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50500字硕士毕业论文可重构核仪器综述

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:50500字
论点:重构,核电,随机性
论文概述:

本工作提出了可重构核仪器概念,研发了一套可重构核仪器系统,并将其应用到了不同类型的实验中。可重构核仪器系统不是一块简单的硬件数据釆集电路,而是包含了前端电路,数字化,数字功能算

论文正文:

第一章引言

 核电子学的发展主要受到两大驱动力的推动,一是物理实验的发展对电子学技术提出了更多更高的要求;另一方面是电子科学技术的发展为核电子学提供了更多的实现方法和手段。20世纪50年代,人们对核与粒子微观世界的研究越来越深入,随着科技进步,人类建造了许多的大型粒子加速器和对撞机以及研究各种宇宙射线的大型实验探测装置,这些实验装置无一例外地都离不开复杂的电子学系统。这类实验装置的规模通常比较大。如欧洲核子研宄中心CERN的大型强子对撞机(LargeHadron Collider, LHC),粒子加速环的周长为27公里,粒子对撞能量14TeV,每25ns对撞一次,其中一个谱仪超环面仪器(A Toroidal LHC Apparatus,ATLAS)长44米,直径为25米,总重量为7000吨。有来自34个国家和地区的150个学术机构的2000位科学家和工程师共同参与。它具有成百上千个电子学通道,每秒产生23千兆字节的数据。此外,对撞谱仪对空间分辨的要求较高,在Atlas上使用了半导体像素探测器和桂微条探测器,探测器单元和读出电子学单元直接集成在半导体上,电子学空间密度大。所以,粒子物理实验的电子学技术需要满足大规模、高速度、高密度的要求。另一方面,微型计算机的出现,数字采样技术的发展将核电子学带入了数字化领域。随着制造工艺的提升和制造成本的降低,定制AISC技术,集成探测器和电子学的半导体工艺为核电子学的发展注入了新鲜血液。它有其自身的特点:(1),随机性。随机性是指核电子学所要处理的信号在幅度上呈现高斯分布的随机性,在信号到达时间上呈现泊松分布的随机性,同时还存在由于粒子在探测器中穿越径迹的不同造成的信号宽度的随机性。一个电路的动态范围有限,不能包容随机信号的全部可能,因此随机性往往对信号处理的过程提出了特殊的要求,例如在信号的定时郵别中,由于信号幅度的随机性,普通的前沿諷别定时会产生幅度游动效应,降低定时的精度。为此,需要使用专门的恒比定时甄别或者过零定时藤别的方法,来消除随机性来带的影响。总之,处理随机性信号是核电子学的特点之一。
第2章 可重构技术路线
 2. 1可重构技术的定义虽然可重构的概念最早是为了解决电子计算领域性能和灵活性之间的矛盾而提出的,但是一直没有一个确定的定义。可重构的概念最早是由加州大学的GeraldEstrin在20世纪60年代提出的。直到1999年,才由Andre Dehon等人给了一种比较科学的可重构计算定义:能够改变设计后的硬件和能实现算法到硬件计算设备空间映射。也就是说,对于一种己生产出来的芯片或硬件设备,可以灵活改变其硬件结构,实现不同的功能。这样,在电子计算领域,既弥补了ASIC生产出来后不能被灵活改变的缺点,又解决了通用处理器不够高效的问题,兼备了 ASIC的高效性和通用处理器的灵活性。灵活改变硬件结构是指对物理层面的电路单元的功能和电路连接结构进行改变,其关键是对硬件的编程,而且是可重复的编程。能够根据不同的需求,改变硬件结构上物理层面上的电路连接,从而使硬件呈现出不同的功能[16]。可重构的概念虽然于上世纪60年代被提出来,但是一直受到技术的限制,而缺乏很好的硬件平台。建立可重构系统首先要求其性能上要优于现有的设备,其次,还需要有较好的灵活性,能够承担变化较多的任务,最后,还需要有一个简单方便快捷的重构方式。所以,直到上世纪90年代后期,由于技术的突破,才使得可重构技术从概念向实用领域迈进。
 第3章:核与粒子物理实验测量控制的需求............213.1核测量的内容............213.2测量的规模............253.3测量的方式............273.4本章小结............28第4章:可重构核仪器系统设计............294.1总体设计............294.2硬件部分设计............324.3实时算法功能和设计............554.4离线算法和数据的后处理............654.5重构流程............714.6上位机软件层次设计............714.7本章小结............72第5章:可重构核仪器系统基本性能测试............735.1 ADC............735.2 TDC............765.3 DAC............785.4高压输出............795.5本章小结............80
总结
 可重构核仪器是核电子学的发展方向。在实验需求和技术进步的双重驱动下,核电子学技术发生多次的变革。新需求和新技术不断出现,传统的核电子学手段逐渐显露出一些不足。于是,借用电子计算领域的可重构概念,可重构核仪器应用而生。本工作提出了可重构核仪器概念,研发了一套可重构核仪器系统,并将其应用到了不同类型的实验中。可重构核仪器系统不是一块简单的硬件数据釆集电路,而是包含了前端电路,数字化,数字功能算法的实现平台(FPGA),数据传输的接口,计算机,实时数字功能算法,离线数据处理算法等几部分的有机整体。通过实时数字功能算法的实现,结合不同的前端电路和数据后处理方法,使可重构核仪器呈现不同的功能。特别需要指出的是,实时功能算法是一个开放的体系,永远处于不断的更新和完善之中,新功能的开发,性能的提升都依赖于算法的创新和改进。可重构核仪器最大的优点就是其快速方便的功能重构,可以在不同应用场合表现出优越的性能。通过可重构的方式可以节约开发成本,快速搭建实验系统;可以进行电路的原理验证;可以在多种测量方式间快速转换。
 参考文献:[1]马明建.2005.数据采集与处理技术[M].西安:西安交通大学出版社席德明.1982.常用核电子技术[M].北京:科学出版社.[3]王进红.2012.基于开关电容矩阵的波形数字化技术研宄[D]:[博士].合月E:中国科学技术大学,1-2.王经瑾范天民钱永庚.1983.核电子学[M].北京:原子能出版社谢一刚,陈昌,王曼等.2003.粒子探测器与数据获取[M].北京:科学出版社Ponting P,Verweij H. 1991. Instrumentation buses for high energy physics,past,present and future [J]. Nuclear Science,IEEE Transactions on, 38(2):322-324.Larsen R S. 2010. PICMG xTCA standards extensions for physics: Newdevelopments and future plans[C]//Real Time Conference (RT),17thIEEE-NPSS. IEEE,2010: 1-7.王峰.2007.部分重构计算系统的关键技术研宄[D]:[博士].合肥:中国科学技术大学覃祥菊,朱明程,张太锚,等.2004. FPGA动态可重构技术原理及实现方法分析[J].电子器件,27(2): 277-282.周盛雨.2007.基于FPGA的动态部分重构系统实现[D]:[博士].北京:中国科学院.