Versatile processing platform for embedded energy spectroscopy

The purpose of this thesis is the implementation of an FPGA based acquisition and elaboration system, in the field of radiation sensors. The multiple design requirements of digital platforms designed for this purposes must meet the every day more demanding performances in terms of processing speed and reliability. The firmware developed is characterized by the modularity needed for guaranteeing flexibility of utilization in different X and gamma spectroscopy experimental set-ups. During the thesis several independents sub blocks have been developed, each of them performing one of the functions needed to acquire and elaborate signals. Special attention has been dedicated in data transfer to host PC: a 50 MB/s, 0 Bit Error Rate USB 2.0 communication protocol has been implemented. A real time processing block has been also created, capable of de randomizing incoming data and arranging them in histograms optimized for transfers. The prototype of the acquistion module has been realized on evaluation boards in order to verify the correct behaviour of the implemented digital circuit. An user graphic interface has been realized using LabView software to manage the application. Experimental tests have made possible the characterization of the sub-blocks and of the overall functionality via measurements with a calibration source.

Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato l’implementazione di un sistema di acquisizione ed elaborazione dati basato su FPGA nell’ambito della sensoristica per radiazione. I molteplici requisiti di progetto delle piattaforme digitali atte a questo scopo devono sottostare alle sempre più stringenti richieste in termini di velocità di elaborazione e affidabilità. Il firmware sviluppato è caratterizzato dalla modularità necessaria a garantire flessibilità di utilizzo in diversi set-up sperimentali di spettroscopia X e gamma. Durante lo svolgimento della tesi sono stati sviluppati diversi sotto blocchi indipendenti, atti a realizzare specifiche funzioni necessarie per l’acquisizione e il processing dei segnali. Particolare attenzione è stata dedicata al trasferimento dei dati, implementando una comunicazione USB 2.0 a 50 MB/s con 0 bit error rate. È stato inoltre realizzato un blocco di elaborazione in tempo reale capace di de-randomizzare i dati in arrivo e ordinarli in istogrammi ottimizzati per il trasferimento. La realizzazione di un prototipo del modulo di acquisizione è avvenuta tramite l’utilizzo di schede di valutazione allo scopo di verificare il corretto funzionamento del circuito digitale implementato. Una applicazione in LabView è stata sviluppata per realizzare una interfaccia grafica per l’utente che gestisce l’acquisizione. Test sperimentali hanno infine permesso di caratterizzare i sotto blocchi e la funzionalità complessiva del sistema di acquisizione tramite misure con una sorgente di calibrazione.