摘要
低温高密核物质测量谱仪（CSRExternal-targetExperiment，CEE）中的时间投影室（TimeProjectionChamber，TPC）作为该谱仪的主体探测器之一，与其前端读出电子学（FrontEndElectronic，FEE）一起被安装在大型二级磁体的内部。一方面，实验环境中存在着大量高能粒子，而前端读出电子学上核心控制芯片基于静态随机存储器（StaticRandom-AccessMemory，SRAM）的高性能现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray，FPGA）对高能粒子非常敏感，易发生单粒子翻转现象（SingleEventUpset，SEU）。另一方面，前端读出电子学数量众多且实验人员无法接触，在实验的前期调试以及后期维护阶段无法使用传统的USB-JTAG（Universalserialbus-jointtestactiongroup）下载方式更新配置文件。针对CEE-TPC前端读出电子学对辐射防护和远程更新的需求，本文完成了以下两方面工作。 针对系统辐射防护的需求，通过对XilinxKintex-7系列SRAM型FPGA进行研究，根据其基本结构和工作原理，具体分析了单粒子翻转可能造成的影响。本文提出了一种通过Kintex-7FPGA内部配置访问端口（InternalConfigurationAccessPort，ICAP）实现内部配置刷新，并能够在遇到严重故障时重加载配置文件的抗辐射加固方法。内部配置刷新系统通过汉明码校验对配置数据进行检错，并支持对2个比特位的翻转进行纠错，同时在前端读出电子学遇到不可修复且导致通信中断的错误时，能够触发重加载机制，修复所有错误。 针对系统远程更新的需求，设计了一种基于FLASH型存储器的远程更新功能，以FPGA作为主控，配合光纤通信方式，完成配置文件的写入和上电自主读取配置文件，取代了传统USB-JTAG方案。由于前端读出电子学运行在强辐射和噪声干扰的实验环境，为提高数据传输的可靠性，在配置文件写入完成后增加循环冗余校验（CyclicRedundancyCheck，CRC）。采用基于QuickBoot技术的分区方案，当因单粒子翻转接收到错误的配置文件时，FPGA可以从备份区域加载配置文件，前端读出电子学仍然可以继续工作，确保实验稳定进行。 在验证环节，本文通过FPGA支持的Chipscope工具抓取系统关键信号并观察。对FPGA内进行故障注入来模拟单粒子翻转现象，以验证设计功能的有效性。通过板级确认测试，内部配置刷新系统在19.175us后检测到错误，进入到修复状态，经过96.5us后系统完成修复。远程更新系统在CEE实验终端进行测试，整个远程更新流程共计245s。实验数据表明本文所提出的内部配置刷新系统和远程更新系统性能良好，可满足工程应用需求。
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