鄧文迪 黃光明

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基于CBM-TOF探測(cè)器無觸發(fā)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的壓縮算法研究

鄧文迪 黃光明

（華中師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 武漢 430079）

針對(duì)CBM-TOF (Compression Baryon Material experiment - Time of flight detector)探測(cè)器采用的無觸發(fā)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流，本文提出一套完整的數(shù)據(jù)壓縮算法，該算法通過提取數(shù)據(jù)流中與粒子信息相關(guān)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)配對(duì)成脈沖信號(hào)做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)篩選來完成。算法通過三個(gè)步驟完成對(duì)數(shù)據(jù)的壓縮處理，分別是有效性驗(yàn)證、排序及脈寬篩選。有效性驗(yàn)證將初步篩選數(shù)據(jù)，保留粒子到來的時(shí)刻信息（絕對(duì)時(shí)間/相對(duì)時(shí)間），再通過后面兩個(gè)步驟將符合行為的脈沖提取出來。通過壓縮來自COSY的束流測(cè)試的數(shù)據(jù)，算法的正確性和有效性得到了驗(yàn)證，數(shù)據(jù)的壓縮率達(dá)到94.5%以上，并且完整地保留了有用的數(shù)據(jù)信息。本算法減輕了無觸發(fā)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)鏈路上數(shù)據(jù)流的壓力，高效快速地將原始數(shù)據(jù)中有價(jià)值的信息提取出來，基本完成了針對(duì)CBM-TOF數(shù)據(jù)預(yù)處理的工作要求，對(duì)TOF探測(cè)器的數(shù)據(jù)重組有重要的意義。

飛行時(shí)間探測(cè)器，無觸發(fā)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，數(shù)據(jù)壓縮

粒子在通過不同的探測(cè)器時(shí)所表現(xiàn)出來的行為都不相同，人們難以找到一個(gè)通用的方法去定量識(shí)別不同能量等級(jí)下的粒子。到目前為止，成百的粒子已經(jīng)被人們找到，但是其中只有少數(shù)粒子可以被探測(cè)器直接探測(cè)并識(shí)別出來，例如g、和。在能夠識(shí)別這些少數(shù)粒子后，人們可以通過測(cè)量事件中的關(guān)鍵參數(shù)來進(jìn)行事件重建，進(jìn)而找出其他的粒子。通過研究發(fā)現(xiàn)[1]，我們可以通過測(cè)量粒子的質(zhì)量來有效區(qū)分這些粒子（例如、、和）。如今人們對(duì)這些粒子的質(zhì)量已經(jīng)非常了解，所以通過建造探測(cè)器測(cè)量這些粒子的質(zhì)量來完成對(duì)這些粒子的識(shí)別已成為可能。從原則上講，想要直接測(cè)量出粒子的質(zhì)量是不可能實(shí)現(xiàn)的。但是我們可以通過測(cè)量粒子的兩個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)（其中至少有一個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)與粒子質(zhì)量相關(guān)）最終完成對(duì)粒子的識(shí)別。通常所測(cè)量的粒子的動(dòng)力學(xué)參數(shù)為速度、能量或者動(dòng)量。在高能物理領(lǐng)域有很多方法能夠測(cè)量粒子的速度，而飛行時(shí)間探測(cè)技術(shù)(Time of Flight, TOF)就是其中的一種。

飛行時(shí)間探測(cè)器對(duì)粒子的識(shí)別可以通過直接測(cè)量粒子的飛行時(shí)間、粒子來自跟蹤探測(cè)器的動(dòng)量以及粒子的飛行距離來完成。在飛行時(shí)間探測(cè)器中，粒子的飛行時(shí)間和粒子質(zhì)量的關(guān)系如下：

式中：=L/。我們知道，具有相同動(dòng)量的不同類型的粒子飛行相同距離所需要的時(shí)間取決于它們的粒子質(zhì)量。在飛行時(shí)間探測(cè)器中，為了能夠有效地探測(cè)粒子，需要測(cè)量以下三個(gè)參數(shù)[2]：1) 粒子打擊在飛行時(shí)間探測(cè)器上的位置；2) 粒子到達(dá)飛行時(shí)間探測(cè)器的時(shí)刻；3) 碰撞產(chǎn)生粒子的時(shí)刻。

我們用第一個(gè)參數(shù)來算出粒子的飛行距離。而粒子的速度可以利用后面兩個(gè)參數(shù)計(jì)算出來。當(dāng)給定的已知的情況下，可以計(jì)算出粒子的質(zhì)量，從而去識(shí)別這些粒子。

將式(1)兩邊求偏導(dǎo)后整理得到式(2)，從式(2)中發(fā)現(xiàn)飛行時(shí)間探測(cè)器能探測(cè)到的粒子質(zhì)量的精度與其系統(tǒng)的整體時(shí)間分辨率有關(guān)。在高能物理實(shí)驗(yàn)中要想?yún)^(qū)分出各種粒子，探測(cè)器就必須提高對(duì)粒子質(zhì)量探測(cè)的精度。換句話說就是要對(duì)系統(tǒng)的整體時(shí)間分辨率有較高的要求。

系統(tǒng)的整體時(shí)間分辨率主要由前端探測(cè)器的時(shí)間分辨率和數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的時(shí)間分辨率共同決定。對(duì)于數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)而言，無觸發(fā)的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)相較有觸發(fā)的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)在時(shí)間分辨率上有著明顯的優(yōu)勢(shì)。在傳統(tǒng)的帶觸發(fā)的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中，需要通過硬件或者軟件方式在系統(tǒng)外部產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，在將觸發(fā)信號(hào)與獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐一的比對(duì)選擇出需要的數(shù)據(jù)。這個(gè)過程需要消耗大量的時(shí)間，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的時(shí)間分辨率。而在無觸發(fā)的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中，由于沒有觸發(fā)信號(hào)系統(tǒng)處于自由取數(shù)的狀態(tài)。只要有信號(hào)到來就會(huì)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)下來，這樣整個(gè)系統(tǒng)的死區(qū)時(shí)間只和模擬電路數(shù)字電路本身的死區(qū)時(shí)間有關(guān)。所以在當(dāng)今，隨著對(duì)時(shí)間分辨率要求的提高，更多的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)都采用了無觸發(fā)的形式，如PANDA實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)[2]。而無觸發(fā)的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)唯一的缺陷就是會(huì)引進(jìn)大量的時(shí)間刻度數(shù)據(jù)和噪聲數(shù)據(jù)，系統(tǒng)需要提高數(shù)據(jù)的傳輸帶寬并將獲取到的數(shù)據(jù)逐級(jí)地傳送到PC端進(jìn)行分析處理。另外無觸發(fā)的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)需要質(zhì)量較高的時(shí)鐘系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以確保所有模塊的時(shí)間同步。

在德國重離子研究中心主導(dǎo)的高能物理實(shí)驗(yàn)重子物質(zhì)壓縮實(shí)驗(yàn)(Compression Baryon Material experiment, CBM)，為了能從高能量高相互作用的粒子碰撞中識(shí)別出各種質(zhì)子、介子等粒子。其選取了TOF作為實(shí)驗(yàn)的其中一個(gè)子探測(cè)器，并為TOF探測(cè)器搭建了一套無觸發(fā)的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。本文主要介紹在CBM-TOF上無觸發(fā)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中對(duì)原始數(shù)據(jù)的初步篩選與壓縮工作。

1 CBM-TOF探測(cè)器及其數(shù)據(jù)獲取鏈路

CBM-TOF探測(cè)器主要目的是通過探測(cè)具有高能量的強(qiáng)子相互碰撞后的粒子飛行時(shí)間來對(duì)各種粒子進(jìn)行定量的識(shí)別。圖1為CBM探測(cè)器的總體原型，可以看出TOF探測(cè)器安裝在相對(duì)粒子撞擊點(diǎn)靠后的位置，這樣粒子就會(huì)有一定的飛行距離。通過記錄粒子的飛行時(shí)間即可得到其質(zhì)量，從而識(shí)別各種粒子。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中我們認(rèn)為撞擊后所有粒子幾乎同時(shí)從撞擊點(diǎn)出發(fā)，那么整個(gè)實(shí)驗(yàn)的起始時(shí)間就可以被認(rèn)定為撞擊的瞬間。從撞擊的瞬間開始TOF探測(cè)器的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)啟動(dòng)工作并開始計(jì)時(shí)為1，當(dāng)粒子經(jīng)過飛行后撞擊到TOF墻后數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)記錄其到來時(shí)刻為2，那么粒子的飛行時(shí)間即為2?1。

需要注意的是整個(gè)的CBM-TOF的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)是無觸發(fā)的，所以系統(tǒng)從開始工作后就一直輸出固定的時(shí)間刻度（時(shí)間戳）用來記錄絕對(duì)時(shí)間[3]，這樣整個(gè)時(shí)間譜就可以被描述如圖2所示。從圖2中也可以得到粒子到來的時(shí)間與撞擊開始時(shí)間差，即為粒子飛行時(shí)間。

圖3 CBM-TOF探測(cè)器數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)簡(jiǎn)要框圖Fig.3 Simplified block diagram of CBM-TOF data acquisition system.

整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流形式如圖4所示。首先，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)工作后，GET4芯片根據(jù)自身的時(shí)間軸每隔26.2144ms產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間戳數(shù)據(jù)(Epoch_data)；其次，在每個(gè)時(shí)間戳內(nèi)經(jīng)過GET4-TDC轉(zhuǎn)換的時(shí)間沿?cái)?shù)據(jù)(Edge_data)會(huì)被寫入到對(duì)應(yīng)的時(shí)間戳數(shù)據(jù)后面；再次，系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)地產(chǎn)生監(jiān)視信息，并穿插在時(shí)間戳數(shù)據(jù)和時(shí)間沿?cái)?shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)流中。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流形式Fig.4 Data flow form of system.

圖5 原始數(shù)據(jù)流格式Fig.5 Format of Raw_data.

2 壓縮算法的目標(biāo)

針對(duì)CBM-TOF探測(cè)器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流的形式，本文壓縮算法的具體目標(biāo)有下述三個(gè)方面的內(nèi)容：

首先，過濾掉系統(tǒng)產(chǎn)生的描述和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)的信息(System_message)。這是由于此類型的數(shù)據(jù)僅被用于輔助、監(jiān)測(cè)和調(diào)整整個(gè)讀出電子學(xué)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，而壓縮算法需要得到的結(jié)果是被探測(cè)器系統(tǒng)所探測(cè)到的粒子的相關(guān)信息（脈沖的到來時(shí)刻和寬度），所以這些消息對(duì)分析粒子特性沒有貢獻(xiàn)可以剔除掉[4]。

其次，篩選掉空的時(shí)間戳數(shù)據(jù)。前面提到過，由于整個(gè)電子學(xué)讀出系統(tǒng)采用無觸發(fā)的數(shù)據(jù)讀出機(jī)制，那么當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)工作之后就會(huì)定時(shí)地送出時(shí)間戳數(shù)據(jù)，以此標(biāo)量整個(gè)系統(tǒng)的絕對(duì)時(shí)間軸[5]。所以在整個(gè)工作時(shí)間段內(nèi)探測(cè)器會(huì)有相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里沒有探測(cè)到粒子，從而在幾個(gè)或幾十個(gè)時(shí)間戳內(nèi)沒有時(shí)間沿?cái)?shù)據(jù)，這樣在得到的原始數(shù)據(jù)流中會(huì)出現(xiàn)時(shí)間戳的堆疊，也就是說相鄰兩個(gè)時(shí)間戳數(shù)據(jù)之間并沒有時(shí)間沿?cái)?shù)據(jù)。我們將數(shù)據(jù)流中沒有時(shí)間沿?cái)?shù)據(jù)跟隨的時(shí)間戳稱為空的時(shí)間戳數(shù)據(jù)。像這樣空的時(shí)間戳數(shù)據(jù)只包含系統(tǒng)絕對(duì)時(shí)間信息，而不包含粒子信息，所以可以被剔除。這樣被保留下來的時(shí)間戳數(shù)據(jù)必然是其后跟隨有時(shí)間沿?cái)?shù)據(jù)的少數(shù)時(shí)間戳，這樣的時(shí)間戳用來記錄粒子脈沖到來的絕對(duì)時(shí)刻。

最后，壓縮算法需要對(duì)沿?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行排序和配對(duì)建立脈沖數(shù)據(jù)，并剔除掉無效的沿?cái)?shù)據(jù)和脈沖數(shù)據(jù)。由于CBM-TOF讀出電子學(xué)系統(tǒng)的TDC芯片GET4采用其獨(dú)有的Taking_raining[6]時(shí)間沿讀出方式，使得在同一個(gè)時(shí)間戳內(nèi)部的時(shí)間沿?cái)?shù)據(jù)(Edge_data)并不完全按照其相對(duì)時(shí)刻的順序被送入FIFO中存儲(chǔ)，這樣被按照FIFO位置順序取出而生成的原始數(shù)據(jù)(Raw_data)流中的時(shí)間沿?cái)?shù)據(jù)的位置順序會(huì)出現(xiàn)與時(shí)刻點(diǎn)不一致的情況，所以需要利用快速有效的排序?qū)r(shí)間沿?cái)?shù)據(jù)的位置順序按照相對(duì)時(shí)刻糾正到正確。排序完成后，時(shí)間沿需要按照上升沿和下降沿組合配對(duì)成脈沖數(shù)據(jù)，此時(shí)落單的時(shí)間沿被剔除掉。數(shù)據(jù)組成脈沖后還需要按照脈沖寬度的大小進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，這是因?yàn)榍懊嫣岬降牧Ｗ幼矒粜纬傻拿}沖的寬度有一定的范圍(1?10 ns)[7]，在脈沖寬度范圍之外的脈沖數(shù)據(jù)被視為系統(tǒng)的噪聲干擾和探測(cè)器放電產(chǎn)生的流光脈沖[8]。

綜上所述，依據(jù)這些目標(biāo)設(shè)計(jì)算法可以有效地提取出原始數(shù)據(jù)流中的有用粒子信息，極大程度壓縮數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)量，統(tǒng)計(jì)出粒子的基本參數(shù)，為后續(xù)的物理分析提供便利。

3 壓縮算法的實(shí)現(xiàn)

算法的總體流程如圖6所示，共分三個(gè)部分完成。首先，原始數(shù)據(jù)被按照相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式逐條讀出，對(duì)讀出的數(shù)據(jù)做有效性的檢驗(yàn)(Validity checking)，保留時(shí)間戳數(shù)據(jù)和時(shí)間沿?cái)?shù)據(jù)，并將這兩類的數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則分段保存在順序編號(hào)的文件中完成算法第一步；其次，對(duì)每個(gè)分段內(nèi)的時(shí)間沿?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行排序，并將空的時(shí)間戳數(shù)據(jù)刪除；然后將排列有序的時(shí)間沿?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)組合成脈沖數(shù)據(jù)，并刪除落單的時(shí)間沿?cái)?shù)據(jù)；最后，對(duì)成形的脈沖數(shù)據(jù)按照脈沖寬度進(jìn)行檢驗(yàn)，并保留有效寬度內(nèi)的脈沖數(shù)據(jù)。另外，在整個(gè)算法過程中會(huì)植入一些統(tǒng)計(jì)，對(duì)數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)以及算法的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，主要統(tǒng)計(jì)時(shí)間戳、時(shí)間沿個(gè)數(shù)以及脈沖個(gè)數(shù)和其脈沖寬度的分布，以便計(jì)算出算法的壓縮效率。

圖6 壓縮算法流程總框圖Fig.6 Block diagram of compression algorithm.

3.1 數(shù)據(jù)讀入及有效性驗(yàn)證

有效性驗(yàn)證的程序流程圖如圖7所示。程序通過讀取原始數(shù)據(jù)文件逐條地接收原始數(shù)據(jù)的信息，然后過濾掉系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)，并將原始數(shù)據(jù)中的時(shí)間戳數(shù)據(jù)和時(shí)間沿?cái)?shù)據(jù)按照每5個(gè)時(shí)間戳為一個(gè)時(shí)間單位分別放入不同的文件中存儲(chǔ)，此時(shí)會(huì)將非同步的時(shí)間戳數(shù)據(jù)和其后跟隨的時(shí)間沿?cái)?shù)據(jù)刪除掉，這樣當(dāng)系統(tǒng)因?yàn)槟承┕收蠈?dǎo)致同步出現(xiàn)問題時(shí)不會(huì)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和保留。在這個(gè)過程中得到了按照順序編號(hào)的多個(gè)文件，這些文件用來存放屬于其時(shí)間段內(nèi)的時(shí)間沿?cái)?shù)據(jù)。當(dāng)某時(shí)間段內(nèi)沒有時(shí)間沿?cái)?shù)據(jù)時(shí)，文件就是空文件，也就是上文中提到的連續(xù)多個(gè)空時(shí)間戳內(nèi)，探測(cè)器系統(tǒng)沒有探測(cè)到粒子的打靶和沒有產(chǎn)生時(shí)間沿的數(shù)據(jù)。

圖7有效性驗(yàn)證程序流程圖Fig.7 Procedure of validity checking.

3.2 排序單元設(shè)計(jì)

排序程序比較簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)思路是按照順序?qū)Σ襟E1（有效性驗(yàn)證）中整理接收到的文件中的時(shí)間沿進(jìn)行排序。也就是說排序的工作是按照數(shù)據(jù)流中的時(shí)間戳進(jìn)行分段處理。按照每5個(gè)時(shí)間戳為一個(gè)時(shí)間單位，將這個(gè)時(shí)間單位內(nèi)部的時(shí)間沿?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行排序。所以在設(shè)計(jì)時(shí)唯一需要考慮的就是排序數(shù)組元素的個(gè)數(shù)order需要大于等于5個(gè)時(shí)間戳內(nèi)一個(gè)GET4-TDC芯片產(chǎn)生的最大的時(shí)間沿?cái)?shù)量5?EpochEdge。這里估算方式按照每個(gè)通道內(nèi)最大的粒子打擊率為r=250 kHz來計(jì)算可得一個(gè)時(shí)間戳內(nèi)GET4-TDC芯片產(chǎn)生的最大時(shí)間沿?cái)?shù)量為：

式中：ep為一個(gè)時(shí)間戳的時(shí)間，26.214 4ms；chn=4，為GET4-TDC數(shù)據(jù)通道；ed=2，表示一個(gè)脈沖產(chǎn)生兩個(gè)沿?cái)?shù)據(jù)；考慮到設(shè)計(jì)余量這里粒子打擊率r取300 kHz。由此5個(gè)時(shí)間戳的沿?cái)?shù)據(jù)總數(shù)最大值可算出為5?EpochEdge=5×1?EpochEdge=315，所以排序數(shù)組的長(zhǎng)度order取315即可滿足數(shù)據(jù)率的要求。在實(shí)際的算法中考慮到數(shù)據(jù)的余量，將排序數(shù)組的大小設(shè)置為500，以保證不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況。

3.3 脈沖成型

時(shí)間沿?cái)?shù)據(jù)經(jīng)過排序后就可以。圖8為建立脈沖的程序流程圖。建立脈沖的機(jī)制是遍歷時(shí)間段內(nèi)所有的時(shí)間沿，將本時(shí)間沿與其相鄰的下一個(gè)時(shí)間沿進(jìn)行配對(duì)，如果兩個(gè)時(shí)間沿滿足脈沖的配對(duì)關(guān)系就將兩個(gè)時(shí)間沿組合成為一個(gè)脈沖數(shù)據(jù)。其中脈沖的配對(duì)關(guān)系為一個(gè)上升沿加上一個(gè)下降沿。完成脈沖建立后，脈沖數(shù)據(jù)所包含的時(shí)間信息為脈沖到來時(shí)刻(Start_time)和脈沖寬度(Time over threshold, TOT)。在建立脈沖的過程中會(huì)出現(xiàn)兩種情況：第一種是上升沿和下降沿都在同一個(gè)處理時(shí)間段內(nèi)，也就是說兩個(gè)沿?cái)?shù)據(jù)在一個(gè)文件中；第二種情況是兩個(gè)時(shí)間沿分別在兩個(gè)處理時(shí)間段內(nèi)，也就是說上升沿在文件中而下降沿在文件+1中。在建立脈沖時(shí)兩種情況都要考慮，特別是第二種情況，防止出現(xiàn)有效的脈沖信號(hào)（橫跨兩個(gè)時(shí)間段的脈沖）沒有進(jìn)行匹配而出現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)的情況。

圖8建立脈沖程序流程圖Fig.8 Procedure of hit building.

4 算法測(cè)試與分析

算法的代碼是用C語言在Linux系統(tǒng)下的GCC編譯器環(huán)境下完成的，通過GCC編譯器將代碼轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行的文件，然后編寫控制腳本通過腳本分批地讀取原始數(shù)據(jù)并輸入到算法中做壓縮，而后得到算法結(jié)果。

表1為對(duì)原始數(shù)據(jù)流進(jìn)行算法后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。統(tǒng)計(jì)的內(nèi)容包括數(shù)據(jù)流中總的時(shí)間戳數(shù)據(jù)(Epoch_data)、時(shí)間沿?cái)?shù)據(jù)(Edge_data)以及經(jīng)過壓縮之后得到的有效脈沖數(shù)(Hit_data)。其中壓縮率的計(jì)算為總的時(shí)間沿和時(shí)間戳數(shù)據(jù)減去算法保留的脈沖數(shù)量與時(shí)間沿和時(shí)間戳總數(shù)的比值，而數(shù)據(jù)丟失率為有效脈沖數(shù)量與總脈沖數(shù)量的比值。本次測(cè)試的原始數(shù)據(jù)來源為GSI對(duì)CBM-TOF數(shù)據(jù)系統(tǒng)做的束流測(cè)試(Beam_test)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源真實(shí)可靠。從表1中可以看出，數(shù)據(jù)的壓縮率比較高，算法丟棄掉了大量無用的時(shí)間沿?cái)?shù)據(jù)和時(shí)間戳數(shù)據(jù)。另一方面，對(duì)經(jīng)過壓縮算法之后得到的脈沖數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)軟件給出的有效脈沖的數(shù)量做了對(duì)比，給出了壓縮算法的數(shù)據(jù)丟失率?？梢钥闯鰤嚎s算法對(duì)數(shù)據(jù)流中有效數(shù)據(jù)信息的丟失率幾乎為零，其完整地篩選出了數(shù)據(jù)流中有用的脈沖信息。

表1 壓縮算法結(jié)果統(tǒng)計(jì)
Table 1 Result of data with compression algorithm.

時(shí)間戳數(shù)據(jù)

Epoch data

時(shí)間沿?cái)?shù)據(jù)
Edge data

總脈沖數(shù)據(jù)
Total hit

有效脈沖數(shù)
Valid hit

數(shù)據(jù)丟失率

Lost rate

數(shù)據(jù)壓縮率
Compression ratio

181 765

38 897

11 372

11 386

0.123%

94.85%

333 474

5 567

2 576

2 579

0.116%

99.24%

另外，對(duì)Hit的脈沖寬度分布做了一個(gè)統(tǒng)計(jì)，如圖9所示。圖9橫坐標(biāo)為脈沖寬度的時(shí)間，縱坐標(biāo)為脈沖數(shù)量。從圖9中可以看出，大部分有效的脈沖寬度都集中在1?5 ns范圍內(nèi)，脈沖寬度達(dá)到10ns以上基本少見。根據(jù)測(cè)試用的MPRC的輸出脈沖特點(diǎn)[1]，這種脈沖寬度的分布規(guī)律符合探測(cè)器本身的粒子性能，從側(cè)面反映了壓縮算法的正確性。

圖9 脈沖寬度的分布圖Fig.9 Distribution of pulse witch.

5 結(jié)語

根據(jù)測(cè)試的結(jié)果可以看出，本算法基本完成了預(yù)期的壓縮目標(biāo)，篩選出了數(shù)據(jù)流中有用的粒子信息，數(shù)據(jù)的壓縮率達(dá)到了94.5%以上。同時(shí)，算法統(tǒng)計(jì)出了數(shù)據(jù)流中探測(cè)器探測(cè)到的粒子脈沖寬度的分布和其他的信息，為以后的物理分析做鋪墊。目前算法是在PC機(jī)上編寫軟件實(shí)現(xiàn)的對(duì)數(shù)據(jù)的離線處理，日后會(huì)移植并放置到可編程邏輯陣列中，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的在線處理，用于減輕整個(gè)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)傳輸鏈路的傳輸帶寬的壓力。

1 仇九子. 一臺(tái)用于重核素測(cè)量的能量-飛行時(shí)間探測(cè)系統(tǒng)[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù), 2013, 33(4): 458?461. DOI: 10.3969/j.issn.0258-0934.2013.04.015
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8 陳天翔. 宇宙線測(cè)試平臺(tái)及高分辨率MRPC技術(shù)研 究[D]. 合肥: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2015
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國家自然科學(xué)基金(No.11420101004)資助

Support by National Natural Science Foundation of China (No.11420101004)

Design of data compression algorithm based on CBM-TOF Trigger-less data acquisition system

DENG Wendi HUANG Guangming

(College of Physical Science and Technology, Central China Normal University, Wuhan 430079, China)

Background: In order to further study the high baryon number density area in Quantum Chromodynamics Phase Diagram (QCD), compression baryon material experiment (CBM) and the construction of SIS100/300 accelerator had been launched in Antiprotons and Ion Research Center of Germany. As for time of flight (TOF) which was the sub-detector at CBM experiment, a set of data preprocessing algorithm was designed in this paper, which played a significant role in the electronic readout system of the entire TOF detector. Purpose: The research aimed to design a complete set of data compression algorithm specific to data flow generated by trigger-free data acquisition system of CBM-TOF detector so as to extract data related to the particle information from such data flow and then match them into pulse signals for further data screening. Methods: C programming language was adopted to write the main part of such an algorithm and compiled them into executable files. By writing script, the executable files were invoked to read raw data files of TOF detector which were input into the compression algorithm for processing. In the end, results obtained were saved in files and drawn into charts through statistics. The core of this algorithm could be classified into three parts and they were validity checking, time ordering and time over threshold checking respectively. Under the action of scripts, algorithm screening was carried out for a large amount of raw data one by one in accordance with lengths which had been determined in advance; moreover, useful data relevant with blow particles were also extracted. Results: The compressed raw data were derived from beam testing of COSY in November 2011. For this algorithm, raw data volume was compressed to the maximum extent with a compression ratio of 94.5% and above; in addition, the compression algorithm didn’t lose the useful data including blow information of particles. Conclusion: Regarding this algorithm, not only data flow pressures on trigger-free data acquisition system link were relieved, but also valuable information was extracted from the raw data both efficiently and rapidly. Therefore, operational requirements for CBM-TOF data preprocessing were basically satisfied, which had a great significance for data reconstitution of TOF detector.

TOF, Free stream data acquisition system, Data compression

DENG Wendi, male, born in 1990, graduated from Central China Normal University in 2012, master student, focusing on data processing of free-stream data acquisition system

TL99

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.060403

鄧文迪，男，1990年出生，2012年畢業(yè)于華中師范大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)镃BM-TOF探測(cè)器數(shù)據(jù)處理

2015-12-08，

2016-03-25