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?一個觸發(fā)系統(tǒng)研發(fā)及小規(guī)模測試平臺

撰文 | 吳進(jìn)遠(yuǎn)（美國費米國家加速器實驗室）

責(zé)編 | 陳曉雪

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20XX年，瑞典，斯德哥爾摩，諾貝爾獎頒獎典禮。老國王拿起放著獎?wù)潞妥C書的錦盒，戴上花鏡，準(zhǔn)備頒發(fā)物理獎了。對面，物理獎得主坐在那里，等待這一重要的時刻。這時他眼鏡的鏡腿輕輕地抖動了起來，讓他一陣心悸。他忍不住扶了一下眼鏡腿，眼鏡片上顯示了一條信息，令他臉色驟然變白。眾目睽睽之下，他起身走向司儀，簡短耳語片刻，從邊門離開了華麗的大廳。司儀對國王做了個手勢。之后，國王放下手中的錦盒，拿起另一個，開始頒發(fā)下一個獎項。在物理學(xué)獎莫名其妙地宣而不頒的兩周后，合作組召開新聞發(fā)布會，宣布由于探測器觸發(fā)系統(tǒng)的問題，合作組兩年前“發(fā)現(xiàn)”的XYZ粒子并不存在。合作組主要負(fù)責(zé)人起立，對全球聯(lián)網(wǎng)直播的鏡頭鞠躬致歉。

這個故事純屬虛構(gòu)，大家完全可以腦補(bǔ)后續(xù)的情節(jié)。比如，全球很多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)的數(shù)百名理論物理工作者完全可能被這個“發(fā)現(xiàn)”帶錯節(jié)奏，導(dǎo)致多個國際著名刊物發(fā)表勘誤表專卷，數(shù)以千計的論文作廢。

故事雖然是虛構(gòu)的，但確實是高能實驗物理工作者，尤其是觸發(fā)系統(tǒng)工作者時時要提防的噩夢。大家都知道的一個真事發(fā)生在2012年，當(dāng)時人們“發(fā)現(xiàn)”了中微子的速度比光的速度快。后來經(jīng)過認(rèn)真查找，確認(rèn)這只是傳輸時間基準(zhǔn)的光纖出了問題。時間基準(zhǔn)到達(dá)探測器看上去晚了60納秒，這樣中微子到達(dá)的時間就看上去早了60納秒，由此造成烏龍。幸好這個問題是在還沒有獲得諾獎時發(fā)現(xiàn)的。實際上，這個光纖的問題還不是最難發(fā)現(xiàn)的，在高能物理探測器中尤其是觸發(fā)系統(tǒng)中，存在許多更加復(fù)雜而且更難查找的毛病。我們要做的工作之一，就是要防止這類毛病變成一個諾獎級的“發(fā)現(xiàn)”。

那么，觸發(fā)系統(tǒng)又是什么呢？高能物理學(xué)中觸發(fā)的概念與示波器的觸發(fā)功能有緊密的聯(lián)系，而用好示波器的觸發(fā)功能是一個十分實用的科學(xué)研究技巧。所以，我們在這篇文章談?wù)勥@個問題。明白了示波器的觸發(fā)功能，對高能物理探測器的觸發(fā)系統(tǒng)就明白了一大半。

大多數(shù)同學(xué)都學(xué)過示波器的工作原理，都知道示波器的橫軸是時間，縱軸是輸入電壓。不過，或者是由于書上沒有寫，或者是沒有耐心讀，很多同學(xué)沒有注意到使用示波器時，除了要調(diào)好橫軸縱軸，還有第三個東西要調(diào)好，那就是觸發(fā)功能。

如果我們用示波器來觀察一個周期性的連續(xù)信號，則觸發(fā)系統(tǒng)并不顯得十分重要。畢竟在輸入信號存在的任何一個時間段，我們都可以抓到信號的波形，如圖1 所示。

?圖1: 示波器上的周期性連續(xù)信號

不過，當(dāng)輸入信號是比較窄的脈沖時，情況就不同了。比如對于寬度10納秒，重復(fù)頻率1 兆赫茲的脈沖，占空比為1%，也就是說只有1%的時間里存在信號。如果我們將示波器的時間軸調(diào)到如圖2 所示，滿度80納秒，則平均十次掃描有八九次看不到任何波形。即使碰巧抓到了，波形也會隨意出現(xiàn)在屏幕上的任何位置。

?圖2: 無觸發(fā)情況下示波器隨機(jī)抓取的信號

讀者可能會覺得，如果我們把示波器的時間軸調(diào)成滿度1微秒以上，不就能至少抓住一個脈沖嗎？道理上確實沒錯，不過這時波形如圖3 所示，在圖中，滿度寬度為1.6微秒，脈沖相對而言非常窄，看不清楚細(xì)節(jié)。

?圖3: 長時間區(qū)段中的窄脈沖信號

如果脈沖的占空比進(jìn)一步降低，比如對于寬度10納秒，重復(fù)頻率100赫茲的脈沖，其占空比僅有一百萬分之一，這時我們需要把示波器的時間軸加寬到10毫秒以上，才能確保抓到信號。一百萬分之一的占空比是個什么概念呢？這個比例相當(dāng)于在10公里的馬路邊上插一根直徑1厘米竹竿。要顯示這樣一個波形圖，在橫坐標(biāo)上至少要有一百萬個像素，如果印到紙上至少需要幾十米長。你覺得我們在向期刊投稿，發(fā)表科研成果時，附上一個《清明上河圖》長卷一樣的波形圖，這個主意怎么樣？

因此，一味地加寬時間軸無法解決問題。必須利用觸發(fā)系統(tǒng)來尋找需要觀察的信號。

示波器上最常用的觸發(fā)模式是過閾觸發(fā)。所謂過閾觸發(fā)是指在示波器內(nèi)設(shè)定一個電壓閾值，示波器中的電子電路連續(xù)地比較輸入電壓與預(yù)設(shè)的電壓閾值。當(dāng)輸入電壓從低于這個閾值變化到高于這個閾值時，（或者從高于這個閾值變化到低于這個閾值時）示波器將這一時刻之前以及之后一段時間內(nèi)的輸入電壓波形顯示出來，如圖4 所示，這樣，示波器就能顯示穩(wěn)定的信號波形了。屏幕右側(cè)的小箭頭顯示的是用戶設(shè)定的閾值，而屏幕上部字符T所指示的位置，是被測電壓的過閾時刻。

?圖4: 利用觸發(fā)功能在示波器上顯示的穩(wěn)定信號

有的示波器之中，其觸發(fā)系統(tǒng)還支持其它的觸發(fā)模式。比如，我們可以要求觸發(fā)系統(tǒng)選擇寬度小于一定數(shù)值的脈沖。使用這樣的觸發(fā)功能，我們可以抓住在正常脈沖信號之中偶然發(fā)生的“毛刺”。有的示波器甚至可以支持更復(fù)雜的觸發(fā)條件，比如多個通道同時出現(xiàn)高電平或低電平等等。

對于大多數(shù)同學(xué)來說，普通的過閾觸發(fā)功能已經(jīng)夠用了。很多情況下，只要觸發(fā)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置對了，就能得到穩(wěn)定的波形了。

觸發(fā)系統(tǒng)通常與探測器的探測單元直接連接，帶電粒子擊中探測單元后，電信號送到觸發(fā)系統(tǒng)。觸發(fā)系統(tǒng)根據(jù)探測器輸出信號的空間分布和時間信息來判斷這些信號可能源于一個什么樣的物理事例，然后決定是否將相應(yīng)信號的數(shù)據(jù)存儲到磁盤文件里。

我們可以用監(jiān)控錄像的記錄模式來類比高能物理探測器的觸發(fā)系統(tǒng)。

有一種監(jiān)控錄像是在24小時內(nèi)不間斷地記錄攝像頭拍攝到的影像，這種工作模式很像沒有觸發(fā)系統(tǒng)的示波器。我們在這樣的監(jiān)控錄像中，大部分時間看到的是空蕩蕩的樓道，偶爾會有一個住戶或訪客走過。

有一些監(jiān)控系統(tǒng)可以將有物體運動的時間段挑選出來記錄到記憶卡上，這樣的監(jiān)控系統(tǒng)有些像設(shè)定了觸發(fā)功能的示波器，記錄下來的信息要有用得多。不過這樣的系統(tǒng)如果放在小區(qū)的入口，我們就會看到川流不息的人群和車輛，而當(dāng)我們需要尋找重要信息時，仍然必須做人工篩選。

更高級一點的系統(tǒng)，具有刷臉功能，可以根據(jù)面部特征把常見的住戶和偶爾來訪的人員分別開來。這就和高能物理實驗中使用的觸發(fā)系統(tǒng)非常相像了。

那么，高能物理實驗中的觸發(fā)系統(tǒng)所抓取的是什么樣的“面部特征”呢？這就是我們后面要談到的觸發(fā)條件。

高能物理學(xué)的大多數(shù)實驗，感興趣的都是在高能量區(qū)域粒子的生成以及對應(yīng)的衰變。這種事例往往都有一些高動量的衰變產(chǎn)物。因此，尋找并確認(rèn)高動量的帶電粒子徑跡，是一種最常見的觸發(fā)功能。

一個運動的帶電粒子，在自由空間運動時，如果沒有外力，不論動量大小，都會沿著一條直線運動。然而，當(dāng)帶電粒子在磁場中運動時，帶電粒子受到洛倫茲力的作用，運動軌跡彎曲，動量越小的帶電粒子彎曲得越厲害，顯得比較軟。而動量比較大的帶電粒子軌跡就比較直，顯得比較硬。在已知磁場強(qiáng)度和粒子電荷的情況下，根據(jù)帶電粒子軌跡的曲率半徑，就可以推斷出粒子的動量。

比如對于如圖5 的探測器，加速器生成的粒子束與固定靶碰撞。碰撞后生成一些新物質(zhì)，這些新物質(zhì)很快衰變，在衰變產(chǎn)物的飛行路徑上，電磁鐵M產(chǎn)生一個磁場。帶電粒子飛過磁場區(qū)域時，運動的軌道發(fā)生偏轉(zhuǎn)。動量比較大的帶電粒子（如P1、P2）偏轉(zhuǎn)得比較小，而動量比較小的帶電粒子（如P3）偏轉(zhuǎn)得比較大。

?圖5: 在探測器中，帶電粒子受到磁場作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)的情形

衰變產(chǎn)物在飛行過程中，打在四層探測器HA、HB、HC、HD上。 而這四層探測器，每一層都是由若干個探測器單元構(gòu)成的，比如對于HA這一層，從上到下分別是HA(0)，HA(1)，HA(2)等。顯而易見，如果我們希望確認(rèn)一個高動量的帶電粒子軌跡，例如P1，只要找到類似如下的邏輯關(guān)系式就可以了。

HA(2) and HB(1) and HC(2) and HD(2)

而帶電粒子軌跡P2的邏輯關(guān)系式為：

HA(5) and HB(5) and HC(7) and HD(7)

高動量的帶電粒子軌跡可以有許許多多種，因此，一個觸發(fā)系統(tǒng)的觸發(fā)條件T會包含許多相似的邏輯關(guān)系式。

T = （HA(2) and HB(1) and HC(2) and HD(2)）

or (HA(5)and HB(5) and HC(7) and HD(7))

or (...)

在邏輯關(guān)系當(dāng)中，“與”（and）運算以及“或”（or）運算的性質(zhì)分別與代數(shù)中的乘法以及加法運算類似。因此，一個完整的邏輯關(guān)系式可以被看成是一個多項式。每一個高動量帶電粒子的軌跡對應(yīng)于多項式中的一項。對于不同的實驗以及探測器，邏輯多項式的項數(shù)從幾千到幾百萬不等。如何將這么多的邏輯功能放到有限的電子電路硬件當(dāng)中，這中間需要非常仔細(xì)的規(guī)劃與設(shè)計。

近代的對撞機(jī)探測器多數(shù)是軸對稱的，探測單元多布置成同軸的桶狀。探測器中的磁場多數(shù)是用螺線管生成的，磁力線的方向基本上是沿著對稱軸的方向的。在這種情況下，衰變產(chǎn)物帶電粒子的軌跡是一個螺旋線，如圖6 所示。

?圖6: 在軸對稱探測器中，帶電粒子受到磁場作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)的情形

在這種情況下，帶電粒子軌跡的曲率反映了它的橫向動量分量的大小，我們也可以用與前面所談相似的邏輯關(guān)系來生成觸發(fā)條件。

早期的觸發(fā)系統(tǒng)往往有三級，如圖7 所示。

?圖7: 早期的觸發(fā)系統(tǒng)

探測器（DET）所生成的電信號經(jīng)過前級電子電路（FE）首先送到第一級觸發(fā)系統(tǒng)（L1T）中，利用快速邏輯電子電路做粗略的判斷。第一級觸發(fā)系統(tǒng)判斷可能存在有用的物理事件后，發(fā)出一個觸發(fā)信號（T1），啟動數(shù)字化（ADC/TDC）系統(tǒng)。早期的數(shù)字化器件，一旦被啟動便無法繼續(xù)監(jiān)測輸入信號。因此如果數(shù)字化進(jìn)程啟動得過于頻繁，就會帶來很大比例的系統(tǒng)死時間。因而，必須首先判斷出在探測器里存在比較靠譜的信號組合時才能啟動數(shù)字化，“不見兔子不撒鷹”。

經(jīng)過第一級觸發(fā)系統(tǒng)的篩選后，第二級觸發(fā)系統(tǒng)（L2T）對于探測器產(chǎn)生的信號或數(shù)據(jù)做出比較詳細(xì)的判選，以決定是否將數(shù)據(jù)送入后級的計算機(jī)系統(tǒng)（L3T/DAQ）。隨后，經(jīng)過第二級觸發(fā)系統(tǒng)篩選的數(shù)據(jù)送入計算機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)中運行的第三級觸發(fā)軟件對于數(shù)據(jù)做出更加詳細(xì)的分析與取舍，最后存入磁帶或磁盤。

在近些年，隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，電子電路的集成度和速度都提高了很多。更重要的是，現(xiàn)在的數(shù)字化器件已經(jīng)可以做到不間斷地檢測輸入信號，不會因為數(shù)字化造成系統(tǒng)的死時間。因而，我們現(xiàn)在可以將前兩級觸發(fā)系統(tǒng)的功能合并為一級。

目前世界上有不少高能物理學(xué)實驗的觸發(fā)系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩級構(gòu)成的，通常稱為第一級觸發(fā)系統(tǒng)和高級觸發(fā)系統(tǒng)。

第一級觸發(fā)系統(tǒng)的任務(wù)是對探測器產(chǎn)生的電信號作出快速的邏輯分析，并據(jù)此作出是否對物理實例作進(jìn)一步分析判斷的決定。由于高能物理實驗在速度與分析精度方面的要求越來越高，現(xiàn)代的高能物理探測器中多采用現(xiàn)場可編程（FPGA）器件來實現(xiàn)這些邏輯功能。我們將在別的文章中，專門為讀者介紹FPGA的相關(guān)知識。

用軟件來實現(xiàn)觸發(fā)功能的好處是系統(tǒng)具有良好的可塑性，可以很方便地根據(jù)實驗需求來調(diào)節(jié)觸發(fā)條件。而缺點是計算機(jī)運行觸發(fā)軟件的速度太慢，因此需要很多計算機(jī)連到一起共同分擔(dān)這些處理任務(wù)。因此，高級觸發(fā)系統(tǒng)是由交換機(jī)與計算機(jī)陣列構(gòu)成的。如圖8 所示。

?圖8: 近代高能物理實驗的觸發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)

探測器（DET）產(chǎn)生的電信號通過前級電子電路與數(shù)字化器件（FE/DIGI），將粒子擊中探測單元的數(shù)據(jù)送往第一級觸發(fā)系統(tǒng)（L1T）。第一級觸發(fā)系統(tǒng)做出是否丟棄或進(jìn)一步考察某一事例的決定。如果決定進(jìn)一步考察，子探測器讀出計算機(jī)（SDRO）開始將這一事例的數(shù)據(jù)通過交換機(jī)（Switch Fabric）送入后級的高級觸發(fā)計算機(jī)（HLT）。

需要注意的是，每一個子探測器讀出計算機(jī)（SDRO）只具有自己所對應(yīng)的子系統(tǒng)的信息，而沒有整個探測器全局信息，因而對一個事例的取舍不可能在這一級做出判斷。要想做出判斷，必須讓所有子系統(tǒng)將同一事例的信息全部送入后級單一的一臺高級觸發(fā)計算機(jī)（HLT）。這就需要通過交換機(jī)來實現(xiàn)信息的聯(lián)通。

具體的做法是每一個SDRO將同一事例的數(shù)據(jù)打包，貼上同一臺HLT的IP地址，然后送入交換機(jī)。交換機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)的IP地址，送到相應(yīng)的HLT計算機(jī)?？梢韵胂螅瑢τ谠丛床粩嗟氐絹淼牟煌吕?，SDRO必須貼上不同的IP地址，以便讓HLT計算機(jī)陣列中的每一臺計算機(jī)都能平均地分擔(dān)到合理的數(shù)據(jù)處理工作量。每個事例的數(shù)據(jù)經(jīng)過HTL運行的觸發(fā)軟件判選，如果事例中的數(shù)據(jù)符合預(yù)定的觸發(fā)條件，則整個事例的所有數(shù)據(jù)就會被送入數(shù)據(jù)獲取計算機(jī)（DAQ）最終存入磁盤或其它大規(guī)模存儲設(shè)備。

對于觸發(fā)系統(tǒng)，不應(yīng)該簡單地理解成為把不要的事例丟掉。降低事例率固然是觸發(fā)系統(tǒng)重要的功能，然而，事例率降低不是唯一的設(shè)計目標(biāo)。

觸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計中，最大的挑戰(zhàn)是如何保持物理現(xiàn)象的原始性質(zhì)。我們不希望由于觸發(fā)系統(tǒng)的裁剪，使得物理現(xiàn)象呈現(xiàn)出一些并不存在的“新”性質(zhì)。比如，不能由于觸發(fā)系統(tǒng)的裁剪，在本來平滑的能譜上裁出一個跳躍變化，好像那里存在一個新的粒子一樣?？蒲泄ぷ髡叨伎释@得諾貝爾獎，然而觸發(fā)系統(tǒng)研發(fā)人員卻不希望因為這種人造的“成果”而獲獎。假如有些物理性質(zhì)不可避免地會受到觸發(fā)系統(tǒng)的影響，也應(yīng)該知道對哪些參量在哪些區(qū)域有多大的影響，不能留下一筆糊涂帳。

由于觸發(fā)系統(tǒng)幾乎不可避免地會裁剪到物理現(xiàn)象的性質(zhì)，因此一代代的高能物理學(xué)工作者都希望除之而后快。不過由于加速器與探測器技術(shù)的發(fā)展，一代代新設(shè)計的實驗所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)也越來越多，因此希望做到“無觸發(fā)”的夢想始終沒有實現(xiàn)。根據(jù)作者本人以及幾位同事的記憶，近幾十年來的主要的加速器高能物理實驗都是有觸發(fā)系統(tǒng)的。

觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計需要同時考慮物理實驗的需求和電子電路硬件的功能，可以說是實驗高能物理皇冠上的明珠。如果你讀博時，有可能參與一個觸發(fā)系統(tǒng)的研究工作，哪怕是在最小的一個高能物理實驗中，我可以告訴你，這是一個金不換的機(jī)會。

這篇文章涵蓋了你未來博士論文中大約50%的內(nèi)容，通過基礎(chǔ)課和專業(yè)課，你又能知道45%左右。

剩下5% 是你的新貢獻(xiàn)，這需要你在實驗室，吃著泡面，夜以繼日，艱苦而有效地工作三四年才能做出來。

?圖9：實驗室一角

實際上，在觸發(fā)系統(tǒng)中，我們現(xiàn)在積累的經(jīng)驗與知識都是在這個領(lǐng)域中數(shù)以千計的科研人員在幾十年間吃著泡面做出來的。值得自豪的是，這中間也有作者的一點點貢獻(xiàn)。同樣，將來你也會為你的貢獻(xiàn)而自豪的。作者就把這篇文章作為雞湯，為你的泡面調(diào)調(diào)味吧。