【摘 要】
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随着人类对核物理粒子探测要求的不断提高,现代粒子实验装置在规模、能级和事件率上快速提升。我国目前用于核物理粒子探测实验装置的数据传输系统大多存在数据带宽有限、系统构建复杂、稳定性较差等问题。为了满足核物理实验要求,数据传输系统的性能也要随之升级。本文针对这一问题,展开对适用于核物理粒子探测实验装置的高速数据传输系统的研究与设计。该系统由一块前端传输板、一块FPGA读取控制板和数据存储端PC组成。前
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随着人类对核物理粒子探测要求的不断提高,现代粒子实验装置在规模、能级和事件率上快速提升。我国目前用于核物理粒子探测实验装置的数据传输系统大多存在数据带宽有限、系统构建复杂、稳定性较差等问题。为了满足核物理实验要求,数据传输系统的性能也要随之升级。本文针对这一问题,展开对适用于核物理粒子探测实验装置的高速数据传输系统的研究与设计。该系统由一块前端传输板、一块FPGA读取控制板和数据存储端PC组成。前端传输板可适配于核物理粒子探测实验装置对实验数据进行采集,并通过QSFP+光纤与读取控制板进行全双工高速串行数据传输。在此基础上,本文的主要工作是基于FPGA实现万兆以太网UDP/IP逻辑设计,即通过Verilog硬件描述语言和Xilinx的Vivado开发套件进行模块化的编写,实现了UDP/IP协议的功能,该设计传输速率快、稳定性高,为读取控制板与PC间的数据传输提供了一种高性能、高可靠的传输方案。本文首先简要介绍了TCP/IP协议族和UDP/IP协议的工作原理。按照万兆以太网的传输标准,着重讨论了UDP/IP协议栈中的主要协议及其以太网MAC帧、PHY子层、校验和的重要技术。紧接着对高速数据传输系统进行设计,实现从前端传输板到读取控制板再到PC间的高速数据传输。针对协议和硬件的特点,采用分层处理、模块化的设计思路,着重对UDP/IP协议栈模块按照“接收解析-数据缓存-组帧发送”的顺序进行设计,设计出万兆以太网UDP/IP协议数据传输链路。其次,搭建万兆以太网测试平台,对万兆以太网UDP/IP协议传输链路设计进行全方面测试。完成了ARP、ICMP请求与应答的协议功能测试,并着重对万兆以太网连接、回环传输性能、回环存盘速率、传输速率进行测试。测试结果表明:以太网连接稳定不丢包;回环传输性能优异;上、下行最大存盘速率分别达到109MB/s与220MB/s;上、下行稳定传输速率分别可达1000MB/s与500MB/s。论文最后,将整个系统搭建起来,对高速数据传输系统进行传输测试。在完成对读取控制板SFP光模块与QSFP光模块之间的自通信误码率与眼图测试的基础上,完成了系统的以太网连接测试、系统数据抓取测试和系统数据传输测试。测试结果表明:光纤通信的数据传输链路可靠;以太网连接稳定不丢包;高速数据传输系统数据传输正确且传输稳定;数据存盘的最大瞬时速率为91MB/s。
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