基于Aurora协议光纤实时信号传输性能测试

鲁睿其 曾健平 赵豫斌 任海龙

1（湖南大学 物理与微电子科学学院 长沙 410082）

2（东莞中子科学中心 东莞 523808）

基于Aurora协议光纤实时信号传输性能测试

鲁睿其1,2曾健平1赵豫斌2任海龙1,2

1（湖南大学 物理与微电子科学学院 长沙 410082）

2（东莞中子科学中心 东莞 523808）

作为中国散裂中子源(Chinese Spallation Neutron Source, CSNS)谱仪之一的通用粉末衍射仪(General Purpose Powder Diffractometer, GPPD)采用二维位置灵敏探测器(Symptom Scale of Neurotransmitter Deficiency, SSND)探测中子入射位置和时间信息，并由后端电子学进行信号处理。中子信息以打靶时刻T0为时间参考点，电子学系统控制电路需要将接收到的T0信号低延迟、低抖动实时地传给下级电路。本文介绍了一种基于Spartan6系列FPGA的控制电路，采用Aurora协议通过光纤实时传输T0信号方案，并验证了此方案的可行性。关键词 中国散裂中子源，通用粉末衍射仪，实时信号，抖动，Aurora协议，光纤

通用粉末衍射仪(General Purpose Powder Diffractometer, GPPD)是中国散裂中子源(Chinese Spallation Neutron Source, CSNS)首批建设的三台谱仪之一。GPPD探测装置如图1所示。采用闪烁体及多阳极光电倍增管作为探测器[1]，由光电倍增管输出，经电子学系统获取到达探测器的中子飞行时间与位置信息，并将信息送到后端的数据获取系统(Data Acquisition System, DAQ)[2]。

图1 GPPD系统探测装置示意图Fig.1 Schematic diagram of GPPD system detection device.

电子学系统主要包括：前端读出电子学、数据汇总电路、PCIE接口插卡以及控制电路，如图2所示。前端读出电子学对探测器送来的数据进行电荷放大、成形和甄别处理后得到数字数据，通过数据汇总电路对数据进行汇总，再由PCIE接口插件将汇总的数据存入PC机中，控制电路主要作用是接收外部系统的T0信号并传输给整个电子学系统。T0信号是质子打靶产生中子的打靶时刻，也是计算中子飞行时间的起始时间，在电子学系统中T0信号作为时间参考点，控制电路需要将T0信号低延迟、低抖动实时地传输给数据汇总电路，并扇出给前端读出电子学。

图2 电子学系统示意图Fig.2 Schematic diagram of electronics system.

根据系统设计要求，T0信号的最大传输延迟为1 μs，最大抖动为0.1 μs，传输延时包括光纤的延时。若采用常规电缆进行T0信号的传输，性能上能满足实时传输要求，但数目众多的电缆铺设会给工程带来很大困难[3]，因此，设计中考虑利用已有的光纤来传输T0信号。

美国Xilinx公司内嵌高速串行收发器RocketIO的FPGA可用以简化光纤传输硬件电路， 而Aurora作为一个免费全开放的协议，既方便用户添加上层应用，又能适用于大多数内嵌高速串行收发器RocketIO的Xilinx FPGA[4]。Aurora核提供了可直接与FIFO对接的用户接口，而其他协议需要用户自行编写GTP接口逻辑，逻辑端口复杂；同时Aurora核初始化的Aurora通道可传输任意大小的数据帧，且能在任意时刻打断，空缺的模块Aurora能自动填充，满足了来自前置放大器信号不连续的要求[5]。本文提出利用Aurora协议光纤传输实时信号T0的方案，并对此方法传输性能进行了测试。

1 硬件系统介绍

控制电路硬件系统主要由FPGA主控模块、时钟模块、电源模块、信号接入模块、SFP (Small Form-factor Pluggable)光纤收发模块组成，此外电路还设计了USB2.0接口，丰富接口模式以便适应不同应用环境，控制电路硬件如图3所示。

图3 控制电路硬件图Fig.3 Schematic of control circuit hardware.

FPGA采用Xilinx公司的Spartan6系列的XC6SLX75T，该型号FPGA内置RocketIO GTP可提供最高3.125 Gb.s−1、最低614 Mb.s−1的传输速率，加入Platform Flash PROM XC32P对FPGA进行配置，使系统程序加载更加简化。

本电路设计两套独立的时钟系统，均选用日本EPSON公司的EG-2121型号的晶振，提供100 MHz差分时钟，分别作为系统时钟和GTP参考时钟。

使用VME机箱提供+5 V和+3.3 V电源，经电源芯片转换成2.5 V、1.8 V和1.2 V电压供电路板使用。考虑到RocketIO对噪声非常敏感，采用单独的电源芯片为RocketIO收发器的MGTAVCCPLL提供1.2 V电压。

信号接入模块是由LEMO接入实时信号T0。

SFP光纤收发模块选用美国Finisar公司的FTLF852P2BCV-QL光电转换器。

2 性能测试

测试平台由VME机箱、信号发生器、示波器及控制电路构成，采用ISE Design Suite14.4作为FPGA开发平台，由于现场安装光纤长度不超过15 m，本测试所选用的光纤为15 m，如图4所示。

2.1 光纤接口测试

2.1.1 硬件测试

Xilinx的ChipScope Pro提供了误比特率测试核(Integrated Bit Error Ratio Tester, IBERT)。IBERT核用于测量高速串行收发器多条通道上的误码率和实时调整高速串行收发器参数。连续运行1 h IBERT测试界面如图5所示。MGT设置选用的外部RX AC耦合使能，RX终端电压为3/4 MGTAVTTRX，RX的采样点是0.504UI，Loopback Mode设置为开环模式。从IBERT测试界面可以看出，锁相环PLL处于Locked状态，表明GTP_DUAL的PLL已锁定GTP的参考时钟，GTP可正常工作，如果状态是Unlocked，则要检测待测GTP链路是否运行正确。在预加重为0 dB和与均衡为−0.3 dB条件下，强制GTP发送31位的伪随机数，当RX接收数据量为6.063×1012时lane0的误码率为1.649×10−13，当RX接收数据量为6.061×1012时lane1的误码率为1.650×10−13，且传输错误率为0，可判断光纤接口硬件设计正确，lane0和lane1光纤通道信道质量良好，GTP收发器能够正常工作，达到光纤传输信号标准。

图4 测试平台图Fig.4 Test platform figure.

图5 IBERT测试界面Fig.5 IBERT test interface.

2.1.2 Aurora协议测试

本电路中Aurora协议采用单工模式，帧控形式数据传输，参考时钟为100 MHz，用户时钟为125MHz，发送和接收数据位宽均为16 bits，线速度为2.5 Gb.s−1。由于光纤数据传输经过RocketIO收发器采用8B/10B数据编码，传输数据效率是80%，故而通道串行数据传输有效线性速率为2.0 Gb.s−1。运用Aurora核，自定义了TX_FRAME_GEN和RX_FRAME_CHECK模块，前者用于FIFO和数据发送的逻辑转换，后者是数据接收模块。

使用Aurora协议测试硬件程序包括发送和接收验证两部分，发送模块通过TX发送确定的数据包，经过光纤传输到RX端接收。通过ChipScope抓取发送和接收数据，观察可知Aurora协议传输数据没有出现丢数和误传的现象(图6)，fifo_d_o表示发送端数据，rxdata_out表示接收端数据。

图6 Aurora协议验证ChipScope截图Fig.6 Screenshot of the verification of ChipScope via Aurora protocol.

2.2 信号性能测试

测量接收端相对于发送端的信号延迟和抖动以检测信号传输性能，测试方案如图7所示。

由波形发生器模拟产生T0信号，经FPGA信号处理后存入FIFO中，通过FIFO对数据的存取实现光纤对数据的收发，再由光纤自接收，通过FPGA产生T0恢复信号。利用高精度示波器测量恢复信号与输入T0信号的时间差得到信号的传输延迟，多次统计测量计算得出信号传输的抖动。

图7 测试方案框图Fig.7 Block diagram of test scheme.

图8 提取输入信号上升沿信息逻辑框图Fig.8 Logic diagram of extracting rising edge information from input signal.

FPGA内部信号处理包括提取输入T0信号上升沿和去抖动两部分。提取输入T0信号上升逻辑框图如图8所示，输入T0信号是由信号接入模块进入的模拟信号T0，T_3为提取的上升沿信号，时序图如图9所示。由图9，提取的上升沿信号较原始信号有不超过三个时钟周期的延迟，鉴于采用的提取时钟为125 MHz，信号延迟不超过24 ns，相对于电子学的延迟不超过1 μs的要求可以忽略不计。去抖动是指系统在接收到一个上升沿信号后，在一定的时间内不再接收输入信号。

T0信号是一种脉冲波，频率为25 Hz，占空比为50%，电平标准为TTL，高低电平分别为3.3 V和0 V，模拟T0信号由Agilent的33250 A 80 MHz波形发生器产生。本设计模拟5 ns和10 ns上升时间T0信号，图10为示波器显示的模拟T0信号。

图9 提取输入信号上升沿信息时序图Fig.9 Timing diagram of extracting rising edge information from input signal.

图10 模拟T0信号波形图Fig.10 Waveforms of T0.

上升沿信号对应Aurora协议RX_FRAME_CHECK模块的Datavaild信号，该信号为单周期信号。由于光纤接收和发送都采用的用户时钟125 MHz，因此上升沿信号有效时间为8 ns，为方便示波器采样，将一个周期的上升沿信号扩展为10个周期，用T_Recover表示。信号抖动由示波器统计测量得出，计算输入T0信号和T_Recover的延迟的标准方差(Standard Deviation, Sdev)便得到输入信号的传输抖动，计算公式如下：

图11 信号抖动测试波形图Fig.11 Waveforms of signal jitter test.

表1 Aurora协议传输测量结果Table 1 Results of Aurora protocol transmission measurements.

2.3 测试结果

通过每组5000次的多组信号性能测量结果可以看出，传播延迟最大不超过600 ns，抖动最大不超过4 ns，且延迟和抖动稳定性较好，均能满足系统要求。

3 结语

基于Aurora协议进行光纤传输T0信号的方式能够满足电子学系统对实时信号传输的要求。测量结果表明，信号上升时间对延迟和抖动有一定影响，信号上升时间越长则延迟越长，抖动越大，可通过缩短信号上升时间降低传输延迟和抖动。

1 Wei J, Fang S X, Feng J, et al. China spallation neutron sources design[C]. Proceedings APAC 2007, Indore, India, 2007: 310−314

2 胡俊, 朱科军, 江晓山. 基于PCIE的CSNS高通粉末衍射仪高速数据采集卡[J]. 核电子学与探测技术, 2011, 31(10): 1062−1072

HU Jun, ZHU Kejun, JIANG Xiaoshan. The data acquisition card of high-throughput powder diffractometer in CSNS[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2011, 31(10): 1062−1072

3 徐昊, 刘振安, 卢云鹏, 等. 基于FPGA的高速串行光纤数据传输在BESIII触发系统的应用[J]. 核技术, 2009, 32(9): 706−710

XU Hao, LIU Zhen'an, LU Yunpeng, et al. Application of FPGA-based high-speed data transmission with optical fiber in trigger system of BESII[J]. Nuclear Techniques, 2009, 32(9): 706−710

4 Xilinx Inc. Spartan-6 FPGA GTP transceivers[CP/OL]. http://www.xilinx.com, April 30, 2010

5 Xilinx Inc. Aurora_8B10B protocol specification[CP/OL]. http://www.xilinx.com, April 19, 2010

CLC TN41, TN492

Real-time signal transmission performance tests with optical fiber
based on Aurora protocol

LU Ruiqi1,2ZENG Jianping1ZHAO Yubin2REN Hailong1,2

1(The Physics and Micro Electronic College of Hu'nan University, Changsha 410082, China)
2(Dongguan Institute of Neutron Science (DINS), Dongguan 523808, China)

Background: General Purpose Powder Diffractometer (GPPD) is one of Chinese Spallation Neutron Source (CSNS) diffractometers, which adopts Symptom Scale of Neurotransmitter Deficiency (SSND) detecting the position and the flight time of neutron when it hits, and the electronics system processes the detected neutron information. The shooting time T0, as a time reference point of the electronics system, is a real time signal. Traditional cable transmission meets the real-time signal transmission requirements, however, laying work will be rather complex and bring great difficulties to project since numerous of cable was needed. Purpose: The electronics control circuits is needed to transfer the received signal T0 to the lower electronics in real time with low propagation delay and low jitter via optical fiber, and the the propagation delay is less than 1 μs which including the 15-m optical fiber delay, the jitter is less than 0.1 μs. Methods: This paper describes a transferring scheme based on Spartan6 XC6SLX75T FPGA using Aurora protocol via optical fiber. The testing program is based on ISE Design Suite14.4 FPGA development platform, adopting high-precision oscilloscopes to the measure and calculate the transmission delay and jitter of different rise time signal T0 repeatly. Results: Repeated measurements show that the maximum propagation delay is less than 600 ns and that the maximum jitter is less than 4 ns, in addition, the stability of jitter stability is good, and it meets the system requirements. Conclusion: It is feasible to use Aurora protocol via optical fiber to transfer real-time signal T0. Signal rise time has a certain influence on the delay and jitter, longer signal rise time corresponds longer delay and greater the jitter, so to shorten rise time of signal can reduce the transmission delay and jitter.

Chinese Spallation Neutron Source (CSNS), General Purpose Powder Diffractometer (GPPD), Real-time signal, Jitter, Aurora protocol, Optical

TN41，TN492

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.030404

中国散裂中子源工程(发改高技(2008)2578号)、湖南省科技计划项目(No.2014Gk3148)资助

鲁睿其，女，1988年出生，2012年毕业于湖南大学，现为湖南大学硕士研究生，研究方向为FPGA硬件开发

2014-12-08，

2015-01-07