Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Design and verification of a USB 3.0 readout system for Timepix3 hybrid pixel detectors
Mid Sweden University, Faculty of Science, Technology and Media, Department of Electronics Design.
2018 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 10 credits / 15 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

This thesis describes the design, implementation, and verification of a USB 3.0 readout system for Timepix3 detectors. Timepix3 is a hybrid pixel detector consisting of a 256x256 pixel matrix with a 55 μm pitch and a timing resolution of 1.56ns. It allows to measure energy and time simultaneously utilising an event-driven data stream with a maximum data rate of up to 5.12 Gb/s or up to 85 million hits per second. Our aim is to implement a readout system that allows to add processing algorithms into the firmware, reducing the amount of data and the post-processing time. USB 3.0 was selected as an interface, because it provides a sufficient data rate and is present on all modern computers. Furthermore, the selected Opal Kelly XEM6310 development board provides a framework handling the communication between the FPGA and the host computer, FPGA components, and an API.

We implemented a hardware adapter board in collaboration with the University of Glasgow connecting the development board to the detector chip board converting the detector’s output signals from SLVS to LVDS signals. Moreover, we implemented FPGA firmware consisting of a detector interface, USB interface, and a core including a processing interface. A multi-platform desktop library was implemented in C/C++ using Qt, which is used to configure the readout system and handles high speed data streaming. Data analysis and verification is conducted using custom build Python scripts.

Simulations of the firmware showed the expected behaviour. The firmware and library were verified by configuring the detector, reading back the configuration, and measurements with an Americium source. An equalisation and a global and per-pixel energy calibration have been done successfully. Moreover, the system has been used to create and correct an X-ray image. Furthermore, the USB 3.0 data streaming performance was evaluated and it could be shown that the system can sustain a stream of around 380 MB/s.

The proposed readout system has been implemented and was verified in simulation and experiments with X-ray radiation. USB 3.0 data streaming performed better than anticipated reaching higher speeds as stated by Opal Kelly. Furthermore, the firmware and the library function as intended. The hardware adapter requires some changes to accommodate higher data speeds and the data chan- nels have to be moved to different pins to allow synchronisation to an external clock.

Abstract [sv]

Denna avhandling beskriver utveckling och verifikation av ett USB 3.0 baserad utläsningssytem för Timepix3 detektorer. Timepix3 är en hybridpixeldetektor som består av en 256x256 pixelmatris med en pixelstorlek av 55μm2 och som klarar en tidsupplösning av 1.56ns. Detektorn tillåter att mäta energi och tidsinformation samtidigt och använder en händelsedriven dataström med en maximal datahastighet på 5,12 Gb/s som motsvarar ca. 85 miljoner träffar per sekund. Vårt mål är att detta systemet tillåter databehandling i FPGA:n alltså minskar datamängden och efterbehandlingstid. Vi valde USB 3.0 för att det ger en nytsad datahastighet och för att det finns på alla moderna datorer. Dessutom föll valet på ett XEM6310 kort från Opal Kelly som utvecklingsplatform. Opal Kelly erbjuder ett ramverk som hanterar kommunikationen mellan FPGA:n och datorn. Ramverket innehåller FPGA-komponenter och en API.

Adapterkort utvecklades i samarbete med University of Glasgow som kopplar vårt utvecklingskort till detektorkortet där detektorutgångssignaler vandlas från SLVS till LVDS signaler. Dessutom implementerade vi FPGA-firmware som består av ett detektorgränssnitt, ett USB-gränssnitt, och en kärna med ett databehandlingsgränssnitt. Ett multi-platform bibliotek utvecklades och implementerades i C/C++ med användning av Qt. Bibliotektet används för att konfigurera utläsningssystemet, konfigurera detektorn, och hantera dataströmmning från och till detektorn. Dataanalys och verifiering utfördes med hjälp av självutvecklade Python-verktyg.

Simuleringar av firmware visade det färväntade beteendet. Firmware och bibliote- ket verifierades genom att konfigurera detektorn, läsa tillbaka konfigurationen, och mätningar med en Americiumkälla. Ekvalisering, global energikalibration, och per-pixel-kalibration utfördes också. Dessutom har systemet använts för att ta röntenbilder. Analys av USB 3.0 dataströmming visade att biblioteket och utläsningssystemet kan upprätthålla en ström av upp till 380 MB/s från FPGA:n till datorn.

Det beskrivna utläsningssystemet implementerades och verifierades i simulering och experimentellt med hjälp av strålkällar. Dataströmmning med USB 3.0 utförde sig bättre än förväntat och visade högre hastigheter som visas as Opal Kelly. Firmware och biblioteket fungerar som förväntat. Adapterkortet fungerar men kräver vissa ändringar för att tillåta högra datahastigheter. Dessutom måste datakanalerna flyttas till olika ingångar för att synkronisera datakanalerna till en extern klocka.

 

Place, publisher, year, edition, pages
2018. , p. 80
Keywords [sv]
Hybrida pixeldetektorer, utläsningssystem, FPGA, Timepix
National Category
Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:miun:diva-34114OAI: oai:DiVA.org:miun-34114DiVA, id: diva2:1230770
Subject / course
Electronics EL1
Educational program
Master by Research TPRMA 120 higher education credits
Supervisors
Examiners
Available from: 2018-07-04 Created: 2018-07-04 Last updated: 2018-07-04Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(12824 kB)11 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 12824 kBChecksum SHA-512
d5581d77a48c273a213b43c1cee04538c6178ce9ff7d993066283dfd3dbad0f5c12a0e1cac056c8e1aabe9fab3bcc2080aa27abacc634b29d3f92d5e59607f86
Type fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

By author/editor
Dreier, Till
By organisation
Department of Electronics Design
Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 11 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 196 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf