Dune cdr the Single-Phase Protodune

Chapter 2: Detector components
2–81
In the standard mode of operation, the module performs waveform capture, using either an external
or internal trigger. In the latter case the module self-triggers to capture only waveforms with an
amplitude greater than a specified threshold. Up to 2048 waveform samples may be read out for
each event, with the current firmware configuration.
Because the Xiling Artix FPGA is programmable and accessible, it is possible to explore different
data processing algorithms and techniques, and then summarize information on processed wave-
forms in a header output. It is also possible to customize the readout for a given type of event (e.g.,
a supernova). When waveform readouts overlap, the device can be configured to offset, truncate or
completely suppress the overlapping waveform. Pile-up events can also be suppressed. A picture
of the prototype module is shown in Figure 2.58.
Figure 2.58: SSP module prototypes
In order for the events measured in the photon detector to be matched up with the corresponding
events in the TPC, the front-end electronics attaches a timestamp to the data as it is acquired.
The timestamp is unique, and has a correspondence with the timestamps in the TPC electronics
processing. The timestamp in the SSP is applied to the event data as it is digitized. To achieve
this, the TPC and PD electronics must be synchronized, including timestamp counter resets, based
on a known and stable calibration for the timing resolution of the ADC conversion between the
two systems. In the ProtoDUNE-SP the photon readout is configured to read waveforms when
triggered by a beam event, and/or to provide header information when self-triggered by cosmic
muons. The header portion summarizes pulse amplitude, integral, and time-stamp information of
events.
A Xilinx Zynq FPGA handles the slow control and event data transfer. The SSP for ProtoDUNE-
SP uses Gb Ethernet communication implemented over an optical interface. The 1 Gb/s Ethernet
supports full TCP/IP protocol. The module includes a separate 12-bit high-voltage DAC for each
channel to provide up to 30 V of bias to each SiPM. The module also features charge injection for
performing diagnostics and linearity monitoring, and also voltage monitoring.
In tests to date, the SSP has been able to measure single photo-electron signals coming from the
SiPMs over a cable length of 25 meters, when three SiPMs are summed together and operated
at LAr temperatures. The timing resolution of the signals has been measured to be better than
3 ns. The full-differential signal processing in the front-end circuitry is important in achieving this
result.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–82
The SSP provides a trigger output signal from internal discriminators in firmware based on pro-
grammable coincidence logic, with a standard ST fiber interface to the central trigger board (CTB).
Input signals are provided to CTB from the beam instrumentation, the SSPs, and the beam TOF
system. The CTB receives timing information from the ProtoDUNE-SP timing system and the
CTB trigger inputs are distributed to the experiment via the timing system. To that end the SSP
implements the timing receiver/transmitter endpoint hardware to receive trigger inputs and clock
signals from the timing system. A block diagram of the system is shown in Figure 2.59.
Figure 2.59: Block diagram of the ProtoDUNE SSP module
2.9
Data acquisition (DAQ)
2.9.1
Scope and requirements
The data acquisition (DAQ) system is shown in Figure 2.60 along with its interfaces to the cold
electronics, beam instrumentation, and offline computing systems.
The physics requirements of ProtoDUNE-SP are the primary drivers of the DAQ system require-
ments. The front-end electronics and assumed bandwidth and storage requirements from the online
and offline computing systems impose additional constraints.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–83
Figure 2.60: Overview of the DAQ system, its interconnections, data flow, timing and trigger signals,
and the interfaces to the electronics and offline computing systems. DAQ elements are shown in bold.
The TPC Readout (RCE and FELIX) accept data from the TPC Warm Electronics at total rate of
480 Gb/s, where it is compressed and selected based on trigger information. Triggered data is then
sent to the artDAQ event builder farm, and subsequently stored to disk with a parallel sample sent for
online monitoring. Triggers are formed from inputs from the beam instrumentation, photon detection
and cosmic ray tagger systems and forwarded to the timing system which broadcasts the synchronous
trigger and clock signals to the electronics and DAQ systems.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---

Chapter 2: Detector components
2–84
The run plan (see Section 1.4) calls for about 25 M analyzable beam events to be collected in the
first run of ProtoDUNE-SP. Data sets may be enhanced in desirable particle types and energies
with dedicated triggers (such as PID) from the beam instrumentation. The latter is described in
Section 6.3.
Parameters of the data collection plan are listed in Table 2.8. The lossless compression factor cited
in the table is based on the assumption that the signal-to-noise level is achievable when compared
that achieved by MicroBooNE[5].
Table 2.8: Parameters defining data rate and volume in the “most likely” scenario v5 [6]. The buffer
depth includes both the in-spill and out-of-spill data.
Parameter
Value
Trigger rate
25 Hz
Spill duration
4.8 s
SPS Cycle
22.5 s
Readout time window
5 ms
# of APAs to be read out
6
Single readout size (per trigger)
230.4 MB
Lossless compression factor
4
Instantaneous data rate (in-spill)
1440 MB s
−1
Average data rate
576 MB s
−1
3-Day buffer depth
300 TB
The baseline trigger rate during the SPS spill is taken to be 25 Hz. Cosmic data are also acquired at
an appropriate rate such that bandwidth and processing priority are given to beam data. The data
rate from the electronics is dominated by the TPC data. However, the photon detection system
(PDS) can produce a signifcant amount of calibration data (where full waveforms are extracted),
during commissioning and special runs (up to 24 Gb/s maximum).
The TPC data are sent via the Warm Interface Boards (WIB) on the cryostat flanges for the six
APAs, un-triggered at a total rate of 480 Gb/s. The PDS is estimated to send data at a total rate
of 1.2 Gb/s from the 24 SSPs (detailed further in Section 2.9.6). The maximum bandwidth from
the ProtoDUNE-SP online system to CERN IT (and hence, the offline world), is 20 Gb/s at a
maximum. Therefore, the DAQ system must reduce the data by a significant fraction before they
are sent offline. This is achieved by a combination of data compression and triggering.
2.9.2
Timing, trigger and beam interface
The timing and trigger are two distinct subsystems. The timing system provides the distribution
for the trigger signals over the same fabric as the clock and calibration signals.
ProtoDUNE Single-Phase Technical Design Report

---