Электроника сбора и накопления данных с нейтронных

Электроника сбора и накопления данных с
нейтронных спектрометров ИБР-2
 
Лаборатория нейтронной физики им. И.М.Франка,
Объединенный институт ядерных исследований
Архитектура VME-систем сбора
данных
DSP TMS320C40
 две независимо работающих шины для подключения внешней памяти;
 6 коммуникационных портов с байтовой организацией передачи данных,
скоростью передачи до 20 Мбайт/сек и DMA-каналом;
 два внутренних буфера памяти с двойным доступом;
 большое адресное пространство (31-разряд);
 операции арифметики с плавающей запятой и другие операции,
выполняющиеся за один цикл (40 нс).
Процессорный модуль
VME-системы сбора данных были установлены на всех
спектрометрах ИБР-2 и успешно работали вплоть до останова
реактора на модернизацию в 2006 г.
Основные недостатки VME-систем:
 высокая стоимость покупных модулей VME и рабочих станций SUN
(например, процессорный модуль VME крейта стоил около 5 к$, то же
самоможно сказать о жестких дисках, стандартных модулях типа
регистров ввода/вывода, интерфейсных модулях и т.п.; стоимость
рабочих станций доходила до 10 к$);
 очень недружественная операционная система реального времени OS9.
 низкая пропускная способность магистрали крейта;
Применение VME-PCI адаптеров (частичная модернизация):
Сохранялась вся DAQ-электроника; пользователи получили привычную
дружественную и богатую среду Windows, а программисты – доступ к
современным технологиям программирования (Sonix  Sonix +)
Новое поколение систем сбора данных
Сегодня системы сбора данных на всех спектрометрах
ИБР-2 состоят из 1-2 базовых электронных модулей, один
из которых – De-Li-DAQ обрабатывает и накапливает
данные с одно- и двухкоординатных ПЧД, а другой – MPD –
с
массива
точечных
детекторов
(газовые
и
сцинтилляционные счетчики). С точки зрения hardware
базовые модули идентичны; задание всех параметров,
режимов
и алгоритмов работы, специфичных для
конкретного спектрометра, реализовано на уровне
микропрограмм,
которые
выполняются
в
программируемых
логических
матрицах
(FPGA)
соответствующего модуля. Все эти данные хранятся в
общем
конфигурационном
файле
компьютера
спектрометра и записываются управляющей программой в
FPGA модуля при инициализации.
Модуль MPD (функциональная схема)
FPGA1
FPGA5
SerDes
FPGA2
64 д
48 д
16
FPGA3
Oпт. преобраз.
HM (64MB)
FPGA4
40МБ/с
оптоволокно
Основные параметры блоков МPD
 частота временной дискретизации сигналов (детекторные, pick-up,
старт реактора и др.) – программируемая (максимум 62,5 МГц);
 максимальное число детекторных элементов – 240;
 максимальная скорость регистрации блока – 8∙106 событий/сек.;
 внутренняя гистограммная память – 64 Мбайта;
 задержка начала регистрации относительно вспышки реактора;
ширина канала, и величина временного окна, в котором
регистрируются нейтроны, программируются (квант времени - 16
нсек);
 передача данных между электроникой сбора данных и портом USB
2.0 компьютера осуществляется через интерфейсный блок по
последовательной волоконно-оптической линии связи (скорость
передачи данных − 1.25 Гбит/сек., максимальная удаленность
компьютера – 100м).
Блоки MPD
De-Li-DAQ-1
Для сбора и накопления данных с одно- и двухкоординатных ПЧД
с линией задержки разработаны два типа электронных модулей
нового поколения De-Li-DAQ-1 и De-Li-DAQ-2D.
Блок DeLiDAQ-2D
 8-канальный преобразователь время-код (TDC-GPX), разрешение 80псек.
 FPGA- хранятся и выполняются микропрограммы:
- логические операции
- отбор событий
- фильтрация событий
 гистограммная память (HM), 1Гбайт:
- X-Y-TOF спектры с размерностью до 512х512х1024 32-разрядных слов
 основные режимы:
- гистограммирование
- list mode
 встроенный тестовый генератор
 скорость регистрации >=1М событий/сек
 конструктив NIM
Архитектура DeLiDAQ-2D
Блок DeLiDAQ-2D
Передача данных между РС и платой сбора
данных
• Последовательная оптоволоконная линия связи, скорость 1,25Гбит/сек
• Максимальная удаленность компьютера – до 100м
• С каждым пакетом передаётся проверочный CRC-код
• Повторная передача пакета в случае ошибки
• Скорость передачи данных через порт USB2.0 – 32Мбайт/сек
• Адаптер связи для согласования протоколов между оптоволоконной линией и USB-портом
Программируемые параметры
Все функции и параметры блока DeLiDAQ-2D являются программируемыми.
• Параметры, управляющие отбором и фильтрацией данных,
поступающих от преобразователя время – код (TDC - GPX):
- аппаратная задержки стартового сигнала детектора относительно стоповых сигналов
- размер временного окна, в котором находятся все сигналы одного события
- временные величины линии задержки Х и Y – координат
- временные величины допустимого разброса линии задержки Х и Y координат
• Параметры, управляющие работой счётчиков времени пролета нейтронов:
- задержка временного окна после старта реактора
- ширина временного канала ;
- число временных каналов
• Параметры, управляющие размерностью гистограммы:
- максимальное значащее число разрядов Х и Y координат детектора
- число разрядов полей Х и Y координат, используемое при построении гистограммы
• Параметры и команды, определяющие режимы работы:
- команда, биты данных которой определяют режим сбора данных (1D, 2D, с/без TOF)
- старт/останов экспозиции
- период следования кадров в тестовом режиме
- сброс регистров потерянных событий и т.д., и т. п.
Накопление данных
Экспериментальные данные накапливаются и сохраняются на
управляющих компьютерах спектрометров. Передача данных на
центральный сервер Лаборатории выполняется каждым пользователем
вручную по мере надобности.
В 2014 г. было организовано централизованное сетевое хранилище данных
[на базе файлового сервера на платформе Supermicro DP SSG…с
процессором 2x Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2637 0 @ 3.00GHz, оперативной
памятью — 32 Gbyte и дисковой памятью 24x 3 Tbyte. Хранилище
обеспечивает:
● автоматическую передачу экспериментальных данных с управляющего
компьютера в файловый сервер;
● постоянную доступность данных;
● резервирование данных при отказе жестких дисков;
● регламентацию прав доступа к данным средствами авторизации на
сервере.
В качестве операционной системы выбрана свободная в распространении
Freebsd 9.1
Общая емкость хранилища в настоящее время составляет около 60 Тбайт.
Локальная сеть ДНФ
Файловый сервер
Заключение
Что дальше?
 Переход на интерфейс USB 3.0
 Текущая модернизация в связи с
появлением новых ОС и новой элементной
базы
 Надежда на появление новых идей и новых
технических решений от слушателей Школы!
ДЕРЗАЙТЕ!!!
Спасибо за внимание!