А. Г. БАТИЩЕВ, С. В. КОЛДАШОВ, П. Ю. НАУМОВ,
А. Ю. МОРОЗОВ, А. А. КАРПОВА
Институт Космофизики Московского инженерно-физического института
(государственного университета)
ВЫСОКОСКОРОСТНАЯ СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ СОБЫТИЙ С МНОГОСЛОЙНОГО СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО ДЕТЕКТОРА НА ОСНОВЕ ПЛИС-ТЕХНОЛОГИЙ
Описывается высокоскоростная система сбора и обработки информации (ВССОИ) научной аппаратуры (НА), устанавливаемой на борту Российского сегмента Международной космической станции (РС МКС). Особенностью ВССОИ является использование современных программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) и современных быстродействующих аналого-цифровых преобразователей.
В настоящее время в лаборатории кафедры «Микро - и Космофизика» заканчивается подготовка космического эксперимента (КЭ) по изучению всплесков высокоэнергичных заряженных частиц на борту РС МКС.
ВССОИ задумана как устройство сопряжения между детекторной системой (ДС) и микропроцессорной системой (МПС) в НА «ЗИНА». ВССОИ функционально разделена на аналоговую и аналого-цифровую части. Аналого-цифровая часть располагается в специальном крейте, вмещающим модули стандарта PC/104 и занимает 3 посадочных места с габаритами 115х95х37 мм. Аналоговая часть располагается рядом с ДС и имеет размеры 164,5х120х25 мм.
Практически ВССОИ разделена на отдельные независимые блоки: блок входной регистрирующей электроники (БВРЭ), состоящий из устройства сопряжения (УС) и компараторов (К), и блок амплитудного анализа (БАА), состоящий из АЦП и ПЛИС (рис. 1).
Сигналы, вырабатываемые ДС, поступают в БВРЭ для дальнейшего усиления и формирования служебных сигналов запуска. Далее сигналы поступают на АЦП. Оцифрованные сигналы со всех ФЭУ формируют информационный пакет о зарегистрированной частице и накапливаются в ПЛИС. Далее ПЛИС передает набор пакетов для дальнейшего анализа, накопления и передачи информации на модуль процессора.
Ввиду особенности условий проведения КЭ, основным требованием к электронным компонента является радиационная стойкость и малая мощность рассеивания. Эти требования очень сильно ограничивают возможности по выбору современных быстродействующих электронных компонентов.
Для выполнения условий быстродействия (до 20 млн. выборок в сек) АЦП должно быть только параллельного типа. Другим условием в выборе АЦП является возможность проведения измерений в динамическом диапазоне Д~1000: примерно от 0.05 MIP до 50 MIP (1 MIP – это минимальные ионизационные потери однозарядной релятивистской частицы в веществе). Для работы в полном динамическом диапазоне был выбран способ использования двух 8-разрядных АЦП AD9058, один из которых подключен к диноду фотоумножителя, другой к его аноду, разделяя полный динамический диапазон на два поддиапазона: с динода – от 0.25 MIP до 50 MIP, с анода – от 0.05 MIP до 10 MIP. Таким образом, поддиапазоны частично дублируют друг друга, увеличивая надежность системы и повышая точность измерений в интервале (0.25 – 10) MIP.
Другим важным элементом ВССОИ является ПЛИС APA300-PQ208 семейства ProASICplus фирмы Actel. Этот элемент обладает высоким быстродействием. ПЛИС выдает строб-сигнал на АЦП по результатам сигналов, полученных с компаратора, настроенный на порог срабатывания: компараторы анодной группы настроены на низкий порог, превышающий уровень шумов; компараторы динодной группы настроены на высокий порог, соответствующий регистрации тяжелых заряженных частиц (протоны, ядра гелия и др.). В качестве быстродействующего компаратора мной была выбрана микросхема AD8612ARU
В настоящее время ведется разработка и изготовление тестового образца НА «ЗИНА».
Список литературы
1. и др. // Науч. сессия МИФИ-2004: Сб. науч. тр. М.: МИФИ, T.7. C.75-76.
2. и др. // Науч. сессия МИФИ-2002: Сб. науч. тр. М.: МИФИ, T.7. C.47-48.
3. и др. // Науч. сессия МИФИ-2004: Сб. науч. тр. М.: МИФИ, Т.7. С. 79-80.
