低温高密核物质测量谱仪(CEE)数据获取系统研究与实现
低温高密核物质测量谱仪(CSR External-target Experiment，CEE)将是我国第一台运行于GeV能区的、完全自主研制的大型核物理实验装置。它的建成对验证核相互作用的相关理论及微观模型以及研究量子色动力学在低温高密区的性质都具有重要价值。数据获取系统(Data Acquisition System，DAQ)是CEE实验的重要组成部分。它负责快速、完整地从读出电子学收集感兴趣事例，完成事例组装等实时处理任务，并最终将有效事例存储至硬盘等永久介质。在原始物理数据处理之外，数据获取系统往往还兼备系统配置和状态监控等功能。因此，一个可靠的、高性能的数据获取系统对CEE实验目标的达成具有重要意义。 CEE实验数据获取系统的设计实现面临诸多挑战。一方面，CEE实验预期产生的数据率和有效事例率分别高达4.5GB/s和10kHz。同时，实验规模还具有进一步升级的可能性。这对数据获取系统内各模块的处理性能以及架构上的可扩展性都提出了很高的要求。另一方面,CEE具有多达7类前端探测器子系统以及触发、慢控制等功能分系统。DAQ需要与上述所有系统建立连接并处理包括原始数据、命令、状态在内的各类信息流。这对其协议设计的兼容性也提出了较高要求。 本论文的主要工作是为CEE实验设计一套能够应对上述挑战、满足各类功能和性能需求的数据获取系统。针对CEE实验的实际需求，本文调研了国内外数个大型高能物理实验的DAQ方案，在分布式架构设计、协议设计、流处理模块设计及性能优化等关键技术上展开了深入研究，实现了一种软硬件协同的分布式流处理数据获取系统。 在架构方面，本论文将两款自主研发的FPGA通用读出板CROB-PXI、CROB-PCIe和服务器集群相结合，共同完成了分布式数据读出和事例组装。重点研究了分布式系统中不同I/O接口模型和负载均衡实现策略的优缺点，优选出适用于CEE的可扩展集群架构。在协议设计方面，论文研究了FPGA平台和服务器平台内不同通信协议的实现方式，设计了一种可兼容CEE各类探测器的数据容器，统一了全系统各类信息流的处理方式。在流处理模块设计方面，本文实现了一系列可复用和自由连接的流处理模块完成CEE实验的运行控制、状态监测、事例组装等任务。研究了不同工作参数对数据流上关键模块处理性能的影响，优化其设计方案。 实验室测试结果表明，在现有设备数量下，整套数据获取系统极限数据吞吐率可以达到9GB/s，事例组装速率超过20kHz，达到了本论文的研究目标，也充分满足CEE实验的应用需求。
低温高密核物质测量谱仪;数据获取;分布式系统;流处理
中国科学技术大学
博士
物理电子学
宋克柱;杨俊峰
2022
中文
O572.2
2023-04-13（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）