触发系统的系统联调 和宇宙线实验 2008.4.29

1. 触发系统的系统联调和宇宙线实验2008.4.29 简介实验室局部系统联调 三号厅MDC触发小系统联调 在线组EMC触发小系统联调 物质楼TOF小系统联调 BESIII宇宙线实验 问题和改进

2. 实验室局部系统联调 触发系统与单个探测器、电子学的宇宙线联调，主要验证触发系统的设计方案，触发测试软件系统调试，检查与其它系统控制和接口协议，发现并解决各种隐藏的硬件缺陷。 这是触发系统第一次与MDC、EMC、TOF电子学和在线系统联试，光纤传输、流水线工作、数据读出、时序控制等得到多方面的检验。

3. 三号厅MDC触发小系统联调 • 触发系统需要搭建联调系统，包括漂移室触发，主触发和快控制。 • 把MFT插件插到电子学机箱 • 共需铺设80路15m光纤连接MFT插件与TKF插件。 • 建立触发系统多机箱测试软件系统

4. 三号厅MDC触发小系统联调 延迟时间测量 • 以漂移室上方闪烁体响应宇宙线的时间作为时间零点，测量了触发系统给出L1信号的延迟时间约5120ns。 • 从触发快控制经15米光纤到电子学MTI插件出口处的延迟约267ns。 这个时间测量为以后的BESIII宇宙线测试时各探测器电子学的时间窗口调整提供了参考。

5. 在线实验室EMC触发联调 • 8路前放，电子学3个VME机箱，两各主放机箱，两块TCBA，两根光纤； • 触发两个机箱，EACC、主触发、快控制、触发时钟； • 用电子学刻度信号，没有探测器。

6. 转接板信号到TCBA插件收到L1信号间延迟5.5μ 在线实验室EMC触发联调 对各个插件，电缆，光纤传输等延迟时间测量，为系统时间调整作准备。

7. 物质楼TOF系统联调 • 探测器使用8块TOF闪烁体层叠为8层，探测宇宙线事例； • 探测器双端输出，使用16路电子学TDC通道，时钟由TOF时钟系统扇出给出； • 触发两个VME机箱，内有TOF触发板，主触发逻辑、快控制等； • 电子学使用在线程序，触发使用触发测试程序。

8. 光纤数据消除晃动和对齐 • 快控制光纤消除同步的不确定性方法是：多次启动光纤的同步，改变发送端端时钟的相位，使接收端的本地时钟时钟前沿处在数据稳定的位置。 • TOF和快控制使用同一种光纤数据传输方法，光纤消除同步的不确定性方法与快控制相似，用改变接收端本地时钟的上升沿锁存数据。先调整一路，再用发对齐码使用异步FIFO来对齐所有光纤通道。 • 触发其它系统使用RocketIO 技术的光纤数据传输，用发送对齐码，改变异步FIFO缓存的个数对齐。

9. 通过这几个触发系统的实验室联调验证系统方案是成功的。触发各子系统逻辑得到检验和完善。通过这几个触发系统的实验室联调验证系统方案是成功的。触发各子系统逻辑得到检验和完善。 • 发现和解决触发内部硬件设计缺陷； • 发现解决系统问题； • 探测器、电子学、触发噪声 • 高计数率实验，稳定性实验 • 积累调试经验，为BESIII宇宙线实验做好准备。

10. 触发系统总体联调－BESIII宇宙线实验 触发系统参加BESIII整体宇宙线测试 • 主要调整和优化触发系统工作参数； • 并检验触发时序、效率； • 考验触发系统长期工作的可靠性和稳定性。

11. 触发系统总体安装 • 先安装EMC、GTL、FC，按照谱仪的安装顺序，逐步完成MDC、TOF、MU、定标器、TDC等的安装。 • 触发前端光纤发送板都是安装在各自电子学机箱内： MDC MFT：96 EMC TCBA：16 TOF 时间平均器：28 MU MUST：5 • 用光缆和跳线连接

12. 触发系统总体安装 • 因为光纤至少需要一次拆装。因此决定采用一个机柜群用一或二根预连接多芯光缆，用光纤跳线与插件连接。优点是光缆护套具有防水，防尘，有一定的强度适合谱仪大厅的工作环境。预连接的安装方法使得安装灵活，拆装方便，便于维护管理。共铺设光缆13根，长45m。（总共光纤通路346，这次实验连接检查256路）。 • 两端再用3m和2m的光纤跳线连接触发前端板和光纤接收板。 • 安装后用光笔检查，光路都是好的。但在调试中发现有两根不好或效率不高。

13. 触发系统总体联调－BESIII宇宙线实验 • 在BESIII探测器的最后一部分安装完成之后，2008年2月14日上午，BESIII成功实现所有探测器的完整取数。

14. 触发系统时序调整 • 光纤数据对齐调整 由于安装后，光纤数量增加，长度改变较大，原来的光纤对齐参数也有改变，需要调整光纤对齐参数。快控制初期调整后，因为更换新版本的CLKF后，发现L1有一个时钟周期的不确定性，再次调整后解决。TOF使用原来实验室调试方法，调整好后没有发现问题。其它部分改变数据缓存BUF的个数，用VME设置，通过Chipscope 检查对齐情况。 • 各数据读出插件读出时间窗调整。 • 主触发触发条件定时的调整； • 触发条件对齐调整；

15. 触发数据的窗读出 • 触发读出数据用来调整触发时序，在运行时用于监视和检查触发运行情况，是非常必须和有效的。 • 因为触发子系统输入信号在时间上不确定性，在调试阶段，了解这些信号的状态和时间，触发数据读出采用时间窗读出的办法。 • MDC触发：32个时钟周期 • EMC触发：16 EMC时钟周期 • 主触发：最大63个时钟周期 • 根据窗读出数据分析，要确定一个窗口的数据，作为运行时的数据读出。以减少运行时的数据长度。 • 数据窗的宽度和位置可以由在线控制写入。 • 根据在线组的建议，触发数据又增加一个数据格式字头。 • 绝大部分的触发数据已经实现在线灌图。

16. 触发系统时序调整 各探测器输出的信号在时间上都具有一定的不确定性。MDC的信号不确定性约为400ns，EMC的信号不确定性约为300ns，TOF的信号不确定性约为30ns。为保证使用到同一探测器所有可能的信号，在形成触发条件时，我们采用探测器信号展宽，展宽宽度大于相应的不确定性。并保证一定的重叠区。 S1(兰），S2（绿）信号相差30ns，在各自展宽100ns，有重叠区（黄）两个时钟周期。 TOF信号展宽示意图

17. 定时对齐和事例判选对齐示意图 定时对齐要求不同探测器触发条件产生的L1*信号相对事例发生时刻一致，在图上部，将各探测器触发条件时间分布的峰位点在时间上调成一致。用来实现事例的定时逻辑。 事例判选对齐要求不同探测器的触发条件在时间上有公共重叠，以满足流水线工作方式按时钟节拍判选的要求，在图下部，将各探测器触发条件的公共重叠区域在时间上调成一致。用来判断是否是好事例。

18. BTOF Back to Back前沿分布 NBClus >= 1 前沿分布 定时检查： 峰位都在4，证明三个探测器的触发条件时间对齐 LTrk Back to Back前沿分布

19. 探测器时间信号分布。 从结果来看，L1*信号基本定时给出，TOF时间晃动较小，晃动范围由BTOF B-B晃动决定。 TOF时间谱(右侧为放大图)(时间单位：3ps)

20. BEMC时间谱 MDC时间谱

21. EEMC西端时间谱 EEMC东端时间谱

22. 另一种定时检查方法： • 峰位：1. 175 • 2. 175 • 3. 190 • EMC触发条件定时应再调整一下 • EMC和MDC触发条件的时间不确定性范围较大 1.TOF定时 3.EMC定时 2.MDC定时

23. MDC触发事例率 MDC触发

24. MDC触发 • 从表中可以看出，内室的事例率非常高，在对撞模式运行状态下，内室的本底情况肯定更严重。因此，内室的使用必须经过实际取数测试后谨慎使用。 • 表中第11项，NLtrk B-B & !NLtrk>=4的事例基本都是好的宇宙线事例，也就是说，在未来运行中，通过漂移室触发的宇宙线事例将有10Hz，这与模拟得到的结果相当。

25. MDC电子学 漂移室冒道引起触发冒道 TRG 的MDC信号分布

26. 发现一个电缆线接口不好，一个芯片管脚有虚焊，修理后分布正常 。下图为修理过的。 解决前MAP图 触发系统造成的冒道 解决后MAP图

27. 漂移室造成的死道 触发径迹 两处丝位置被漂移室安装定位占用，没有接到前放，因此没有丝信号。永远的‘死道’！ 这两道触发修改逻辑为三选二。

28. 因为在电子学相应位置的直方图计数正常。触发读出造成的死道。检查触发寻迹插件的FPGA逻辑，发现这是由于对系统时钟在FPGA内没有约束造成的，修改后死道消失，直方图正常。 触发径迹 MDC电子学 修改后触发

29. 效率不高通道 上图显示了一个因光纤效率不高造成的计数偏低的通道。 可能是该通道光纤在铺设过程中受损造成衰减增大。更换光纤后，该通道计数恢复正常（下图）。相对冒道和死道的情况，效率不高的通道在宇宙线实验中比较难发现，需要在运行初期对每个通道进行仔细检查。

30. EMC触发系统检查 • 安装初期，从在线直方图上在一层中连续4道，而且相邻的4层MAP图相同方位都有‘不到底的凹坑’，分布位置符合触发单元的组合。触发输入信号MAP图发现10几道这样的死道，但不同RUN死道位置发生变化。 • 用电子学刻度信号逐道检查时，信号情况与灌图时现象并不一致。后经两个组反复检查，尤其是电子学的努力，找到是由于在写入幅度调整数据不稳定造成的。修改后解决。 • 触发硬件连接也发现几处接触不良的地方。

31. 阈值设定 能量峰值时间散开的宽度～14个时钟周期（下图），信号达峰时间晃动达360ns。因此，TC的时间不确定范围也会增大。 能量数据读出采用一定窗口内的寻峰读出 BLK8的能量谱（左）和峰位时间谱（右）

32. 改变电子学前放数字电位器和刻度信号的幅度得到的输入信号峰值的时间，晃动200ns。改变电子学前放数字电位器和刻度信号的幅度得到的输入信号峰值的时间，晃动200ns。

33. 能量块能量峰值去台阶前后直方图

34. EMC桶部TC环6和环7的击中信息直方图 单窗口读出

35. 东西端盖击中信息直方图 西端盖触发有一死道，触发连接问题。

36. 按照能量分布初步确定以下阈值

37. 数据多窗口读出检查信号时间上的散开程度和各通道时间一致性。数据多窗口读出检查信号时间上的散开程度和各通道时间一致性。 左图上升沿时间就是信号散开范围，没有平顶。按照现在实验的结果，需要加宽信号的宽度 桶部单一TC信息在16个时钟窗口内的分布情况 EMC触发窗读出 NClus≥1和NClus≥2 在数据读出窗口中的分布情况

38. EMC触发条件 Nclus1 Etot_L

39. 单机箱EMC电子学前放信号幅度调整的测量与分析单机箱EMC电子学前放信号幅度调整的测量与分析 • 触发TCBA板使用中断方式，用DMA读出组合好的TC和输入脉冲的FADC转换的数字信号。 • 读出数据为32拍的数据（20M时钟），一个字头指示出电子学的机箱号、通道号、改变数字电位器的数值。这个机箱480个通道。 • 固定刻度信号的幅度，每个通道数字电位器改变9点，每个点重复取10个数据。 • 在线系统完成了单个机箱的读出运行程序。 • 数据初步分析完成。 • 有待修改所有插件的FPGA配置，16个机箱可以同时获取数据。

40. 左：9点峰值的平均值 右：一个通道9个点的峰值 数值电位器写入需要一定的时间，每改变一次，程序需要等待0.5s。

41. 一个电子学机箱480个通道信号幅度调整图 上图，所有数据都灌图 下图，平均值±10％以外的数据去掉，去掉了数据中的宇宙线。 除一道外，电子学通道的一致性较好！

42. MU触发 • 原计划MU触发放在第二步。因为前端板样机完成，所以参与这次宇宙线实验。 • 在宇宙线实验中，利用已有的两块前端板MUST传输桶部4个扇区的触发信号。4个扇区的分布如图所示：2、3、6、7为参与宇宙线触发的扇区。利用这4个扇区的触发信号产生背对背触发条件。

43. MU触发 通过Chipscope 加入MU触发条件获取的事例

44. MU触发读出 Z向读出 Ø向读出 排序？ Z向读出 Ø向读出 Muon背对背触发的Muon触发信号直方图

45. TOF触发 • 与实验室相比，连接变化较大，需要光纤重新对齐调整。 • TOF触发条件N>=1长’1’状态，是由于输入信号长‘1’造成的。原因是TOF电子学VME机箱后插板插针损坏，因信号端悬空造成长‘1’。

46. TOF触发检查 TOF排序与触发排序相差11个单元

47. TOF触发

48. 定标器安装与运行： • 基于PC的多路定标系统是BESШ触发系统的检测及监视手段之一，可以实现对主触发的48路触发信号、L1、CHK、活时间、死时间以及12个事例类型信号进行实时监控和记录,并通过网络向在线系统分发相关数据。 • 64路TDC安装运行

49. 定标器显示面板

50. 问题与讨论 • EMC触发输入信号达峰时间超出设计范围 • 主触发对齐； • TOF触发板需要增加时间窗读出方式，以便准确的确定读出窗口位置； • MDC前端信号可重触发展宽问题；