Progetto e realizzazione di una scheda di comunicazione con trasferimento dati a 10GBIT/S basato su architettura UDP/IP per un sistema TCSPC multicanale

The Time-Correlated Single Photon Counting (TCSPC) technique is employed in many fields, such as medicine, chemistry and biology, with the purpose of analysing waveforms of light signals. With the TCSPC it is possible to achieve a temporal resolution not allowed by standard analogue techniques and in many of the possible applications a great number of sensors is needed. The framework in which this thesis work has been developed is the design of a complete acquisition system for Time-Correlated Single Photon Counting applications featuring a high number of parallel channels. More precisely, the focus of my work was to design a PCB for data transfer between the TCSPC module and a PC, with the aim of ensuring an appropriate throughput to the multi-channel structure of the acquisition system. In order to deal with a huge amount of data and to provide a versatile system, I studied the most recent and widespread protocols for high-bitrate communications. In this thesis I focused on the Ethernet 10G and I investigated which of the higher level network protocols was more suitable for an FPGA implementation of the TCSPC data transfer. A 10 Gbit/s download using UDP/IP protocol was carried out on a development board and the data have been processed on the PC thanks to a custom Java software. Moreover, the FPGA firmware has been designed in order to be compatible with a data processing software, running on GPUs, which has been developed by a research group in Informatics of the Politecnico di Milano. The PCB was designed to provide an Ethernet 10G link, through a Xilinx Kintex-7 FPGA and an SFP+ module, and USB 3.0 connection, through Cypress EZ-USB FX3 controller. Apart from managing data transfer operations, the PCB allows the entire system to be configured from the outside by the user.

La tecnica Time-Correlated Single Photon Counting (TCSPC) viene largamente utilizzata in molti campi, tra cui la medicina, la chimica e la biologia, nello studio delle forme d’onda di segnali luminosi. Con il TCSPC è possibile ottenere risoluzioni temporali non raggiungibili attraverso le tecniche analogiche e molte delle possibili applicazioni prevedono l’utilizzo di un gran numero di rivelatori in parallelo. Questo lavoro di tesi si inserisce nel progetto di un sistema completo di acquisizione per applicazioni di Time- Correlated Single Photon Counting (TCSPC) ad alto numero di canali. In particolare, il mio lavoro è stato il progetto e la realizzazione di una scheda per il trasferimento di dati tra il modulo TCSPC ed un PC, con l’obiettivo di assicurare un throughput adeguato alla struttura multicanale del sistema di acquisizione. L’ingente mole di dati da gestire, unita alla necessità di un sistema versatile, ha richiesto lo studio dei più recenti e diffusi protocolli di comunicazione veloce. In questo lavoro di tesi è stato svolto uno studio approfondito sul protocollo Ethernet 10G e sui protocolli di rete di alto livello più adatti alla particolare applicazione TCSPC e all’implementazione su FPGA. È stato quindi realizzato, su kit di sviluppo, un trasferimento dati a 10Gb/s sfruttando il protocollo UDP/IP e creando al contempo un software apposito per la ricezione e l’elaborazione dei dati sul PC. Inoltre, Il firmware FPGA è compatibile con un software per elaborazione tramite GPU, sviluppato da un gruppo di ricerca in Informatica del Politecnico di Milano. Infine è stata realizzata un’unica scheda che supporta sia l’Ethernet 10G, tramite FPGA Xilinx Kintex-7 e modulo SFP+, sia il protocollo USB 3.0, tramite controller EZ-USB FX3 della Cypress. Oltre alla gestione del trasferimento dati, la scheda è stata pensata per consentire la configurazione dall’esterno di tutte le altre parti del sistema, garantendone al contempo la stabilità meccanica.