基于Qt框架的APV25数据采集系统研究

论文代码
Q0082020**157

第一作者
贾世海

第一作者单位
中国原子能科学研究院

非第一作者
李沛玉:中国原子能科学研究院
胡守扬:中国原子能科学研究院
陈雷:中国原子能科学研究院
周静:中国原子能科学研究院
赵明锐:中国原子能科学研究院
智宇:中国原子能科学研究院
刘雯迪:中国原子能科学研究院
张昀昱:中国原子能科学研究院
于伟翔:中国原子能科学研究院
李笑梅:中国原子能科学研究院

年	卷	期	页
2020	54	6	1041-1046

长摘要关键词

长摘要

目的：微结构气体探测器是一种位置分辨能力优异且高计数率的探测器。Micromegas （Micro-MEsh Gaseous Structure) 探测器作为微结构气体探测器的一员，大量应用在了各类大型物理实验项目的径迹室中来进行粒子位置等信息的测量，是未来探测器发展的方向之一。目前课题组研制的光刻一体化工艺Micromegas探测器全部工艺国产化，并能够进行批量生产。在常用探测器尺寸下，我们往往需要几百甚至上千的电子学通道进行信号的读出。如果采用传统由分立式元器件构成的前放电路，不仅会导致电路设计非常复杂，体积庞大，而且元件之间的一致性也难以保证。本文基于 APV25 电子学前端板卡，APVDS数字化后端板以及Qt软件框架，设计开发了具有高通道数、高性能的数据采集系统，并进行了相关测试。
方法：APV25数据采集系统通过HIROSE FX10系列140引脚连接器与探测器相连。前端卡通过标准HDMI 线缆连接至APVDS数字化板。线缆传输APV25所输出的模拟测量数据和APV25控制信号，并且对前端卡供电。数据到达后端板后，首先会通过ADS5242 12位模数转换芯片对模拟数据进行模数转换，再由Spartan-6系列 FPGA芯片进行数据处理，最后通过千兆以太网，由千兆交换机连接至计算机以进行数据传输。通过外部的APV TTS时钟板，我们可以生成统一的50 MHz外部时钟信号，并将其同步分发给各子系统板，从而避免产生不同的后端板时钟信号不统一问题。每个后端板可控制4块前端板共512电子学通道的数据并进行数字化以及数据打包等处理操作。GeoAPV软件整体采取多线程设计以实现大量数据的实时解析以及显示，软件设计采取模块化的设计思想，整体包含3个主要模块：UDP通信模块、数据处理模块、主用户界面。各模块之间使用Qt框架内的信号槽结构来进行可控的数据传递。为兼容项目现有的数据分析脚本，获取的数据将会以原数据结合采样方式等信息的方式加以打包并保存。用户对前端、后端板的所有各项命令操作均可通过图形用户界面进行。
结果：在已开发的512路多通道高速读出系统的基础上，我们对多个后端板进行连接，并通过改进原有的电子学系统结构以及开发新的数据获取软件GeoAPV，实现拥有2 048路电子学通道的APV25数据采集系统。系统软件使用C++进行编写，可运行于Microsoft Windows及Linux系统上。在1 024通道下使用连续的内触发信号对噪声基线进行了测量，测试中计算机以太网速率达715 Mbps，触发率为1.70 kHz，能稳定进行数据采集以及分析显示。
结论：开发了一套具有高集成度与高性能的APV25数据采集系统。系统可在多种电子学通道配置下，多种采样方式与工作模式下稳定工作。能够对原始的探测器电荷信号进行信号放大与成形处理，再进行模拟数字转化并通过UDP协议发送至计算机。软件系统灵活直观，能衔接现有工作。为中小型探测器的发展提供了电子学支持。

关键词

目的方法结果结论关键词

目的

　　微结构气体探测器是一种位置分辨能力优异且高计数率的探测器。Micromegas（Micro-MEsh Gaseous Structure)探测器作为微结构气体探测器的一员，大量应用在了各类大型物理实验项目的径迹室中来进行粒子位置等信息的测量，是未来探测器发展的方向之一。目前课题组研制的光刻一体化工艺Micromegas探测器全部工艺国产化，并能够进行批量生产。在常用探测器尺寸下，我们往往需要几百甚至上千的电子学通道进行信号的读出。如果采用传统由分立式元器件构成的前放电路，不仅会导致电路设计非常复杂，体积庞大，而且元件之间的一致性也难以保证。本文基于 APV25 电子学前端板卡，APVDS数字化后端板以及Qt软件框架，设计开发了具有高通道数、高性能的数据采集系统，并进行了相关测试。

方法

　　APV25数据采集系统通过HIROSE FX10系列140引脚连接器与探测器相连。前端卡通过标准HDMI 线缆连接至APVDS数字化板。线缆传输APV25所输出的模拟测量数据和APV25控制信号，并且对前端卡供电。数据到达后端板后，首先会通过ADS5242 12位模数转换芯片对模拟数据进行模数转换，再由Spartan-6系列FPGA芯片进行数据处理，最后通过千兆以太网，由千兆交换机连接至计算机以进行数据传输。通过外部的APVTTS时钟板，我们可以生成统一的50MHz外部时钟信号，并将其同步分发给各子系统板，从而避免产生不同的后端板时钟信号不统一问题。每个后端板可控制4块前端板共512电子学通道的数据并进行数字化以及数据打包等处理操作。GeoAPV软件整体采取多线程设计以实现大量数据的实时解析以及显示，软件设计采取模块化的设计思想，整体包含3个主要模块：UDP通信模块、数据处理模块、主用户界面。各模块之间使用Qt框架内的信号槽结构来进行可控的数据传递。为兼容项目现有的数据分析脚本，获取的数据将会以原数据结合采样方式等信息的方式加以打包并保存。用户对前端、后端板的所有各项命令操作均可通过图形用户界面进行。

结果

　　在已开发的512路多通道高速读出系统的基础上，我们对多个后端板进行连接，并通过改进原有的电子学系统结构以及开发新的数据获取软件GeoAPV，实现拥有2048路电子学通道的APV25数据采集系统。系统软件使用C++进行编写，可运行于Microsoft Windows及Linux系统上。在1 024通道下使用连续的内触发信号对噪声基线进行了测量，测试中计算机以太网速率达715Mbps，触发率为1.70kHz，能稳定进行数据采集以及分析显示。

结论

　　开发了一套具有高集成度与高性能的APV25数据采集系统。系统可在多种电子学通道配置下，多种采样方式与工作模式下稳定工作。能够对原始的探测器电荷信号进行信号放大与成形处理，再进行模拟数字转化并通过UDP协议发送至计算机。软件系统灵活直观，能衔接现有工作。为中小型探测器的发展提供了电子学支持。

关键词

刊名:	原子能科学技术
学科:
创刊年:	1959
ISSN:	1000-6931
CN:	11-2044/TL
主办单位:	中国原子能科学研究院
主编:	赵志祥

文章介绍了一种基于Qt框架构成的数据采集系统。采用APV25电子学前端板卡，APVDS电子学数字化后端板以及Qt框架等技术，实现跨平台多路电子学通道的电子学读出系统。具有系统简单高效等特点，对实验室及小型探测器研发具有参考价值。

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最后更新时间:
2021-09-30

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