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1、华中科技大学 硕士学位论文 正电子二维多普勒谱仪中网络传输模块的设计 姓名：尚世博 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：王耘波 20080715 I 华华 中 科中 科 技技 大 学 硕 士 学 位 论大 学 硕 士 学 位 论 文文 摘摘 要要 双探头二维多普勒展宽谱仪是一种符合数据测量系统，它是核仪器的组成部分 之一，在材料研究中有着广泛的应用。其中的数字处理电路负责对前端电路所传来 的核事件的信号进行分析和记录，并传送至主控计算机。为保证数据发往主控计算 机过程中高速，可靠传输，本工作针对双探头二维多普勒仪器中的数字信号传输电 路模块，进行设计和仿真。 本文根据实际
2、要求分析所用的 TCP/IP 网络协议和 WISHBONE 片上总线协议的 优点，利用 verilog 语言，设计了 FPGA 网络传输模块 Net，并对网络传输模块进行 了模拟仿真和综合。通过对仿真结果的分析，验证了网络传输模块在传输过程中的 可靠性和稳定性，达到了保证了数据高速高效传输的要求。 网络传输模块实现了 ARP、ICMP 和 UDP 协议，保证数据以 100Mbps 全双工模 式在设备端与主控计算机之间传输；且结构简单，移植方便，具有一定的应用价值。 关键词：符合数据测量系统 二维多普勒展宽谱仪 TCP/IP 网络传输模块 II 华华 中 科中 科 技技 大 学 硕 士 学 位
3、论大 学 硕 士 学 位 论 文文 Abstract 2D Doppler spectrum copy as one of the positron annihilation techniques is applied widely in material researches. The digital circuit system of this instrument is responsible for analyzing and recording of annihilation signals coming from the pre-circuit and then transmitt
4、ing them to the host computer. My work is focused on the design of the transmission module in order to satisfy the properties such as high speed and high performance during the transmitting. In this thesis, according to the actual demands of the instrument, based on characteristics of TCP/IP protoco
5、l and on-chip bus protocol WISHBONE, the Ethernet transmission module is designed. By means of simulation, the reliability and stability of the Ethernet transmission module are verified to ensure the efficient high-speed data transmission. This transmission module realizes ARP, ICMP and UDP protocol
6、s. Data can be transmitted between the instrument and the host computer in full-duplex communication in 100Mbps. programming is flexible The technology used in this design is very universal and the programming is flexible, and would be adopted in other fields. Keywords: Coincidence system 2D Doppler
7、-broadening spectrum instrument TCP/IP Protocol Ethernet transmission module 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规
8、定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 华华 中 科中 科 技技 大 学 硕 士 学 位 论大 学 硕 士 学 位 论 文文 1 绪绪 论论 随着信息时代的不断发展，网络技术应用的领域也在不断的扩展。现在很多工 业技术中要求开发自己独立的板卡来
9、完成和计算机之间的数据处理和传输，这样做 的优点在于合适开发需要的功能，简化无用信息，达到实用的同时节约资源和成本。 目前一般的解决方案是采用嵌入式操作系统，但嵌入式操作系统可能存在着附加模 块太多，对于大数据量的处理难以准确有效的完成，实际过程中要求的特殊功能往 往达不到相应效果。 近几年，以 FPGA 为代表的现场可编程技术迅速崛起，随着速度的加快和复杂 性的日益提高，对先进功能的芯片需求增大，新的技术不断被引进到 FPGA 的设计 中；同时基于硬件编程语言（Verilog HDL，VHDL 等）的开发平台的不断更新，也 为研发人员灵活快捷的使用芯片资源建立了桥梁。用 FPGA 实现数据的
10、处理和传输 功能，在保证数据的高速高效传输的同时，也能缩短系统开发的时间。 本文介绍了二维多普勒仪在核试验分析中的应用，针对双探头二维多普勒仪器 中的数字信号传输模块，进行设计和仿真。传输电路模块基于 TCP/IP 网络协议，利 用 verilog 语言，针对 Xilinx Spartan3AN 设计了网络传输模块 Net，并对网络传输模 块进行了模拟仿真和综合。通过对仿真结果的分析，验证了网络传输模块在传输过 程中的可靠性和稳定性，保证了测试仪器中数据传输的要求。 1.1 FPGA 简介简介 FPGA1是英文 Field Programmable Gate Array 的缩写，即现场可编程门
11、阵列，它 是在 PAL、GAL、EPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。FPGA 采用逻辑 单元阵列 LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块 CLB （Configurable Logic Block） 、输入输出模块 IOB（Input Output Block）和内部可编程 互连资源（Programmble Interconnect）三个部分。 可配置逻辑块：被称为核心阵列，是实现自定义逻辑功能的基本单元，散布于 整个芯片；输入输出模块：排列于芯片四周，为内部逻辑与器件封装引脚之间提供 可编程接口；可编程互连资源：包括不同长度的连线线段及连
12、接开关，其功能是将 各个可编程逻辑块或 I/O 快连接起来以构成特定电路。 FPGA 的基本特点主要有：（1） 2 华华 中 科中 科 技技 大 学 硕 士 学 位 论大 学 硕 士 学 位 论 文文 采用 FPGA 设计 ASIC 电路， 用户不需要投片生产， 就能得到合用的芯片； （2） FPGA 可做其他全定制或半定制 ASIC 电路的中试样片； （3）FPGA 内部有丰富的触发器和 I/O 引脚； （4）FPGA 是 AISC 电路中设计周期最短，开发费用最低，风险最小的器 件之一； （5）FPGA 采用高速 CHMOS 工艺，功耗低，可以与 CMOS、TTL 电平兼 容。 FPGA
13、是由存放在片内 RAM 中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需 要对片内的 RAM 进行编程。 用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。 加电时， FPGA 芯片将 EPROM 中数据读入片内编程 RAM 中， 配置完成后， FPGA 进入工作状态。掉电后，FPGA 恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA 能够 反复使用。 FPGA 的编程无须专用的 FPGA 编程器， 只须用通用的 EPROM、 PROM 编程器即可。当需要修改 FPGA 功能时，只需换一片 EPROM 即可。这样，同一片 FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA 的使用非常灵活。
14、FPGA 有多种配置模式：并行主模式为一片 FPGA 加一片 EPROM 的方式； 主从模式可以支持一片 PROM 编程多片 FPGA； 串行模式可以采用串行 PROM 编 程 FPGA；外设模式可以将 FPGA 作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。选 择具体型号的 FPGA 时，需要考虑的因素较多，包括管脚数量、逻辑资源、片内存 储器、功耗、封装形式等等。另外，为了保证系统具有较好的可扩展性和可升级性， 一般应留出一定的资源余量。 由于高能物理实验的电子学系统具有高精度和规模大的特点，可编程逻辑器件 的使用往往会使电子学系统在获得高精度的同时，具有简单的系统结构。加之可编 程逻辑器件在抗
15、粒子辐射方面具有良好的稳定性，因此，可编程逻辑器件技术用于 许多高能物理实验分析仪器中。 1.2 FPGA 在符合数据系统中的应用在符合数据系统中的应用 符合数据系统是核仪器中的核心组成部分之一，它负责对前端电路所传来的信 号进行分析和记录。二维多普勒符合测量系统（CDBS） 、时间-动量关联测量系统 （AMOC）等多参数符合测量系统中，需要使用多通道的符合数据系统，对各个通 道所记录的事件的关联性进行分析。 二维多普勒测量的基本原理： 正电子是电子的反粒子，具有与电子相等的质量，符号相反数值相等的电荷和 3 华华 中 科中 科 技技 大 学 硕 士 学 位 论大 学 硕 士 学 位 论 文文
16、 磁距。当正电子与电子相遇时发生湮没，将其全部质量转换成电磁辐射，这种现象 称为正电子湮没。高能量的正电子进入样品介质中，主要经历两个阶段：在极短时 间内（约几个 ps） ，正电子与介质中的原子、分子发生一系列非弹性碰撞，能量迅速 减至晶格热振动能量 KBT 量级，称热化阶段。热化后的正电子在材料中扩散与电子、 声子以及晶体缺陷等相互作用，最终与周围介质中的一个电子发生湮没，即扩散阶 段。理论计算得出正电子在金属中的射程通常为 20-300um。实验中样品必须具有足 够的厚度以保证正电子不会穿透样品。 在扩散阶段，正电子可能是自由的，即自由湮没；也可能形成某种区域化的束 缚态而停止扩散，即捕获态湮没。通常情况下，如果正电子-电子湮没对在湮没时的 动量近似为零时，正电子与电子湮没放出两个方向相反的 光子，即双 湮没，湮 没后每个 光子的能量为 0.511MeV。 对于 22NaCl 正电子源，正电子进入固体后经过热化阶段，减小到热能（KBT） ， 然后在材料中扩散知道湮没
