高密度塑料闪烁体探测器的数据获取系统设计

杨海波，孔 洁，赵红赟，丁朋程,3，周 勇，杨振雷，苏 弘,*

(1.中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院大学，北京 100049；3.西北师范大学 物理与电子工程学院，甘肃 兰州 730070)

高密度塑料闪烁体探测器的数据获取系统设计

杨海波1,2，孔 洁1，赵红赟1，丁朋程1,3，周 勇1,2，杨振雷1,2，苏 弘1,*

(1.中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院大学，北京 100049；3.西北师范大学 物理与电子工程学院，甘肃 兰州 730070)

由中国科学院近代物理研究所承担的塑料闪烁体探测器研究项目，其目标是开展空间粒子探测、重构入射电子轨迹、区分电子和光子、鉴别重离子。为配合该探测器测试工作，设计了一套完备的数据获取电路(DAQ)与上位机软件。DAQ接收4块前端电子学(FEE)板的数据，可完成360路电子学通道的数据读出；接收上位机的控制命令并分发给各FEE；接收探测器的击中信息并产生触发信号；接收FEE的遥测数据并传给上位机。该DAQ与上位机通过USB总线和RS232总线实现实时通信。上位机软件基于LabWindows/CVI软件平台开发，实现对FEE电子学系统的控制、数据读取与保存，以及FEE系统运行状态参数信息的实时显示。该数据获取系统电路结构紧凑、功能完善，上位机软件具有良好的人机交互界面。经现场实际运行，DAQ与上位机软件满足设计要求，目前已成功应用于塑料闪烁体探测器读出电子学测试系统。

塑料闪烁体探测器；DAQ；FPGA；USB；LabWindows/CVI

有机塑料闪烁体由于具有强的抗辐照特性、萤光的波长范围与光阴极的光谱响应能很好配合、长的光衰减长度、快的时间响应特性、易于加工且光输出高等优点[1-3]，已成为核物理实验中应用非常广泛的一种探测器。该探测器也常作为空间探测器系统中最重要的组成部分之一[4-5]，通过多层横纵交叉结构重构入射粒子的轨迹，并结合其他探测器阵列构成反符合系统，实现电子和γ光子的鉴别，同时，通过粒子在探测器单元中的能损信息实现轻、重带电粒子的鉴别，所以塑料闪烁体探测器的研制具有重要意义。

中国科学院近代物理研究所承担研制的DAMPE卫星塑料闪烁体探测器，采用双层塑料闪烁体结构，整个塑料闪烁体系统共90个单元，由于每单元均采取了双端读出方式，读出器件为光电倍增管，而每个光电倍增管又有两路信号输出，整个探测器系统共需360路电子学读出通道。作为实验探测装置的重要组成部分之一，数据获取电路(DAQ)和上位机软件在运行中至关重要，相应数据获取通道数的增多，在数据获取效率和速率方面，均对数据获取电子学的设计提出更高要求。为配合该探测器研制，本文提出一套完备的数据获取电路和上位机软件的设计方案。

1 电子学系统架构

图1 塑料闪烁体探测器读出电子学系统结构Fig.1 Readout electronics system structure for plastic scintillator detector

塑料闪烁体探测器读出电子学系统结构如图1所示。整个塑料闪烁体阵列探测器电子学包括3部分：FEE(前端电子学)、DAQ和读出控制上位机软件。每块FEE负责每层单侧90路打拿级信号的电荷测量，因此共需4块FEE。每块DAQ负责汇总4块FEE的电荷测量数据(粒子信息)，即科学数据，配置4块FEE的控制命令以及接收4块FEE应答包和遥测数据(包括温度、电流以及FPGA状态参数等)，因此，每套读出电子学部分需4块FEE和1块DAQ。具体设计要求为：1) DAQ与FEE间科学数据传输速率为20 MB/s；2) 控制命令和遥测状态数据传输速率不小于100 kB/s；3) DAQ与上位机控制软件交互科学数据传输速率大于160 MB/s；4) 上位机软件具有良好的人机交互界面；5) 具有较好的系统稳定性，长时间工作时系统能正常运行。

2 数据获取电路

2.1 硬件设计

电路硬件框图如图2所示，电路的硬件单元主要包括差分驱动、逻辑控制FPGA、USB微控制器、串口、电源时钟电路以及调试扩展接口等单元。整个电路只需5 V电源供电，功耗1.1 W。

图2 DAQ硬件框图Fig.2 Diagram of DAQ hardware

FEE板上的科学数据通过LVDS硬件接口向DAQ发送，门控时钟和数据通过LVDS差分总线进行传输，传输时钟频率为20 MHz(时钟信号占空比为50%±5%)，发送端时钟下降沿和数据的偏移小于时钟周期的±10%。触发信号使用单工方式通过RS422硬件接口向FEE发送，而指令和获取工作状态的遥测数据使用主从式半双工方式，调制速率为115 200 B/s，误差小于2%。由于科学数据量较大，采用LVDS传输可实现高速传输，并有低噪声、低功耗以及低电压等优点。RS422接口在空间粒子探测中应用更成熟，抗干扰能力强，可靠性更高，对指令和遥测的传输速率要求完全可满足。DAQ与上位机软件通过USB和RS232通信，通过USB总线上传科学数据并下发DAQ自身的控制命令，通过RS232总线发送FEE的控制命令，并回读FEE的遥测状态数据。USB采用480 MB/s的高速传输，完全可满足DAQ对科学数据传输可靠性和数据传输速率的要求，RS232接口调制速率设置为115 200 B/s进行数据传输，优点是可实现对FEE的实时监测和指令配置而不干扰科学数据的传输。USB接口芯片采用Cypress公司的CY7C68013[6]微控制器，集成了串行接口引擎和USB 2.0收发器，微控制器的固件基于Keil C51编译环境进行设计。RS232收发器采用的芯片为MAX3232[7]，该芯片配备专有的低漏失电压发射器输出状态，在最差工作条件下能保证120 kB/s的数据速率，完全满足设计需求。根据应用中需要的RAM容量、I/O数、逻辑单元数等资源的计算，FPGA选用Altera公司CycloneⅡ系列的EP2C20F484C8N[8]，该芯片包含约239 kB的专用RAM资源和约18 kB逻辑单元，FIFO资源丰富。根据设计方案，DAQ所有逻辑均在同一片FPGA中设计并实现。

2.2 基于硬件描述性语言的设计

FPGA逻辑的设计是系统设计的核心，它是贯通上层应用程序和执行部件之间的桥梁，也是电路监测系统的主要决策及处理单元。FPGA逻辑主要实现的功能包括科学数据处理模块、USB通信模块、UART通信模块、触发控制模块、系统时钟和复位模块等5大模块。FPGA主要完成以下功能：与FEE之间的通信；对FEE的科学数据和遥测数据进行事例组装；控制USB接口芯片上传数据到PC机中；控制RS232总线接口芯片下发命令；进行解析并分发FEE命令以及上传FEE的遥测状态。整个FPGA逻辑设计采用模块化设计，每个模块负责各自功能，当某模块升级时，不会影响其他模块的功能。

1) 科学数据处理模块

图3 科学数据处理流程Fig.3 Flow of scientific data processing

科学数据处理流程如图3所示。FEE的串行数据流发送到DAQ后，首先进行数据流的解码，然后将接收到的串行科学数据通过串并转换器转换成16位宽的并行数据，将其缓存到LVDS_FIFO中，再将4个LVDS_FIFO中的数据汇总到1个USB_FIFO中，最后通过USB总线将USB_FIFO中的总数据上传到PC机中。由于DAQ每发出1个触发信号便接收1次数据，所以4个LVDS_FIFO的数据，采用令牌环的方式读出。上电检测到触发信号后，各LVDS_FIFO接收到Token，若LVDS_FIFO中有数据，将其读出并写入USB_FIFO中；如为空，直接将令牌传递给下一LVDS_FIFO。采用令牌读出控制方式的优点是系统配置灵活。

2) USB通信模块

USB通信模块实现科学数据上传控制时序和解析DAQ控制指令。该模块一方面用于将打包完成的科学数据写入CY7C68013芯片的FIFO中，与USB_FIFO配合实现科学数据的上传。每次读取512字节数据，若上位机软件停止数据采集，则强制将剩余数据全部上传；另一方面，接收PC机下行的DAQ控制指令，进行命令解析并完成相应的响应处理。图4为DAQ板上的CY7C68013微控制器与FPGA间的互联方式。

图4 FPGA与CY7C68013的互联Fig.4 Interconnection between FPGA and CY7C68013

3) UART通信模块

DAQ和上位机之间通过串口实现对各FEE的控制配置与实时监测。控制命令通过轮流循环依次向FEE发送，FEE收到并解析控制命令后返回相应的应答包，包含温度、电流和FPGA状态参数。UART模块具体实现框图如图5所示。接收器模块如图5a所示，首先对异步输入信号通过同步器对数据信号进行同步处理，使得输入信号同步化并减少系统的亚稳态。同步后的数据经数字滤波器，将滤波后的数据信号再分别发送到串并转换器和起始信号检测器中，若收到起始信号标志，则启动状态机实现串并转换，开始数据传输。发送器模块如图5b所示，首先将输入的并行数据送入数据锁存器中锁存，由波特率发生器产生时钟信号控制状态机实现并行数据的并串转换。接收器模块波特率和发送器模块波特率一致才能保证其数据传输的正确性。

a——接收器模块；b——发送器模块

4) 触发控制模块

触发控制模块可工作在外触发和自触发两种工作模式下。当探测器正常工作时，由触发探测器提供外部触发信号，将其同步后直接送给相应的FEE；当电子学自检或刻度时，由FPGA产生频率为50 Hz的固定个数的脉冲信号作为触发发给相应的FEE。触发控制模块接收上位机的控制命令，包括触发产生使能、同步开始和同步结束。该模块还具备产生触发检查信号的能力，每隔212个事例时输出触发检测信号，用于多个FEE共同工作时数据包的同步和检查。

5) 系统时钟和复位模块

该模块产生全局时钟信号和全局复位信号。负责将外部输入时钟引入全局时钟网络中，利用PLL实现时钟的倍频。为避免复位信号产生亚稳态的危害，设计采用异步复位、同步释放。同时调用ALTCLKCTRL模块将USB时钟信号引入到全局时钟网络，提高USB控制模块的时序性能。

3 上位机软件

塑料闪烁体阵列探测器上位机软件在LabWindows/CVI平台上开发[9]，根据实际需要，最终采用模块化的设计思想。软件主要包括FEE和DAQ命令模块、状态监测模块、数据采集模块以及实时显示模块，基本组成框图如图6所示。

图6 软件基本层次结构Fig.6 Basic hierarchical structure of software

对于不同的测试任务，命令模块按照操作者对上位机软件相应控件的操作向FEE或DAQ发送控制命令，完成命令的配置。状态监测模块实时读取遥测数据信息，对FEE指令做出相应的应答动作，对DAQ和软件本身的运行状态和工作条件进行监测。数据采集模块负责接收并保存上传的科学数据和遥测数据，并将遥测数据发送到实时显示模块进行分析和显示。实时显示模块显示遥测数据信息、软件操作状态以及硬件应答等状态。

上位机软件读取科学数据主要有正常数据采集模式、刻度数据模式、信号源扫描模式3种工作模式。LabWindows/CVI开发USB通信通过NI-VISA[10]实现，与DAQ相关的控制与数据传输函数均采用VISA库函数进行处理。遥测数据利用RS232串行数据传输协议传输至上位机软件，利用LabWindows/CVI自带RS232函数库实现对FEE控制命令、遥测数据的实时通信。为实现读取并保存数据、显示FEE工作状态、显示软件工作状态等多个任务，借助于多处理器的能力，上位机软件采用多线程设计。

4 系统应用

基于上述的设计方案，进行实际电路的设计与实现并应用于工程中。

4.1 系统电子学线性

利用DAQ产生触发信号和刻度命令依次对所有电子学通道进行刻度，刻度触发的频率为50 Hz，每个幅度点重复512次。对测量数据进行分析可得到刻度线性曲线，并进行一次线性拟合。同时，对该数据进行分析，也可得到电子学系统的RMS噪声。图7为某一通道的线性图，非线性为0.3%，RMS噪声为2.5 fC。

图7 电子学系统线性图Fig.7 Electronics system linear graph

4.2 宇宙射线测试

通过两重符合产生触发信号供给DAQ，用来记录宇宙线。图8为测到的某通道的宇宙线能谱，从图中可看到一清晰的朗道分布，峰位在2 083 ADC道值。

图8 宇宙射线实测波形Fig.8 Measured spectrum of cosmic rays

4.3 兰州重离子加速器束流试验

为检验探测器对重离子的鉴别能力及系统的可靠性，在兰州重离子加速器试验终端用O的次级束对探测器进行了束流照射试验，试验结果如图9所示，对应位置出现了能谱尖峰，从He到O清晰可见。

图9 束流测试结果Fig.9 Result of beam test

5 结论

本文为塑料闪烁体探测器设计了一套电路结构紧凑、功能完善的数据获取电路和上位机软件。数据获取模块构架以FPGA为核心器件，每块DAQ负责汇总4块FEE的电荷测量数据，提供强大的数据处理和传输能力，能对系统实时进行监测和控制。通过USB总线和RS232总线接口的传输模式能高效地与上位机进行大批量数据交互。上位机软件基于LabWindows/CVI开发环境，开发出能独立运行于测试PC机上的程序。在软件设计过程中，采用了多线程的编程技术，使软件能高效运行。系统已在现场实际运行半年多，多次应用在各环境试验中，均未发生故障，在稳定性、可靠性及安全性方面取得了满意的效果，证实其工作原理正确可靠。且该系统也具有通用性，可方便地应用于其他探测器前端电子学的读出系统中。

[1] 吴冲，赵力，衡月昆，等. 塑料闪烁体的辐照特性[J]. 高能物理与核物理，2006，30(9)：872-875.

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[9] 王建新，杨世凤. LabWindows/CVI测试技术及工程应用[M]. 北京:化学工业出版社，2006.

[10]Texas Instruments Incorporated. NI-VISATMuser manual[R/OL]. [2014-07-09]. http:∥www.ni.com/pdf/manuals.

Design on Data Acquisition System for High Density Plastic Scintillator Detector

YANG Hai-bo1,2, KONG Jie1, ZHAO Hong-yun1, DING Peng-cheng1,3,ZHOU Yong1,2, YANG Zhen-lei1,2, SU Hong1,*

(1.InstituteofModernPhysics,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;3.CollegeofPhysicsandElectronicEngineering,NorthwestNormalUniversity,Lanzhou730070,China)

The project developing a plastic scintillator detector, undertaken by the Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, is targeted for detection of space particles, reconstructing tracks of incident electron, distinguishing electrons and photons, and identifying heavy ions. In order to construct a test system for the detector, a complete set of data acquisition circuit (DAQ) and upper computer software for test control and date acquisition was designed. The DAQ can receive the data from four front-end electronics (FEE) boards, and complete the data readout of 360 electronics channels on the FEE boards. The DAQ also received the control commands from the upper computer and distributed them to FEEs, received the hit information from the detector and generated trigger signals, and collected the telemetric data of FEEs and sent them to the upper computer for processing after packing. The real-time communication between DAQ and upper computer was achieved via USB bus and RS232 bus. The software of upper computer was developed based on the LabWindows/CVI framework, which can implement the control of FEEs, read and storage of the data from FEEs, and the display of the operation state parameters and other information of FEEs on real time. The system was developed with a compact circuit structure and multiple functions, and the upper computer software has a good human-computer interaction interface. After operation and test practically, the performances of DAQ and upper computer software meet the design requirements, and the system has been applied successfully in the plastic scintillator detector and read-out electronics currently.

plastic scintillator detector; DAQ; FPGA; USB; LabWindows/CVI

2014-07-10;

2014-09-25

国家自然科学基金资助项目(11305233)；中国科学院战略性先导科技专项资助项目(XDA04040202-3)

杨海波(1987—)，男，黑龙江哈尔滨人，博士研究生，核技术及应用专业

*通信作者：苏 弘，E-mail: suhong@impcas.ac.cn

TL82

A

1000-6931(2015)10-1882-06

10.7538/yzk.2015.49.10.1882