CN111815934A - 基于SiPM传感器的时间敏感网络通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于SiPM传感器的时间敏感网络通信系统及方法，通过设置SiPM传感器、数据采集模块作为前端采集设备，接收闪烁脉冲事件的信息数据，FPGA主控对数据进行分析、运算、封装为UDP数据通过以太网PHY芯片、前端SFP光收发模块转换为光信号发送，接收端接收光信号，且通过PCIE接口与服务器进行数据交换，其接收传输速率能够达到4.00Gbps，发送速率为3.85Gbps，能提供大数据量的信息交换。本发明基于TSN规范，能够在信息通信中保证数据的实时性、稳定性；同时本发明中所述各协议均采用独立的协议标准，具有较好的兼容性，为之后扩展以及与其他设备之间互联互通提供了便利。

Description

基于SiPM传感器的时间敏感网络通信系统及方法

技术领域

本发明涉及光子成像领域以及光通信领域，具体是基于SiPM传感器的时间敏感网络通信系统及方法。

背景技术

SiPM (Silicon Photomultiplier，即硅光电倍增管，以下简称SiPM)广泛应用于高能物理及核医学等领域。相比传统的光电转换器件，如光电倍增管及雪崩光电倍增管，SiPM外形尺寸小巧、供电电压低、具有较高的增益，且不易受到磁场的影响，SiPM作为数字化的光电转换器件，可以以较低的成本实现性能优异、外形紧凑的数字化探测器模块。

通用以太网是目前使用最广泛的通信协议，但通用以太网是以非同步的工作方式进行数据通信，而SiPM传感器需要随时发送数据，传统以太网使用随机退避机制避免冲突，由此导致数据传输的准确性以及实时性收到干扰。因此大量SiPM传感器同时采集数据时，大规模的数据会增加网络负载，从而导致更大延迟甚至网络崩溃。

现有技术中，多传感器大量数据交换的网络一般采用工业以太网，其内置服务质量（Quality of service，以下简称QoS）机制，针对不同设备不同数据采用不同的优先级，能针对数据中比较重要或者时强调实时性的数据包进行有限转发，市面上大多数需要低延时的传输网络均采用了该机制，但是在多个数据共存的时候，带宽重叠的情况依旧发生，丢包的情况时有发生，因此，针对多个SiPM传感器阵列采集的大量数据，引入TSN（TimeSensitive Network，即时间敏感型网络，以下简称TSN）规范，TSN是一种二层网络技术，其数据转发依靠以太网数据帧的分组头部信息，数据帧的负载信息不受上层网络协议限制，所以时间敏感网络可以根据需求部署在任何使用以太网技术的网络环境中。TSN能保证关键数据流传输的低延迟、低抖动以及零丢失，同时相较于传统以太网以及采用了QoS机制的以太网，抗干扰能力更强，能使得实时数据流不受非实时数据流的影响，为实时数据的传输提供了保障。

随着光通信技术的不断成熟，以光纤作为介质的数据通信方式逐渐普及，广信通信与传统的数据传输方式相比具有许多性能上的优势，当多路SiPM传感器同时采集数据的情况下，采用光纤通信能明显体会到频带宽、容量大、损耗小且重量轻体积小的优点。因此，结合仅停留在软件层面上作为通信标准的TSN，能为多个SiPM传感器阵列数据采集提供稳定可靠、实时性强且能大规模传输的渠道。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提出基于SiPM传感器的时间敏感网络通信系统及方法，本发明所用的技术方案为：

基于SiPM传感器的时间敏感网络通信系统及方法，所述时间敏感网络通信系统包括SiPM传感器、数据采集模块、外部储存模块、FPGA主控、以太网PHY芯片、前端SFP光收发模块600、高速光纤通信模块和服务器。通过接收SiPM传感器采集数据，数据采集模块进行模数转换以及数据采集处理， FPGA主控部分进行数据的分析、运算以及封装，然后通过以太网PHY芯片传输到前端SFP光收发模块，光纤将数据传输到高速光纤通信模块中，再通过PCI-Express标准将数据传输到服务器中进行数据处理。

所述基于SiPM传感器的时间敏感网络通信系统及方法是以传统以太网以及工业以太网为网络基础，以PCIE总线结构作为高速光纤通信模块与服务器之间的数据接口，通过利用信息传输的标准化技术，最小化抖动，为经过主控处理后的数据流提供稳定可靠的传输保障，确保所有数据能够在合理的时间范围内，且保证实时数据与非实时数据合理混合，完成从前端数据采集到服务器之间的数据传输。

所述SiPM传感器，包括闪烁晶体模组，SiPM光电转换模块，SiPM电源；其被配置为探测伽马光子束的变化，并进行激发和光电转换输出相应电平信号，与数据采集模块相连，输出采集到由闪烁脉冲转换成的电信号到数据采集模块。

所述闪烁晶体模组，用于接收高能射线以及高能粒子，并将其转换为紫外线或者可见荧光脉冲。闪烁晶体模组与SiPM光电转换模块相连，将闪烁脉冲信号传递给SiPM光电转换模块。

所述SiPM光电转换模块，用于探测闪烁脉冲的光信号，并将其转换为电信号进行输出。该模块与数据采集模块相连，向数据采集模块输出采集到的电压信号。

其中，SiPM光电转换模块与闪烁晶体模组尺寸相同，且一一耦合，两者之间采用光导进行承接。

所述SiPM电源与SiPM光电转换模块相连，为SiPM光电转换模块提供必要的工作电源。

所述数据采集模块，包括反相运放模组、DAC阈值设置模块、数据采集模块以及多个采样模块；其被配置为对SiPM传感器采集到的闪烁脉冲信号进行反相放大、阈值校正、采样以及阈值比较，最终输出相应阈值到FPGA主控单元。

其中SiPM光电转换模块与反相运放模组连接，反相运放模组对SiPM光电转换模块采集到的闪烁脉冲进行整形放大，以便于后期进行数字化采样。

所述DAC阈值设置模块与多个采样模块相连接，DAC阈值设置模块用于设置配置采样模块的电压阈值。

所述采样模块与FPGA主控单元相连接，采样模块被配置为对经反相运放模组反相放大后的闪烁脉冲信号进行多阈值采样，得到闪烁脉冲的时间、位置、能量信息，并将其送入FPGA主控单元进行后续处理。

进一步的，同一通道的多个采样模块之间是相互对立且互不影响的。

所述FPGA主控单元，包括数据轮询模块、千兆以太网MAC、配置处理单元、储存驱动和DAC阈值信息配置模块；用于处理数据采集模块采样后的闪烁脉冲信息，配置DAC阈值设置模块的阈值信息，以及通过千兆以太网与外部模块通信，包括但不限于将处理后的脉冲信息封包发送至网络模块，接收通过由上位机发送的一系列配置信息

其中数据轮询模块，用于接收由采样模块传出的闪烁脉冲采样数据，将其封包，通过千兆以太网MAC传输至外部以太网PHY芯片。

所述千兆以太网MAC，与以太网PHY芯片相连，同时也与数据轮询模块及配置处理单元相连，用于定义数据帧怎样在介质上进行传输，主要负责控制与连接物理层的物理介质在发送数据的时候，MAC协议可以事先判断是否可以发送数据，如果可以发送将给数据加上一些控制信息，最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层；在接收数据的时候，MAC协议首先判断输入的信息并是否发生传输错误，如果没有错误，则去掉控制信息发送至LLC（逻辑链路控制）层。

所述配置处理单元与千兆以太网MAC和储存驱动相连，用于加载和处理配置信息，上位机发送而来的配置信息经千兆以太网MAC发送至储存驱动。

所述储存驱动与外部存储模块相连，用于将配置数据储存至外部存储模块内，即便断电重启，配置信息依然存在于外部存储模块。

所述DAC阈值信息配置模块与储存驱动相连，其每次上电通过储存驱动读取外部存储模块内的配置信息，并将DAC阈值信息发送至DAC阈值设置模块，设置阈值。

所述以太网PHY芯片，与千兆以太网MAC以及前端SFP光收发模块相连，PHY是IEEE802.3中定义的一个标准模块，在其发送数据时，收到千兆以太网MAC过来的数据，然后把并行数据转化为串行流数据，再按照物理层的编码规则把数据编码，将数据发送给前端SFP光收发模块，接收时反之。

所述前端SFP光收发模块通过光纤与高速光纤通信模块相连，其被配置为将闪烁脉冲信息由电信号转换为光信号，并通过光纤发送至高速光纤通信模块，同时，接收由高速光纤通信模块发送的配置信息，并将其转换为电信号发送给以太网PHY芯片。

所述高速光纤通信模块包括后端SFP光收发模块、Aurora协议、FIFO730、DMA模块以及PCIE接口；用于接收通过光纤传输的闪烁脉冲数据，将其再次转换为电信号，并通过PCI总线传输至上位机，进行下一步数据的处理。同样，以光信号的形式发送来自服务器上位机的配置信息。

当高速光纤通信模块用于接收闪烁脉冲信息时， 后端SFP光收发模块用于接收光纤发送过来的光信号将之转化为电信号后发送给Aurora协议，Aurora协议接收数据，并将这些数据暂存在FIFO中，当FIFO内部数据量达到一定量之后，将数据写入到DMA模块中，DMA模块采用总线DMA方式实现PCIE总线通信，完成FIFO与PCIE接口之间的数据交互。

当高速光纤通信模块用于发送配置信息时，DMA模块将上位机配置信息写入到FIFO内，然后Aurora协议获取数据，驱动后端SFP光收发模块通过光纤向前端SFP光收发模块发送数据。

所述服务器通过PCIE总线与PCIE接口相连，用于处理采集到的闪烁脉冲信息。

本发明的有益效果在于：

通过设置SiPM传感器、数据采集模块作为前端采集设备，接收闪烁脉冲事件的信息数据，再通过FPGA主控对数据进行分析、运算、封装为UDP数据通过以太网PHY芯片、前端SFP光收发模块转换为光信号发送。基于TSN规范，能够在信息通信中保证数据的实时性、稳定性。

接收端接收光信号，且通过PCIE接口与服务器进行数据交换，其接收传输速率能够达到4.00Gbps，发送速率为3.85Gbps，能保证大数据量的信息交换。同时本发明中上述各协议均采用独立的协议标准，具有较好的兼容性，为之后扩展以及与其他设备之间互联互通提供了可能性。

附图说明

图1为本发明基于SiPM传感器的时间敏感网络通信系统及方法整体流程图；

图2为本发明基于SiPM传感器的时间敏感网络通信系统及方法SiPM传感器部分结构示意图；

图3为本发明基于SiPM传感器的时间敏感网络通信系统及方法数据采集模块结构示意图；

图4为本发明基于SiPM传感器的时间敏感网络通信系统及方法FPGA主控结构示意图；

图5为本发明基于SiPM传感器的时间敏感网络通信系统及方法高速光纤通信模块结构示意图；

图6为本发明基于SiPM传感器的时间敏感网络通信过程流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例：参见图1-6。

基于SiPM传感器的时间敏感网络通信系统及方法，所述时间敏感网络通信系统包括SiPM传感器、数据采集模块、外部存储模块、FPGA主控单元、以太网PHY芯片、前端SFP光收发模块、高速光纤通信模块和服务器；所述SiPM传感器与数据采集模块相连接；所述数据采集模块与FPGA主控单元相连接；所述FPGA主控单元分别与外部存储模块和以太网PHY芯片相连接；所述以太网PHY芯片与前端SFP光收发模块相连接；所述前端SFP光收发模块与高速光纤通信模块相连接；所述高速光纤通信模块与服务器相连接。

所述SiPM传感器包括闪烁晶体模组和SiPM光电转换模块；所述闪烁晶体模组包含多个闪烁晶体条，所述闪烁晶体条与SiPM光电转换模块尺寸相同，且一一耦合，两者之间采用光导进行承接。

所述数据采集模块包括反相运放模组、DAC阈值设置模块和采样模块；所述采样模块对经反相运放模组反相放大后的闪烁脉冲信号进行多阈值采样，并将所得闪烁脉冲的时间、位置、能量信息送入FPGA主控单元进行处理；所述FPGA主控单元包括数据轮询模块、千兆以太网MAC、配置处理单元、储存驱动、DAC阈值信息配置模块。

所述高速光纤通信模块包括后端SFP光收发模块、Aurora协议、FIFO、DMA模块以及PCIE接口；所述服务器通过PCIE总线与PCIE接口相连。

实施例1：基于SiPM传感器的时间敏感网络通信系统及方法数据采集过程

图1为基于SiPM传感器的时间敏感网络通信系统及方法整体流程图，本发明数据采集过程如下：

S1:SiPM电源给SiPM光电转换模块供电，SiPM光电转换模块对由闪烁晶体模组转换而来的光电信号进行采集，并向数据采集模块以模拟信号的形式输出该光电信号的信息，如时间、幅度等。

S2：反相运放模组对该信息进行反相放大，将其分别输出至采样模块，通过进行多阈值采样。采样后的闪烁脉冲信息汇总至FPGA主控单元。

S3：FPGA主控单元主要接收采样模块传出的闪烁脉冲采样数据，将其封包，通过前端SFP光收发模块以光纤传输的形式将闪烁脉冲信息传输至高速光纤通信模块。

S4：高速光纤通信模块接收光信号，将数据转换为可用的电信号，并传输至服务器，在服务器中对数据进行进一步的处理。

根据本发明的一个实施例，在步骤S1中，闪烁晶体模组为经切割分为6*12闪烁晶体条阵列，其中每一晶体条与SiPM光电转换模块的单元一对一耦合。

根据本发明的一个实施例，在步骤S2中，反相运放模组对每一路模拟信号进行反相放大处理。

根据本发明的一个实施例，在步骤S2中，为尽可能保证数据完整性，采样模块不少于3组。

根据本发明的一个实施例，在步骤S2中，采样模块的阈值由DAC阈值设置模块进行设置。

根据本发明的一个实施例，在步骤S3中，FPGA主控单元还负责实现DAC阈值设置模块的配置、外部储存模块读写、固件远程更新、以太网PHY芯片配置等操作。

根据本发明的一个实施例，在步骤S3中，以太网PHY芯片向前端SFP光收发模块进行数据传输时采用TSN协议。

进一步的，在步骤S4中，高速光纤通信模块与服务器之间的数据通信采用PCIE总线标准的设计，并通过采用总线DMA传输方式，完成数据交互。

实施例2：基于SiPM传感器的时间敏感网络通信过程具体步骤

如图6所示，TSN运行时协议从准备发送开始，分别经过资源预留；管制；分类；整性及调度；冗余及错误恢复这五个部分。

S1：当闪烁脉冲信息准备发送时，首先声明自己所需的链路资源，通过资源预留协议完成沿路预留，当预留完成时，才开始进行数据的发送。

S2：当数据的每个帧到达高速光纤通信模块时，该模块首先会根据预留信息进行数据流的管控，限制超出预留范围的数据流传送，避免对其他流出传送造成影响。

S3：经过管制后的流，会按照设定的方案进行帧的分类，例如使用帧抢占方式调度时，设备会将同类的帧归入同一个发送队列中，等待高速光纤通信模块调度。帧进入各自的队列后，FPGA主控单元会根据实际部署的整形器和实际部署的调度方式，控制各队列的输出流和输出时机，令各队列在恰当的时间执行出队操作，取出帧放到物理链路上进行传送。

进一步的，基于SiPM传感器的时间敏感网络通信系统为了进一步保证帧的稳定到达，还引入了802.1CB标准，这一标准的引入给网络传输中提供了冗余信息，能有效降低帧的丢失、错误率。

进一步的，基于SiPM传感器的时间敏感网络通信系统基于确定化可传输时间戳机制，对数据流进行分类调度，给实时性较高的数据流赋予较高的优先级，为高优先级数据流提供稳定、高效的传输保障，解决多设备之间因时钟误差导致的不确定性流传输以及交换引起的抖动。

另外，在本申请的描述中，术语“前端”、“后端”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.基于SiPM传感器的时间敏感网络通信系统及方法，所述时间敏感网络通信系统包括SiPM传感器、数据采集模块、外部存储模块、FPGA主控单元、以太网PHY芯片、前端SFP光收发模块、高速光纤通信模块和服务器；其特征在于，所述SiPM传感器与数据采集模块相连接；所述数据采集模块与FPGA主控单元相连接；所述FPGA主控单元分别与外部存储模块和以太网PHY芯片相连接；所述以太网PHY芯片与前端SFP光收发模块相连接；所述前端SFP光收发模块与高速光纤通信模块相连接；所述高速光纤通信模块与服务器相连接。

2.根据权利要求1中所述的基于SiPM传感器的时间敏感网络通信系统及方法，其特征在于，所述SiPM传感器包括闪烁晶体模组和SiPM光电转换模块；所述闪烁晶体模组包含多个闪烁晶体条，所述闪烁晶体条与SiPM光电转换模块尺寸相同，且一一耦合，两者之间采用光导进行承接。

3.根据权利要求1中所述的基于SiPM传感器的时间敏感网络通信系统及方法，其特征在于，所述数据采集模块包括反相运放模组、DAC阈值设置模块和采样模块；所述采样模块对经反相运放模组反相放大后的闪烁脉冲信号进行多阈值采样，并将所得闪烁脉冲的时间、位置、能量信息送入FPGA主控单元进行处理；所述FPGA主控单元包括数据轮询模块、千兆以太网MAC、配置处理单元、储存驱动、DAC阈值信息配置模块。

4.根据权利要求1中所述的基于SiPM传感器的时间敏感网络通信系统及方法，其特征在于，所述高速光纤通信模块包括后端SFP光收发模块、Aurora协议、FIFO、DMA模块以及PCIE接口；所述服务器通过PCIE总线与PCIE接口相连。

5.根据权利要求3中所述的基于SiPM传感器的时间敏感网络通信系统及方法，其特征在于，所述采样模块不少于三个；所述DAC阈值设置模块的阈值信息由FPGA主控单元进行配置，配置信息由服务器生成，通过高速光纤通信模块、前端SFP光收发模块、以太网PHY芯片传输至FPGA主控单元，并储存至外部存储模块。

6.根据权利要求1中所述的基于SiPM传感器的时间敏感网络通信系统及方法，其特征在于，所述以太网PHY芯片在发送数据时，收到FPGA主控单元发送的闪烁脉冲数据，然后把并行数据转化为串行流数据，按照物理层的编码规则把数据编码，再将数据发送给SFP光收发模块，接收数据时，由SFP光收发模块发出的数据，经解码后由串行流数据转化为并行数据，以太网PHY芯片在接收到数据后，向FPGA主控单元发送闪烁脉冲数据。

7.根据权利要求1中所述的基于SiPM传感器的时间敏感网络通信系统及方法，其特征在于，所述高速光纤通信模块包括后端SFP光收发模块、Aurora协议、FIFO、DMA模块以及PCI-Express接口，在高速光纤通信模块接收由SiPM传感器生成，由数据采集模块进行处理，再由前端SFP光收发模块进行光电转换后的闪烁脉冲信息时，后端SFP光收发模块用于接收光纤发送过来的光信号，转化为电信号后发送给Aurora协议，Aurora协议接收数据，并将这些数据暂存在FIFO中，当FIFO内部数据量达到设定值之后，将数据写入到DMA模块中，最后通过PCIE接口与服务器进行数据通信，读取DMA模块中的信息；所述高速光纤通信模块用于发送DAC配置信息时，DMA模块将服务器生成的配置信息通过PCIE接口以及DMA模块写入到FIFO内，然后Aurora协议获取数据，驱动后端SFP光收发模块通过光纤向前端SFP光收发模块发送数据。

8.根据权利要求1中所述的基于SiPM传感器的时间敏感网络通信系统及方法，其特征在于，所述时间敏感网络通信过程如下：

S1. 当闪烁脉冲信息准备发送时，声明自己所需的链路资源，通过资源预留协议完成沿路预留，当预留完成时，才开始进行数据的发送；

S2：当数据的每个帧到达高速光纤通信模块时，该模块首先会根据预留信息进行数据流的管控，限制超出预留范围的数据流传送；

S3：经过管制后的流，按照设定的方案进行帧的分类；帧进入各自的队列后，FPGA主控单元会根据实际部署的整形器和实际部署的调度方式，控制各队列的输出流和输出时机，执行出队操作，取出帧放到物理链路上进行传送。

9.根据权利要求7中所述的基于SiPM传感器的时间敏感网络通信系统及方法，其特征在于，所述时间敏感网络通信过程基于确定化可传输时间戳机制，对数据流按照实时性要求进行分类调度。

10.根据权利要求1中所述的基于SiPM传感器的时间敏感网络通信系统及方法，其特征在于，所述时间敏感网络通信系统的数据采集过程如下：

S1:SiPM电源给SiPM光电转换模块供电，SiPM光电转换模块对由闪烁晶体模组转换而来的光电信号进行采集，并向数据采集模块以模拟信号的形式输出该光电信号的信息；

S2：反相运放模组对该信息进行反相放大，将其分别输出至不少于三个的采样模块，通过进行多阈值采样，采样后的闪烁脉冲信息汇总至FPGA主控单元；

S3：FPGA主控单元主要接收来自不少于三个的采样模块传出的闪烁脉冲采样数据，将其封包，通过前端SFP光收发模块以光纤传输的形式将闪烁脉冲信息传输至高速光纤通信模块；

S4：高速光纤通信模块接收光信号，将数据转换为可用的电信号，并传输至服务器。

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