[논문 리뷰] DAQ Development for Silicon-On-Insulator Pixel detectors

Ryutaro Nishimura, Y. Arai외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 17.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 SEABAS2 FPGA 보드에 내장된 펌웨어와 PC에서 실행되는 개선된 소프트웨어를 사용하여 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 픽셀 검출기 전용 고속 안정형 데이터 수집(DAQ) 시스템을 제시한다. 소프트웨어 추상화, 다중 스레드 처리, 펌웨어 기반 트리거 속도 제어를 구현함으로써 약 90 Hz의 읽기 속도를 달성하여 이론적 최대 속도의 94% 수준에서 안정된 프레임 레이트와 고해상도 영상 촬영이 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• SOI 픽셀 검출기용 고속 안정형 데이터 수집(DAQ) 시스템을 개발하여 빠르고 고해상도 측정을 가능하게 한다.
• 기존 DAQ 시스템의 소프트웨어 비효율성 문제를 해결한다. 특히 단일 스레드 처리 및 단일 구조의 코드로 인해 데이터 처리량과 안정성이 제한되는 문제를 해결한다.
• 데이터 전송 중 네트워크 부하가 변동되는 상황에서도 안정적인 프레임 레이트를 확보하기 위해 펌웨어 수준의 트리거 속도 제어 기능을 구현한다.
• INTPIX4와 같은 SOI 기반 픽셀 센서를 활용하여 시간 응답성 및 영상 촬영 응용 분야에서 신뢰할 수 있고 반복 가능한 데이터 수집을 가능하게 한다.

제안 방법

• 시스템 기능을 DaqEnv 클래스에 캡슐화하여 소프트웨어 추상화 및 계층화를 적용함으로써 코드의 모듈화와 유지보수성 향상을 도모한다.
• WIN32API 및 Posix Thread 라이브러리를 사용하여 다중 스레드 처리를 구현하여 데이터 수집 및 저장 기능을 별도의 스레드로 분리하여 병렬 실행을 구현한다.
• 수집 및 저장 스레드 간의 안전한 데이터 전달을 위해 FIFO 버퍼(std::list)를 사용하여 지연 시간을 줄이고 처리량을 향상시킨다.
• 낮은 주파수의 클록(TCC)을 사용하여 펌웨어 기반 트리거 속도 제어(TRC) 메커니즘을 설계하여 프레임 수집 타이밍을 조절하고 출력 속도를 안정화시킨다.
• Qt 5.4를 사용하여 새로운 GUI를 통합하고, OpenCV 및 picojson을 활용하여 데이터 처리 및 설정을 수행한다.
• PC와 SEABAS2 보드 간에 고대역폭 데이터 전송을 위해 기가비트 이더넷과 TCP/UDP 프로토콜을 사용하여 DAQ 시스템을 연결한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소프트웨어 추상화 및 모듈화는 SOI 픽셀 검출기용 DAQ 시스템의 유지보수성과 확장성에 상당한 영향을 미칠 수 있는가?
• RQ2 다중 스레드 처리는 고처리량 DAQ 환경에서 데이터 수집 속도와 시스템 효율성에 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 펌웨어 기반 트리거 속도 제어는 데이터 전송 조건이 변동되는 상황에서도 프레임 레이트를 효과적으로 안정화시키는가?
• RQ4 새로운 DAQ 시스템은 INTPIX4와 같은 SOI 픽셀 센서에서 이론적 최대 읽기 속도에 근접한 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 새로운 DAQ 소프트웨어는 이전의 단일 스레드 버전 대비 약 3배 빠른 데이터 전송 속도를 달성하여 이론적 최대 처리량에 근접한 성능을 확보했다.
• 건조한 고등어와 고추의 엑스선 영상 촬영 결과, 명확한 구조적 세부 정보가 확인되어 65 Hz의 프레임 레이트에서 신뢰할 수 있는 데이터 수집이 이루어졌으며, 이는 추정 최대 속도의 94%에 해당한다.
• 트리거 속도 제어(TRC) 기능은 설정된 TCC 클록 주기에 따라 정확히 맞춰져 프레임 수가 명확히 연관되어 나타났다(10, 25, 50, 75 Hz).
• 최적 조건에서 시스템은 약 90 Hz의 안정된 읽기 속도를 확보하여 소프트웨어 및 펌웨어 최적화의 유효성을 입증했다.
• 모듈화된 소프트웨어 아키텍처 덕분에 기존 및 신규 GUI 간 기능의 원활한 이식이 가능했으며, Windows 7/8/10(32/64비트)와 Linux 지원이 개발 중이어서 호환성이 뛰어나다.
• 병렬 처리 및 흐름 제어를 통해 데이터 전송 병목 현상을 효과적으로 줄여 고속 고해상도 영상 촬영 응용 분야에 매우 효과적임을 입증했다.