PandaX-III TPC Micromegas 数据读出电子学设计进展

Presentation on theme: "PandaX-III TPC Micromegas 数据读出电子学设计进展"— Presentation transcript:

1 PandaX-III TPC Micromegas 数据读出电子学设计进展
李诚 2016/11/11 核探测与核电子学国家重点实验室 第六届全国微结构气体探测器研讨会

2 目录 PandaX-III 数据获取方案研究 PandaX-III数据获取原型板设计 逻辑框架方案设计 工作进展 总结

3 PandaX-III 数据获取方案研究 TPC读取方案 前端读出方案 后端读出方案 报告重点 MicroMegas大小：20cm×20cm
128个阳极条读出通道 1个丝网读出通道 前端读出方案 前端读出板(Front-end Card，FEC)：256个阳极条读出 Mesh读出板(Mesh Readout Card，MRC)：41个丝网读出 后端读出方案 数据获取板(Slave Trigger & Data Concentration Module)用于数据传输 时钟触发板(Master Trigger & Data Concentration Module)负责触发、时钟等全局信号发送 报告重点

4 PandaX-III 数据获取架构 后端数据率计算 信号传输方式选择 前端读出板数据率：事例率10Hz下数据率21Mbps
光纤通讯 传输速率高、抗干扰能力强、传输距离远 千兆以太网 与PC进行数据传输、通讯 实现可扩展读出 普通线缆 数据获取板与时钟触发板之间传输 同步时钟、触发、复位信号

5 S-TDCM与M-TDCM结构 S-TDCM M-TDCM 结构类似 从M-TDCM板接收触发并进行扇出 21个光纤接口，接收FEC数据
通过千兆以太网与PC相连 M-TDCM 从2个MRC板接收数据并触发判选 向S-TDCM板发送触发 通过千兆以太网与PC相连 结构类似

6 时钟以及触发分发方案 时钟分发 触发分发 传输方式 时钟触发板上使用100M晶振作为系统时钟源 数据获取板通过线缆接收来自时钟触发板的时钟
数据获取板将时钟通过光纤传到前端读出板 触发分发 Mesh读出板对Mesh信号进行处理，产生子触发信号 时钟触发板通过光纤传输过来的子触发信号，并处理产生系统触发信号 数据获取板通过线缆接收来自时钟触发板的系统触发 数据获取板将系统触发通过光纤传到前端板 传输方式 光纤使用时钟数据融合技术传输时钟 触发信号通过已定义指令格式进行传输（Chl A）， 固定延时，20ns触发分辨率

7 光纤进行板间数据传输 传输协议 单根光纤实现双向数据、命令、触发、时钟融合传输 实现三种通道同时传输 传输速率可以根据需要调整

8 PandaX-III 数据获取方案研究 PandaX-III数据获取原型板设计 逻辑框架方案设计 工作进展 总结

9 PandaX-III数据获取原型板设计 设计目标 DAQ结构
配合前期系统测试原型验证板-DAQ(data acquisition board)板 实现验证数据获取板以及时钟触发板的功能 DAQ结构

10 DAQ设计 FPGA 存储器 XC7Z045-FFG676 在没有数据压缩情况下，平均数据率比较高 瞬时数据率会比较高，需要进行数据缓存
Xilinx公司7系列FPGA，拥有丰富资源量 拥有嵌入式处理器以及丰富外设，适合实现通讯协议以及指令发送 存储器 在没有数据压缩情况下，平均数据率比较高 瞬时数据率会比较高，需要进行数据缓存 存储SCA基线、阈值、统计信息等参数

11 DAQ设计 光纤数据传输 千兆以太网接口 USB调试接口 使用FPGA内GTX模块 6个光纤收发器 千兆以太网通讯
8b/10b转换，DC balance encoding 6个光纤收发器 ModuleTek光纤收发器 125Mbps到1.25Gbps传输速率 单芯双向收发器、TX1310nm/RX1490nm 千兆以太网接口 千兆以太网通讯 利用4对差分线分发触发、时钟等信号 USB调试接口 指令发送 原始数据传输

12 PandaX-III 数据获取方案研究 PandaX-III数据获取原型板设计 逻辑框架方案设计 工作进展 总结

13 触发判选方案设计 PandaX-III信号特点 触发方案 径迹漂移速度1mm/us，径迹长度30cm 信号宽度100ns~300us
经过仿真，事例率约10Hz 触发方案 由于信号宽度可能比较宽(300us)，宽信号幅度比较低，使用传统成形电路+过阈触发需要阈值比较低，容易误触发 使用CR-RC电路测试结果 使用Sliding timing面积求和 虽然信号宽度变化比较大，总面积几乎不变

14 触发判选方案设计 触发方案 触发方案实现 使用Mesh信号触发成形电路进行触发判选 使用CR-RC电路进行成形 ADC将波形进行数字化
信号比较大，降低误触发，信号提早到来 触发方案实现 使用CR-RC电路进行成形 ADC将波形进行数字化 用FPGA逻辑实现触发方案（Sliding Time Windows+过阈+多通道求或）产生触发信号

15 逻辑框架设计 层次结构 关键逻辑设计 自顶向下设计 模块化设计 多通道融合传输 千兆以太网传输 基于SiTCP IP core进行设计
Ethernet PHY使用MGT模块实现

16 PandaX-III 数据获取方案研究 PandaX-III数据获取原型板设计 逻辑框架方案设计 工作进展 总结与讨论

17 工作进展 进展介绍 电路已经完成设计 电源工作正常 FPGA初步工作 逻辑正在进行设计 年底与交大探测器进行联合测试

18 PandaX-III 数据获取方案研究 PandaX-III数据获取原型板设计 逻辑框架方案设计 工作进展 总结

19 谢谢！ 总结 PandaX-III数据读出电子学 适用于一些微结构气体探测器数据读出场合
原型方案已经电路系统设计完成，需要进一步完成逻辑设计 需要进一步测试工作情况以及工作性能 适用于一些微结构气体探测器数据读出场合 通道数目多 事例率低 灵活数字化触发方式 谢谢！