大亚湾实验时间系统设计与实现

论文摘要

大亚湾中微子实验是正在建设的拥有重要物理意义的反应堆中微子实验。大亚湾中微子实验拥有三个独立的探测站。大亚湾实验时间系统是为了给三个探测站提供精确统一的对时信息和时钟信号而设计的。本文论述了大亚湾中微子实验时间系统的设计与实现过程,其中涉及的主要工作包括:(1)大亚湾实验时间系统的硬件设计与实现。选择使用独立的PowerPC模块和光纤收发模块,设计制作了连接各个模块的时间系统母板。时间系统母板集成了各个独立模块的接口和时间系统需要的通讯与调试接口。时间系统母板的原理图和PCB设计考虑了实际的应用要求,采用了便于连接的接口方案。(2)光纤收发模块的测试研究。大亚湾实验时间系统与各个测试站之间采用了光纤通讯的方案。独立设计的光纤收发模块被用作与各个测试站之间的通讯接口。为了保证正常的通讯,对光纤收发模块的信号传输性能做了测试,观察了具体的传输波形,归纳得出了信号在光纤传输中的延时时间与光纤长度的关系公式。(3)大亚湾实验时间系统的软件设计与实现。时间系统的软件设计包括PowerPC的软件与FPGA的软件两部分。PowerPC上移植了嵌入式Linux操作系统,其上的软件设计涉及嵌入式Linux内核配置与软件编程等问题。FPGA的软件设计涉及GPS信号解码与时间信息的曼彻斯特编码解码等问题。最终大亚湾实验时间系统实现了为各个测试站提供精确定时信息的功能,在整个大亚湾实验中起到了重要的作用。大亚湾实验时间系统的设计与实现过程中涉及的各个问题及解决方法对类似的应用有很好的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 中微子与中微子实验
• 1.1.1 中微子
• 1.1.2 中微子实验
• 1.2 大亚湾中微子实验
• 1.2.1 大亚湾中微子实验简介
• 1.2.2 大亚湾实验整体框架结构
• 1.2.3 大亚湾实验电子学结构
• 1.3 课题任务与目标
• 1.4 本章小结
• 第2章 大亚湾实验时间系统
• 2.1 大亚湾实验时间系统
• 2.2 时间主时钟系统设计
• 2.3 时间控制板设计
• 2.4 时间信号扇出设计
• 2.5 本章小结
• 第3章 主时钟系统硬件设计
• 3.1 主时钟系统硬件架构
• 3.1.1 MPC5200 模块
• 3.1.2 光纤收发模块
• 3.1.3 时间系统母板
• 3.2 时间系统母板电路设计
• 3.2.1 MPC5200 模块的接口
• 3.2.2 光纤收发模块接口
• 3.2.3 串行通讯接口
• 3.2.4 CAN 接口和网络接口
• 3.2.5 IIC 接口的实时时钟
• 3.2.6 LED 灯和 LCD 显示屏
• 3.2.7 信号转换
• 3.2.8 电源模块
• 3.2.9 主时钟系统母板实物图
• 3.3 本章小结
• 第4章 光纤收发模块测试
• 4.1 光纤收发模块
• 4.1.1 信号接收部分
• 4.1.2 信号发送部分
• 4.2 信号的光纤传输测试
• 4.2.1 信号收发测试
• 4.2.2 信号延时测试
• 4.2.3 单模光纤与多模光纤的对比测试
• 4.3 本章小结
• 第5章 主时间系统软件设计
• 5.1 主时间系统程序结构
• 5.2. MPC5200的程序设计
• 5.2.1 嵌入式Linux 驱动开发
• 5.2.2 嵌入式Linux 应用程序设计
• 5.3. FPGA程序设计
• 5.3.1 IRIG-B 编码简介
• 5.3.2 曼彻斯特编码
• 5.3.3 光纤通讯信息帧的设计
• 5.3.4 曼彻斯特码信号的解码
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论
• 6.1 总结
• 6.2 未来工作的展望
• 附录A 主时钟系统母板PCB
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果