基于MicroTCA架构的束损探测器AMC DIO板卡设计

作     者：周舜民 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所) 

学位级别：硕士

导师姓名：毛瑞士

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 082701[工学-核能科学与工程] 0827[工学-核科学与技术] 

主      题：MicroTCA AMC IPMI FPGA STM32 

摘      要：随着加速器产生的实验事例数量越来越大,对数据传输的速度和实时性要求也越来越高,以往基于VXI、VME、PXI等背板总线已无法满足其需求。而通信领域的MicroTCA（Micro Telecommunications Computing Architecture）系统架构则能很好的解决关于大数据量和高速传输的问题。目前在加速器领域MicroTCA的应用越来越多,新一代的FAIR（反质子与离子研究设施,Facility for Antiproton and Ion Research）、XFEL（X-ray Free Electron Laser）、日本第三代同步辐射装置Spring-8及SLAC、ANL等研究所的加速器装置都采用了MicroTCA系统。HIAF（High Intensity Heavy-ion Accelerator Facility）装置也拟采用MicroTCA系统实现束损探测系统的数据采集和控制。论文根据束诊束损探测系统的实际需求设计了首款符合MicroTCA.0和AMC.0规范标准的具备光纤收发模块、基于FPGA处理的带DDR2存储和PCIE高速总线传输和符合IPMI（Intelligent Platform Management Interface）协议、IPMB（Intelligent Platform Management Bus）总线协议的AMC（Advanced Mezzanine Card）模块DIO板卡。板卡包括基于FPGA实现的功能模块和基于STM32 ARM内核单片机实现的板卡管理模块两部分。FPGA模块实现相关数据处理、传输、存储等功能,设计了可移植到不同平台的通用二次封装DDR2逻辑接口以及DMA传输方式的PCIE数据传输;STM32 ARM内核单片机的板卡管理程序,实现板卡的FRU状态转化和上下电流程控制,设计定义相关FRU信息的数据结构体和IPMI协议的响应数据结构体,通过温度传感器进行板卡健康状态监控,并将相关FRU信息写入EEPROM并读取传输。经测试,板上供电电压误差都在官方给定范围内,除DDR2参考电压误差为6.5%（官方10%）,其他误差保持在1.2%（官方2%）以内;温度监控精度处理为0.5℃/℉;DDR2最高可在700Mhz下进行数据读写操作;FPGA和STM32在115200bps下能正确稳定通信。测试结果表明,束损AMC DIO板卡FPGA系统、STM32系统能够正常稳定工作,实现了对数据的读取、传输、处理存储控制及板卡健康状态的监控、FRU信息传输读取等功能。说明设计的首款基于MicroTCA系统的束损AMC DIO板卡达到了设计要求。