魯睿其 曾健平 趙豫斌 任海龍

1（湖南大學(xué) 物理與微電子科學(xué)學(xué)院 長沙 410082）

2（東莞中子科學(xué)中心 東莞 523808）

基于Aurora協(xié)議光纖實(shí)時(shí)信號傳輸性能測試

魯睿其1,2曾健平1趙豫斌2任海龍1,2

1（湖南大學(xué) 物理與微電子科學(xué)學(xué)院 長沙 410082）

2（東莞中子科學(xué)中心 東莞 523808）

作為中國散裂中子源(Chinese Spallation Neutron Source, CSNS)譜儀之一的通用粉末衍射儀(General Purpose Powder Diffractometer, GPPD)采用二維位置靈敏探測器(Symptom Scale of Neurotransmitter Deficiency, SSND)探測中子入射位置和時(shí)間信息，并由后端電子學(xué)進(jìn)行信號處理。中子信息以打靶時(shí)刻T0為時(shí)間參考點(diǎn)，電子學(xué)系統(tǒng)控制電路需要將接收到的T0信號低延遲、低抖動實(shí)時(shí)地傳給下級電路。本文介紹了一種基于Spartan6系列FPGA的控制電路，采用Aurora協(xié)議通過光纖實(shí)時(shí)傳輸T0信號方案，并驗(yàn)證了此方案的可行性。關(guān)鍵詞 中國散裂中子源，通用粉末衍射儀，實(shí)時(shí)信號，抖動，Aurora協(xié)議，光纖

通用粉末衍射儀(General Purpose Powder Diffractometer, GPPD)是中國散裂中子源(Chinese Spallation Neutron Source, CSNS)首批建設(shè)的三臺譜儀之一。GPPD探測裝置如圖1所示。采用閃爍體及多陽極光電倍增管作為探測器[1]，由光電倍增管輸出，經(jīng)電子學(xué)系統(tǒng)獲取到達(dá)探測器的中子飛行時(shí)間與位置信息，并將信息送到后端的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)(Data Acquisition System, DAQ)[2]。

圖1 GPPD系統(tǒng)探測裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of GPPD system detection device.

電子學(xué)系統(tǒng)主要包括：前端讀出電子學(xué)、數(shù)據(jù)匯總電路、PCIE接口插卡以及控制電路，如圖2所示。前端讀出電子學(xué)對探測器送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行電荷放大、成形和甄別處理后得到數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)匯總電路對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，再由PCIE接口插件將匯總的數(shù)據(jù)存入PC機(jī)中，控制電路主要作用是接收外部系統(tǒng)的T0信號并傳輸給整個(gè)電子學(xué)系統(tǒng)。T0信號是質(zhì)子打靶產(chǎn)生中子的打靶時(shí)刻，也是計(jì)算中子飛行時(shí)間的起始時(shí)間，在電子學(xué)系統(tǒng)中T0信號作為時(shí)間參考點(diǎn)，控制電路需要將T0信號低延遲、低抖動實(shí)時(shí)地傳輸給數(shù)據(jù)匯總電路，并扇出給前端讀出電子學(xué)。

圖2 電子學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of electronics system.

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，T0信號的最大傳輸延遲為1 μs，最大抖動為0.1 μs，傳輸延時(shí)包括光纖的延時(shí)。若采用常規(guī)電纜進(jìn)行T0信號的傳輸，性能上能滿足實(shí)時(shí)傳輸要求，但數(shù)目眾多的電纜鋪設(shè)會給工程帶來很大困難[3]，因此，設(shè)計(jì)中考慮利用已有的光纖來傳輸T0信號。

美國Xilinx公司內(nèi)嵌高速串行收發(fā)器RocketIO的FPGA可用以簡化光纖傳輸硬件電路， 而Aurora作為一個(gè)免費(fèi)全開放的協(xié)議，既方便用戶添加上層應(yīng)用，又能適用于大多數(shù)內(nèi)嵌高速串行收發(fā)器RocketIO的Xilinx FPGA[4]。Aurora核提供了可直接與FIFO對接的用戶接口，而其他協(xié)議需要用戶自行編寫GTP接口邏輯，邏輯端口復(fù)雜；同時(shí)Aurora核初始化的Aurora通道可傳輸任意大小的數(shù)據(jù)幀，且能在任意時(shí)刻打斷，空缺的模塊Aurora能自動填充，滿足了來自前置放大器信號不連續(xù)的要求[5]。本文提出利用Aurora協(xié)議光纖傳輸實(shí)時(shí)信號T0的方案，并對此方法傳輸性能進(jìn)行了測試。

1 硬件系統(tǒng)介紹

控制電路硬件系統(tǒng)主要由FPGA主控模塊、時(shí)鐘模塊、電源模塊、信號接入模塊、SFP (Small Form-factor Pluggable)光纖收發(fā)模塊組成，此外電路還設(shè)計(jì)了USB2.0接口，豐富接口模式以便適應(yīng)不同應(yīng)用環(huán)境，控制電路硬件如圖3所示。

圖3 控制電路硬件圖Fig.3 Schematic of control circuit hardware.

FPGA采用Xilinx公司的Spartan6系列的XC6SLX75T，該型號FPGA內(nèi)置RocketIO GTP可提供最高3.125 Gb.s?1、最低614 Mb.s?1的傳輸速率，加入Platform Flash PROM XC32P對FPGA進(jìn)行配置，使系統(tǒng)程序加載更加簡化。

本電路設(shè)計(jì)兩套獨(dú)立的時(shí)鐘系統(tǒng)，均選用日本EPSON公司的EG-2121型號的晶振，提供100 MHz差分時(shí)鐘，分別作為系統(tǒng)時(shí)鐘和GTP參考時(shí)鐘。

使用VME機(jī)箱提供+5 V和+3.3 V電源，經(jīng)電源芯片轉(zhuǎn)換成2.5 V、1.8 V和1.2 V電壓供電路板使用?？紤]到RocketIO對噪聲非常敏感，采用單獨(dú)的電源芯片為RocketIO收發(fā)器的MGTAVCCPLL提供1.2 V電壓。

信號接入模塊是由LEMO接入實(shí)時(shí)信號T0。

SFP光纖收發(fā)模塊選用美國Finisar公司的FTLF852P2BCV-QL光電轉(zhuǎn)換器。

2 性能測試

測試平臺由VME機(jī)箱、信號發(fā)生器、示波器及控制電路構(gòu)成，采用ISE Design Suite14.4作為FPGA開發(fā)平臺，由于現(xiàn)場安裝光纖長度不超過15 m，本測試所選用的光纖為15 m，如圖4所示。

2.1 光纖接口測試

2.1.1 硬件測試

Xilinx的ChipScope Pro提供了誤比特率測試核(Integrated Bit Error Ratio Tester, IBERT)。IBERT核用于測量高速串行收發(fā)器多條通道上的誤碼率和實(shí)時(shí)調(diào)整高速串行收發(fā)器參數(shù)。連續(xù)運(yùn)行1 h IBERT測試界面如圖5所示。MGT設(shè)置選用的外部RX AC耦合使能，RX終端電壓為3/4 MGTAVTTRX，RX的采樣點(diǎn)是0.504UI，Loopback Mode設(shè)置為開環(huán)模式。從IBERT測試界面可以看出，鎖相環(huán)PLL處于Locked狀態(tài)，表明GTP_DUAL的PLL已鎖定GTP的參考時(shí)鐘，GTP可正常工作，如果狀態(tài)是Unlocked，則要檢測待測GTP鏈路是否運(yùn)行正確。在預(yù)加重為0 dB和與均衡為?0.3 dB條件下，強(qiáng)制GTP發(fā)送31位的偽隨機(jī)數(shù)，當(dāng)RX接收數(shù)據(jù)量為6.063×1012時(shí)lane0的誤碼率為1.649×10?13，當(dāng)RX接收數(shù)據(jù)量為6.061×1012時(shí)lane1的誤碼率為1.650×10?13，且傳輸錯(cuò)誤率為0，可判斷光纖接口硬件設(shè)計(jì)正確，lane0和lane1光纖通道信道質(zhì)量良好，GTP收發(fā)器能夠正常工作，達(dá)到光纖傳輸信號標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 測試平臺圖Fig.4 Test platform figure.

圖5 IBERT測試界面Fig.5 IBERT test interface.

2.1.2 Aurora協(xié)議測試

本電路中Aurora協(xié)議采用單工模式，幀控形式數(shù)據(jù)傳輸，參考時(shí)鐘為100 MHz，用戶時(shí)鐘為125MHz，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)位寬均為16 bits，線速度為2.5 Gb.s?1。由于光纖數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)過RocketIO收發(fā)器采用8B/10B數(shù)據(jù)編碼，傳輸數(shù)據(jù)效率是80%，故而通道串行數(shù)據(jù)傳輸有效線性速率為2.0 Gb.s?1。運(yùn)用Aurora核，自定義了TX_FRAME_GEN和RX_FRAME_CHECK模塊，前者用于FIFO和數(shù)據(jù)發(fā)送的邏輯轉(zhuǎn)換，后者是數(shù)據(jù)接收模塊。

使用Aurora協(xié)議測試硬件程序包括發(fā)送和接收驗(yàn)證兩部分，發(fā)送模塊通過TX發(fā)送確定的數(shù)據(jù)包，經(jīng)過光纖傳輸?shù)絉X端接收。通過ChipScope抓取發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，觀察可知Aurora協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)沒有出現(xiàn)丟數(shù)和誤傳的現(xiàn)象(圖6)，fifo_d_o表示發(fā)送端數(shù)據(jù)，rxdata_out表示接收端數(shù)據(jù)。

圖6 Aurora協(xié)議驗(yàn)證ChipScope截圖Fig.6 Screenshot of the verification of ChipScope via Aurora protocol.

2.2 信號性能測試

測量接收端相對于發(fā)送端的信號延遲和抖動以檢測信號傳輸性能，測試方案如圖7所示。

由波形發(fā)生器模擬產(chǎn)生T0信號，經(jīng)FPGA信號處理后存入FIFO中，通過FIFO對數(shù)據(jù)的存取實(shí)現(xiàn)光纖對數(shù)據(jù)的收發(fā)，再由光纖自接收，通過FPGA產(chǎn)生T0恢復(fù)信號。利用高精度示波器測量恢復(fù)信號與輸入T0信號的時(shí)間差得到信號的傳輸延遲，多次統(tǒng)計(jì)測量計(jì)算得出信號傳輸?shù)亩秳印?/p>

圖7 測試方案框圖Fig.7 Block diagram of test scheme.

圖8 提取輸入信號上升沿信息邏輯框圖Fig.8 Logic diagram of extracting rising edge information from input signal.

FPGA內(nèi)部信號處理包括提取輸入T0信號上升沿和去抖動兩部分。提取輸入T0信號上升邏輯框圖如圖8所示，輸入T0信號是由信號接入模塊進(jìn)入的模擬信號T0，T_3為提取的上升沿信號，時(shí)序圖如圖9所示。由圖9，提取的上升沿信號較原始信號有不超過三個(gè)時(shí)鐘周期的延遲，鑒于采用的提取時(shí)鐘為125 MHz，信號延遲不超過24 ns，相對于電子學(xué)的延遲不超過1 μs的要求可以忽略不計(jì)。去抖動是指系統(tǒng)在接收到一個(gè)上升沿信號后，在一定的時(shí)間內(nèi)不再接收輸入信號。

T0信號是一種脈沖波，頻率為25 Hz，占空比為50%，電平標(biāo)準(zhǔn)為TTL，高低電平分別為3.3 V和0 V，模擬T0信號由Agilent的33250 A 80 MHz波形發(fā)生器產(chǎn)生。本設(shè)計(jì)模擬5 ns和10 ns上升時(shí)間T0信號，圖10為示波器顯示的模擬T0信號。

圖9 提取輸入信號上升沿信息時(shí)序圖Fig.9 Timing diagram of extracting rising edge information from input signal.

圖10 模擬T0信號波形圖Fig.10 Waveforms of T0.

上升沿信號對應(yīng)Aurora協(xié)議RX_FRAME_CHECK模塊的Datavaild信號，該信號為單周期信號。由于光纖接收和發(fā)送都采用的用戶時(shí)鐘125 MHz，因此上升沿信號有效時(shí)間為8 ns，為方便示波器采樣，將一個(gè)周期的上升沿信號擴(kuò)展為10個(gè)周期，用T_Recover表示。信號抖動由示波器統(tǒng)計(jì)測量得出，計(jì)算輸入T0信號和T_Recover的延遲的標(biāo)準(zhǔn)方差(Standard Deviation, Sdev)便得到輸入信號的傳輸抖動，計(jì)算公式如下：

圖11 信號抖動測試波形圖Fig.11 Waveforms of signal jitter test.

表1 Aurora協(xié)議傳輸測量結(jié)果Table 1 Results of Aurora protocol transmission measurements.

2.3 測試結(jié)果

通過每組5000次的多組信號性能測量結(jié)果可以看出，傳播延遲最大不超過600 ns，抖動最大不超過4 ns，且延遲和抖動穩(wěn)定性較好，均能滿足系統(tǒng)要求。

3 結(jié)語

基于Aurora協(xié)議進(jìn)行光纖傳輸T0信號的方式能夠滿足電子學(xué)系統(tǒng)對實(shí)時(shí)信號傳輸?shù)囊?。測量結(jié)果表明，信號上升時(shí)間對延遲和抖動有一定影響，信號上升時(shí)間越長則延遲越長，抖動越大，可通過縮短信號上升時(shí)間降低傳輸延遲和抖動。

1 Wei J, Fang S X, Feng J, et al. China spallation neutron sources design[C]. Proceedings APAC 2007, Indore, India, 2007: 310?314

2 胡俊, 朱科軍, 江曉山. 基于PCIE的CSNS高通粉末衍射儀高速數(shù)據(jù)采集卡[J]. 核電子學(xué)與探測技術(shù), 2011, 31(10): 1062?1072

HU Jun, ZHU Kejun, JIANG Xiaoshan. The data acquisition card of high-throughput powder diffractometer in CSNS[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2011, 31(10): 1062?1072

3 徐昊, 劉振安, 盧云鵬, 等. 基于FPGA的高速串行光纖數(shù)據(jù)傳輸在BESIII觸發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用[J]. 核技術(shù), 2009, 32(9): 706?710

XU Hao, LIU Zhen'an, LU Yunpeng, et al. Application of FPGA-based high-speed data transmission with optical fiber in trigger system of BESII[J]. Nuclear Techniques, 2009, 32(9): 706?710

4 Xilinx Inc. Spartan-6 FPGA GTP transceivers[CP/OL]. http://www.xilinx.com, April 30, 2010

5 Xilinx Inc. Aurora_8B10B protocol specification[CP/OL]. http://www.xilinx.com, April 19, 2010

CLC TN41, TN492

Real-time signal transmission performance tests with optical fiber
based on Aurora protocol

LU Ruiqi1,2ZENG Jianping1ZHAO Yubin2REN Hailong1,2

1(The Physics and Micro Electronic College of Hu'nan University, Changsha 410082, China)
2(Dongguan Institute of Neutron Science (DINS), Dongguan 523808, China)

Background: General Purpose Powder Diffractometer (GPPD) is one of Chinese Spallation Neutron Source (CSNS) diffractometers, which adopts Symptom Scale of Neurotransmitter Deficiency (SSND) detecting the position and the flight time of neutron when it hits, and the electronics system processes the detected neutron information. The shooting time T0, as a time reference point of the electronics system, is a real time signal. Traditional cable transmission meets the real-time signal transmission requirements, however, laying work will be rather complex and bring great difficulties to project since numerous of cable was needed. Purpose: The electronics control circuits is needed to transfer the received signal T0 to the lower electronics in real time with low propagation delay and low jitter via optical fiber, and the the propagation delay is less than 1 μs which including the 15-m optical fiber delay, the jitter is less than 0.1 μs. Methods: This paper describes a transferring scheme based on Spartan6 XC6SLX75T FPGA using Aurora protocol via optical fiber. The testing program is based on ISE Design Suite14.4 FPGA development platform, adopting high-precision oscilloscopes to the measure and calculate the transmission delay and jitter of different rise time signal T0 repeatly. Results: Repeated measurements show that the maximum propagation delay is less than 600 ns and that the maximum jitter is less than 4 ns, in addition, the stability of jitter stability is good, and it meets the system requirements. Conclusion: It is feasible to use Aurora protocol via optical fiber to transfer real-time signal T0. Signal rise time has a certain influence on the delay and jitter, longer signal rise time corresponds longer delay and greater the jitter, so to shorten rise time of signal can reduce the transmission delay and jitter.

Chinese Spallation Neutron Source (CSNS), General Purpose Powder Diffractometer (GPPD), Real-time signal, Jitter, Aurora protocol, Optical

TN41，TN492

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.030404

中國散裂中子源工程(發(fā)改高技(2008)2578號)、湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(No.2014Gk3148)資助

魯睿其，女，1988年出生，2012年畢業(yè)于湖南大學(xué)，現(xiàn)為湖南大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)镕PGA硬件開發(fā)

2014-12-08，

2015-01-07