樊瑞睿 梁曉華 孟祥承

（中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 北京 100049）

VME總線(VERSAmodule Eurocard bus)是基于Eurocard接口的總線系統(tǒng)，起源于1981年。最初設(shè)計(jì)傳輸速度為 40 MB/s，VME64(1994)與 VME64x(1997)的最高傳輸速率已達(dá)160 MB/s[1]，遠(yuǎn)高于早先高能物理及核物理實(shí)驗(yàn)中使用的 CAMAC(Computer Automated Measurement And Control)總線系統(tǒng)(1 MB/s)以及FastBus總線系統(tǒng)，故VME總線成為高能物理及核物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的主要應(yīng)用總線系統(tǒng)。

北京譜儀BESIII升級(jí)改造中[2]，大量使用基于9U VME機(jī)箱的ADC及TDC插件進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，第一級(jí)事例在VME機(jī)箱層面進(jìn)行集中，當(dāng)觸發(fā)系統(tǒng)給出信號(hào)判斷，機(jī)箱中的PowerPC就將數(shù)據(jù)并行讀出。在線軟件主要基于Linux操作系統(tǒng)通過(guò)C++、C、JAVA等語(yǔ)言編寫，可實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和在線監(jiān)測(cè)等功能。類似的大規(guī)模獲取系統(tǒng)設(shè)計(jì)也應(yīng)用在斯坦福直線加速器 BABAR實(shí)驗(yàn)[3]、歐洲核子中心ATLAS(A Toroidal LHC Apparatus)[4]等大型實(shí)驗(yàn)中。

VME系統(tǒng)不僅用于高能物理實(shí)驗(yàn)和核試驗(yàn)中，在工業(yè)控制、核醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用也日趨廣泛。這類大型獲取系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能復(fù)雜，維護(hù)成本較高。普通實(shí)驗(yàn)室的探測(cè)系統(tǒng)往往比較簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)量低，并大量使用不同公司的插件產(chǎn)品。隨著 VME系統(tǒng)的普及，功能簡(jiǎn)單、易于使用及擴(kuò)展移植的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)成為迫切需要解決的問(wèn)題。

本文介紹一個(gè)適合于探測(cè)器實(shí)驗(yàn)室使用的基于VME的獲取系統(tǒng)程序，并給出用這套系統(tǒng)得到的碲鋅鎘(CZT)探測(cè)器的測(cè)試結(jié)果。

1 系統(tǒng)硬件及軟件

VME總線獲取系統(tǒng)包括硬件與軟件。硬件功能為模數(shù)轉(zhuǎn)換、VME-PCI轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。軟件最基本的功能為在線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

硬件方面?zhèn)鹘y(tǒng)連接方式為：ADC通過(guò)機(jī)箱控制機(jī)與計(jì)算機(jī)PCI插件通信，完成VME-PCI轉(zhuǎn)換。此連接方式適合多機(jī)箱數(shù)據(jù)的匯總和傳遞，但普通實(shí)驗(yàn)室的單VME機(jī)箱系統(tǒng)至少需兩個(gè)單元插件來(lái)完成 VME-PCI轉(zhuǎn)換，且需單獨(dú)的臺(tái)式計(jì)算機(jī)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和在線監(jiān)測(cè)載體，這在很大程度上使硬件復(fù)雜化。本文將其簡(jiǎn)化為 ADC插件、數(shù)據(jù)獲取單板計(jì)算機(jī)以及支持系統(tǒng)，VME機(jī)箱為德國(guó) Wiener公司的 VME64，ADC為意大利 CAEN公司的V785N，單板計(jì)算機(jī)為英國(guó)Concurrent Technologies公司的基于VME機(jī)箱的VX407。該單板計(jì)算機(jī)集成了機(jī)箱控制器、PCI插件和計(jì)算機(jī)功能，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。

基于ROOT平臺(tái)中通用庫(kù)文件及Universe II芯片驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取軟件編譯，通過(guò)單板計(jì)算機(jī)與 ADC插件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，并將數(shù)據(jù)解碼、存儲(chǔ)，同時(shí)通過(guò)一維直方圖(Histogram)顯示各通道數(shù)據(jù)作為在線監(jiān)測(cè)。程序設(shè)計(jì)使用定時(shí)或定計(jì)數(shù)獲取功能，可滿足用戶的一般需要。

1.1 硬件配置

V785N型ADC為16通道、12位，支持A24/A32選址模式，也支持 D16、D32、BLT32、MBLT64模式，及鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)塊讀出(CBLT32/CBLT64)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在特定子地址存儲(chǔ)器中，通過(guò)BLT模式將數(shù)據(jù)讀出。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為可存儲(chǔ) 32個(gè)事件的 FIFO寄存器，一個(gè)事件數(shù)據(jù)為64位(8字節(jié))至576位(72字節(jié))。數(shù)據(jù)以32位為一單元(Block)，分為頭、尾和若干數(shù)據(jù)部分。頭單元包含插件地址、頭單元標(biāo)志位、機(jī)箱編號(hào)及響應(yīng)通道數(shù)；尾單元包含插件地址、尾單元標(biāo)志位和總計(jì)數(shù)；數(shù)據(jù)單元為通道信息及ADC數(shù)值。插件存儲(chǔ)器包含讀取指針和寫入指針，每執(zhí)行讀取或?qū)懭胍淮沃羔?1并循環(huán)。當(dāng)寫入指針改變至讀取指針+1時(shí)，表示寄存器已經(jīng)寫滿，此時(shí)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)了32組事件；當(dāng)讀取指針改變至寫入指針+1時(shí)，表示寄存器已經(jīng)清空。通過(guò)控制程序查詢讀取指針變化，可得到是否有新事件產(chǎn)生，從而進(jìn)行確定繼續(xù)等待或傳送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過(guò)VME總線傳輸至VX407單板計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，同時(shí)單板計(jì)算機(jī)還控制查詢插件狀態(tài)及最終的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。VX407單板計(jì)算機(jī)為單寬6U插件，可使用通用于普通計(jì)算機(jī)的 Windows及 Linux操作系統(tǒng)，并支持通過(guò)Tundra? Universe IIDTM系列芯片與VME插件通信，同時(shí)通過(guò)傳統(tǒng)PCI總線接受Universe芯片數(shù)據(jù)傳輸。

Universe系列芯片是最常見(jiàn)的 VME-PCI總線轉(zhuǎn)換芯片，可實(shí)現(xiàn)VME插件的大部分功能，將VME總線信號(hào)轉(zhuǎn)換為PCI總線信號(hào)，其主要功能如圖1所示[5]。其內(nèi)部分為5個(gè)主要通道，分別實(shí)現(xiàn)VME從屬插件功能(VMEbus Slave)、數(shù)據(jù)的直接讀寫功能(DMA)、寄存器讀寫功能(Register)、中斷響應(yīng)功能(Interrupt)及 VME總線轉(zhuǎn) PCI總線功能(PCI Target)。

圖1 Universe II芯片功能示意圖Fig.1 The schematic of Universe II.

獲取程序主要使用芯片中 PCI Target Channel功能，通過(guò)提供的驅(qū)動(dòng)程序讀取V785N存儲(chǔ)器內(nèi)數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為PCI總線信號(hào)傳送至CPU進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。Universe芯片具有較高的傳輸速率，在持續(xù)傳輸?shù)那闆r下可達(dá)到60–70 MB/s。

1.2 軟件配置

ROOT[6]數(shù)據(jù)分析平臺(tái)是 CERN開(kāi)發(fā)的基于C++語(yǔ)言的開(kāi)源數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，系從PAW數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)改進(jìn)而來(lái)。其最大改進(jìn)之處在于將整個(gè)數(shù)據(jù)分析程序基于面向?qū)ο笳Z(yǔ)言(C++)進(jìn)行改造，從而大大拓展了ROOT 的應(yīng)用領(lǐng)域，豐富了ROOT 平臺(tái)的內(nèi)容。本文程序主要使用ROOT的Histogram和Tree的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，以及GUI界面功能。其中ROOT的GUI庫(kù)采用Win95風(fēng)格界面，支持X11及Win32系統(tǒng)。界面所使用的模塊都基于 TVirtualX基類。根據(jù)不同操作系統(tǒng)，TVirtualX類可以支持TGWin32、TGQt、TGX11等類別的圖形界面，從而使程序?qū)崿F(xiàn)在Windows和Linux中的兼容?；贑++語(yǔ)言利用面向?qū)ο笳Z(yǔ)言的特點(diǎn)，將整個(gè)程序分為若干不同類，按功能可分為：DAQ、VIEWER、GUI。

DAQ與硬件緊密結(jié)合，調(diào)用硬件驅(qū)動(dòng)程序?qū)Σ寮?shí)現(xiàn)讀寫功能，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸與存儲(chǔ)。DAQ較VIEWER、GUI靈活，可根據(jù)不同的硬件配置進(jìn)行改編；VIEWER為顯示界面，讀取內(nèi)存中監(jiān)視直方圖數(shù)據(jù)，并使用ROOT標(biāo)準(zhǔn)畫板顯示。同時(shí)可在畫板中進(jìn)行擬合、截圖等簡(jiǎn)單操作；GUI管理程序的用戶操作，負(fù)責(zé)調(diào)用DAQ及VIEWER，同時(shí)負(fù)責(zé)將用戶參數(shù)(如文件名、插件地址等)發(fā)給 DAQ 程序，定制DAQ過(guò)程，在獲取完畢后結(jié)束DAQ過(guò)程，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

GUI利用C++語(yǔ)言對(duì)不同操作系統(tǒng)的兼容性及ROOT平臺(tái)支持不同系統(tǒng)，我們?cè)跍y(cè)試中用Visual C++及GNU gcc進(jìn)行編譯，得到的數(shù)據(jù)獲取程序均穩(wěn)定可靠，確保了程序的可移植性。生成的數(shù)據(jù)格式為 ROOT標(biāo)準(zhǔn)格式，也可在不同系統(tǒng)中使用ROOT平臺(tái)進(jìn)行分析。圖2為在WIN 7操作系統(tǒng)下的獲取程序GUI界面。左邊為主界面，包括兩個(gè)卡片式窗口：Control(控制)和Option(選項(xiàng))?？刂拼翱谪?fù)責(zé) DAQ獲取模式選擇、插件地址輸入和監(jiān)視通道選擇，并給出反饋內(nèi)容；選項(xiàng)窗口負(fù)責(zé)選擇獲取的模式和保存文件名。其中獲取模式可為定時(shí)獲取、定計(jì)數(shù)獲取或無(wú)限制獲取。右邊的主窗口給出監(jiān)視通道的譜，可實(shí)時(shí)獲得獲取數(shù)據(jù)的信息。

圖2 獲取程序界面Fig.2 GUI of the DAQ software.

數(shù)據(jù)獲取程序流程見(jiàn)圖3。用戶輸入?yún)?shù)并進(jìn)行獲取模式的選擇，之后進(jìn)入硬件及軟件初始化。通過(guò)用戶給定的地址詢問(wèn)寄存器狀態(tài)信息，如有新數(shù)據(jù)產(chǎn)生則讀出并將寄存器指針+1，以便進(jìn)行新數(shù)據(jù)的寫入。若未收到用戶的停止信息，則繼續(xù)詢問(wèn)寄存器；若收到用戶的停止信息，則推出詢問(wèn)并將已獲得數(shù)據(jù)存盤。

硬件控制驅(qū)動(dòng)程序提供三種通信模式：PCI鏡像、VME鏡像、直接內(nèi)存讀寫(DMA)。VME通信中使用了A32選址及D32數(shù)據(jù)通信模式。以一次傳輸?shù)湫蜁r(shí)間約為1 μs計(jì)算，獲取程序典型的傳輸速度可以達(dá)到4 MB/s。在實(shí)際應(yīng)用中，該數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)成功地測(cè)試了碲鋅鎘半導(dǎo)體探測(cè)器的能譜響應(yīng)。

圖3 獲取程序流程圖Fig.3 Flow chart of the DAQ software.

2 數(shù)據(jù)獲取程序測(cè)試

CZT半導(dǎo)體化合物探測(cè)器是由碲化鎘摻雜少量碲化鋅形成，常用于輻射和光學(xué)測(cè)量等。CZT的帶寬因不同組分而為1.4–2.2 eV，高于單晶硅的1.1 eV，可在室溫下應(yīng)用，無(wú)需制冷，尤宜于野外探礦等便攜式X熒光探測(cè)等。CZT探測(cè)器的篩選和測(cè)試的主要性能指標(biāo)，是探測(cè)效率及能量分辨率。我們用241Am放射源進(jìn)行這一工作，數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)流程如圖4所示。CZT探測(cè)器信號(hào)通過(guò)ORTEC 142AH型前放，將信號(hào)進(jìn)行前期放大，一路進(jìn)入CAEN公司N842恒分甄別器進(jìn)行甄別，并通過(guò)N93B定時(shí)器給出適當(dāng)?shù)拈T信號(hào)；另一路進(jìn)入ORTEC 572A主放大器進(jìn)行整形放大，最終進(jìn)入 ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。圖5為用該CZT探測(cè)器測(cè)得的241Am的59 keV γ射線能譜圖，59 keV全能峰能量分辨為13.6%，說(shuō)明這套數(shù)據(jù)獲取程序可滿足一般實(shí)驗(yàn)室探測(cè)器實(shí)驗(yàn)的要求。

圖4 CZT探測(cè)器測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematics of DAQ system for testing a CZT detector.

3 結(jié)語(yǔ)

隨著VME系統(tǒng)的普及，小型探測(cè)器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也將使用功能與操作簡(jiǎn)單、易于移植的獲取系統(tǒng)。本文介紹的基于 ROOT平臺(tái)的獲取系統(tǒng)，可在Windows及Linux系統(tǒng)中方便移植，獨(dú)立的模塊化設(shè)計(jì)利于基于不同硬件設(shè)計(jì)的改造，可以直接作為實(shí)驗(yàn)室工作人員在探測(cè)器實(shí)驗(yàn)中使用的通用數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，在引入新的模塊后可以滿足不同實(shí)驗(yàn)的特殊需要。隨著進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化，必將在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境中得到更廣泛的應(yīng)用。

圖5 CZT探測(cè)器獲得59 keV射線能譜Fig.5 Spectrum of 241Am 59 keV γ-ray collected with the CZT de tector.

1 謝一岡, 陳昌, 王曼, 等著. 粒子探測(cè)器與數(shù)據(jù)獲取[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2003: 407 XIE Yigang, CHEN Chang, Wang Man,et al. Particle detector and data acquisition[M]. Beijing: Science Press,2003: 407

2 LI Fei, ZHU Kejun, CHEN Liping,et al. Online Data Processingand Analyzing in BESIII DAQ[C]. Real Time Conference, 2009, RT’09. 16thIEEE-NPSS: 458–460

3 Aubert B, Bazan A, Boucham A,et al. The BABAR Detector[J]. Nucl Instrum Meth A, 2002, 479: 1–116

4 ATLAS Collaboration. ATLAS high-level trigger, Data Acquisition and Controls Technical Design Report, 2003

5 “Universe II VME-to-PCI Bus Bridge Manual”, June 2009

6 http://root.cern.ch [OL]