通用粉末衍射仪电子学系统控制电路的设计与实现

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中国散裂中子源(CSNS)是由高能质子打靶产生脉冲式中子源的大型科学装置。通用粉末衍射仪(GPPD)是CSNS首批建设的三台谱仪之一,通过对物质的磁和晶体两方面的研究,满足了物理、纳米科学、化学、生物以及材料科学等领域的工业和研究要求。GPPD谱仪采用二维位置灵敏探测器(SSND)探测中子,闪烁体将光信号转化成电信号并由光电倍增管放大输出,经电子学系统获取到达探测器的中子飞行时间信息,并将信息送到后端的数据获取系统,供用户分析和使用。以CSNS的GPPD电子学系统为背景,通过专业学习和芯片调研,设计了一款基于Xilinx公司Spartan6系列型号为XC6SLX75T FPGA的电子学控制电路,并制作了6层PCB板,在ISE14.4环境下完成FPGA固件开发,主要实现了实时信号和用户数据的传输。实时信号传输是基于Aurora协议光纤传输,采用81B/10B编解码,以线速度2.5Gbps速率、帧控形式传输实时信号,此方式传输省去了传统电缆传输实时信号带来的大量电缆铺设问题;用户数据是基于TCP/IP网络协议传输,通过TCP/IP协议将数据传输到PC上,供用户分析查看,此传输方式将原本属于主机CPU有的工作转移到控制电路上完成,减轻了CPU负担,加速了网络处理能力。基于控制电路板,针对实时信号光纤传输做了传输延时和抖动测试,针对TCP/IP网络传输做了验证。测试结果表明:Aurora协议光纤传输实时信号最大传输延时不超过600ns,最大传输抖动不超过4ns,满足系统最大传输延时不超过1μs和最大传输抖动不超过0.1μs的要求;TCP/IP协议传输测试验证了此传输方式的正确性和可靠性。
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