高能物理实验中电子学逻辑在线升级功能的实现.pdf

第26卷 第6期核电子学与探测技术Vol. 26 No. 6 2006年 11月Nuclear Electronics 远程更新、; PS模式 中图分类号: TN791 文献标识码: A 文章编号: 025820934(2006)0620972204 收稿日期:2005210217 作者简介:刘小桦(1981 ) , 男,江西人,硕博连读 生,从事核电子学和高速数据采集的研究 大型物理实验,尤其是高能物理实验中,电 子学是数据获取、 处理、 判选的重要途径。实验 装置建立后,随着实验条件、 实验目的的改变, 电子学经常需要进行功能上的相应改变。而且 在实验的维护中也经常需要功能上的改进。更 换所有的电路既浪费宝贵的实验资金,新电路 的调试又必将耽误出成果的时间,因此大型物 理实验的电子学,尤其是逻辑电路如果能实现 在线升级,将给物理实验带来巨大的好处。现 场可编程逻辑门阵列器件(Field Programma2 ble Gates Array , FPGA)在大型物理实验电 子学中的应用使这成为可能。 1 背景介绍 我们承担的北京正负电子对撞机(Beijing Electron Positron Collider ,BEPC)升级中的北 京谱仪三期工程(Beijing Spectrometer ,BES III) ,其TOF(飞行时间, Time Of Flight)电子 学系统的读出电子学1采用了Altera公司的 Cyclone2系列FPGA来进行整体控制、 处理 和传输数据;而TOF触发电子学系统1则采用 了Altera公司的Stratix3系列FPGA设计触 发判选逻辑。FPGA是基于SRAM工艺的,实 现FPGA功能的配置数据存放在内部SRAM 单元中,具有掉电易失性,所以每次上电后需要 从外部输入配置数据重新配置FPGA ,因此可 以通过改变外部配置数据实现逻辑的升级。读 出电子学和触发电子学板位于离控制室较远的 实验大厅中的VME(Versa Module Eurocard) 9U机箱里,PC机通过VME总线远程控制机 箱,与读出电子学和触发电子学板进行通信。 如果能够远程通过VME总线更新FPGA的配 置数据,就可以实现对系统的在线升级。 对于Altera的FPGA器件,主要有三种配 置模式4:J TAG模式;主动串行(AS)模 式; 被动串行(PS)模式。第一种模式通过专 用下载电缆从计算机并口把配置数据直接一次 性加载到FPGA中,经常在电路调试过程中使 用,但掉电后配置数据即丢失,下次上电后需要 重新配置,实际应用中不可能每次装置运行前 在实验大厅中对每个电路板用计算机单独配 置;主动配置模式仅Cyclone和Cyclone II系 279 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 列FPGA适用,需要专用AS配置芯片,由FP2 GA器件引导配置操作过程,并提供下载同步 时钟,时序不能外部控制,而且目前的AS配置 芯片只能通过计算机并口用专用电路加载数 据,不能实现远程更新;被动配置模式由专用 PS配置芯片或控制器控制配置过程,下载同步 时钟也由外部时钟源或者外部控制信号提供, 然而专用PS配置芯片价格昂贵,擦写次数有 限。为了实现系统的在线升级,采用复杂可编 程逻辑器件( Complex Programmable Logic Device ,CPLD)加上串行Flash存储器的方案 实现PS模式配置FPGA ,CPLD的逻辑在掉电 后不会丢失,因此所有电路板一上电即可同时 自动配置FPGA : CPLD控制配置过程,串行 Flash保存FPGA的配置数据,而Flash中的 数据则可以通过VME总线接口由远程PC修 改,从而实现FPGA逻辑的远程更新。 2 方案设计 目前FPGA的逻辑容量越来越大,使得一 个板上大部分的逻辑功能都可以放置在一片大 规模的FPGA中,包括控制、 数据获取、 处理以 及接口等,可以大大方便实验电路的调试和升 级。因此,电路结构可采用图1框图所示:用一 片大规模FPGA实现控制和VME接口功能; 配置FPGA的数据文件(后缀为 “. rbf” 的文件) 保存于串行Flash中;利用CPLD的掉电非易 失特点,CPLD负责对配置过程的进行控制 每次上电后CPLD启动配置流程,读取Flash 中配置数据,然后产生PS模式的配置时序信 号送到FPGA的配置专用管脚。配置成功后, FPGA的VME接口功能即有效。如果需要远 程更新, PC可以通过基于PowerPC的VME 控制器控制FPGA ,修改串行Flash中保存的 配置数据,并向CPLD发出重新配置信号, CPLD即启动配置流程。 因为与PC机通信的VME接口模块放在 FPGA内,所以PC需要通过配置好的FPGA 才能对Flash进行操作,如果PC通过FPGA 对Flash进行修改数据的过程中发生错误(包 括数据文件不对和数据传输错误)或者意外掉 电事件,发出重新配置信号或者重新上电,则会 因为配置数据不对而配置FPGA不成功,这时 FPGA不能正常工作, PC就无法通过FPGA 图1 配置方案示意图 重新往Flash写入新的配置数据,整个系统就 会瘫痪。为避免这种情况发生,增加系统在线 升级的安全性,在Flash中保存两个配置文件 (文件1和文件2) ,每个文件最大可达4Mb。 利用串行Flash的状态寄存器的第2位作为两 个配置文件的选择标志位:如果标志位为1 ,默 认配置文件为文件1 ,否则,默认配置文件为文 件2。PC可以通过FPGA对其进行修改,在两 个配置文件之间切换。上电后,CPLD先读取 Flash的状态寄存器,然后先选择默认配置文 件进行配置,如果出错,就选择另外一个配置文 件进行配置。配置流程如图2所示。只要保证 默认的配置文件正确,只对另一个配置文件进 行修改,并完全测试后才允许改为默认配置文 件,则能保证上电后FPGA被正确配置,系统 不会陷入瘫痪。当然,在修改逻辑时必须规定 VME的接口逻辑和对Flash的控制逻辑不能 有任何改变,这可以通过FPGA编程软件的逻 辑锁定5来实现。如果我们保持两个正确且功 能不同的文件,如在线运行模式或调试模式的 逻辑,则可以方便地在两者之间进行切换,改变 系统的功能,给系统维护带来便利。 图2 配置顺序流程图 379 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 3 电路实现 为验证配置方案,设计了实验电路对该方 案进行测试。这是一块基于VME总线的6U 电路板。其FPGA选用Cyclone系列中的 EP1C3T144C8 ,它有2910个逻辑单元,104个 用户I/ O管脚2,实现控制和VME接口功能; CPLD选 用 新 一 代 器 件MAXII系 列 中 的 EPM240T100C5 ,有240个逻辑单元,80个用 户I/ O管脚,低功耗,多电压支持6;串行 Flash存储器选用ST公司的M25P807,8Mb 容量,SPI接口,最高读写时钟40MHz ,可擦写 1万次以上。 3. 1 电路连接 Flash、CPLD与FPGA三个芯片的硬件连 接图如图3所示。按照数据手册, FPGA的 MSEL0接高电平,MSEL1接地电平,使其处 于PS配置方式224。CPLD读取串行Flash中 的数据,产生PS配置方式的时序信号,通过 FPGA的CONF_DONE、nSTA TUS、nCON2 FIG、DATA0、DCL K五个配置专用管脚对FP2 GA进行配置。配置完成后, CPLD将读写 Flash的信号置为高阻, Flash的控制权交给 FPGA ,然后FPGA可对Flash进行读写,擦除 和读写状态寄存器等操作,并且可通过nIm2 age1Config或nImage2Config两个用户I/ O管 脚向CPLD发出重新配置信号,nImage1Config 选择配置文件1进行重新配置,nImage2Config 选择配置文件2进行重新配置。 图3 Flash、CPLD与FPGA的连接图 3. 2 配置时序 Altera的FPGA器件的工作状态分为三 种:首 先 是 上 电 配 置 状 态( Configuration Mode) ,将配置数据装入器件的过程;然后是初 始化状态(Initialization Mode) ,在配置数据传 送完成后,器件复位内部各类寄存器,让I/ O 引脚为逻辑器件正常工作做准备;最后是用户 状态(User Mode) ,指电路中器件正常工作时 的状态。用PS模式配置FPGA的时序图如图 4所示。信号定义参考FPGA的数据手册8。 这里需要注意几个时间参数8: nCONFIG低 电平 有 效 的 宽 度, nCONFIG由 低 变 高 到 DCL K开始第一个数据传输的时间, nSTA2 TUS由低变高到DCL K开始第一个数据传输 的时间, DATA信号的建立时间和保持时间。 图4 PS配置时序图 CPLD的逻辑代码中配置时序产生状态机的转换图如图5所示。当启动配置信号有效 479 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 后,状态机从起始状态转到状态1 ,如果nSTA2 TUS为高电平,则说明FPGA内部复位完成, 状态机转到状态2 ,nCONFIG输出低电平开始 配置,计时40s后,状态机转到状态3 ,nCON2 FIG输出高电平,然后如果nSTATUS信号变 为高电平,说明FPGA内部复位完成,状态机 转到状态4 ,计时40s后,状态机转到状态5 , CPLD开始读取Flash中的数据并传送给FP2 GA ,如果CONF_DONE变为高电平,则说明 FPGA已接受完正确的配置数据后开始进行初 始化,状态机转到配置完成状态。如果全部数 据传送完但CONF_DONE没有变为高电平或 者数据传输过程中nSTATUS变为低电平,则 说明配置过程出错,状态机转到配置出错状态。 状态机如果不满足跳转条件,那么停留在原状 态。 图5 配置状态机的状态转换图 4 结束语 用CPLD加串行Flash配置FPGA的方 案在Cyclone FPGA的配置实验中得到很好的 验证:在多次反复上电以及PC通过FPGA对 Flash中的配置文件进行修改后发出重新配置 信号情况下均可正确的配置FPGA ;在两个配 置文件都正确地情况下,修改Flash状态寄存 器中的标志位后发重新配置信号后可正确地实 现系统功能切换;在默认配置文件错误,另一个 备份配置文件正确的情况下重新上电后也可用 备份配置文件正确地配置FPGA ,但是如果两 个配置文件都是错误的,则不能正确地配置 FPGA。 此配置方案灵活简单,成本较低且可靠性 高,可实现系统远程在线升级和FPGA逻辑的 多功能。此配置方案将用于我们的TOF读出 电子学板以实现系统逻辑的远程在线升级。推 广之,可以对多个FPGA或其他类型的FPGA 如Stratix系列等用类似的方式进行配置,对于 Stratix器件,还可以使用更灵活的配置模式如 FPP(Fast Passive Parallel) 9 。这里我们使 用串行Flash作为存储器件,实际上不仅仅限 于此,也可以用并行Flash器件,只需在CPLD 内增加并串转换逻辑即可。所以此方案可有效 地实现高能物理实验中电子学逻辑在线升级功 能。 参考文献: 1北京正负电子对撞机重大改造工程可行性研究设 计方案,32202 ,32233 ,中国科学院高能所, 2003. 2 Altera Corporation.Cyclone Device Handbook. 2003. 3 Altera Corporation.Stratix DeviceHandbook. 2003. 4 Altera Corporation. Configure Cyclone FPGAs. Configuration Handbook , Volume 1 , Chapter 5. 2004. 5 Altera Corporation. Logiclock Design Methodolo2 gy. QuartusII Handbook , Volume 2 , Chapter 10. 2004. 6 Altera Corporation.MAXII Device Handbook. 2004. 7 STMicroelectornicsCorporation.M25P80 Datasheet. 2004. 8 Altera Corporation. Cyclone Device Handbook , Volume 1 , Chapter 13 , 2003 :46252 ,27228. 9Altera Corporation. AN 346 : Using the Nios Devel2 opment Board Configuration Controller Reference Designs. 2004 :4. (下转第989页,Continued on page 989) 579 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 于微弱、 快速光信号的探测,应使探测器的两端 为反偏压、 工作在光电二极管模式。AXUV探 测器是一种宽能谱、 响应快、 灵敏度高、 频带宽 的硅光电二极管探测器,利用其组成的热辐射 测量系统在HL22A装置上取得很好的实验结 果,达到时间、 空间分辨要求。在实际设计安装 中热辐射测量系统,必须考虑电磁屏蔽减小干 扰,并且在处理信号时采用数字滤波(如: FFT) ,去除高频噪音干扰,进一步提高信号的 信噪比。对时间分辨率要求更高的辐射测量, 前放电路应设计成电流灵敏前置放大器,去除 电压放大器由于积分效应带来的延时;同时在 将电流前放电路输出的信号远距离传输时,必 须考虑负载的电容效应,电路要加有反馈电容。 要提高辐射功率分布的空间分辨率,则必须增 加探测器阵列的个数(至少有2个 ) , 并且采用 二维层析重建方法( Tomography方法)。这些 工作我们也将要在HL2A下一年度的物理 实验中进一步完成。 参考文献: 1安毓英,等.光电探测原理 M .西安:西安电子科 技大学出版社,2004. 2潘宇东. HA21M上热辐射测量系统的研制及初步 实验研究D.成都:核工业西南物理研究院,1998. 3 International Radiation Detectors , 2527 west 237th Street Unit C , Torrance , CA 9050525234 , www. ird2inc. com 4 Nishitani T , et al. Radiation Losses and Global Power Balance of J T260 PlasmasJ . Nucl Fusion , 1990 ,30(6) :1095. 5 Granetz RS , et al. X2ray Tomography on J ETJ . Nucl Fusion , 1988 , 28(3) :457. Application of AXUV photoelectric diode detector YU Guo2gang , PAN Ning2dong , LIU Yi (Southwestern Institute of Physics , Chengdu of Sichuan Prov. 610041 , China) Abstract Based on the photo2voltage effect of PN junction , two kinds of detector are introduced. Newly designed AXUV (Absolute Extreme Ultra Violet) photodiodes array radiation diagnostic system is in2 stalled in the HL22A tokamak device. The advantages of AXUV detector are its near theoretical high quantum efficiency , high sensitivity , high responsibility , electromagnetic and vibration immunity , low price. Key words :photo2voltage effect of pn junction; photocell photodiodes; AXUV detector ; radiation losses measuring (上接第975页,Continued from page 975) The remote online upgrade of electronics system of high energy physics experiment