用于普通能譜實驗室的基于VME總線的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)研制

樊瑞睿 梁曉華 孟祥承

（中國科學院高能物理研究所 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。最初設計傳輸速度為 40 MB/s，VME64(1994)與 VME64x(1997)的最高傳輸速率已達160 MB/s[1]，遠高于早先高能物理及核物理實驗中使用的 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驗數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的主要應用總線系統(tǒng)。

北京譜儀BESIII升級改造中[2]，大量使用基于9U VME機箱的ADC及TDC插件進行數(shù)據(jù)轉換，第一級事例在VME機箱層面進行集中，當觸發(fā)系統(tǒng)給出信號判斷，機箱中的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C++、C、JAVA等語言編寫，可實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)存儲和在線監(jiān)測等功能。類似的大規(guī)模獲取系統(tǒng)設計也應用在斯坦福直線加速器 BABAR實驗[3]、歐洲核子中心ATLAS(A Toroidal LHC Apparatus)[4]等大型實驗中。

VME系統(tǒng)不僅用于高能物理實驗和核試驗中，在工業(yè)控制、核醫(yī)學等領域的應用也日趨廣泛。這類大型獲取系統(tǒng)結構及功能復雜，維護成本較高。普通實驗室的探測系統(tǒng)往往比較簡單，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，功能簡單、易于使用及擴展移植的實驗室數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)成為迫切需要解決的問題。

本文介紹一個適合于探測器實驗室使用的基于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)探測器的測試結果。

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)轉換、VME-PCI轉換及數(shù)據(jù)存儲。軟件最基本的功能為在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲。

硬件方面?zhèn)鹘y(tǒng)連接方式為：ADC通過機箱控制機與計算機PCI插件通信，完成VME-PCI轉換。此連接方式適合多機箱數(shù)據(jù)的匯總和傳遞，但普通實驗室的單VME機箱系統(tǒng)至少需兩個單元插件來完成 VME-PCI轉換，且需單獨的臺式計算機作為數(shù)據(jù)存儲和在線監(jiān)測載體，這在很大程度上使硬件復雜化。本文將其簡化為 ADC插件、數(shù)據(jù)獲取單板計算機以及支持系統(tǒng)，VME機箱為德國 Wiener公司的 VME64，ADC為意大利 CAEN公司的V785N，單板計算機為英國Concurrent Technologies公司的基于VME機箱的VX407。該單板計算機集成了機箱控制器、PCI插件和計算機功能，簡化了系統(tǒng)的復雜度，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。

基于ROOT平臺中通用庫文件及Universe II芯片驅動程序進行數(shù)據(jù)獲取軟件編譯，通過單板計算機與 ADC插件進行數(shù)據(jù)傳遞，并將數(shù)據(jù)解碼、存儲，同時通過一維直方圖(Histogram)顯示各通道數(shù)據(jù)作為在線監(jiān)測。程序設計使用定時或定計數(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，及鏈式數(shù)據(jù)塊讀出(CBLT32/CBLT64)。數(shù)據(jù)存儲在特定子地址存儲器中，通過BLT模式將數(shù)據(jù)讀出。

數(shù)據(jù)存儲器為可存儲 32個事件的 FIFO寄存器，一個事件數(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、頭單元標志位、機箱編號及響應通道數(shù)；尾單元包含插件地址、尾單元標志位和總計數(shù)；數(shù)據(jù)單元為通道信息及ADC數(shù)值。插件存儲器包含讀取指針和寫入指針，每執(zhí)行讀取或寫入一次指針+1并循環(huán)。當寫入指針改變至讀取指針+1時，表示寄存器已經(jīng)寫滿，此時存儲器存儲了32組事件；當讀取指針改變至寫入指針+1時，表示寄存器已經(jīng)清空。通過控制程序查詢讀取指針變化，可得到是否有新事件產(chǎn)生，從而進行確定繼續(xù)等待或傳送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過VME總線傳輸至VX407單板計算機進行處理，同時單板計算機還控制查詢插件狀態(tài)及最終的數(shù)據(jù)存儲。VX407單板計算機為單寬6U插件，可使用通用于普通計算機的 Windows及 Linux操作系統(tǒng)，并支持通過Tundra? Universe IIDTM系列芯片與VME插件通信，同時通過傳統(tǒng)PCI總線接受Universe芯片數(shù)據(jù)傳輸。

Universe系列芯片是最常見的 VME-PCI總線轉換芯片，可實現(xiàn)VME插件的大部分功能，將VME總線信號轉換為PCI總線信號，其主要功能如圖1所示[5]。其內部分為5個主要通道，分別實現(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)、中斷響應功能(Interrupt)及 VME總線轉 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，通過提供的驅動程序讀取V785N存儲器內數(shù)據(jù)，并轉換為PCI總線信號傳送至CPU進行處理和存儲。Universe芯片具有較高的傳輸速率，在持續(xù)傳輸?shù)那闆r下可達到60–70 MB/s。

1.2 軟件配置

ROOT[6]數(shù)據(jù)分析平臺是 CERN開發(fā)的基于C++語言的開源數(shù)據(jù)分析平臺，系從PAW數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)改進而來。其最大改進之處在于將整個數(shù)據(jù)分析程序基于面向對象語言(C++)進行改造，從而大大拓展了ROOT 的應用領域，豐富了ROOT 平臺的內容。本文程序主要使用ROOT的Histogram和Tree的數(shù)據(jù)存儲方式，以及GUI界面功能。其中ROOT的GUI庫采用Win95風格界面，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，從而使程序實現(xiàn)在Windows和Linux中的兼容。基于C++語言利用面向對象語言的特點，將整個程序分為若干不同類，按功能可分為：DAQ、VIEWER、GUI。

DAQ與硬件緊密結合，調用硬件驅動程序對插件實現(xiàn)讀寫功能，負責數(shù)據(jù)的傳輸與存儲。DAQ較VIEWER、GUI靈活，可根據(jù)不同的硬件配置進行改編；VIEWER為顯示界面，讀取內存中監(jiān)視直方圖數(shù)據(jù)，并使用ROOT標準畫板顯示。同時可在畫板中進行擬合、截圖等簡單操作；GUI管理程序的用戶操作，負責調用DAQ及VIEWER，同時負責將用戶參數(shù)(如文件名、插件地址等)發(fā)給 DAQ 程序，定制DAQ過程，在獲取完畢后結束DAQ過程，并存儲數(shù)據(jù)。

GUI利用C++語言對不同操作系統(tǒng)的兼容性及ROOT平臺支持不同系統(tǒng)，我們在測試中用Visual C++及GNU gcc進行編譯，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標準格式，也可在不同系統(tǒng)中使用ROOT平臺進行分析。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，包括兩個卡片式窗口：Control(控制)和Option(選項)。控制窗口負責 DAQ獲取模式選擇、插件地址輸入和監(jiān)視通道選擇，并給出反饋內容；選項窗口負責選擇獲取的模式和保存文件名。其中獲取模式可為定時獲取、定計數(shù)獲取或無限制獲取。右邊的主窗口給出監(jiān)視通道的譜，可實時獲得獲取數(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)獲取程序流程見圖3。用戶輸入?yún)?shù)并進行獲取模式的選擇，之后進入硬件及軟件初始化。通過用戶給定的地址詢問寄存器狀態(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)詢問寄存器；若收到用戶的停止信息，則推出詢問并將已獲得數(shù)據(jù)存盤。

硬件控制驅動程序提供三種通信模式：PCI鏡像、VME鏡像、直接內存讀寫(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間約為1 μs計算，獲取程序典型的傳輸速度可以達到4 MB/s。在實際應用中，該數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)成功地測試了碲鋅鎘半導體探測器的能譜響應。

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

2 數(shù)據(jù)獲取程序測試

CZT半導體化合物探測器是由碲化鎘摻雜少量碲化鋅形成，常用于輻射和光學測量等。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，可在室溫下應用，無需制冷，尤宜于野外探礦等便攜式X熒光探測等。CZT探測器的篩選和測試的主要性能指標，是探測效率及能量分辨率。我們用241Am放射源進行這一工作，數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)流程如圖4所示。CZT探測器信號通過ORTEC 142AH型前放，將信號進行前期放大，一路進入CAEN公司N842恒分甄別器進行甄別，并通過N93B定時器給出適當?shù)拈T信號；另一路進入ORTEC 572A主放大器進行整形放大，最終進入 ADC進行模數(shù)轉換。圖5為用該CZT探測器測得的241Am的59 keV γ射線能譜圖，59 keV全能峰能量分辨為13.6%，說明這套數(shù)據(jù)獲取程序可滿足一般實驗室探測器實驗的要求。

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

3 結語

隨著VME系統(tǒng)的普及，小型探測器實驗系統(tǒng)也將使用功能與操作簡單、易于移植的獲取系統(tǒng)。本文介紹的基于 ROOT平臺的獲取系統(tǒng)，可在Windows及Linux系統(tǒng)中方便移植，獨立的模塊化設計利于基于不同硬件設計的改造，可以直接作為實驗室工作人員在探測器實驗中使用的通用數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，在引入新的模塊后可以滿足不同實驗的特殊需要。隨著進一步的改進和優(yōu)化，必將在實驗室測試環(huán)境中得到更廣泛的應用。

圖5 CZT探測器獲得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. 粒子探測器與數(shù)據(jù)獲取[M]. 北京: 科學出版社, 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]