CPLD - 神戸大学 大学院理学研究科 物理学専攻 粒子物理学研究室

ミューオントリガー用FPGAモジュールの開発
粒子物理学研究室
099s115s 德永 香
LHC (Large Hadron Collider)
ATLASのトリガー
重心系14TeV
（陽子7TeV＋陽子7TeV）
衝突頻度40MHz （25ns）
ATLASでの高頻度なイベントを膨大な
Backgroundの中で処理する仕組みが必要
リング周長
27km
ルミノシティ
1034cm-2s-1
重心系エネルギー
14TeV
衝突頻度
25ns
3段階のトリガーで順次
イベントレートを落としていく
LVL1トリガー
ミューオントリガーシステムとカロリメータの
情報を用いたトリガー
（許容時間2.5μsec）
LHC加速器
トリガー＆DAQシステム
ATLAS検出器
TGC(Thin Gap Chamber)
前後方ミューオン
トリガーシステムの一部
神戸大が担当
目的： Higgs粒子の探索、超対称性粒子（SUSY）の探索
ATLAS detector
• Inner detector
• カロリメーター
• ミューオン検出器
-TGC(Thin Gap Chamber)
-RPC(Resistive Plate Chamber)
→トリガー用
-MDT(Monitored Drift Tube)
→精密測定用
R
R-Z断面でのTGCのレイアウト
Inner Detector
Small wheel
TGCの読み出しには大きく分けて３つある
- トリガー系
：25nsごとに流れてるトリガー判定のための情報
- リードアウト系 ：L1Aが来ると読みだされるTGC各層でのミューオンのヒットチャンネル情報
- コントロール系：各モジュールをコントロールするための情報
LHCからSLHCへのUpgrade
ルミノシティが10倍に
LHC 1034cm-2s-1 → SLHC 1035cm-2s-1
Background rateが大きくなる
→トリガーを厳しくする必要あり！
Low Ptのトリガー判定は
2つのDoublet 、
High Ptのトリガー判定は
2つのDoubletとTripletを
用いて行われる。
EI、FIは現在トリガー判定
には使われていない。
TGCエレクトロニクス
TGC(Thin Gap Chamber)
＜現在＞
ルミノシティを大きく
→ 統計量をためる時間の短縮
＜アップグレード後＞
L-pT
LVDS
LVDS
g-link
optical
トリガー系の流れ
LVL1トリガーにInner Detectorを
用いる
φ
LVL1トリガーに現在のBig
wheel だけでなく、Small wheel
も用いる
LVL1 Buffer
読み出しに時間がかかる
LVDS
g-link
SLB, HPT, SL, SSW が1つにまとめられる
リードアウト系の流れ
新しいトリガーが必要
待ち時間の延長
新しい検出器（μ-PIC）
SL(Sector Logic) :
FPGAを用いて
設計されている
LVL1 Buffer の置き換え
新しいトリガーのアルゴリズム
このまとめられた部分がFPGAを用いて
設計される
CPLD(Complex Programmable Logic Device)
FPGA(Field Programmable Gate Array)
→書き換え可能な論理素子
トリガーのアルゴリズムの変更
SL
どちらもトリガーのアルゴリズムを新しく作る必要がある
汎用FPGAモジュール PT5
H-pT
動作テスト
・PCからPT5へのアクセス
CPLD
PT5(Prototype 5)とは・・・
PT5
-VMEスレーブモジュール
-FPGAを様々にコンフィグすることにより、
汎用性をもたせることができる
-メザニンカードを取り付けて光通信できる
-CPLD, FPGAはVerilog HDL（ハードウェア
記述言語）を用いて設計
→記述した文から論理合成ツールで
論理回路へと変換
この中の配線
Bit3
メザニンとりつけ
アドレス、動作
などを指定
ここの動作
VME
モジュー
ル
(マスター)
Linux
PC
PCIカード
CPLD
PT5
(スレーブ)
VMEバックプレーン
VMEバックプレーン
FPGA
メザニンカードを
1枚搭載したPT5
PT5とその周辺
C++言語でLinux PCから命令を送り、VMEのマスター
モジュールであるBit3を通し、PT5にアクセスしている。
PT5の中のCPLDの中の配線はverilog HDLで設計している。
きちんとアクセスできたので、
g-linkのメザニンカードのテストに…
・g-link（光通信）用のメザニンカード
VMEからのデータの流れ
→FPGAの1つのレジスタへ。
→メザニンカード。
パラレル→シリアルに変換
→光ファイバーへ送り、
それを受信
シリアル→パラレルに変換
→FPGAのもう1つのレジスタへ。
→VMEへ。
→PC上で読みだす。
※データが16bitなので、2^16 = 65536 通りの全ての
データパターンの送受信を10,000 回繰り返す。
→エラーなし！
これから
PT5のデータの流れ
Verilog HDL
g-link メザニンカードのテスト
1本の光ファイバーを用いている
SLHCに向けてFPGAを用いた
新しいトリガーの開発