張雅希 曹 平 黃錫汝 鄭佳俊 蔣 荻 安 琪

1（中國科學技術(shù)大學 核探測與核電子學國家重點實驗室 合肥 230026）2（中國科學技術(shù)大學 近代物理系 合肥 230026）3（中國科學技術(shù)大學 核科學技術(shù)學院 合肥 230026）

用于CBM-TOF超級模塊探測器質(zhì)量控制的分布式數(shù)據(jù)讀出方法

張雅希1,2曹 平1,3黃錫汝1,2鄭佳俊1,2蔣 荻1,2安 琪1,2

1（中國科學技術(shù)大學 核探測與核電子學國家重點實驗室 合肥 230026）
2（中國科學技術(shù)大學 近代物理系 合肥 230026）
3（中國科學技術(shù)大學 核科學技術(shù)學院 合肥 230026）

高壓縮重子物質(zhì)(Compressed Baryonic Matter, CBM)實驗裝置飛行時間譜儀利用由多氣隙電阻板室(Multi-gap Resistive Plate Chamber, MRPC)探測器構(gòu)建的超級模塊實現(xiàn)高密度、高精度的粒子飛行時間測量，該超級模塊可支持高達320通道的高精度時間測量能力，數(shù)據(jù)率高達6Gbit·s?1。為實現(xiàn)超級模塊探測器的性能評估，提出一種基于千兆以太網(wǎng)的分布式數(shù)據(jù)讀出方法，利用片上系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)讀出節(jié)點的千兆網(wǎng)絡(luò)傳輸能力。測試結(jié)果表明，針對單條數(shù)據(jù)傳輸路徑，原型讀出模塊在全鏈路情況下，能實現(xiàn)約467Mbit·s?1的綜合數(shù)據(jù)傳輸速率。讀出方案中事例組裝、命令發(fā)送、狀態(tài)顯示等功能均運行正常。

CBM-TOF超級模塊，分布式數(shù)據(jù)傳輸，千兆以太網(wǎng)

飛行時間探測器(Time-of-Flight, TOF)主要用于測量帶電粒子的飛行時間，在各物理實驗裝置中扮演著重要的作用，其與徑跡探測器相配合，可進行帶電粒子種類的鑒別。針對探測器結(jié)構(gòu)、規(guī)模的不同，需進行相應(yīng)讀出電子學系統(tǒng)方案（包括數(shù)據(jù)傳輸方案）的設(shè)計及實現(xiàn)。多氣隙電阻板室(Multi-gap Resistive Plate Chamber, MRPC)探測器因其具有極高的時間分辨能力而受到越來越多的應(yīng)用?，F(xiàn)有利用MRPC構(gòu)建飛行時間譜儀的大型物理實驗包括北京譜儀(Beijing Spectrometer, BES) BESIII實驗中的端蓋飛行時間探測器(End-cap Time-of-Flight, ETOF)[1]、美國布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory, BNL) STAR (Solenoidal Tracker At RHIC)實驗中的TOF探測器[2]、歐洲核子中心ALICE (A Large Ion Collider Experiment)實驗中的TOF探測器等。

為了提高飛行時間測量精度，德國FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research)裝置上在建的高壓縮重子物質(zhì)實驗(Compressed Baryonic Matter, CBM)同樣采用了MRPC探測器來構(gòu)建其飛行時間譜儀，其主要目的是利用高能核子對撞的方式來探索在超高重子密度環(huán)境下的量子色動力學相圖及潛在理論。

CBM實驗的飛行時間譜儀設(shè)計為墻狀（即TOF墻），其由6種不同類型的超級模塊搭建而成，總通道數(shù)達到6×104量級。探測器超級模塊(Super Module, SM)由多塊小型的MRPC單元構(gòu)建，其外墻區(qū)域M5、M6類型超級模塊的結(jié)構(gòu)如圖 1所示[3]，單個SM的電子學通道數(shù)達到320。

為實現(xiàn)對電子學信號的讀出和精密時間測量，CBM物理實驗開發(fā)了多種專用集成電路，并提出了“無觸發(fā)”理念的新型數(shù)據(jù)獲取設(shè)計方法。然而在MRPC探測器研制過程中，需要完成對探測器性能評估和質(zhì)量控制，但CBM的專用芯片和讀出系統(tǒng)還在研制過程中，這就需要針對超級模塊研究用于質(zhì)量控制和性能評估的數(shù)據(jù)讀出方法。

現(xiàn)有的基于MRPC探測器的飛行時間譜儀大多利用VME (Versa Module Eurocard)總線機箱或光纖方式進行數(shù)據(jù)的讀出。BESIII 端蓋飛行時間探測器包含72個MRPC模塊，共1728個電子學通道，其觸發(fā)事例率約為16kHz[1]，探測器輸出數(shù)據(jù)經(jīng)由前端電子學和后端讀出系統(tǒng)多級傳輸匯總。后端讀出系統(tǒng)位于VME機箱中，數(shù)據(jù)通過VME背板總線匯總至機箱控制器，機箱控制器對數(shù)據(jù)進行打包處理后，通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(Data AcQuisition system, DAQ)。STAR實驗中的TOF系統(tǒng)共計有約23000個通道，由120個支架(Tray)組成[2]，Level 0級觸發(fā)判選的事例率約為10kHz。STAR-TOF系統(tǒng)中每個支架對應(yīng)32個MRPC模塊（共192路信號），探測器輸出信號經(jīng)由前端電子學送入時間測量模塊進行時間數(shù)字化后，送給負責數(shù)據(jù)傳輸和控制的支架控制模塊(The tray level central processing unit, TCPU)；TCPU繼而將數(shù)據(jù)送給支架級數(shù)據(jù)匯聚模塊(The tray level hub, THUB)；THUB通過光纖完成與DAQ系統(tǒng)間的通信[4]。ALICE TOF探測器共有約176000個通道，其Level 1級觸發(fā)事例率不超過2800Hz，Level 2級觸發(fā)事例率最大為660Hz[5]。前置放大模塊(Front-End Amplifier, FEA)對探測器輸出信號進行放大甄別后送入TRM (TDC (Time to Digital Converter) Read-out Module)進行時間數(shù)字化；TRM模塊設(shè)計為VME插件形式，通過VME總線傳輸數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)讀出插件(Data Read-out Module, DRM)；DRM通過雙向的DDL (Detector Data Link)將數(shù)據(jù)傳輸至DAQ系統(tǒng)。

CBM物理實驗屬于重離子對撞（打靶）實驗，其反應(yīng)率達到10MHz，有效事例率最高可達300kHz，這將使得超級模塊的數(shù)據(jù)傳輸能力高達6Gbit·s?1。采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸讀出方法，如VME機箱、CompactPCI (Compact Peripheral Component Interconnect)機箱等，利用讀出機箱的背板總線及機箱控制器進行數(shù)據(jù)匯聚而后傳輸?shù)姆绞剑芟抻诒嘲蹇偩€及機箱控制器的傳輸速率，難以完成數(shù)據(jù)的讀出任務(wù)。

本文提出了一套基于千兆以太網(wǎng)的分布式數(shù)據(jù)讀出方法，各讀出節(jié)點均具備數(shù)據(jù)傳輸能力，不再受機箱控制器匯總的局限。同時基于Linux操作系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)讀出方法中的軟件部分進行了設(shè)計實現(xiàn)及相關(guān)測試。

1 分布式數(shù)據(jù)讀出方法

CBM-TOF外層超級模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。CBM-TOF譜儀中外墻區(qū)域的超級模塊需要進行高精度時間測量的電子學通道數(shù)為320。蒙特卡羅仿真結(jié)果表明，此類超級模塊所在區(qū)域單通道最大事例率為300kHz[3]。假設(shè)每個事例在TDC中將以48bit大小的數(shù)據(jù)形式保存，則超級模塊的最大數(shù)據(jù)率為4.6Gbit·s?1，考慮協(xié)議開銷后將達6Gbit·s?1。為解決CBM-TOF超級模塊在進行質(zhì)量控制時，面臨的320通道6Gbit·s?1數(shù)據(jù)讀出的問題，本文提出了如圖 2所示的分布式數(shù)據(jù)讀出方法。

圖1 CBM-TOF外層M5 (a)、M6 (b)超級模塊結(jié)構(gòu)a: MRPC探測器，b: 讀出電極，c: 真空穿通件，d: 時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器插卡，e: 機箱Fig.1 Block diagram of CBM-TOF M5 (a), M6 (b) super module. a: MRPCs, b: Read-out electrodes, c: Feed-throughs, d: TDC cards, e: Crate

圖2 單超級模塊分布式數(shù)據(jù)讀出方法示意圖Fig.2 Schematic diagram of a single super module distributed data readout.

此數(shù)據(jù)讀出方法包含4個部分，各組成部分介紹如下：

1) 前端電子學。負責對超級模塊320通道的數(shù)據(jù)進行放大甄別、時間數(shù)字化等處理。

2) 分布式數(shù)據(jù)讀出節(jié)點。負責接收前端電子學傳送的數(shù)據(jù)，獨立、并行地將其轉(zhuǎn)發(fā)給后端計算機。

3) 交換機。負責分布式數(shù)據(jù)讀出節(jié)點與后端計算機之間科學數(shù)據(jù)和控制命令數(shù)據(jù)的交換。

4) 后端計算機。負責接收科學數(shù)據(jù)，對其進行事例組裝，控制前端電子學及分布式數(shù)據(jù)讀出節(jié)點，監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)等。

粒子物理實驗中的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)所需實現(xiàn)的功能一般包括兩個方面：一是負責將前端電子學獲取得到的科學數(shù)據(jù)傳輸給后端計算機；二是負責向前端電子學及分布式數(shù)據(jù)讀出節(jié)點傳輸控制命令及相關(guān)參數(shù)，同時將前端電子學及分布式數(shù)據(jù)讀出節(jié)點的運行狀態(tài)反饋給后端計算機。圖 2所示的分布式數(shù)據(jù)讀出側(cè)重實現(xiàn)的是第一方面的功能。各分布式數(shù)據(jù)讀出節(jié)點在具體實現(xiàn)時將被放置在讀出機箱中，因此可考慮利用機箱控制器及背板總線來完成對前端電子學及分布式數(shù)據(jù)讀出節(jié)點的配置、控制及狀態(tài)監(jiān)測。這樣科學數(shù)據(jù)讀出通道與系統(tǒng)狀態(tài)、控制傳輸通道相分離，互不干擾。

2 多節(jié)點并行化數(shù)據(jù)讀出軟件架構(gòu)

上述數(shù)據(jù)讀出方法中的分布式數(shù)據(jù)讀出節(jié)點實現(xiàn)上采用自行設(shè)計的千兆以太網(wǎng)扣板ROB (Read-Out Board)。利用ROB上的千兆位高速以太網(wǎng)口與后端計算機(Personal Computer, PC)進行通信，實現(xiàn)獨立并行的數(shù)據(jù)傳輸。后端PC上運行的DAQ軟件，則主要負責接收各數(shù)據(jù)讀出節(jié)點的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)率約為6Gbit·s?1的科學數(shù)據(jù)進行實時事例組裝，并且提供友好的圖形界面。運行在后端PC上的DAQ軟件與運行在機箱控制器上的嵌入式軟件部分相配合，共同完成對前端電子學及分布式數(shù)據(jù)讀出節(jié)點的控制、參數(shù)配置、顯示系統(tǒng)的關(guān)鍵狀態(tài)信息等功能。

圖 3是為實現(xiàn)上述分布式數(shù)據(jù)讀出方案而設(shè)計的多節(jié)點并行化數(shù)據(jù)讀出軟件架構(gòu)，由數(shù)據(jù)子節(jié)點(Slave node)、數(shù)據(jù)主節(jié)點(Master node)和圖形界面(Graphical User Interface, GUI)三部分組成。其中各分布式數(shù)據(jù)讀出節(jié)點和讀出機箱上的機箱控制器上作為數(shù)據(jù)子節(jié)點，通過網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)主節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸通信；數(shù)據(jù)主節(jié)點及圖形界面運行于后端PC，共同實現(xiàn)DAQ軟件的功能。

圖3 多節(jié)點并行化數(shù)據(jù)讀出軟件架構(gòu)Fig.3 Architecture of multi-node parallelized data readout.

3 數(shù)據(jù)讀出軟件架構(gòu)的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)子節(jié)點

數(shù)據(jù)子節(jié)點包含兩種類型：第一類負責科學數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆植际綌?shù)據(jù)讀出節(jié)點；第二類負責參數(shù)配置、命令控制及狀態(tài)監(jiān)測的讀出機箱控制器。第二類子節(jié)點的實現(xiàn)與數(shù)據(jù)主節(jié)點中命令狀態(tài)接收轉(zhuǎn)發(fā)的實現(xiàn)類似，在此不詳細說明。這里主要對第一類子節(jié)點的軟件設(shè)計實現(xiàn)進行介紹。

分布式數(shù)據(jù)讀出節(jié)點硬件實現(xiàn)采用自行設(shè)計的千兆以太網(wǎng)扣板ROB。ROB使用現(xiàn)場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array, FPGA)與ARM (Acorn Reduced Instruction Set Computer Machine)相結(jié)合的處理器，利用片上系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)讀出子節(jié)點的千兆網(wǎng)絡(luò)傳輸能力，其結(jié)構(gòu)如圖 4所示。FEE (Front-End Electronic)數(shù)據(jù)接口為統(tǒng)一定義的邏輯接口，該接口模塊緩存數(shù)據(jù)并將其送入數(shù)據(jù)打包處理模塊進行處理，打包好的數(shù)據(jù)送入DAQ接口模塊，該模塊利用TCP/IP收發(fā)功能將數(shù)據(jù)包送往DAQ。在網(wǎng)絡(luò)編程實現(xiàn)中，通常采用客戶/服務(wù)器模型[6]。此處，ROB作為服務(wù)器端，DAQ中的數(shù)據(jù)主節(jié)點作為客戶端。

圖4 ROB結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of ROB.

ROB模塊基于嵌入式Linux系統(tǒng)的高性能數(shù)據(jù)傳輸軟件工作流程如圖 5所示。程序啟動后，首先創(chuàng)建監(jiān)聽套接字(Socket)、接受連接；在接收到開始數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)拿詈?，發(fā)起DMA (Direct Memory Access)操作，將在FPGA上接收并打包處理好的數(shù)據(jù)傳輸至嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)核空間中；接下來通過read()方法，將數(shù)據(jù)從嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)核空間復制到用戶空間；而后，調(diào)用send()方法，通過TCP Socket將數(shù)據(jù)發(fā)送給DAQ，實現(xiàn)一次數(shù)據(jù)的傳輸。上述數(shù)據(jù)讀出、傳輸過程一直循環(huán)，當接收到停止數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)拿詈?，程序結(jié)束退出。

利用iperf工具測得ROB模塊的理想傳輸速率為單線程下607Mbit·s?1、雙線程下714Mbit·s?1。在全鏈路情況下，測得ROB模塊的數(shù)據(jù)傳輸速率為467Mbit·s?1。

圖5 ROB模塊數(shù)據(jù)傳輸軟件工作流程圖Fig.5 Workflow diagram of ROB module data transmission software.

3.2 數(shù)據(jù)主節(jié)點

數(shù)據(jù)主節(jié)點運行于后端PC上，通過網(wǎng)絡(luò)與各數(shù)據(jù)子節(jié)點及GUI進行數(shù)據(jù)傳輸。在DAQ軟件中，數(shù)據(jù)主節(jié)點作為客戶端存在，實現(xiàn)下述功能：

1) 接收來自第一類數(shù)據(jù)子節(jié)點的科學數(shù)據(jù)。

2) 對接收到的科學數(shù)據(jù)進行事例組裝。

3) 接收來自第二類數(shù)據(jù)子節(jié)點的狀態(tài)信息，并轉(zhuǎn)發(fā)給GUI。

4) 接收來自GUI的命令及配置信息，并轉(zhuǎn)發(fā)給第二類數(shù)據(jù)子節(jié)點。

3.2.1 多線程

使用多線程技術(shù)，將程序劃分成多個獨立的任務(wù)，可提高程序的響應(yīng)速度。這里將數(shù)據(jù)主節(jié)點設(shè)計為一個基于多線程技術(shù)的并發(fā)型軟件。由主線程、數(shù)據(jù)接收線程、數(shù)據(jù)存儲線程、命令狀態(tài)接收轉(zhuǎn)發(fā)線程4個部分組成。

主線程主要負責完成初始化互斥鎖、線程管理鏈表和用做事例組裝緩沖區(qū)的單鏈表；創(chuàng)建數(shù)據(jù)存儲線程；依次連接各服務(wù)器端，連接成功后，創(chuàng)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)接收線程或命令、狀態(tài)接收轉(zhuǎn)發(fā)線程；并且更新線程管理鏈表。

數(shù)據(jù)接收線程的主要功能是接收來自分布式數(shù)據(jù)讀出節(jié)點的科學數(shù)據(jù)包，將其存放至事例組裝鏈表中。

數(shù)據(jù)存儲線程只有一個，該線程會在被條件變量喚醒后檢查packet_assembled_counter（該變量表示了已組裝好的事例的個數(shù)）的值。當packet_assembled_counter值不為0時，數(shù)據(jù)存儲線程讀取事例組裝鏈表中的科學數(shù)據(jù)，按照預(yù)先定義的格式保存數(shù)據(jù)至文件中。

命令、狀態(tài)接收轉(zhuǎn)發(fā)線程則主要負責接收來自GUI的命令及配置信息并轉(zhuǎn)發(fā)給機箱控制器，以及接收來自機箱控制器的狀態(tài)信息并轉(zhuǎn)發(fā)給GUI。

3.2.2 事例組裝

事例組裝的實現(xiàn)是通過所有數(shù)據(jù)接收線程與數(shù)據(jù)存儲線程的相互協(xié)作，共同對事例組裝鏈表進行維護處理完成的。事例組裝鏈表如圖 6所示，鏈表中的節(jié)點個數(shù)取決于數(shù)據(jù)率和數(shù)據(jù)存儲線程的處理能力。

圖6 事例組裝緩沖區(qū)鏈表Fig.6 Like list of event building buffer.

在數(shù)據(jù)接收線程的處理中，當事例組裝鏈表各節(jié)點中的end_count等于已連接的第一類數(shù)據(jù)子節(jié)點個數(shù)時，將修改全局變量packet_assembled_counter的值，對其加1，然后通過pthread_cond_signal()系統(tǒng)調(diào)用通知數(shù)據(jù)保存線程進行保存。數(shù)據(jù)存儲線程使用pthread_cond_wait()系統(tǒng)調(diào)用阻塞線程，等待目標條件變量，當數(shù)據(jù)接收線程通過pthread_cond_signal()將其喚醒后，檢查packet_assembled_counter的值，只要它不為0時，數(shù)據(jù)存儲線程每次讀取事例組裝鏈表中第一個節(jié)點下的科學數(shù)據(jù)，保存數(shù)據(jù)至文件中，之后刪除該節(jié)點，同時對packet_assembled_counter進行減1操作。當接收到整體工作結(jié)束的信息后，關(guān)閉文件，結(jié)束此次事例組裝。所有的數(shù)據(jù)接收線程相互協(xié)同，在事例組裝鏈表中完成事例組裝，并通過條件變量通知數(shù)據(jù)存儲線程讀取已組裝好的數(shù)據(jù)。從生產(chǎn)者-消費者模型的角度看，數(shù)據(jù)接收線程是生產(chǎn)者，數(shù)據(jù)存儲線程是消費者。

3.3 圖形界面

圖形界面作為DAQ軟件的一部分，通過網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)主節(jié)點進行命令、狀態(tài)數(shù)據(jù)的交互。這樣的分層設(shè)計便于日后軟件的升級和維護。界面軟件的功能包括：命令控制、參數(shù)配置和狀態(tài)顯示等。

此處選用Qt進行圖形界面軟件的開發(fā)。Qt是一個跨平臺的C++圖形用戶界面庫，支持Linux系統(tǒng)，Windows系統(tǒng)及所有的Unix系統(tǒng)[7]。利用千兆以太網(wǎng)和Qt提供的基于傳輸控制協(xié)議(TCP/IP)的Socket API即可實現(xiàn)圖形界面與數(shù)據(jù)主節(jié)點間穩(wěn)定可靠的雙向數(shù)據(jù)傳輸。采用多線程技術(shù)，利用Qt提供的QThread類，將耗時的數(shù)據(jù)收發(fā)置于一個新的線程，可提高界面應(yīng)用程序的響應(yīng)速率。

實現(xiàn)的圖形界面軟件如圖 7所示。界面主要分為上下兩塊區(qū)域：上方為命令控制、參數(shù)配置區(qū)，包括TDC參數(shù)配置、開始/結(jié)束、自檢、TDC邏輯復位、TDC GTP (Gigabit Transceiver with low Power)復位、TRM邏輯使能、TRM邏輯復位、TDC同步啟動等命令；下方為狀態(tài)信息顯示區(qū)域，將接收到的各模塊工作狀態(tài)信息實時地進行顯示。

圖7 DAQ軟件圖形界面Fig.7 DAQ software graphic interface.

在實驗室環(huán)境下，對設(shè)計實現(xiàn)的整個軟件原型進行了功能測試。測試結(jié)果表明，事例組裝、參數(shù)配置、命令發(fā)送、狀態(tài)顯示等功能均工作正常，滿足預(yù)期要求。

4 測試與驗證

本節(jié)對分布式數(shù)據(jù)讀出節(jié)點中的ROB原型模塊進行數(shù)據(jù)傳輸性能的測試。測試內(nèi)容包括ROB模塊理想網(wǎng)絡(luò)傳輸速率以及在全鏈路情況下的數(shù)據(jù)傳輸速率。此處全鏈路是指ROB模塊從FPGA接收硬件數(shù)據(jù)到通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去的全過程。

使用iperf工具測得的ROB模塊理想網(wǎng)絡(luò)傳輸速率如圖 8所示。單線程情況下傳輸速率能夠達到607Mbit·s?1，雙線程下約714Mbit·s?1。單線程相比于雙線程速率較低并且波動較大，表明ROB的CPU單核處理能力有限。表1中記錄的是ROB模塊在不同情況下的數(shù)據(jù)傳輸速率測試結(jié)果。ROB在全鏈路情況下的綜合傳輸速率為467Mbit·s?1。

圖8 ROB模塊理想網(wǎng)絡(luò)傳輸速率Fig.8 Ideal network transmission rate of ROB.

表1 ROB模塊數(shù)據(jù)傳輸速率測試結(jié)果Table 1 Test results of ROB module data transfer rate.

5 結(jié)語

CBM-TOF超級模塊探測器具有通道數(shù)多、通道擊中率高的特點。在對其性能評估、質(zhì)量控制時，面臨SM高數(shù)據(jù)率(6Gbit·s?1)情況下的數(shù)據(jù)讀出問題，采用傳統(tǒng)的基于背板總線和機箱控制器匯總傳輸?shù)姆椒ǎ瑢崿F(xiàn)難度較大?；诖耍疚奶岢隽艘环N基于千兆以太網(wǎng)的分布式數(shù)據(jù)讀出方法，介紹了針對此讀出方案而設(shè)計的多節(jié)點并行化數(shù)據(jù)讀出軟件架構(gòu)。并基于Linux系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)讀出軟件架構(gòu)中的各個部分進行了具體的設(shè)計與實現(xiàn)，對分布式數(shù)據(jù)讀出子節(jié)點中的ROB模塊進行了測試。測試結(jié)果表明，針對單條數(shù)據(jù)傳輸路徑，ROB原型模塊在全鏈路情況下，能實現(xiàn)約467Mbit·s?1的綜合數(shù)據(jù)傳輸速率。同時傳輸方案中事例組裝、命令發(fā)送、狀態(tài)顯示等功能均運行正常。綜上，此分布式數(shù)據(jù)讀出方法及設(shè)計實現(xiàn)的軟件原型可后續(xù)用于對CBM-TOF超級模塊探測器的質(zhì)量控制數(shù)據(jù)讀出，方案中分布式數(shù)據(jù)讀出子節(jié)點實現(xiàn)還有待進一步的改善。

致謝 感謝CBM合作組孫勇杰副教授、范歡歡博士、汪昀碩士對本文工作的熱心幫助，以及在測試方法方面的指導。

參考文獻

1 尹春艷. BESIII端蓋飛行時間讀出電子學系統(tǒng)升級設(shè)計[D] . 合肥: 中國科學技術(shù)大學, 2011.

YIN Chunyan. Design of the upgrading readout electronics system for BESIII ETOF[D]. Hefei: University of Science and Technology of China, 2011.

2 Schambach J, Bridges L, Eppley G, et al. STAR time of flight readout electronics, DAQ, and cosmic ray test stand[C]. IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record, San Diego, California, 2006: 485?488.

3 The CBM Collaboration. Technical design report for the CBM, time-of-flight system (TOF)[EB/OL]. 2017-01-30. https://repository.gsi.de/record/109024.

4 The STAR TOF Collaboration. Proposal for a large area time of flight system for STAR[EB/OL]. 2017-01-30. https://www.star.bnl.gov/public/tof/publications/TOF_200 40524.pdf.

5 Kluge A, Spegel M. Study of the ALICE time of flight readout system-AFRO[EB/OL]. 2017-01-30. https://cds. cern.ch/record/434208/files/p377.pdf.

6 游雙. Linux高性能服務(wù)器編程[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2013.

YOU Shuang. Linux high performance server programming[M]. Beijing: China Machine Press, 2013.

7 Blanchette J, Summerfield M. C++ GUI Qt4編程[M]. 2版. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2013. Blanchette J, Summerfield M. C++ GUI programming with Qt4[M]. 2nd ed. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2013.

A distributed data readout method for quality control of CBM-TOF super module detector

ZHANG Yaxi1,2CAO Ping1,3HUANG Xiru1,2ZHENG Jiajun1,2JIANG Di1,2AN Qi1,2
1(State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)
2(Department of Modern Physics, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)
3(School of Nuclear Science and Technology, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

Background: The time-of-flight (TOF) detector is a key component in the compressed baryonic matter (CBM) experiment at the facility for antiproton and ion research (FAIR). It utilizes super module detectors to achieve high-denseness, high-precision particle flight time measurement. Each super module supports up to 320 channels of high-precision time measurement capabilities, and the data transfer will reach up to 6-Gbit·s?1peak rate. Purpose: This study aims at the quality control of data readout system for CBM-TOF super module. Methods: First of all, the background and readout methods in similar TOF detectors were introduced. Then a distributed data readout method and related software framework was proposed to meet the quality control readout requirements by using the system on chip (SOC) techniques. Finally, a prototype software was implemented under Linux operating system to test and verify the feasibility of the distributed data readout method. Results: The read-out board (ROB) prototype module for

a single data transmission path achieved approximate 467-Mbit·s?1data transfer rate in the case of full-link. Both data acquisition and status monitoring of each component of CBM-TOF were implemented properly in the software. Conclusion: The distributed data readout method and the related prototype software implementation can be used for quality control of CBM-TOF super module readout.

CBM-TOF super module, Distributed data transmission, Gigabit Ethernet

ZHANG Yaxi, female, born in 1993, graduated from Huazhong Normal University in 2014, master student, mainly engaged in particle physics experiment data acquisition research

CAO Ping, E-mail: cping@ustc.edu.cn

date: 2017-01-30, accepted date: 2017-03-15

TL8

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.060404

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）項目(No.2015CB856906)、中國工程物理研究院中子物理重點實驗室基金(No.2014AC03)資助

張雅希，女，1993年出生，2014年畢業(yè)于華中師范大學，現(xiàn)為碩士研究生，主要從事粒子物理實驗數(shù)據(jù)獲取研究

曹平，E-mail: cping@ustc.edu.cn

2017-01-30，

2017-03-15

Supported by National Basic Research Program (973 Program) (No.2015CB856906), Key Laboratory of Neutron Physics of China Academy of

Engineering Physics (No.2014AC03)