1、核电子学方法核电子学方法第六章第六章数据采集数据采集 第六章第六章 数据采集数据采集1 计数设备计数设备2 多道分析器中数据获取系统多道分析器中数据获取系统3 高能物理实验中电子学和数据获取系统高能物理实验中电子学和数据获取系统4 数据获取系统中新技术的应用数据获取系统中新技术的应用结束1 计数设备计数设备 在数据获取中，最简单而且用得最普遍的是计数在数据获取中，最简单而且用得最普遍的是计数设备，它用来测量信号的计数率。定标器和计数率仪是设备，它用来测量信号的计数率。定标器和计数率仪是常用的计数设备。常用的计数设备。 定标器定标器 定标器是用来测量一定时间间隔内的输入脉冲数；定标器是用来测量一
2、定时间间隔内的输入脉冲数； 计数率计数率计计计数率计则是用电表直接指示出信号的计数率计数率计则是用电表直接指示出信号的计数率单位单位时间内平均脉冲数。时间内平均脉冲数。 返回计数设备计数设备-定标器定标器 定定标标器器的的原原理理框框图图 计数电路和计时电路一般由十进制计数器组成。定标器的输入部分通常设计数电路和计时电路一般由十进制计数器组成。定标器的输入部分通常设有极性开关有极性开关S1 、缓冲级、缓冲级B B和幅度甄别器和幅度甄别器D D。计数电路的容量一般为（。计数电路的容量一般为（100000010000001 1）。甄别器的输出脉冲加到计数电路之前由计数门）。甄别器的输出脉冲加到计数
3、电路之前由计数门G1控制控制, , G1 由由RSRS触发器控触发器控制。制。定标器定标器工作方式选择工作方式选择工作方式可以选择：工作方式可以选择： 手动起停，手动起停，S S5置在置在“不予定不予定”方式，方式，也不加外控信号，由手动按钮也不加外控信号，由手动按钮S S6 6和和S S7 7控制计数的开始与停止。控制计数的开始与停止。 外控起停，外控起停， S S5置在置在“不予定不予定”方式，方式，由外加控制信号控制计数开始和停止。由外加控制信号控制计数开始和停止。 定时计数，定时计数， S S5置在置在“定时定时”方式。按方式。按下下S S6 6使计数开始，同时打开时钟门使计数开始，同
4、时打开时钟门G G2 2由石英时钟振荡器的脉冲进入计时电由石英时钟振荡器的脉冲进入计时电路进行计时。计时电路的各位译码输路进行计时。计时电路的各位译码输出端由出端由“予定时间予定时间” ” S S4开关选择，到开关选择，到达予定时间时，达予定时间时， S S4输出低电平通过门输出低电平通过门G G3 3使使RSRS触发器复位，停止计数。触发器复位，停止计数。 定数计时，定数计时， S S5置在置在“定计数定计数”方式，方式，按下按下S S6 6使计数开始，同时使计时开始。使计数开始，同时使计时开始。但是记数的停止由但是记数的停止由“予定计数予定计数”开关开关S S3选择决定。在此方式中，显示器
5、显选择决定。在此方式中，显示器显示的是时间。示的是时间。 返回计数设备计数设备-计数率计计数率计 基本原理基本原理 为了测量信号的计数率且不受信号幅度和宽度的影响，需先将为了测量信号的计数率且不受信号幅度和宽度的影响，需先将信号成形为形状与幅度均为一定的电流脉冲信号成形为形状与幅度均为一定的电流脉冲ii(t)，脉冲的电荷量，脉冲的电荷量为为Q，在计数率为，在计数率为n时，流过电流表的电流时，流过电流表的电流I2的平均值为的平均值为nQ，电，电阻上降压阻上降压V2平均值为平均值为nQR，正比于计数率，正比于计数率n。 电容电容C为了减小信号在时间上的统计涨落，为了减小涨落，这为了减小信号在时间上
6、的统计涨落，为了减小涨落，这个电容越大越好；但是在计数率发生变化时，个电容越大越好；但是在计数率发生变化时， V2要达到稳定，要达到稳定，需要一定建立时间，建立时间应为需要一定建立时间，建立时间应为 5RC，C值越大，建立时间值越大，建立时间就很长，就很长， C值应该取得适量值应该取得适量 。计数率计基本电路计数率计基本电路各种实际计数率计在电路上差别主要在于电流脉冲的成形电路。各种实际计数率计在电路上差别主要在于电流脉冲的成形电路。用二极管泵电路产生电流脉冲的计数率计原理用二极管泵电路产生电流脉冲的计数率计原理 ： 输入信号先被成形为幅度为输入信号先被成形为幅度为V1宽度为宽度为Tw（ 5R
7、1C1）的电压脉冲，的电压脉冲，R1为信号源内阻和为信号源内阻和D1的正向电阻之和在信号负向跳变到的正向电阻之和在信号负向跳变到V1时，经时，经D1对对C1充电，充电，C1上电压可达到上电压可达到V1（因为（因为Tw 5R1C1）C1上得到电荷为上得到电荷为C1V1；输入信号过去后，输入信号过去后， C1经经D2 、C2放电。选择放电。选择C2 C1，放电时间常数也为，放电时间常数也为R1C1。为保证放电到稳态，应使（。为保证放电到稳态，应使（TTw ） 5R1C1其中其中T为输入脉冲时间间隔。在为输入脉冲时间间隔。在C2上由于上由于C1放电获得电压为放电获得电压为V2，此时，此时C1放放电完
8、成时也应有电压电完成时也应有电压V2 。故在放电过程中输给的电荷量为。故在放电过程中输给的电荷量为Q=C1(V1-V2)， V2nQR若满足若满足nRC11时，时，11121VnRCnRCV112VnRCV 112VnCI 计数率计实际电路计数率计实际电路电容电容c通过二极管充电、通过通过二极管充电、通过T三极管三极管放电。放电。T的集电极输出电阻很大，近似的集电极输出电阻很大，近似为恒流源，输出电流不受为恒流源，输出电流不受V2大小影响。因此每个电流脉冲对电容器输送电荷大小影响。因此每个电流脉冲对电容器输送电荷量应与量应与V2无关。这种电路无关。这种电路V2与与n间有较好的线性关系。间有较好
9、的线性关系。 S1是计数率量程开关，是计数率量程开关，S2与它同步调节，更换电位器，用来核准各量程的与它同步调节，更换电位器，用来核准各量程的满刻度；满刻度；S3是还原开关是还原开关 ；S4用来选择读数建立时间；附加电阻用来选择读数建立时间；附加电阻 R1为了减为了减小负载；小负载；R0用来改善充电特性的，因为二极管在小信号时，正向电阻很大，用来改善充电特性的，因为二极管在小信号时，正向电阻很大，C1被充电到接近于稳态时被充电到接近于稳态时, 由于二极管内阻增大而使充电速度变慢，由于二极管内阻增大而使充电速度变慢， R0可可加速充电速度加速充电速度 。返回2 多道分析器中数据获取系统多道分析器
10、中数据获取系统一一基本结构基本结构二二硬件多道分析器数据获取系统组成硬件多道分析器数据获取系统组成三三直方图（直方图（多道分析器）多道分析器）工作模式工作模式四四多定标工作模式多定标工作模式五五基于计算机的基于计算机的多道分析器多道分析器六六数字化谱仪数字化谱仪返回一、多道分析器基本结构一、多道分析器基本结构 多道分析器的功能是将输入信号按其幅度大小或按其时间多道分析器的功能是将输入信号按其幅度大小或按其时间间隔大小进行分类，然后按其类别作统计而获得计数按幅间隔大小进行分类，然后按其类别作统计而获得计数按幅度大小或按其时间间隔大小分布的关系。我们把这种分布度大小或按其时间间隔大小分布的关系。我
11、们把这种分布图称为直方图，从分布关系中可以得到脉冲幅度谱或时间图称为直方图，从分布关系中可以得到脉冲幅度谱或时间谱。谱。 多道分析器在结构上分成两部分：模数转换器（多道分析器在结构上分成两部分：模数转换器（ADC或或TDC）和数据获取和处理系统。）和数据获取和处理系统。返回二、硬件多道分析器数据获取系统组成二、硬件多道分析器数据获取系统组成 多道分析器数据获取系统多道分析器数据获取系统 输入部分可以是输入部分可以是ADC，也可以是，也可以是TDC，其主体部分由存，其主体部分由存储器、运算器和控制器组成，显示器和输出接口电路是储器、运算器和控制器组成，显示器和输出接口电路是它的辅助部分。它的辅助
12、部分。多道分析器数据获取系统各部分功能多道分析器数据获取系统各部分功能 存储器起到储存各道计数的作用。存储器起到储存各道计数的作用。为了存放数据，它的基本为了存放数据，它的基本操作是选址（选道）、存入数据（写入数据）和取出数据操作是选址（选道）、存入数据（写入数据）和取出数据（读出数据）。通常用随机存取存储器（读出数据）。通常用随机存取存储器（RAM）实现。）实现。 运算器完成被选中道的计数累加功能，即在该道原有计数上运算器完成被选中道的计数累加功能，即在该道原有计数上加加1 1； 控制器在接收输入部分送来的存储命令之后，发出一系列操控制器在接收输入部分送来的存储命令之后，发出一系列操作命令，
13、这些命令包括有：从输入部分取出地址码、对存储作命令，这些命令包括有：从输入部分取出地址码、对存储器选址、将被选中道的原有计数读入运算器、使运算器作加器选址、将被选中道的原有计数读入运算器、使运算器作加1 1运算、将累加之后计数写回被选中道的存储单元中去和发回运算、将累加之后计数写回被选中道的存储单元中去和发回获取完毕的回答信号使输入部分的占用封锁解除；获取完毕的回答信号使输入部分的占用封锁解除； 硬件多道分析器硬件多道分析器显示器用来实时地显示已存入的谱曲线（直显示器用来实时地显示已存入的谱曲线（直方图），方图），多用多用 CRT显示谱形显示，把存储器内各道计数作为显示谱形显示，把存储器内各道
14、计数作为纵座标、道址作为横座标在荧光屏上显示出来纵座标、道址作为横座标在荧光屏上显示出来 ； 接口电路作为多道分析器与外部设备（如打印机、描迹仪和接口电路作为多道分析器与外部设备（如打印机、描迹仪和计算机等设备）之间连接的电路。计算机等设备）之间连接的电路。 返回三、直方图工作模式三、直方图工作模式多道分析器多道分析器数据获取过程数据获取过程 多道分析器多道分析器数据获数据获取和处理系统的主取和处理系统的主要功能是：完成大要功能是：完成大量经过量化处理的量经过量化处理的信息按类（数码）信息按类（数码）进行统计，并将结进行统计，并将结果存储起来。果存储起来。多道幅度分析器多道幅度分析器数据获取过
15、程数据获取过程 输入部分由输入部分由ADC变换成数码，当变换结束时，向数据获取系统发出存储命令。变换成数码，当变换结束时，向数据获取系统发出存储命令。由控制器发出取址命令，把由控制器发出取址命令，把ADC输出的码送到存储器的地址寄存器。输出的码送到存储器的地址寄存器。控制器发出读信号，按道地址取出该道的已有存数送到数据寄存器上，进行加控制器发出读信号，按道地址取出该道的已有存数送到数据寄存器上，进行加1运运算。算。控制器再发出写信号，将数据寄存器上的新数写回该道中去。控制器再发出写信号，将数据寄存器上的新数写回该道中去。存储结束后，主机给存储结束后，主机给ADC发回回答信号，解除占用封锁，允许
16、分析下一个信号。发回回答信号，解除占用封锁，允许分析下一个信号。 存储器的地址寄存器存储器的地址寄存器和数据寄存器的数码和数据寄存器的数码分别经过分别经过 DAC1和和DAC2变换成模拟电压，变换成模拟电压，并经偏转放大器放大，并经偏转放大器放大，送入送入X和和Y偏转板。在偏转板。在偏转电压达到稳定后偏转电压达到稳定后由控制器发出辉度脉由控制器发出辉度脉冲，在冲，在CRT的屏幕上的屏幕上显示一个亮点。显示一个亮点。 返回四、多定标测量四、多定标测量 道址逐道步进，按时间顺序（或其它物理参量变化顺序）道址逐道步进，按时间顺序（或其它物理参量变化顺序）测量核事件，测量结果以数码形式存入各道。多定标
17、测量测量核事件，测量结果以数码形式存入各道。多定标测量属于这种类型。属于这种类型。 在放射性测量中，有时需要测量脉冲计数率随时间的变化，在放射性测量中，有时需要测量脉冲计数率随时间的变化，如放射性核素衰变曲线的测量。按时间顺序测量各段时间如放射性核素衰变曲线的测量。按时间顺序测量各段时间间隔内的脉冲计数，并依次记录在存储器的各个存储单元，间隔内的脉冲计数，并依次记录在存储器的各个存储单元，这种测量方式称为多定标测量方式。这种测量方式称为多定标测量方式。 多定标模式工作过程多定标模式工作过程输入脉冲经过定时与门输入脉冲经过定时与门G送到数据寄存器进行计数。在测量开始之前，地送到数据寄存器进行计数
18、。在测量开始之前，地址寄存器被清零。测量时从第址寄存器被清零。测量时从第0道开始；道开始；a.读命令先把第读命令先把第0道的已有存数读到数据寄存器中；道的已有存数读到数据寄存器中；b.由计数开始脉冲由计数开始脉冲把触发器把触发器C置置“1”。C的输出信号打开的输出信号打开G，输入脉冲，输入脉冲便在数据寄存器中积累计数；便在数据寄存器中积累计数；c.达到预定测量时间后达到预定测量时间后 ，控制器送出计数结束脉冲，控制器送出计数结束脉冲将将C置置“0”，关闭，关闭G；d.发出写命令发出写命令把数据寄存器的计数写回到第把数据寄存器的计数写回到第0道，随后控制器发出一个道，随后控制器发出一个道步进脉冲
19、道步进脉冲，使地址寄存器步进到下一道，开始下一道测量。，使地址寄存器步进到下一道，开始下一道测量。e.这样继续下去直到最后一道，完成了一次测量。这样继续下去直到最后一道，完成了一次测量。 道步进时间为道步进时间为 Tc+ T， Tc为读写周期为读写周期 , T为为一道的预定测量时间。一道的预定测量时间。b为各点波形图。c是多定标测量放射性核素衰变曲线的例子 返回四、基于计算机的四、基于计算机的多道分析器多道分析器 由输入电路（由输入电路（ADC或或TDC）、接口电路和计算机组成；）、接口电路和计算机组成； 在输入电路（在输入电路（ADC或或TDC）完成变换后，）完成变换后，接口电路接口电路接收
20、到一接收到一个标记信号，通过本地的数据线从输入电路读取数据，以个标记信号，通过本地的数据线从输入电路读取数据，以“事例方式事例方式”放在接口电路中缓冲存贮器；放在接口电路中缓冲存贮器； 当缓冲存贮器达到一定数据量后发出一个标记信号，通过计当缓冲存贮器达到一定数据量后发出一个标记信号，通过计算机的输入算机的输入/输出（输出（I/O）总线通知计算机，计算机通过）总线通知计算机，计算机通过I/O总总线将缓冲存贮器中读取线将缓冲存贮器中读取“事例数据事例数据”（有中断方式或（有中断方式或DMA方方式等）到计算机的中，完成了数据获取功能；式等）到计算机的中，完成了数据获取功能； 数据获取、直方图建立和谱
21、的显示都由计算机软件来实现；数据获取、直方图建立和谱的显示都由计算机软件来实现； 充分利用了计算机的丰富的硬、软件资源。充分利用了计算机的丰富的硬、软件资源。 四、基于计算机的四、基于计算机的多道分析器多道分析器 在计算机获得数据后，充分利用了计算机的丰富在计算机获得数据后，充分利用了计算机的丰富的硬、软件资源，建立直方图方式的存贮和实时的硬、软件资源，建立直方图方式的存贮和实时显示等操作完全由软件完成，不仅如此，利用计显示等操作完全由软件完成，不仅如此，利用计算机的硬软件资源还可以完成对数据获取预置各算机的硬软件资源还可以完成对数据获取预置各种条件（例如预置记录时间等）、数据的打印或种条件（
22、例如预置记录时间等）、数据的打印或描迹输出和数据分析等，使多道分析器的功能更描迹输出和数据分析等，使多道分析器的功能更加完善、丰富，使用更为灵活。加完善、丰富，使用更为灵活。 当前一般选择台式或笔记本式的个人计算机（当前一般选择台式或笔记本式的个人计算机（PC机）作为基于计算机的多道分析器的主机。目前，机）作为基于计算机的多道分析器的主机。目前，纯硬件多道分析器已经逐渐被基于计算机的多道纯硬件多道分析器已经逐渐被基于计算机的多道分析器所替代，即使是独立自治的多道分析器内分析器所替代，即使是独立自治的多道分析器内部也带有部也带有CPU智能芯片。智能芯片。 返回接口电路接口电路 接口电路是硬件设计
23、的关键，接口电路中通常包接口电路是硬件设计的关键，接口电路中通常包括有数据锁存、缓冲存贮、寻址、中断或括有数据锁存、缓冲存贮、寻址、中断或DMA信信号产生以及时序控制逻辑等基本电路模块。有时号产生以及时序控制逻辑等基本电路模块。有时还有若干组寄存器和计数器，用于计算机对数据还有若干组寄存器和计数器，用于计算机对数据获取预置各种条件和自动控制记录时间等功能。获取预置各种条件和自动控制记录时间等功能。 目前接口电路与主机之间通讯有两种方式：目前接口电路与主机之间通讯有两种方式： 一种是直接与计算机的输入一种是直接与计算机的输入/输出（输出（I/O）总线相连接；）总线相连接； 另一种是与计算机的通用
24、串行总线（另一种是与计算机的通用串行总线（USB）接口相连）接口相连接，这时接口电路必须有驱动和接收接，这时接口电路必须有驱动和接收USB的相应电路。的相应电路。返回通用接口电路框图通用接口电路框图接口电路通讯接口电路通讯 接口电路与输入电路之间通讯通过一组自定义总接口电路与输入电路之间通讯通过一组自定义总线，包括数据线和时序控制线等（有时还有地址线，包括数据线和时序控制线等（有时还有地址线），用来完成接收变换完成标记信号，读取数线），用来完成接收变换完成标记信号，读取数据并存入到缓冲存贮器中。据并存入到缓冲存贮器中。 接口电路内部也有一组自定义总线，将信号和数接口电路内部也有一组自定义总线，
25、将信号和数据从输入电路一端有序地传送到计算机一端；或据从输入电路一端有序地传送到计算机一端；或将命令和数据从计算机一端有序地传送到接口电将命令和数据从计算机一端有序地传送到接口电路内部以及输入电路一端。路内部以及输入电路一端。 可以采用可编程逻辑器件（可以采用可编程逻辑器件（PLD）如）如FPGA（现（现场可编程门阵列）或场可编程门阵列）或 CPLD（复杂可编程逻辑器（复杂可编程逻辑器件）来设计和实现接口电路；也可以采用单片机件）来设计和实现接口电路；也可以采用单片机和针对一种特定的计算机输入和针对一种特定的计算机输入/输出（输出（I/O）总线）总线的专用接口芯片实现。的专用接口芯片实现。返回
26、数字化谱仪数字化谱仪 数字化谱仪是数字信号处理技术在核电子学中的应数字化谱仪是数字信号处理技术在核电子学中的应用是近代核电子学的一个重大发展，由于处理是在用是近代核电子学的一个重大发展，由于处理是在数字领域进行，优越于模拟处理。数字领域进行，优越于模拟处理。 数字处理技术以它固有的适应性灵活性，能因地数字处理技术以它固有的适应性灵活性，能因地制宜，易于相加，即使对苛刻的环境，几乎都很制宜，易于相加，即使对苛刻的环境，几乎都很容易合成任意的脉冲响应形状。容易合成任意的脉冲响应形状。 能组合出最佳脉冲响应形状继而降低串列噪声，能组合出最佳脉冲响应形状继而降低串列噪声，弹道亏损和堆积效应。弹道亏损和
27、堆积效应。 对核探测器探测事件的处理、滤波、修正基线漂对核探测器探测事件的处理、滤波、修正基线漂移，脉冲形状甄别比模拟处理精确。移，脉冲形状甄别比模拟处理精确。 数字滤波效果好，易于提高系统的能量分辨率。数字滤波效果好，易于提高系统的能量分辨率。 数字化谱仪数字化谱仪 基于高速数字采样和DSP技术的数字化谱仪 从前置电路来的模拟信号进行适当放大后，经过抗混从前置电路来的模拟信号进行适当放大后，经过抗混叠滤波之后用高速叠滤波之后用高速ADC将信号波形记录下来，在将信号波形记录下来，在DSP中按合适的权函数进行数字滤波，从而得到很佳滤波中按合适的权函数进行数字滤波，从而得到很佳滤波和成形。和成形。
28、 返回3 3 高能物理实验中电子学和数据获取系统高能物理实验中电子学和数据获取系统 高能实验核及粒子物理（简称高能物理）是当今物理学研高能实验核及粒子物理（简称高能物理）是当今物理学研究的前沿之一，在高能物理实验中，由高能粒子束相互对究的前沿之一，在高能物理实验中，由高能粒子束相互对撞或轰击固定靶发生反应，探测器和与其相连接的电子学撞或轰击固定靶发生反应，探测器和与其相连接的电子学组成的系统测量反应产物并获取实验数据，再通过大型计组成的系统测量反应产物并获取实验数据，再通过大型计算机系统的离线数据分析取得物理结果。算机系统的离线数据分析取得物理结果。 在这一过程中，粒子探测器和相关的电子学（数
29、据获取）在这一过程中，粒子探测器和相关的电子学（数据获取）系统是核心环节。高能物理实验的最终反应产物都是各种系统是核心环节。高能物理实验的最终反应产物都是各种辐射粒子，与粒子探测器相关的电子学系统中基本电路单辐射粒子，与粒子探测器相关的电子学系统中基本电路单元都是由基础核电子学中发展而来的，元都是由基础核电子学中发展而来的，“高能（物理）电高能（物理）电子学子学”有时称为有时称为“粒子（物理）电子学粒子（物理）电子学”实际上是核电实际上是核电子学学科当今最活跃的分支之一。子学学科当今最活跃的分支之一。 3 3 高能物理实验中电子学和数据获取系统高能物理实验中电子学和数据获取系统 当代高能物理实
30、验显明的特点是实验规模大，这当代高能物理实验显明的特点是实验规模大，这是由参加反应的粒子束高能量和高亮度（亮度是是由参加反应的粒子束高能量和高亮度（亮度是指单位时间单位面积通过的粒子数）所决定的。指单位时间单位面积通过的粒子数）所决定的。 高能量和高亮度粒子束相互作用产生的末态粒子不仅高能量和高亮度粒子束相互作用产生的末态粒子不仅种类和数量多而且携带的能量高，探测这样的反应产种类和数量多而且携带的能量高，探测这样的反应产物已经不是几个探测单元能够胜任，而是由多种类型、物已经不是几个探测单元能够胜任，而是由多种类型、上百万个探测单元组成的阵列来承担；上百万个探测单元组成的阵列来承担； 这样一个系
31、统不仅规模庞大而且结构复杂，庞大复杂这样一个系统不仅规模庞大而且结构复杂，庞大复杂的探测系统必定要求高度自动化运行。的探测系统必定要求高度自动化运行。 当代高能物理实验还有一个的特点是实验精度很高当代高能物理实验还有一个的特点是实验精度很高（例如时间分辨要求达到（例如时间分辨要求达到ps量级），而且要求探测系量级），而且要求探测系统排除本底能力尽可能高。统排除本底能力尽可能高。 3 3 高能物理实验中电子学和数据获取系统高能物理实验中电子学和数据获取系统 高能电子学特色高能电子学特色 实例实例：ATLAS探测器系统探测器系统电子学和数据获电子学和数据获取系统取系统返回高能电子学特色高能电子学特
32、色所要处理的原始数据量很大、数据流速率非常高。所要处理的原始数据量很大、数据流速率非常高。以正在建造中的高能物理实验装置以正在建造中的高能物理实验装置LHC上探测器系上探测器系统统ATLAS为例为例,原始信息量速率在原始信息量速率在1000GB/s 以上。以上。这就决定了高能电子学系统规模庞大、结构复杂；这就决定了高能电子学系统规模庞大、结构复杂； 高的数据流速率要求采用当今信息技术中高速数据高的数据流速率要求采用当今信息技术中高速数据传输技术，其中包括高速总线和高速网络技术；传输技术，其中包括高速总线和高速网络技术； 为了保证尽可能高的在线排除本底能力和减小高的为了保证尽可能高的在线排除本底
33、能力和减小高的数据流速率对系统的压力，采用了高度智能化的触数据流速率对系统的压力，采用了高度智能化的触发判选系统。大量引进了当今信息技术中可编程器发判选系统。大量引进了当今信息技术中可编程器件、件、DSPDSP和处理器阵列等最先进的成果；同时发展了和处理器阵列等最先进的成果；同时发展了新的方法，例如多级触发判选和流水线触发等；新的方法，例如多级触发判选和流水线触发等；高能电子学特色高能电子学特色 当代高能物理实验中探测器系统是一个相对密封的装当代高能物理实验中探测器系统是一个相对密封的装置，高能电子学系统中前端电子学部分，特别是前端置，高能电子学系统中前端电子学部分，特别是前端电路与探测器固定
34、在一起，这就带来一系列电路与探测器固定在一起，这就带来一系列新的挑战新的挑战；高能电子学中数据获取不仅决定于硬件，软件也起到高能电子学中数据获取不仅决定于硬件，软件也起到十分重要的作用。数据获取软件也是一个庞大的系统，十分重要的作用。数据获取软件也是一个庞大的系统，设计这样的系统采用了当代软件设计中主流的面向对设计这样的系统采用了当代软件设计中主流的面向对象方法，特别是框架和组件技术；象方法，特别是框架和组件技术； 高度自动化运行的当代高能物理实验装置要求能够实高度自动化运行的当代高能物理实验装置要求能够实时地、自动地监测实验装置各部分运行条件和环境条时地、自动地监测实验装置各部分运行条件和环
35、境条件，并能在非常情况下向操作人员提供信息，在特殊件，并能在非常情况下向操作人员提供信息，在特殊情况下自动停止实验装置运行，以保证人员和仪器的情况下自动停止实验装置运行，以保证人员和仪器的安全。这就有必要建立一套控制系统，这套系统通常安全。这就有必要建立一套控制系统，这套系统通常称为慢控制系统或探测器控制系统，这也是高能电子称为慢控制系统或探测器控制系统，这也是高能电子学的重要组成部分。学的重要组成部分。返回ATLAS探测器系统探测器系统Length : 46 m Radius : 12 m Weight : 7000 tons 108 electronic channels 3000 km
36、of cablesTracking (| |2.5, B=2T) : - Si pixels and strips - Transition Radiation Detector (e/ separation) Calorimetry (| |5) : - EM : Pb-LAr - HAD: Fe/scintillator (central), Cu/W-LAr (fwd) Muon Spectrometer (| |2.7) : air-core toroids with muon chambers高能粒子物理实验中电子学和数据获取系统的结构框图高能粒子物理实验中电子学和数据获取系统的结构
37、框图ATLAS的电子学和数据获取系统的电子学和数据获取系统 左半部是触发判选系统左半部是触发判选系统, ,右半部是前端电子学和数据获取系右半部是前端电子学和数据获取系统。统。 触发判选系统由一级触发、二级触发和事例过滤器等子系触发判选系统由一级触发、二级触发和事例过滤器等子系统组成。统组成。 对撞周期小到对撞周期小到100ns以下，用一个集中式电路来完成触发以下，用一个集中式电路来完成触发判选逻辑显得十分困难，采用流水线触发方案来解决此困判选逻辑显得十分困难，采用流水线触发方案来解决此困难是最有效的方法。难是最有效的方法。 其基本思想是把触发判选的逻辑运算全过程分成许多步。其基本思想是把触发判
38、选的逻辑运算全过程分成许多步。每一步所需时间小于或等于一个对撞周期。每一步有一个每一步所需时间小于或等于一个对撞周期。每一步有一个专用的硬件来完成。一个事例判选过程，如同接力赛一样。专用的硬件来完成。一个事例判选过程，如同接力赛一样。从开始把一个任务一步接一步顺序完成，而每个硬件仅仅从开始把一个任务一步接一步顺序完成，而每个硬件仅仅用来完成任务中某一步操作，而且随着事例不断输入用来完成任务中某一步操作，而且随着事例不断输入(每个每个主时钟一次输入主时钟一次输入)，它也连续不断的操作。而触发输出回答，它也连续不断的操作。而触发输出回答(YES或或NO)也是每个对撞周期一次，只是滞后了在触发过也是
39、每个对撞周期一次，只是滞后了在触发过程所需总时间。程所需总时间。 ATLAS的电子学和数据获取系统的电子学和数据获取系统 一级触发做到对每一个原始事例进行一次判选。因一级触发做到对每一个原始事例进行一次判选。因此允许完成判选时间只有小于主时钟周期此允许完成判选时间只有小于主时钟周期(对撞作对撞作用周期用周期)， 要求快速触发，是无死时间触发判选要求快速触发，是无死时间触发判选,输输入的信息仅仅是少量起关键作用的探测单元信息。入的信息仅仅是少量起关键作用的探测单元信息。一级触发之后，事例平均速率下降约一级触发之后，事例平均速率下降约1/1000，也就，也就是说一级触发之后输出之后是说一级触发之后
40、输出之后,输出事例平均时隔为对输出事例平均时隔为对撞周期撞周期1000倍。倍。 以以ATLAS为例，一级触发排斥比约为为例，一级触发排斥比约为400：1，一，一级触发后事例平均间隔为级触发后事例平均间隔为 T1 = n T0 = 40025ns = 10 s 其中其中n为排斥比，为排斥比， T0 为对撞周期，这就允许有充为对撞周期，这就允许有充分时间进行进一步触发判选。分时间进行进一步触发判选。 高能粒子物理实验中电子学和数据获取系统的结构框图高能粒子物理实验中电子学和数据获取系统的结构框图ATLAS的电子学和数据获取系统的电子学和数据获取系统 第二级触发系统在第一级触发基础上，加第二级触发系
41、统在第一级触发基础上，加入更多探测单元信息，进行比第一级更为入更多探测单元信息，进行比第一级更为精确的计算和分析，给出判选结果。二级精确的计算和分析，给出判选结果。二级触发通常用一些智能化电路触发通常用一些智能化电路(CPU，DSP等等)来完成逻辑运算操作。第二级触发系统使来完成逻辑运算操作。第二级触发系统使事例率进一步下降。二级触发排斥比约为事例率进一步下降。二级触发排斥比约为50：1，二级触发后事例平均间隔为，二级触发后事例平均间隔为0.5s，允许有更长的时间作进一步判选。允许有更长的时间作进一步判选。 高能粒子物理实验中电子学和数据获取系统的结构框图高能粒子物理实验中电子学和数据获取系统
42、的结构框图ATLAS的电子学和数据获取系统的电子学和数据获取系统 第三级触发系统一般基于事例已被完整组建起来之后，根据第三级触发系统一般基于事例已被完整组建起来之后，根据物理条件。对全事例数据进行判选。因此这一级触发判选也物理条件。对全事例数据进行判选。因此这一级触发判选也可称为全事例判选，也常把它称为事例过滤器。可称为全事例判选，也常把它称为事例过滤器。 作全事例判选算法很复杂，短短几十乃至几百毫秒时间远远作全事例判选算法很复杂，短短几十乃至几百毫秒时间远远不够的，但是我们注意到在事例被组建起来之后，其前后次不够的，但是我们注意到在事例被组建起来之后，其前后次序已无关系，它们之间是互相独立的
43、。可以独立去处理，因序已无关系，它们之间是互相独立的。可以独立去处理，因此十分适合于平行处理。此十分适合于平行处理。 基于这种特点第三级触发系统用一个巨大基于这种特点第三级触发系统用一个巨大CPU阵列，用一个阵列，用一个管理机来协调它们运作。这样一个管理机来协调它们运作。这样一个CPU阵列称为阵列称为Processors Farm （处理器阵列）。被组建起来的信息包被送到处理器阵（处理器阵列）。被组建起来的信息包被送到处理器阵列空间中的处理单元，处理完成之后决定取舍，输出到永久列空间中的处理单元，处理完成之后决定取舍，输出到永久存储器中去。每个处理单元处理一个事例可以化很长时间。存储器中去。每
44、个处理单元处理一个事例可以化很长时间。但是很多个单元并行运作，就将速度大大提高了。但是很多个单元并行运作，就将速度大大提高了。高能粒子物理实验中电子学和数据获取系统的结构框图高能粒子物理实验中电子学和数据获取系统的结构框图ATLAS的电子学和数据获取系统的电子学和数据获取系统 前端电子学和数据获取系统包括前端读出电子学、读出缓前端电子学和数据获取系统包括前端读出电子学、读出缓冲存储和事例组建等三部分。冲存储和事例组建等三部分。 在前端读出电子学中每一个通道从探测单元提取信号，进在前端读出电子学中每一个通道从探测单元提取信号，进行模拟处理和数字化，输入到数据缓冲器等待一级触发判行模拟处理和数字化
45、，输入到数据缓冲器等待一级触发判选。被选中事例的各通道数据进入读出驱动器（选。被选中事例的各通道数据进入读出驱动器（ROD）中。在一级触发滞后时间大于对撞作用周期情况下，数据中。在一级触发滞后时间大于对撞作用周期情况下，数据缓冲器必须组织成流水线方式，为保证一级触发信号到来缓冲器必须组织成流水线方式，为保证一级触发信号到来时仍然保存在流水线缓冲器内，流水线数据缓冲器应该有时仍然保存在流水线缓冲器内，流水线数据缓冲器应该有足够的深度，流水线数据缓冲器可分为模拟和数字两种，足够的深度，流水线数据缓冲器可分为模拟和数字两种，一般情况下多采用数字型。读出驱动器的功能包括数据零一般情况下多采用数字型。读
46、出驱动器的功能包括数据零通道压缩和组织数据，同时起到解随机作用。通道压缩和组织数据，同时起到解随机作用。 返回新的挑战新的挑战 有限的空间要求前端电路尺寸尽可能小，采用高组装密度有限的空间要求前端电路尺寸尽可能小，采用高组装密度芯片，同时又要求低的功耗。芯片，同时又要求低的功耗。 前端电路是在强的辐射环境中工作，要求有很好的抗辐射前端电路是在强的辐射环境中工作，要求有很好的抗辐射性能。性能。 前端电路与探测器一样，一般不轻易拆卸，而且长期不间前端电路与探测器一样，一般不轻易拆卸，而且长期不间断工作，因而特别强调电路长期工作的稳定性和可靠性。断工作，因而特别强调电路长期工作的稳定性和可靠性。 实
47、验精度要求很高，对前端电路的性能提出很高的要求，实验精度要求很高，对前端电路的性能提出很高的要求，如低噪声、高带宽、精密的时间分辨和高计数率等性能。如低噪声、高带宽、精密的时间分辨和高计数率等性能。 为了避免模拟信息长时间保存和长距离传输带来的各种困为了避免模拟信息长时间保存和长距离传输带来的各种困难，因而要求在前端电路中尽可能地进行数字化处理，采难，因而要求在前端电路中尽可能地进行数字化处理，采用了高速用了高速ADC和和TDC芯片。芯片。 在不能轻易拆卸前提下，能够尽可能灵活调节电路的功能在不能轻易拆卸前提下，能够尽可能灵活调节电路的功能和工作条件，要求有在线可编程和自检功能。和工作条件，要
48、求有在线可编程和自检功能。 为了解决这一系列挑战，在高能电子学的前端电路的设计中，为了解决这一系列挑战，在高能电子学的前端电路的设计中，采用先进的采用先进的ASICASIC技术和可编程器件。在工程设施时特别要技术和可编程器件。在工程设施时特别要强调质量保证的各个环节，例如抗辐射试验、抗电磁干扰强调质量保证的各个环节，例如抗辐射试验、抗电磁干扰试验和电路老化处理等。试验和电路老化处理等。 返回4 数据获取系统中新技术的应用数据获取系统中新技术的应用 电子科学和技术方面：电子科学和技术方面： 总线总线技术技术（BUS） 专用集成电路（专用集成电路（ASIC） 可编程逻辑器件（可编程逻辑器件（PLD
49、） 等等 计算机科学和技术硬件方面：计算机科学和技术硬件方面： 数字信号处理器（数字信号处理器（DSP） 嵌入式系统（嵌入式系统（Embedded System） 处理器阵列（处理器阵列（Processor Farm） 高速网络高速网络 等等 计算机科学和技术软件方面：计算机科学和技术软件方面： 面向对象（面向对象（ OO） 虚拟仪器（虚拟仪器（Virtual Instrument） 数据库（数据库（DB） 图像处理图像处理 等返回虚拟仪器虚拟仪器虚拟仪器（虚拟仪器（Virtual Instrument）是指以微型计算）是指以微型计算机为核心，将微机和测量系统融合于一体，用计机为核心，将微机和
50、测量系统融合于一体，用计算机软件代替传统仪器的某些硬件的功能，用计算机软件代替传统仪器的某些硬件的功能，用计算机的显示器代替传统仪器物理面板的测量仪器。算机的显示器代替传统仪器物理面板的测量仪器。VI的出现充分体现了的出现充分体现了“软件就是仪器软件就是仪器”的新思想，的新思想，同时打破了传统仪器结构固定、功能单一、可扩同时打破了传统仪器结构固定、功能单一、可扩展性差等限制，使仪器的生产进入了一个崭新的展性差等限制，使仪器的生产进入了一个崭新的阶段。阶段。VI一般由通用计算机（一般由通用计算机（PC机）、数据采集模件及机）、数据采集模件及软件系统组成。它充分利用软件系统组成。它充分利用PC机丰
