Athena : MPSoC based readout system with AXI4-stream interface for the TRISTAN project

In physics experiments there is often the need to manage and process large amount of real time data coming from different types of sensors or detectors. In these cases, one of the biggest obstacles is the creation of a readout system capable to process these large flows of data. This work was focused on developing Athena, a flexible and powerful readout system. The core of this platform is a Multi Processor System on Chip(MPSoC) which features a Field Programmable Gate Array (FPGA) and a Microprocessor (MP) into the same chip. The system sends and receives data through four DSUB connectors exploiting the AXI4-Stream protocol. Athena was specifically developed for the TRISTAN project, which aims to measure the mass of the sterile neutrino, a hypothetical elementary particle with no charge and only affected by gravitational force. This goal is reached by analyzing the beta decay energy spectrum of tritium, using a very large array, with 3486 elements, of Silicon Drift Detectors (SDD). While different solutions already exists for the readout of a limited number of channels, in TRISTAN Athena will be coupled to four analog pulse processing and data acquisition platforms, called Kerberos, for the readout of a total of 192 channels with a maximum throughput of about 60 MB/s. This will increase by four times the readout capabilities in the TRISTAN project. The system architecture was kept very general and modular, in order to not be specific to this project only. This Thesis also defines all the specifications of the communication between Athena and the connected boards, so that any platform that implements a compatible interface can be readout by Athena.

Negli esperimenti di fisica c’è spesso la necessità di gestire ed elaborare grandi quantità di dati in tempo reale provenienti da diversi tipi di sensori o rivelatori. In questi casi, uno degli ostacoli maggiori è la creazione di un sistema di lettura in grado di elaborare questi grandi flussi di dati. Questo lavoro si è concentrato sullo sviluppo di Athena, un sistema di lettura flessibile e potente. Il cuore di questa piattaforma è un Multi Processor System on Chip (MPSoC) che integra un Field Programmable Gate Array (FPGA) e un microprocessore (MP) nello stesso chip. Il sistema invia e riceve i dati tramite quattro connettori DSUB sfruttando il protocollo AXI4-Stream. Athena è stato sviluppato appositamente per il progetto TRISTAN, che mira a misurare la massa del neutrino sterile, un’ipotetica particella elementare priva di carica e influenzata solo dalla forza gravitazionale. Questo obiettivo viene raggiunto analizzando lo spettro energetico di decadimento beta del trizio, utilizzando un array molto ampio, con 3486 elementi, di Silicon Drift Detectors (SDD). Sebbene esistano già diverse soluzioni per la lettura di un numero limitato di canali, in TRISTAN Athena sarà accoppiato a quattro piattaforme di elaborazione e acquisizione dati analogiche, chiamate Kerberos, per la lettura di un totale di 192 canali con una velocità massima di circa 60 MB/s. Ciò aumenterà di quattro volte le capacità di lettura del progetto TRISTAN. L’architettura del sistema è stata mantenuta molto generale e modulare, in modo da non essere specifica solo per questo progetto. Questa Tesi definisce anche tutte le specifiche della comunicazione tra Athena e le schede collegate, in modo che qualsiasi piattaforma che implementa un’interfaccia compatibile possa essere letta da Athena.