ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 6, с. 23-27
ПРИМЕНЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМ ТЕХНИКИ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ
УДК 539.1.07
ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА "ЕвроМИСС" ДЛЯ ФИЗИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ИФВЭ
© 2014 г. С. И. Букреева, Н. М. Емельянов, А. Н. Исаев, Ю. Д. Карпеков, Ю. С. Киселев, В. С. Петров, В. А. Сенько, М. М. Солдатов, Н. А. Шаланда, В. И. Якимчук
ГНЦ РФ "Институт физики высоких энергий" Россия, 142281, Протвино Московской обл., пл. Науки, 1 E-mail: yakimchuk@ihep.ru Поступила в редакцию 28.10.2013 г. После доработки 22.01.2014 г.
Описана электронная система "ЕвроМИСС", разработанная для создания систем сбора данных физических установок ИФВЭ. Данная система является развитием системы МИСС и реализована в механическом стандарте "Евромеханика". Канал передачи данных построен на основе 1б-разряд-ной шины системы УМЕ. Основным напряжением питания является +5 В, дополнительными — +3.3 В и —5.2 В. Наличие в новой системе подсистемы "медленного контроля", во-первых, позволяет конфигурировать универсальные и специализированные программируемые микросхемы и, во-вторых — следить за работоспособностью модулей системы по значениям определенных параметров. Приведен перечень и дана краткая характеристика разработанных в рамках данной системы модулей.
БО1: 10.7868/8003281621405005Х
ВВЕДЕНИЕ
В ИФВЭ разработана и широко используется в экспериментальных физических установках электронная система МИСС [1]. Система включает в себя электронную аппаратуру для регистрации информации, получаемой от детекторов частиц, выработки триггерных решений и построения систем сбора данных. В процессе эксплуатации система подвергалась модификации как с точки зрения протокола передачи данных по магистрали каркаса, так и с точки зрения организации системы сбора данных.
Модификация была направлена на достижение максимальной производительности при вычитывании рассеянной информации из блоков регистрирующей электроники. Так, асинхронный режим опроса регистрирующей электроники был заменен синхронным [2], что в три раза повысило скорость передачи информации от модуля регистрации к контроллеру. Системы сбора данных вместо многоуровневой буферизации [3] стали использовать принцип буферизации информации, принимаемой за цикл ускорителя, в памяти контроллера [4]. В результате было значительно уменьшено "мертвое" время системы.
Однако оставался главный недостаток системы МИСС — использование в магистрали каркаса сигналов эмиттерно-связанной логики (э.с.л.), что вызывало повышенное потребление энергии и соответственно увеличение рассеиваемой мощности. Большинство современных электронных
модулей МИСС не применяют э.с.л.-микросхемы, но для взаимодействия с магистралью сектора требуются двунаправленные приемопередатчики 1800ВА4, которые в настоящее время практически невозможно приобрести.
В 2009 году было принято решение о прекращении новых разработок регистрирующей электроники в системе МИСС. После анализа ситуации с существующими стандартами было решено, что новые разработки электронной аппаратуры будут проводиться в рамках системы "ЕвроМИСС".
Новая система сохраняет основные достоинства системы МИСС, позволяющие создавать многоканальную быстродействующую регистрирующую аппаратуру для экспериментальных установок ИФВЭ. Такими достоинствами являются возможность первичной обработки принятой от детекторов сигналов, отбор значащей информации по заданным критериям, формирование информационных пакетов и быстрая их передача в компьютер.
СИСТЕМА "ЕвроМИСС"
В качестве блочного каркаса новой системы выбран каркас механического стандарта "Евро-механика" высотой би, имеющий глубину 280 мм. Название "ЕвроМИСС" системы указывает на механический стандарт и говорит о преемственности принципов построения от системы МИСС. Основным напряжением питания систе-
24
БУКРЕЕВА и др.
мы является +5 В, дополнительными — +3.3 и - 5.2 В.
В блочном каркасе системы устанавливаются модули регистрации, служебные модули (например, разветвители сигналов, индикаторы) и контроллеры. Контроллер обеспечивает связь каркаса с компьютером.
Как и система МИСС, новая система допускает наличие двух контроллеров: системного и автономного. Первый контроллер — универсальный, работающий по программе компьютера, применяется для управления системой. Второй — дополнительный, работает в режиме сбора данных, осуществляет опрос модулей регистрации по заданному алгоритму и передачу полученной информации в компьютер по собственному быстрому каналу. Оба контроллера применяются на физических установках, идеология которых требует наличия независимых каналов работы. В общем случае блочный каркас может управляться одним контроллером.
Модули каркаса системы работают в трех режимах, определяемых контроллером: адресная передача (АП), последовательное чтение информации (ПЧИ) и последовательное чтение номеров модулей, задаваемых с помощью переключателей на печатных платах (ПЧН). Если в каркасе установлены оба контроллера (основной и дополнительный), то для передачи управления работой каркаса дополнительному контроллеру основной контроллер устанавливает специальный режим — автономная работа (АР).
Магистраль каркаса системы реализована на основе 16-разрядной шины системы УМЕ [5].
СИГНАЛЫ МАГИСТРАЛИ КАРКАСА
1. 16-разрядная шина адреса (А15—А0) — двунаправленная шина, по которой в режиме АП модулю передается код адреса для выполнения команды, в режимах ПЧН и ПЧИ — от модуля к контроллеру адресная часть информации: А5—А0 для задания кода номера модуля, А15—А6 — кода субадреса (или канала регистрации) в модуле.
2. 16-разрядная шина данных (Д15—Д0) — двунаправленная шина, по которой в режиме АП код данных передается от контроллера модулю (команда записи) или от модуля к контроллеру (команда чтения), а в режиме ПЧИ — от модуля к контроллеру код данных (с адресом в адресной части информации).
3. 6-разрядная шина сигналов управления регистрацией (УР5—УР0) — однонаправленная шина для передачи сигналов управления от контроллера к модулю для работы в системе сбора данных от детекторов частиц (стробирование, тактовая частота, быстрый сброс и др.). Конкретный набор
сигналов и их тип определяются используемой регистрирующей электроникой.
4. Линии режимов работы каркаса (ПЧИ, ПЧН, АР) — сигналы на эти линии выставляет контроллер, задавая тем самым режим работы каркаса. Одновременное наличие положительных сигналов на этих линиях соответствует режиму адресной передачи данных.
5. Линии синхросигналов (СИ1, СИ2) — сигналы на этих линиях служат для таймирования передачи информации между контроллером и модулем регистрации. Сигнал СИ1 передается от контроллера к модулю, СИ2 — от модуля к контроллеру.
6. Сигналы инициализации: общий сброс (ОС), быстрый сброс (БС) — вырабатываются контроллером. Сигнал ОС служит для инициализации системы, сигнал БС — для вычеркивания информации последнего зарегистрированного события.
7. Служебные сигналы (Ж, ВхП1, ВыхП1, Тр, Гт, СЬК, Ош). Сигнал Ж, вырабатываемый контроллером, определяет операцию записи кода данных (Д15—Д0) по указанному адресу (А15—А0).
Входной и выходной сигналы (ВхП1, ВыхП1) служат для организации приоритетной цепочки, определяющей порядок опроса модулей в режимах ПЧИ и ПЧН.
Сигнал требования чтения (Тр) вырабатывается модулями в ответ на сигнал ПЧИ или ПЧН. При режиме ПЧИ на линию Тр активный (отрицательный) сигнал выдают модули, содержащие информацию для чтения, и снимают его после прочтения, а при режиме ПЧН сигнал на линию Тр выдают все модули каркаса и снимают после выдачи своего номера модуля. После опроса последнего модуля сигнал Тр в магистрали каркаса снимается. По факту снятия Тр контроллер завершает режим последовательного чтения.
Сигнал готовности (Гт) может быть использован в системе для определения окончания фазы преобразования информации в модулях регистрации и их готовности к процедуре чтения. В фазе преобразования модуль регистрации посылает на линию Гт отрицательный сигнал. После завершения преобразования отрицательный сигнал снимается.
На линию СЬК контроллер выдает периодический сигнал частотой ~20 МГц.
8. Сигналы для реализации физического уровня шины САМ-Ьш (САМИ, СШЬ).
9. Питание — в магистрали системы используются три номинала питания: +5 В, —5 В и +3.3 В.
РЕЖИМЫ РАБОТЫ СИСТЕМЫ
1. Режим АП. В данном режиме выполняется операция записи-чтения между контроллером и модулем регистрации в асинхронном режиме.
ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА "ЕвроМИСС"
25
Контроллер выставляет код адреса, данных (при записи), положительный или отрицательный сигнал Ж и с задержкой не менее 20 нс сигнал СИ1. В операции участвует модуль, чей номер, задаваемый переключателями, расположенными на печатной плате, совпадает с кодом, указанным в команде.
Адресуемый модуль выполняет операцию и отвечает сигналом СИ2. По фронту сигнала СИ2 операция завершается, т.е. контроллер снимает СИ1, а адресуемый модуль — СИ2. При операциях чтения по фронту сигнала СИ2 контроллер фиксирует информацию с шины данных. Следовательно, СИ2 должен выставляться модулем после выдачи кода данных на время не менее 10 нс. Типичная длительность цикла адресной передачи ~350—400 нс.
2. Режим ПЧИ. Временная диаграмма работы контроллера с одним модулем представлена на рис. 1. Контроллер после завершения фазы преобразования устанавливает в магистрали каркаса сигнал ПЧИ. При наличии информации для чтения в ответ на ПЧИ модули регистрации посылают сигнал Тр. Если в течение 500 нс сигнал Тр не появится, значит, каркас не содержит информации и режим ПЧИ завершается.
Через 100—150 нс (¿0) после получения Тр контроллер вырабатывает сигнал СИ1. Этот сигнал имеет активное состояние в течение длительности сигнала ПЧИ и может сниматься лишь на время неспособности контроллера принимать данные (например, по причине заполнения приемного буфера). Модуль регистрации должен завершить передачу текущего слова и перейти в фазу ожидания разрешения на продолжение передачи.
Для начала передачи данных регистрирующий модуль должен получить разрешающий сигнал ВхП1. Этот сигнал инициируется контроллером соседнему модулю регистрации и транслируется п
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.