[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种基于 SEABAS2 FPGA 板上固件和 PC 端优化软件的高速、稳定数据采集（DAQ）系统，用于硅基绝缘体（SOI）像素探测器。通过实施软件抽象、多线程数据处理以及基于固件的触发速率控制，该系统实现了约 90 Hz 的读出速率，实现了稳定的帧率和 94% 理论最高速度的高分辨率成像。

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.

研究动机与目标

• 为 SOI 像素探测器开发一种高速、稳定的 DAQ 系统，以实现快速、高分辨率的测量。
• 解决现有 DAQ 系统中的软件低效问题，如单体式代码结构和单线程处理，这些因素限制了数据吞吐量和稳定性。
• 通过固件级触发速率控制（TRC）机制，稳定数据传输过程中的帧率，特别是在网络负载波动的情况下。
• 利用基于 SOI 的像素传感器（如 INTPIX4）实现可靠、可重复的数据采集，适用于时间响应和成像应用。

提出的方法

• 通过将系统功能封装在 DaqEnv 类中，实现软件抽象和分层设计，以模块化代码并提高可维护性。
• 使用 WIN32API 和 Posix Thread 库实现多线程处理，将数据采集和存储分离为独立线程，实现并行执行。
• 使用 FIFO 缓冲区（std::list）在采集线程和存储线程之间安全传输数据，降低延迟并提高吞吐量。
• 设计了一种基于固件的触发速率控制（TRC）机制，利用低频时钟（TCC）调节帧采集时间，稳定输出速率。
• 将优化后的软件与 Qt 5.4 集成以实现新图形用户界面（GUI），并使用 OpenCV 和 picojson 进行数据处理和配置。
• 通过千兆以太网使用 TCP/UDP 协议在 PC 和 SEABAS2 板之间连接 DAQ 系统，实现高带宽数据传输。

实验结果

研究问题

• RQ1 软件抽象和模块化是否能显著提升 SOI 像素探测器 DAQ 系统的可维护性和可扩展性？
• RQ2 在高吞吐量 DAQ 系统中，多线程处理在多大程度上提升了数据采集速度和系统效率？
• RQ3 在数据传输条件变化的情况下，基于固件的触发速率控制是否能有效稳定帧率？
• RQ4 新 DAQ 系统能否实现 SOI 像素传感器（如 INTPIX4）的接近理论最高速度读出？

主要发现

• 新 DAQ 软件的数据传输速率比之前的单线程版本快约三倍，实现了接近最大吞吐量。
• 对干燥的 anchovy 和红甜椒进行 X 射线成像，清晰显示出结构细节，证实了在 65 Hz 帧率下（即理论最大值的 94%）实现了可靠的数据采集。
• 触发速率控制（TRC）功能成功将帧采集同步至选定的 TCC 时钟，每闪烁周期的帧数与设定的时钟速率（10、25、50、75 Hz）明确相关。
• 在理想条件下，系统实现了约 90 Hz 的稳定读出速率，验证了软件与固件优化相结合的有效性。
• 模块化软件架构使得功能在旧版和新版 GUI 之间无缝迁移，且系统兼容 Windows 7/8/10（32/64 位），Linux 支持正在开发中。
• 通过并行处理和流量控制，该 DAQ 系统成功减少了数据传输瓶颈，证明其在高速、高分辨率成像应用中的有效性。