Cosmo-Zの概要

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Cosmo-Zは、高速ADCから取り込んだ信号を、FPGAでリアルタイムに処理してメモリに取り込む「データ計測・収集装置(DAQ)」です。

高速ADCやキャプチャ回路は標準で用意されており、ユーザは、ユーザの実験や計測を特徴づけるフィルタやトリガロジックをカスタマイズして機能を拡張することができます。

図1 Cosmo-Zの全体構造

Cosmo-Zでは、ADCとのインタフェースや、標準的なトリガ発生回路、波形キャプチャDMAなど、多くのDAQシステムで共通する回路はあらかじめ用意されています。

Cosmo-Zの特徴は、ユーザの実験によって異なる部分、いいかえればユーザの実験内容を特徴づける、信号処理回路、トリガロジックおよびリアルタイム波形解析回路(表1)をカスタマイズできることです。

表1　ユーザがカスタマイズ可能な機能

機能	説明
フィルタ(信号処理)	FIRやIIRなどのディジタルフィルタだけではなく、放射線用の波形整形回路や、I/Q分離・デシメーション、FFT用の窓関数回路、ロックインアンプなど、入力された信号をリアルタイムに処理する回路全般をいいます。
トリガロジック	閾値を超えたり、任意の値やパターンを検出した場合にトリガを発生させる回路です。トリガ信号は信号キャプチャのトリガとして使われたり、波高解析回路のトリガとして使われます。
リアルタイム波形解析	メインメモリを読み書きし、メモリ内に蓄えられた波形を読み出して解析します。ハードウェアFFT回路などが該当します。

標準的な部分はあらかじめ用意されていて、ユーザごとに異なる部分をカスタマイズ可能とすることで、実験に合わせたFPGAを迅速に開発することができるようになります。

イベントキャプチャと波高分析回路

Cosmo-Zには放射線計測のための回路があらかじめ備わっています。

125MHzの速度で全ADCのデータを記録しつづけるのではなく、イベントが発生した前後の部分の波形のみを記録することで、記録するデータ量を大幅に削減することができます。

このしくみをイベントキャプチャといいます。

図2　イベントキャプチャ

イベントキャプチャの際には、FPGAのハードウェアにより波高値とイベントが発生した時刻などを合わせて記録し、ヘッダとしてデータの前に付加します。

ソフトウェアでは、このヘッダを解析することで、大量のデータを速やかにオフライン解析することができます。

Cosmo-ZにはDAC拡張ボードが用意されおり、Cosmo-Z Miniは標準でDAC出力機能が付いています。

DACからは任意の波形を出力することができ、ボード線図の計測、過渡解析、I-V解析、ネットワークアナライザなどの解析に使用することができます。

Cosmo-ZはOSにUbuntu Linuxを採用しています。またCosmo-Zの波形バッファやDAC、ADCへのアクセスにはAPIが用意されています。

これらのAPIを使用するプログラムを作成することで、ボード線図の計測、過渡解析、I-V解析、ネットワークアナライザなどのアプリケーションを用意に作成することができます。