一种拥塞缓解数据读出系统和方法

1.本发明涉及辐射探测技术领域，更具体的涉及一种拥塞缓解数据读出系统和方法。


背景技术：

2.在辐射探测领域，辐射粒子撞击之后会产生大量数据，撞击信息由传感器感知后经由前端电路转化为数据信息并行传入外围电路进行数据传输。目前辐射探测领域对像素分辨率以及检测速率要求越来越高，阵列规模越来越大，当辐射粒子撞击频率达到一定高度时，会出现前端与外围电路数据存储空间均满，但仍有新的粒子击中信息需要传输的情况，导致大量数据丢失。一般来说，由于像素分辨率的提高，粒子撞击信息在传输过程中呈现集群特性，即一个辐射粒子在撞击时将有多个相邻像素点同时感知到该粒子信息，这些信息属于同一个粒子。由于粒子能量差异，该集群周围像素击中概率较小，借助此特性可设计拥塞缓解架构缓解高撞击频率下数据拥塞情况。文献1“poikela,t.s.."readout architecture for hybrid pixel readout chips."(2015).”中包含了一种外围读出电路。读出请参阅图1，每个通道均设置一个先入先出存储器，数据接收模块接收来自列的数据，将其同步之后存入先入先出存储器中，经过两级数据选择将数据传输至其他模块进行后续编码等操作。两级数据选择采用相同仲裁方式，各级选择器内部设置存储器，采用令牌环的方式，当存储器非满时向上级发送令牌环允许传输，令牌环开始查找并停留于第一个需要传输数据的通道，将其先入先出存储器读空再寻找下一个通道进行数据传输。
3.现有外围读出电路的主要缺点是：当像素分辨率提高到一定程度以及检测速率提升到一定频率时，随着阵列规模的扩大，数据在传输过程中的拥塞情况愈发严重。此外，每个通道独享一个存储器会造成大量存储空间浪费，例如某几列像素在一段时间内被多次击中，而其相邻像素一直处于空闲状态，这种情况不但会造成数据拥塞，而且整体外围电路存储空间利用率较低。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种拥塞缓解数据读出系统，包括：
5.数据接收模块，当拥塞缓解模块的先进先出存储器未满时，接收对应通道的传感器阵列数据；
6.拥塞缓解模块，与每间隔四组通道的两数据接收模块连接，以轮换方式选择接收同步后的一组通道内的传感器阵列数据；
7.持续仲裁模块，与四个拥塞缓解模块连接，当多个拥塞缓解模块同时有数据待传输时，以仲裁方式选取其中一个拥塞缓解模块持续不断传输数据，直至对应持续仲裁模块连接的先入先出存储器为空；
8.循环仲裁模块，与四个持续仲裁模块连接，当多个持续仲裁模块同时有数据待传输时，以仲裁方式读取第一模块的一个数据后，顺序读取另一个持续仲裁模块的一个数据，
直至所有持续仲裁模块的数据为空。
9.进一步，还包括传感器阵列数据存储器，用于暂存辐射粒子击中传感器阵列后多个像素点感知信息，配置成接收到数据接收模块发送的使能信息、且使能信息有效时，传感器阵列数据存储器持续将传感器阵列数据传送至数据接收模块。
10.进一步，先入先出存储器配置为判断数据是否存满，若未存满，发送握手信号至数据接收模块，当握手信号有效时，允许数据接收模块接收传感器阵列数据，否则通道数据暂存于传感器阵列数据存储器中。
11.进一步，拥塞缓解模块包括两个二选一数据选择器和先入先出存储器，其中，先进先出存储器深度根据总传感器阵列数据率确定。
12.进一步，数据接收模块接收到握手信号、并同步数据至先进先出存储器时，携带行地址及应答信号，直至先入先出存储器为满或传感器阵列无数据读出。
13.进一步，握手信号有效时，使能信息有效。
14.进一步，拥塞缓解模块接收持续仲裁模块使能信号作为其数据传输标志，若使能信号有效，同时，先入先出存储器向持续仲裁模块发送的空信号非空，则将缓存数据发送至持续仲裁模块。
15.进一步，持续仲裁模块根据循环仲裁模块发送的传输使能决定数据是否传输。
16.进一步，循环仲裁模块读取非空持续仲裁模块数据时，无论持续仲裁模块是否有数据持续传输，仅读取一个数据，然后立刻切换至下一持续仲裁模块。
17.本发明还提供一种一种拥塞缓解数据读出方法，其特征在于，包括：
18.数据接收模块在拥塞缓解模块的先进先出存储器未满时，接收对应通道的传感器阵列数据；
19.拥塞缓解模块以轮换方式选择接收同步后的一组通道内的传感器阵列数据；
20.持续仲裁模块在多个拥塞缓解模块同时有数据待传输时，以仲裁方式选取其中一个拥塞缓解模块持续不断传输数据，直至对应持续仲裁模块连接的先入先出存储器为空；
21.循环仲裁模块在多个持续仲裁模块同时有数据待传输时，以仲裁方式读取第一模块的一个数据后，顺序读取另一个持续仲裁模块的一个数据，直至所有持续仲裁模块的数据为空；
22.其中，拥塞缓解模块与每间隔四组通道的两数据接收模块连接，持续仲裁模块与四个拥塞缓解模块连接，持续仲裁模块与四个拥塞缓解模块连接。
23.本发明实施例提供一种拥塞缓解数据读出系统和方法，与现有技术相比，其有益效果如下：
24.1、在传感器阵列高分辨率与辐射粒子高击中频率的发展趋势下，有效缓解阵列数据在并行传输至外围读出电路后产生的数据拥塞问题。
25.2、间隔多列的两通道共享同一存储空间，在相同的存储容量下，不仅可以缓解某列粒子持续击中而附近没有其他粒子击中的局部拥塞情况，而且能够更加有效地利用存储空间。
26.3、共享存储空间，使得后续仲裁模块级数减少，能够有效减小芯片面积，节约成本，且更有利于芯片布局布线。
27.4、在拥塞极为严重时，采用持续/循环两种仲裁机制，合理获取辐射粒子信息。持
续仲裁尽量将同一粒子信息连续传出，防止处理时遗漏信息，采取循环仲裁给予传感器阵列各部分相同的输出机会，防止持续仲裁仅获取阵列中某部分粒子信息，其余部分信息全部丢失情况出现，二者相互制约尽可能地平衡了数据拥塞的情况。
附图说明
28.附图1是背景技术中timepix3芯片外围读出电路示意图；
29.附图2是本发明中64传感器通道拥塞缓解数据读出整体架构示意图；
30.附图3是本发明中数据接收与拥塞缓解模块连接示意图；
31.附图4是本发明中拥塞缓解模块具体实现示意图；
32.附图5是本发明中拥塞缓解模块状态转换示意图；
33.附图6是本发明中持续与循环仲裁模块连接示意图；
34.附图7是本发明中持续仲裁模块状态转换示意图；
35.附图8是本发明中循环仲裁模块状态转换示意图。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.参见图1～8，本发明实施例提供一种拥塞缓解数据读出系统和方法，该系统包括：多组通道，各通道根据拥塞情况分组缓存，数据并行传输，经过持续、循环多次仲裁后输出；
38.数据接收模块，获取对应通道传输数据，经过同步，附加地址信息传至拥塞缓解模块。
39.拥塞缓解模块，连接两个通道，包括握手协议、通道选择以及先进先出存储器；当数据冲突发生时，即两个通道同时有数据传输时，总是轮换选取其中一个通道的数据传入先进先出存储器；先进先出存储器深度根据总数据率确定，未存满时发送允许传输信号至两个通道，各通道传输数据携带应答信号至拥塞缓解模块，即握手协议。
40.持续仲裁模块，连接四个拥塞缓解模块，接收其空信号，并对其数据进行选择传输；当多个拥塞缓解模块同时有数据待传输时，仲裁选取其中一个模块持续传输，即选中拥塞缓解模块对应先进先出存储器只要非空就一直传输。
41.循环仲裁模块，连接四个持续仲裁模块，接收其空信号，并对其数据进行选择传输；当多个持续仲裁模块同时有数据待传输时，仲裁各模块数据循环传输，即选中持续仲裁模块传输一个数据之后，立刻切换至下一模块进行数据传输。
42.进一步地，每间隔四通道的两数据接收模块连至同一拥塞缓解模块。数据接收模块会根据拥塞缓解模块的存储器空满情况向传感器阵列发送传输使能。
43.进一步地，所述拥塞缓解模块，发生数据冲突时，轮换读取对应两数据接收模块数据。
44.进一步地，所述拥塞缓解模块连接的两数据接收模块共用同一先入先出存储器，用来缓存数据，根据传感器应用时设定的数据率，确定整体存储容量。
45.进一步地，所述拥塞缓解模块，根据先入先出存储器是否存满向数据接收模块发送握手信号，仅当握手信号有效时允许数据接收模块接收通道数据，否则通道数据暂存于各通道内部寄存器中。
46.进一步地，所述持续仲裁模块，连接四个拥塞缓解模块，将按照1、2、3、4通道顺序，选取某拥塞缓解模块传输数据，读取其先入先出存储器数据直到存储器为空。
47.进一步地，所述的循环仲裁模块，包含多级传输结构，各级结构类似，其总级数计算公式：
[0048][0049]
其中n为循环仲裁器总级数，k为传感器通道总数。
[0050]
进一步地，所述循环仲裁模块，其特征在于，连接四个持续仲裁模块，按照1、2、3、4通道顺序，选取某持续仲裁模块数据时，无论其是否有数据继续传输，仅接收一个数据，立刻切换至下一模块，给予每个模块相同的数据传输机会。
[0051]
本发明所述一种拥塞缓解数据读出结构，其特征在于，一种拥塞缓解数据读出结构应用于辐射粒子探测、医学成像等领域传感器阵列信息的读出。
[0052]
本发明所述的拥塞缓解数据读出结构包括以下步骤：
[0053]
步骤一：传感器阵列产生数据信息暂存于阵列内部寄存器；
[0054]
步骤二：数据接收模块依据相连先入先出存储器的满状态进行数据传输，若非满，则接收传感器阵列对应通道的数据，附加地址以及应答信息传至拥塞缓解模块；
[0055]
步骤三：拥塞缓解模块选取某一数据接收模块进行数据传输，对接收的数据信息进行应答信息检查后，将其存入先入先出存储器；
[0056]
步骤四：持续仲裁模块根据相连拥塞仲裁模块对应先入先出存储器空信息，选取某一拥塞缓解模块进行数据传输，持续接收其数据，直至对应先入先出存储器为空；
[0057]
步骤五：一级循环仲裁模块根据相连持续仲裁模块空信息，选取模块进行数据传输，依次循环接收其数据，直至所有持续仲裁模块连接的先入先出存储器为空；
[0058]
步骤六：其余循环仲裁模块根据相连循环仲裁模块空信息，执行相同操作，产生最终仲裁数据进行下一步处理。
[0059]
实施例：
[0060]
本发明一种拥塞缓解数据读出结构的基本工作原理：
[0061]
请参阅附图2，本发明设计了一种拥塞缓解数据读出结构，图2示为包含64通道的传感器阵列拥塞缓解读出架构示意图，按照循环仲裁模块计算公式，向上取整，共有2级循环仲裁模块。整体架构包括64个数据接收模块、32个拥塞缓解模块、8个持续仲裁模块、2级共3个循环仲裁模块。
[0062]
辐射粒子击中传感器阵列后多个像素点感知信息，暂存于阵列内部存储器。当数据接收模块发送传输使能时允许数据传输。传输使能有效时，传感器阵列持续将数据信息传至数据接收模块。
[0063]
数据接收模块接收到数据之后首先将其进行同步，防止组合路径过长导致电路时序出错。握手信号有效时，同步数据携带行地址以及应答信号一同存入对应先入先出存储器，直至先入先出存储器为满或传感器阵列再无数据需要读出。
[0064]
拥塞缓解模块将缓存数据按照先入先出顺序依次将数据由存储器传入持续仲裁模块，持续仲裁模块每次选取其连接的某一拥塞缓解模块持续传输，直至先入先出存储器为空，即该通道在某一时间段内再无数据需要传输，该时间段根据具体应用中的辐射粒子对撞频率确定。
[0065]
循环仲裁模块在持续仲裁模块非空时开始操作，与持续仲裁模块不同的是，它给予每个持续仲裁模块相同的输出机会。
[0066]
请参阅附图3，在数据传输中大量使用了传输使能与握手信号。当且仅当握手信号有效时数据接收模块至传感器阵列的传输使能打开，允许数据进行传输，否则数据将一直存留在传感器阵列中。
[0067]
若握手信号一直无效，数据大量堆积在传感器阵列中，在下次粒子撞击时大概率出现拥塞情况，只得舍弃部分数据。握手信号由拥塞缓解模块的先入先出存储器决定，存储器非空时握手信号持续有效。
[0068]
请参阅附图4，本发明的拥塞缓解模块由两个二选一数据选择器和先入先出存储器组成。两个二选一模块分别负责同步数据选择接收以及握手协议配置发送任务，二者互有关联。数据接收过程中，首先根据先入先出存储器满信号发送握手信号，连接两通道握手信号初始化时均有效，使得至少有一个数据能够到达数据接收模块进行数据传输。
[0069]
请参阅附图5，该状态转换图处于某一通道时则该通道握手信号有效。当数据选择器感知到数据到达时，若仅有一个通道有数据请求传输则保持该通道握手信号有效，置另一通道握手信号无效。若两通道均有数据待传输，则按照1-》2-》1通道顺序轮换置某一通道握手信号有效，另一通道握手信号无效。数据依据握手信号规则进行传输，仅当一通道握手信号有效另一通道无效时选择握手信号有效通道数据存入先入先出存储器。
[0070]
数据发送过程中，拥塞缓解模块接收持续仲裁模块使能信号作为其数据传输标志，使能信号有效时允许数据传输，此时若先入先出存储器空信号非空则将缓存数据发送至持续仲裁模块。
[0071]
请参阅附图6，持续仲裁模块实质上是一个四选一数据选择器，根据循环仲裁模块发送的传输使能决定是否进行传输。
[0072]
请参阅附图7，其中empty＝4’b1111表示各拥塞缓解模块均无数据传输时回到空闲状态，未标明跳转条件的箭头意味除已标明条件以外条件跳转。任一模块empty空信号为0即非空状态情况下，若传输使能有效则开始数据传输，持续仲裁模块根据拥塞缓解模块空信号接收其数据，非空则接收，若空则跳过该拥塞缓解模块，按照1-》2-》3-》4-》1通道顺序对下一模块空信号进行判断，若全空则进入空闲状态，停止查找。在读取某一拥塞缓解模块数据时，会持续读取直至其先入先出存储器为空，即当前模块empty空信号为0则一直传输。
[0073]
请参阅附图8，循环仲裁模块类似与持续仲裁模块，实质上也是一个四选一数据选择器。唯一不同的是在读取某一非空持续仲裁模块数据时，无论其是否有数据持续传输，都仅读取一个数据，随后无论下一模块是否有数据需要传输都立刻切换至下一模块。
[0074]
循环仲裁模块使得在拥塞较为严重的情况下能够获得不同能量粒子的信息，持续仲裁模块能够将某一粒子的能量信息尽可能完整地传输出来，二者相互制约尽可能地平衡了数据拥塞的情况。
[0075]
本发明提供的拥塞缓解数据读出结构可应用于辐射粒子探测、医学成像等领域传
感器阵列信息的读出。
[0076]
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围内。