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type: doctoralThesis
metadata_visibility: show
creators_name: Schatral, Sven Andreas Chris Markus
title: Design of Multi-Gigabit Network
Interconnect Elements and Protocols
for a Data Acquisition System
in Radiation Environments
title_de: Design von Multi-Gigabit Verbindungsnetzwerkelementen- und Protokollen für ein Datenerfassungssystem in der Umgebung von ionisierender Strahlung
subjects: 004
subjects: 620
divisions: 110001
divisions: 720000
adv_faculty: af-11
cterms_swd: data
cterms_swd: acquisition
cterms_swd: system
abstract: Modern High Energy Physics experiments (HEP) explore the fundamental nature
of matter in more depth than ever before and thereby benefit greatly from the
advances in the field of communication technology. The huge data volumes
generated by the increasingly precise detector setups pose severe problems for
the Data Acquisition Systems (DAQ), which are used to process and store this
information. In addition, detector setups and their read-out electronics need
to be synchronized precisely to allow a later correlation of experiment events
accurately in time. Moreover, the substantial presence of charged particles from
accelerator-generated beams results in strong ionizing radiation levels, which has
a severe impact on the electronic systems.
This thesis recommends an architecture for unified network protocol IP cores
with custom developed physical interfaces for the use of reliable data acquisition
systems in strong radiation environments. Special configured serial bidirectional
point-to-point interconnects are proposed to realize high speed data transmission,
slow control access, synchronization and global clock distribution on unified links
to reduce costs and to gain compact and efficient read-out setups. Special features
are the developed radiation hardened functional units against single and multiple
bit upsets, and the common interface for statistical error and diagnosis information,
which integrates well into the protocol capabilities and eases the error handling in
large experiment setups. Many innovative designs for several custom FPGA and
ASIC platforms have been implemented and are described in detail. Special focus
is placed on the physical layers and network interface elements from high-speed
serial LVDS interconnects up to 20 Gb/s SSTL links in state-of-the-art process
technology.
The developed IP cores are fully tested by an adapted verification environment for
electronic design automation tools and also by live application. They are available
in a global repository allowing a broad usage within further HEP experiments.
abstract_translated_text: Moderne Teilchenphysikexperimente erforschen die Zusammensetzung von Materie
inzwischen aufwendiger als jemals zuvor und profitieren dabei stark vom Fortschritt
in der Kommunikationstechnologie. Die immer höher auflösenden Detektoraufbauten
stellen die Datenerfassungssysteme vor große Herausforderungen um die
Informationen zu verarbeiten und zu speichern. Die Ausleseelektronik muss präzise
synchronisiert werden um aufgenommene Ereignisse genau zu rekonstruieren und
zeitlich einzuordnen. Außerdem führt die starke radioaktive Strahlung, welche
durch die Teilchenbeschleuniger erzeugt wird zu ernsthaften Fehlfunktionen in den
elektronischen Systemen.
Diese Arbeit beschreibt eine Architektur für ein vereinheitlichtes Netzwerkprotokoll
mit angepasst entwickelten physikalischen Schnittstellen für die Verwendung in
zuverlässigen Datenerfassungssystemen unter radioaktiver Strahlung. Speziell konfigurierte
serielle bidirektionale Punkt-zu-Punkt-Verbindungen werden verwendet
um Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung, Kontrollzugriff, Synchronisierung und
eine globale Taktverteilung in einem einzigen Kommunikationskanal zu realisieren.
Damit können erhebliche Ressourcen eingespart werden und die Ausleseaufbauten
werden deutlich effizienter und kompakter. Hervorzuheben sind außerdem die
entwickelten strahlungstoleranten Funktionseinheiten um einzelne und mehrere
Bitfehler abzufangen, und eine gemeinsame Diagnoseschnittstelle die sich in den
Kontrollkanal des Protokolls integriert und eine einfache Fehlerbehandlung in
großen Aufbauten ermöglicht. Viele innovative Entwicklungen für FPGA und
ASIC Plattformen wurden umgesetzt und sind im Detail beschrieben. Besonderes
Augenmerk liegt hier auf den physikalischen Netzwerkschnittstellen von LVDS
Verbindungen bis zu 20 Gb/s SSTL Serialisierern in hochmodernen Fertigungstechnologien.
Die Entwicklungen sind umfangreich in einer angepassten Verifikationsumgebung
für Softwarewerkzeuge der Entwurfsautomatisierung, sowie im Live-Einsatz
getestet. Sie sind in einem zentralen Speicher frei verfügbar und bieten sich für
eine universelle Verwendung in vielen Teilchenphysikexperimenten an.
abstract_translated_lang: ger
date: 2018
id_scheme: DOI
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ppn_swb: 165649373X
own_urn: urn:nbn:de:bsz:16-heidok-245335
date_accepted: 2018-05-23
advisor: HASH(0x556120ab40e0)
language: eng
bibsort: SCHATRALSVDESIGNOFMU2018
full_text_status: public
citation:   Schatral, Sven Andreas Chris Markus  (2018) Design of Multi-Gigabit Network Interconnect Elements and Protocols for a Data Acquisition System in Radiation Environments.  [Dissertation]     
document_url: https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/24533/1/dissertation_final_2018-02-12.pdf