Speaker
Description
基于ROACH2的数据采集终端设计
张来宇1，李正伟1，廖国福1,2 ，师昊礼1 ，段然3，张馨心3
1.中国科学院高能物理研究所, 2. 中国科学院大学，3.中国科学院国家天文台
摘要：微波动态电感探测器（ Microwave Kinetic Inductance Detectors ，MKID）是一种基于超导材料的低温探测器， 可应用于光学、X射线等波段的光子探测读取、暗物质的探测、单光子计数以及天线耦合等众多研究领域；在亚毫米波天文学领域,也有着良好的应用前景。
MKID探测器阵列工作时需要室温读出终端发出多载波激励信号，每个载波对应一个谐振器也即一个MKID探测器，光子信号作用于探测器后会改变超导体的阻抗，通过谐振电路可以将阻抗的改变转为谐振频率和幅度的改变，从而达到探测光子的目的。
本文的工作基于ROACH2硬件平台，主要FPGA固件开发工作包括三部分：多载波信号的产生、高速ADC数据采集及缓存、10Gb网络数据传输。服务器端的程序包括ROACH2硬件控制和网络数据接收。FPGA固件使用MATLAB中的Simulink进行设计、仿真，使用casper_xps编译文件，文件编译生成后缀名为.bof的可下载文件，可通过上位机程序上传到ROACH2平台的相应文件夹中，通过Python脚本远程控制文件在ROACH2上执行。
DAC多载波信号的产生采用直接数字式频率合成器（Direct Digital Synthesizer，DDS）技术实现，DAC型号为DAC5681，工作频率为512MHz，采用两片DAC芯片实现I/Q两路数据输出。在MKID读出时，产生的载波频率分辨率要好于微波谐振器的半高宽。在本文中，产生DAC的数据缓冲区长度为16384，可获得31.25kHz的频率分辨率。数据存储在ROACH2板载的QDR SRAM中。
ADC型号为ADS54RF63I，12bit，工作频率为512MHz，采用两片ADC实现I/Q采样。ROACH2的工作频率为128MHz，每个时钟FPGA接收96bit数据。通过CASPER的10GbE模块将数据发送至服务器进行后续处理，为获取最大的数据传输速率，需将10GbE的数据缓冲区全部用满，根据CASPER 10GbE模块的数据手册，能处理的最大数据量为1088个64位数据。设计数据缓存模块，通过UDP协议将数据发送至上位机服务器。
服务器上的万兆网卡通过光纤与ROACH2的板载SFP+连接，采用UDP协议接收高速采集信号。
最终在ROACH2上实现了DAC梳妆谱数据产生、ADC高速数据采集，10Gb网络数据传输，可以完整采集、传输ADC I/Q数据，终端可用于后续MKID探测器室温读出的验证。
通讯作者：张来宇，中国科学院高能物理研究所，13681385567，zhangly@ihep.ac.cn
