[論文レビュー] DAQ Development for Silicon-On-Insulator Pixel detectors

Ryutaro Nishimura, Y. Arai+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2015

Particle Detector Development and Performance参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、SEABAS2 FPGA ボードに組み込まれたファームウェare と PC 上の最適化されたソフトウェアを用いて、シリコンオンインサレータ（SOI）ピクセル検出器向けに高速で安定したデータ取得（DAQ）システムを提示する。ソフトウェア抽象化、マルチスレッド処理、およびファームウェアベースのトリガーレート制御を実装することで、約 90 Hz の読み出し速度を達成し、理論最大速度の 94% に達する高解像度イメージングと安定したフレームレートを実現した。

ABSTRACT

We are developing DAQ for Si-pixel detectors by using a Slicon-On-Insulator (SOI) technology. This DAQ consists of firmware works on SEABAS (Soi EvAluation BoArd with Sitcp) DAQ board and software works on PC. We have been working on the development of firmware/software. Now we accomplished to speed up the readout (~90Hz) and to add a function for frame rate control. This is the report of our development work for the High Speed DAQ system.

研究の動機と目的

• SOI ピクセル検出器向けに高速で安定したデータ取得（DAQ）システムを開発し、高速で高解像度の測定を可能にする。
• 従来の DAQ システムにおけるソフトウェアの非効率性、例えばモノリシックなコード構造やシングルスレッド処理といった要因がデータスルーレートと安定性を制限する問題を解決する。
• ファームウェアレベルでのトリガーレート制御を実装し、特にネットワーク負荷が変動する状況下でもフレームレートの安定化を図る。
• INTPIX4 などの SOI ベースのピクセルセンサーを用いた時間的応答測定やイメージング用途に、信頼性が高く再現性のあるデータ取得を可能にする。

提案手法

• システム機能を DaqEnv クラスにカプセル化することで、ソフトウェア抽象化と階層化を実施し、コードのモジュラー化と保守性の向上を図った。
• WIN32API および Posix Thread ライブラリを用いてマルチスレッド処理を実装し、データ取得とデータ保存を独立したスレッドに分離して並列実行を実現した。
• 取得スレッドと保存スレッド間での安全なデータ転送を実現するため、FIFO バッファ（std::list）を採用し、遅延の低減とスルーレートの向上を達成した。
• 低周波数クロック（TCC）を用いたファームウェアベースのトリガーレート制御（TRC）機構を設計し、フレーム取得タイミングを制御し、出力レートの安定化を図った。
• Qt 5.4 を用いて新しい GUI を統合し、データ処理と設定には OpenCV および picojson を使用した。
• PC と SEABAS2 ボード間で Gigabit Ethernet を介し、TCP/UDP プロトコルを用いて高帯域幅のデータ転送を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ソフトウェアの抽象化とモularity は、SOI ピクセル検出器向け DAQ システムの保守性と拡張性を顕著に向上させるか？
• RQ2 マルチスレッド処理は、高スルーレート DAQ パラダイムにおいて、データ取得速度とシステム効率をどの程度向上させるか？
• RQ3 ファームウェアベースのトリガーレート制御は、データ転送条件が変動する状況下でもフレームレートの安定化に効果を発揮するか？
• RQ4 新しい DAQ システムは、INTPIX4 などの SOI ピクセルセンサーにおいて、理論最大読み出し速度に近い性能を達成できるか？

主な発見

• 新しい DAQ ソフトウェアは、従来のシングルスレッド版と比較して、データ転送速度が約 3 倍向上し、最大スルーレートに近い性能を達成した。
• 乾燥したアジとパプリカの X 線イメージングにより、明確な構造的詳細が確認され、65 Hz のフレームレート（推定最大値の 94%）での信頼性の高いデータ取得が裏付けられた。
• トリガーレート制御（TRC）機能は、選択された TCC クロックにフレーム取得を正確に同期させることができ、1 ブリンク期間あたりのフレーム数が設定クロック周波数（10, 25, 50, 75 Hz）と明確に相関していた。
• 最適な条件下で、安定した読み出し速度約 90 Hz を達成し、ソフトウェアとファームウェアの最適化の有効性が検証された。
• モジュラーなソフトウェアアーキテクチャにより、旧来の GUI と新しい GUI 間での機能のシームレスな移行が可能となり、Windows 7/8/10（32/64 ビット）との互換性が確保された。Linux 対応は開発中である。
• 並列処理とフロー制御により、データ転送のボトルネックが効果的に低減され、高速かつ高解像度のイメージング応用に有効であることが実証された。