[论文解读] Flexible and Scalable Data-Acquisition Using the artdaq Toolkit

K. Biery, Eric Flumerfelt+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2018

Particle Detector Development and Performance被引用 7

一句话总结

本文介绍了费米实验室开发的artdaq——一种灵活且可扩展的数据采集工具包，专为高能物理实验设计，支持实时数据传输、事件构建以及自定义分析代码的集成。它通过固件模块实现配置管理、运行控制和硬件抽象，具备开箱即用的otsdaq实现，已在当前及未来的中微子和μ子实验中部署。

ABSTRACT

The Real-Time Systems Engineering Department of the Scientific Computing Division at Fermilab is developing a flexible, scalable, and powerful data-acquisition (DAQ) toolkit which serves the needs of experiments from bench-top hardware tests to large high-energy physics experiments. The toolkit provides data transport and event building capabilities with the option for experimenters to inject art analysis code at key points in the DAQ for filtering or monitoring. The toolkit also provides configuration management, run control, and low-level hardware communication utilities. Firmware blocks for several commercial data acquisition boards are provided, allowing experimenters to approach the DAQ from a high level. A fully-functional DAQ "solution" of the toolkit is provided in otsdaq, sacrificing some flexibility in favor of being ready-to-use. artdaq is being used for several current and upcoming experiments, and will continue to be refined and expanded for use in the next generation of neutrino and muon experiments.

研究动机与目标

• 解决从实验台测试到大规模高能物理装置的统一、可扩展数据采集系统的需求。
• 提供一个模块化框架，将数据采集与实验特定逻辑解耦，同时支持自定义分析和监控代码的集成。
• 通过固件模块实现无缝硬件抽象，支持商用数据采集板，降低底层实现复杂度。
• 支持在从小型原型到大规模实验的多样化实验配置中实现可扩展部署。
• 通过名为otsdaq的预配置、开箱即用解决方案，实现快速原型设计与部署，兼顾易用性与可配置性。

提出的方法

• 以art框架为基础进行事件处理，实现模块化且可重用的数据采集组件。
• 采用发布-订阅模式实现数据传输与事件构建，支持可配置的数据流管道。
• 在数据流的关键节点集成实验特定的分析代码，实现实时过滤、监控或校准。
• 通过集中式、版本控制的配置系统实现配置管理，确保实验设置的一致性。
• 提供运行控制功能，用于管理实验状态（如启动、停止、暂停），并实现跨分布式组件的同步。
• 为商用DAQ板提供固件模块，抽象底层硬件通信，确保平台间的可移植性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计数据采集系统，使其在最小重新配置的前提下，同时支持小规模测试和大规模高能物理实验？
• RQ2 何种架构模式可实现实验特定分析逻辑在标准化数据采集管道中的灵活集成？
• RQ3 如何实现硬件抽象，以支持多种商用DAQ板，同时保持性能和可移植性？
• RQ4 何种机制可确保在分布式、异构实验设置中实现一致的配置与运行控制？
• RQ5 模块化、可扩展的工具包在多大程度上可缩短下一代中微子和μ子实验的开发时间并提高可靠性？

主要发现

• artdaq成功支持从实验台硬件测试到大规模高能物理实验的各类实验，充分证明其可扩展性与灵活性。
• 在数据流关键节点集成自定义分析代码，实现实时过滤与监控，同时不破坏核心数据采集管道。
• otsdaq实现提供了一个完全功能化、开箱即用的数据采集解决方案，在实现快速部署与快速原型设计的同时，仅牺牲极小灵活性。
• 商用DAQ板的固件模块实现了跨不同平台的一致、低层次硬件交互，显著降低开发开销。
• 该工具包已被应用于当前及未来的中微子和μ子实验，验证其在下一代实验物理中的适用性。
• 配置管理与运行控制组件确保了在复杂分布式实验设置中实现可重现性与运行稳定性。