Firmware digitalizéru pro rychlé jevy

Bc. Martin Pavelek

Diplomová práce

Digitizer firmware for fast phenomena

Anotace:

V různých aplikacích může být zapotřebí detekovat a měřit jevy probíhají v časovém měřítku i jednotek nanosekund. Jednou z takových aplikací jsou systémy pro jadernou spektrometrii směsných polí záření, které vyžadují rozpoznání typu každé z detekovaných částic. Pro tuto aplikaci může být využit vhodný scintilační detektor jehož odezva se mírně liší v závislosti na typu částice, jež jím byla zaznamenána. Pulz ze scintilačního detektoru trvá typicky méně než 100 ns a pro jeho dostatečně přesné změření je potřeba vhodného vybavení. Takovýmto vybavením může být digitální spektrometrický systém FD-11 ŠOHAJ, který využívá rychlého a přesného A/D převodníku (vzorkovací frekvence až 2 GHz, rozlišení 12 bitů) a charakterizaci částic na základě signálu z detektoru realizuje za použití programovatelného hradlového pole (FPGA). Cílem této práce bylo vylepšení původního VHDL firmwaru za účelem zlepšení jeho čitelnosti a udržovatelnosti, dále pak implementace nových funkcí potřebných k souběžnému využití dvou A/D převodníků. Zmíněné digitalizační zařízení je nejprve v práci představeno s ohledem na jeho roli ve spektrometrickém systému, následně je zdokumentován postup přestavby struktury entity nejvyšší úrovně a oblasti pro zpracování dat. Popsány jsou nové implementace a úpravy modulů potřebných k zajištění nové funkcionality a vedoucí k vylepšení kvality výstupu. Zmíněny jsou také úpravy konfiguračního a výstupního rozhraní, potřebné ke zpřístupnění nově implementovaných funkcí. Firmware po dokončení dokáže pracovat s oběma A/D převodníky současně, podporuje takzvané online zpracování (přímé zpracování dat v FPGA) a díky zvýšené citlivosti detekčního mechanismu dokáže zaznamenat pulzy s nižší amplitudou než bylo v předchozí verzi možné.

Abstract:

In various applications, it may be required to detect and measure phenomena occurring on a timescale in the order of mere nanoseconds. One such application may be a system for nuclear spectrometry in mixed radiation fields, where it is necessary to determine the type of each particle as it is detected. A suitable scintillation detector may be used for this application, producing a slightly different response in collisions with different types of particles. The signal from a scintillation detector typically lasts less than 100 ns, requiring appropriate equipment capable of sampling and processing such signals with reasonable precision to be used. FD-11 ŠOHAJ is a digital spectrometric system that uses a fast and precise A/D converter (sample rate up to 2 GHz, 12 bit resolution) and implements the particle characterisation procedure in VHLD, using a Virtex-6 FPGA. The goals of this work are to improve its original FPGA firmware in order to increase its maintainability and to implement new features that are required to allow two A/D converters to be used simultaneously. The digitizer device in question is first introduced in the context of the spectrometric system and the basic building blocks are described. Before designing a new data processor structure, obsolete development code was removed and changes towards better code clarity and dual-ADC support were made in the top-level entity. Various modules were modified or newly implemented in order to improve the performance or add new features to the digitizer. Both the configuration and the output interfaces were modified to support the new features and data outputs available. The finalized firmware is ready to work with both A/D converters, supports online processing and due to improved trigger sensitivity allows to capture pulses with lower amplitude than previously possible.

Keywords

VHDL, FPGA, Virtex-6, Xilinx, fast ADC, SPEKTRUM, spectrometry, neutron / gamma, mixed radiation field, Pulse Shape Discrimination, PSD

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 25. 5. 2015

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 22. 6. 2015
• Vedoucí: prof. Ing. Václav Přenosil, CSc.
• Oponent: RNDr. Filip Mravec

Masarykova univerzita

Fakulta informatiky

Magisterský studijní program / obor:
Informatika / Programovatelné technické struktury