【摘 要】
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X射线偏振卫星是天文物理的重要研究手段。低能X射线偏振卫星的探测系统包括两部分,微结构气体探测器和具有传感与读出功能的硅像素芯片。华中师范大学研发的Topmetal硅像素芯片是低能X射线偏振卫星的备选芯片之一。目前,国内外有许多针对硅像素传感器的读出电子学方案,有用于大型实验的通用数据读出系统,也有针对小型实验的专用读出系统。大部分读出方案都是读出所有数据然后进行离线数据处理。但是空间X射线偏振卫
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X射线偏振卫星是天文物理的重要研究手段。低能X射线偏振卫星的探测系统包括两部分,微结构气体探测器和具有传感与读出功能的硅像素芯片。华中师范大学研发的Topmetal硅像素芯片是低能X射线偏振卫星的备选芯片之一。目前,国内外有许多针对硅像素传感器的读出电子学方案,有用于大型实验的通用数据读出系统,也有针对小型实验的专用读出系统。大部分读出方案都是读出所有数据然后进行离线数据处理。但是空间X射线偏振卫星受限于辐射、探测器的体积、卫星计算能力、卫星数据传输带宽等因素,硅像素传感器产生的大量数据不能全部传回地面,也不能在卫星上安装通用高性能的计算设备。设计专用处理器实时处理数据、压缩数据量、减少离线存储数据量是一个重要的研究方向。本文设计了一个硅像素芯片专用的浮点运算处理器ASIC,用于在线实时处理硅像素传感器信号,实现在线实时计算本底噪声,完成数据筛选减少数据通量。处理器主要包含数据预处理模块、控制器、浮点运算单元、写回地址缓存器、指令存储单元和数据存储单元等模块。处理器采用哈佛结构,定制的浮点处理单元专门用于本底噪声计算,写回地址缓存保证了指令连续高速执行。数据预处理模块将ADC采样的整数数据转换为单精度浮点数。另外,还为处理器的专用指令集设计了一个编译器,用于将汇编代码编译成机器指令,编译器还负责检查数据冲突、优化代码。经过仿真测试,本文设计的编译器正确完整的将汇编指令编译成机器代码,能检测并解决数据冲突。在50MHz的工作频率下,处理器在处理实际探测数据时,其计算的本底噪声误差为0.007%,处理器的峰值运算速度为40MFLOPS,完全满足硅像素芯片的要求。采用130nm CMOS工艺完成物理设计与实现,最终版图面积约4.58mm2,静态功耗约36mW。本设计将应用于基于硅像素芯片的X射线偏振探测微纳卫星。
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