在目前此领域的研究中,White Rabbit(WR)技术是一个比较好的适用于大尺度空间下的时钟同步方法,然而其精度只能保证在亚纳秒水平上,在国内外和本人所在实验室以前的工作中,并未系统解决电子学和光纤路径延时随温度变化情况下的问题,或者提出基于温度传感器实时测试环境温度配合查找表实现相位补偿。本论文旨在系统研究整个时钟传输系统,包括光纤及电子学变温条件下延时的特性,并提出基于延时增量分配方法来实现时钟相位高精度自动相位同步,而无需使用温度传感器等外围器件,简化了系统的复杂度,提升了其可靠性和灵活性。为保证整个系统相位同步的精度,本论文还对FEE调相电路的实现方法展开了研究。此外,WCDA电子学采用无硬件触发的数据获取方式,即FEE需进行全数据读出,然后使用软件对数据进行触发判选,这样可以增加数据分析的灵活性,但相应地对FEE数据传输的速度和可靠性提出了挑战。为此,WCDA读出电子学要求进行TCP/IP协议的高速数据封装。根据整个LHAASO数据及时钟的总体考虑,要求统一使用WR交换机作为时钟及数据的汇总节点,为此,本论文研究中还需要将自定义的时钟相位同步电路、TCP/IP封装逻辑和WR标准相兼容,这也是本论文中的一个重要工作。论文的结构如下:第一章主要介绍了宇宙线研究的历史,现状以及宇宙线探测方法;然后介绍了 LHAASO实验及其科学目标,描述了 WCDA的读出电子学指标和总体架构,特别是对于时钟和数据传输的要求。第二章对一些大规模物理实验中的时钟和数据传输技术进行了调研。这些实验采用的时钟和数据传输技术,为WCDA时钟与数据传输方案提供了很好的参考。第三章主要分为两个部分,第一是高精度时钟相位同步技术的研究,第二是基于TCP/IP的高速数据传输方法的研究。为了满足WCDA读出电子学的要求,需要在大尺度空间范围以及变温环境下实现时钟相位的同步,同时还需要在前端FEE上实现基于TCP/IP的高速数据传输。最后将两者融合到一起,基于同一光纤进融合传输。第四章主要介绍了硬件电子学的实现,对硬件电路以及逻辑功能进行了详细描述。第五章对时钟同步和数据传输电子学系统进行了测试。时钟同步性能测试方面,首先进行了时钟抖动性能的测试,然后分别使用单层及多层WR交换机,在常温与变温两种环境下进行了同步性能测试。在数据传输测试方面,分别进行了单个FEE及多个FEE同时传输的数据率测试以及误码率测试。最后一章总结了本论文的现有工作以及对下一步的工作方向进行了展望。
【关键词】:宇宙线 LHAASO WCDA 时钟相位自动同步 TCP/IP 数据传输
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O572.1
【目录】:
  • 摘要5-7
  • ABSTRACT7-14
  • 第一章 引言14-27
  • 1.1 宇宙线物理介绍15-16
  • 1.2 宇宙线探测技术16-19
  • 1.3 LHAASO实验及水切伦科夫探测器阵列19-21
  • 1.3.1 LHAASO实验介绍19-20
  • 1.3.2 LHAASO水切伦科夫探测器阵列20-21
  • 1.4 LHAASO WCDA读出电子学21-23
  • 1.4.1 读出电子学的指标及要求21-22
  • 1.4.2 WCDA读出电子学的结构22-23
  • 1.5 本论文的研究内容与结构安排23-25
  • 参考文献25-27
  • 第二章 大规模物理实验中的时钟同步与数据传输技术调研27-46
  • 2.1 BESⅢ TOF实验28-30
  • 2.2 CNGS中微子实验30-33
  • 2.3 CBM实验33-36
  • 2.4 HAWC实验36-39
  • 2.5 大亚湾中微子实验39-41
  • 2.6 本章小结41-43
  • 参考文献43-46
  • 第三章 WCDA时钟同步与数据传输研究46-85
  • 3.1 WCDA高精度时钟相位同步47-69
  • 3.1.1 WCDA时钟相位同步的挑战与难点48
  • 3.1.2 基于PTP和WR技术的时钟相位同步考虑48-52
  • 3.1.3 往返延时的测量与分配52-63
  • 3.1.3.1 往返延时测量53-57
  • 3.1.3.1.1 粗时间测量54-55
  • 3.1.3.1.2 DDMTD相位测量55-57
  • 3.1.3.2 变温环境下的延时分配方案57-63
  • 3.1.3.2.1 基于延时增量的分配方案57-59
  • 3.1.3.2.2 光纤延时增量研究59-61
  • 3.1.3.2.3 电子学延时增量61-63
  • 3.1.4 相位调节63-67
  • 3.1.4.1 基于FPGA PLL的相位调节63-65
  • 3.1.4.2 基于FPGA GTP的时钟相位调节65-67
  • 3.1.5 兼容White Rabbit的时钟相位同步67-69
  • 3.2 基于TCP/IP协议的高速数据传输69-81
  • 3.2.0 TCP/IP协议介绍70-71
  • 3.2.1 基于MicroBlaze的TCP/IP数据传输71-74
  • 3.2.2 基于SiTCP的TCP/IP数据传输74-76
  • 3.2.3 基于HLS的TCP模块研究76-81
  • 3.2.3.1 HLS简介76-78
  • 3.2.3.2 TCP模块的设计方案78-81
  • 3.2.4 TCP/IP传输方案的比较和总结81
  • 3.3 时钟同步和TCP/IP数据传输的兼容实现81-82
  • 3.4 本章小结82-83
  • 参考文献83-85
  • 第四章 时钟同步与数据传输电子学的硬件实现85-106
  • 4.1 时钟与数据接口电路设计86-92
  • 4.1.1 FPGA的选型与光纤数据传输87-88
  • 4.1.2 DDR3缓存电路88-89
  • 4.1.3 调试电路89-91
  • 4.1.4 PLL时钟扇出电路91
  • 4.1.5 电源电路91-92
  • 4.2 时钟与数据接口逻辑设计92-102
  • 4.2.1 兼容WRPC的时钟同步逻辑93-97
  • 4.2.1.1 相位调节模块93-95
  • 4.2.1.1.1 基于FPGA PLL相位调节模块93-94
  • 4.2.1.1.2 基于GTP的时钟相位调节模块94-95
  • 4.2.1.2 WRPC模块95-97
  • 4.2.2 SiTCP数据传输逻辑97-98
  • 4.2.3 接口桥逻辑98-99
  • 4.2.4 远程逻辑更新99-100
  • 4.2.5 GTP数据与时钟的收发100-102
  • 4.3 基于HLS设计的TCP模块设计102-104
  • 4.4 本章小结104
  • 参考文献104-106
  • 第五章 时钟同步与数据传输电子学系统测试106-123
  • 5.1 测试目的107-108
  • 5.2 基本测试方法108-110
  • 5.2.1 系统测试的主要方法108
  • 5.2.2 测试平台搭建108-110
  • 5.3 时钟性能测试110-118
  • 5.3.1 时钟抖动性能测试110-111
  • 5.3.2 单层WR交换机下的时钟同步性能测试111-114
  • 5.3.2.1 常温下的时钟相位同步性能测试111-113
  • 5.3.2.2 变温下的时钟相位同步性能测试113-114
  • 5.3.3 多层WR交换机下的时钟相位同步测试114-116
  • 5.3.3.1 常温下时钟相位同步性能测试114
  • 5.3.3.2 变温环境下时钟相位同步性能测试114-116
  • 5.3.4 基于GTP时钟相位同步性能测试116-118
  • 5.3.4.1 常温下的时钟相位同步性能测试116-117
  • 5.3.4.2 变温环境下的时钟相位同步性能测试117-118
  • 5.4 TCP/IP数据传输测试118-120
  • 5.4.1 单个FEE的TCP/IP传输测试118-119
  • 5.4.2 多块FEE的TCP/IP传输测试119-120
  • 5.4.3 TCP/IP数据传输的误码率测试120
  • 5.5 基于HLS设计的TCP模块测试120-121
  • 5.5.1 单块FEE数据传输率测试120-121
  • 5.5.2 误码率测试121
  • 5.6 本章小结121-122
  • 参考文献122-123
  • 第六章 总结与展望123-126
  • 6.1 论文总结124-125
  • 6.2 工作展望125-126
  • 附录 LHAASO WCDA时钟与数据接口电路模块照片126-127
  • 攻读学位期间发表的学术论文127-128
  • 致谢128

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