DISEÑO DE UN OSCILOSCOPIO MULTICANAL CON FPGA (PROYECTO LAGO)

 

THE DESIGN AND CONSTRUCTION OF A FPGA MULTI CHANNEL OSCILOSCOPE (LAGO PROJECT)

Pedro Miranda Loza¹ & Fabricio G. Ávila Elías²

¹ Instituto de Investigaciones Físicas-UMSA

² Carrera de Electrónica, Facultad de Ingeniería-UMSA

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RESUMEN

Se diseñaron dos instrumentos basados en FPGA (Field Programmable Gate Array) para el proyecto LAGO (Large Aperture GRB Observatory) que facilitan la observación de señales eléctricas producidas por variaciones de rayos gamma de alta energía. Estos instrumentos son: osciloscopio de almacenamiento digital básico de alta velocidad con el que se puede observar las variaciones de las señales eléctricas en el tiempo, analizador multicanal que aporta datos cuantitativos acerca de la frecuencia con que las señales eléctricas alcanzan determinados niveles de voltaje. Ambos instrumentos se implementaron en hardware digital (re)programable de alta velocidad, utilizando Lenguaje de Descripción de Hardware (HDL). El despliegue y almacenamiento de los datos se realiza por un ordenador que facilita el acceso a funciones de control de los instrumentos. Para esto se desarrolló un software propio en visual C++. Se ha verificado el funcionamiento del diseño final conectado a un detector real en el Laboratorio de Física Cósmica en el monte Chacaltaya.

Descriptores: sistemas computacionales — instrumentos para rayos gamma

ABSTRACT

Two instruments based on FPGA (Field Programmable Gate Array) were designed and constructed for the LAGO (Large Aperture GRB Observatory) project. The instruments allow the observation of electric signáis producedby variations in high energy gamma rays. The instruments developed were: a high velocity basic digital storage oscilloscope which enables the observation of variations in electrical signáis over time, a multi channel analyzer that supports quantative data and picks up on the frequency at which electrical signáis reach certain voltages. Both instruments opérate with Language Description Hardware, a high velocity digital and reprogrammable hardware. The collection and storage of data is performed using a computer that facilítates access to the instruments' control functions. For this purpose original software was developed in C++. The design and function of the instruments were tested by connecting them to a real detector at the Cosmic Physics Laboratory at Chacaltaya, Bolivia.

Subjectheadings: computer systems — gamma ray instruments

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1. INTRODUCCIÓN

En los experimentos de ñsica de partículas, las herramien­tas de adquisición y tratamiento de datos están en constante evolución. Son varios los factores que favorecen ésto, desde el aumento de la frecuencia de trabajo de los conversores análogo-digitales hasta la disponibilidad de realizar proto­tipos basados en FPGA (Field Programmable Gate Array), haciendo posible realizar un circuito integrado a medida, sin los riesgos económicos asociados a las otras opciones tec­nológicas. Aunque existen módulos especializados, disponi­bles comercialmente, éstos son de un costo mucho mayor al desarrollo de sistemas específicos.

El diseño de instrumentos de nueva generación con FPGA, está destinado a su utilización en el proyecto LAGO (Large Aperture GRB Observatory)¹, el cual está implementado para la observación de las variaciones de rayos gamma, Gamma Ray Burst (GRB), de alta energía. (Laboratorio de Física Cósmica-Chacaltaya)².

Las señales analógicas producidas por los detectores de ra­yos cósmicos de alta energía, tienen características especiales tales como: la duración del pulso, el valor máximo de éste, el tiempo promedio entre pulsos; siendo posible estudiar éstas señales mediante un Osciloscopio de alta velocidad. También es de interés el número de pulsos que se han producido en un

¹ Proyecto LAGO,

http://partículas.enea.gov.ar/experiments/lago.

² Proyecto LAGO-Bolivia,

http://www.f iumsa.edu.bo/iif/lago/inf ormes.

Pedro Miranda Loza & Fabricio G. Ávila Elías

Fig. 1.— Diagrama general de conexiones.

Fig. 2.— Diagrama funcional del diseño general.

 

intervalo de tiempo; esta tarea es realizada por un Analizador Multicanal, el cual tiene el propósito de contar dichos pulsos, además de clasificarlos por amplitudes.

Los detectores de Rayos Cósmicos (RC) del proyecto LAGO entregan una señal eléctrica de corta duración y am­plitud proporcional a la energía de la partícula. Para este efecto el detector está formado por las siguientes partes: Detector Cherenkov con agua (Water Cherenkov Detector-WCD), fotomultiplicador (PMT) y alimentación de alto vol­taje (HV).

Una de las principales características de la tecnología FPGA es la (re)programación del hardware digital por el usuario. Por lo que luego es posible diseñar nuevos ins­trumentos con una inversión mínima. Esto permite que un solo circuito digital en PCB (Tarjeta de Circuito Impreso) pueda desempeñar diferentes funciones según lo requiera la ocasión. Por ejemplo, en la implementación de los instru­mentos descritos más arriba, podría programarse el hardware como sólo Osciloscopio, o como Osciloscopio y Analizador Multicanal.

La velocidad en la captación y el proceso de datos, hacen del FPGA un dispositivo ideal para el experimento realizado; en vez de realizar la codificación de algoritmos en un microprocesador, éstos se mapean directamente en hardware. Esta última característica permite ejecutar instrucciones en para­lelo; logrando así que dos instrumentos, Osciloscopio y Ana­lizador Multicanal, procesen datos al mismo tiempo.

El costo económico estimado en la implementación del prototipo, comparado con el costo de una solución comer­cial es cinco veces menor. Por ello el Instituto de Investi­gaciones Físicas de la U.M.S.A. creyó que este proyecto se justificaría por su menor costo y aporte a la investigación en física cósmica.

Se elaboraron las GUFs (Graphic User Interface) en el or­denador para la visualización de las señales detectadas por los instrumentos. Además de proveer las funciones gráficas, el ordenador provee la mayoría de las funciones de control.

2. HARDWARE

En la Fig. 1 se muestra el diagrama general de conexiones entre el Detector, el Inversor de Alta Velocidad, el Disposi­tivo de Adquisición de Datos y el PC. El Inversor de Alta Velocidad es utilizado para invertir el pulso negativo gene­rado por el Detector, está construido con elementos discretos y tiene un ancho de banda de 300MHz con una impedancia de entrada de 1MCX

La señal (negativa) proveniente del Detector (fotomultipli­cador), es conducida a través de cable coaxial hasta el In­versor de Alta Velocidad, luego la señal (positiva) de salida del inversor es introducida al Dispositivo de Adquisición de Datos, éste digitaliza las señales analógicas y transmite los datos al PC, a través de una interfaz serial RS-232 con co­nectares DB9. Para la interfaz serial, es utilizado un cable de nueve hilos no cruzado (tipo módem).

El Dispositivo de Adquisición de Datos está conformado por una tarjeta de digitalización que contiene un conver-sor análogo-digital de 100MSPS (ADC08100-NationalIns­truments), y una tarjeta de desarrollo con el FPGA ACEX EP1K10TC100 (Altera).

Los bloques de la Fig. 1 a implementarse en el FPGA son: la memoria RAM donde se guardarán las muestras, la lógica de control y los módulos de recepción y transmisión de datos del puerto serial.

FlG. 3.— Ventanas de la interfaz gráfica.

3.  SOFTWARE

3.1. Diseño general

Tomando en cuenta la capacidad de los FPGAs de ejecutar instrucciones en paralelo, se han implementado el Oscilos-copio de Almacenamiento Digital y el Analizador Multica­nal en un mismo diseño escrito en lenguaje de descripción de hardware (HDL). Ya que los dos instrumentos ejecutan conjuntos de procesos por separado, y estos procesos ac­ceden a recursos compartidos, se ha visto de gran utilidad describir el diseño mediante diagramas de acceso, éstos son diagramas de interconexión funcionales para diseños concu­rrentes. En la Fig. 2 se tiene la representación funcional del diseño general, donde los componentes activos o procesos son presentados como círculos y los componentes pasivos como rectángulos, las flechas representan derechos de acceso o conexiones.

Los módulos OSC y PMCA corresponden a los dos ins­trumentos, Osciloscopio y Analizador Multicanal de Pulsos, respectivamente. Ambos módulos agrupan procesos y reali­zan el control de bancos de memoria RAM propios. También se puede observar que los procesos representados por dos círculos concéntricos son procesos que responden requeri­mientos de interrupción (IRQ), que deben entenderse desde el punto de vista del dispositivo: éste se encuentra realizando un proceso y a partir de un evento se pone en marcha otro proceso.

Ambos módulos utilizan recursos comunes, el mismo ca­nal de comunicación con el ordenador(puerto serial) para en­viar datos y recibir comandos, y los datos entregados por el conversor análogo digital; éste se encuentra configurado en modo libre, entregando el resultado de una conversión cada 10 ns.

El proceso FADC realiza un seguimiento continuo de la señal digital de entrada, una vez que esta señal cumple cier­tas condiciones, éste proceso avisa al módulo OSC que co­mience la grabación de los datos digitales en posiciones con­secutivas de la memoria RAM. Una vez que se han grabado todas las posiciones de la memoria disponibles, el módulo OSC accede al proceso Rx/Tx, y envía el contenido total de la memoria RAM al ordenador a través de la interfaz serial.

De manera similar ocurre el funcionamiento del módulo PMCA, el proceso FADC identifica el máximo (digital) de un pulso, con este dato accede al módulo PMCA, éste a su vez actualiza la cuenta del respectivo canal (en la memoria del espectro) y devuelve el control al proceso FADC. Si el módulo PMCA recibe el comando enviar todos los datos de la memoria de espectro al ordenador, se detiene el proceso de actualización del PMCA, se accede al proceso Rx/Tx y se envía el contenido total de la memoria de espectro al ordena­dor a través de la interfaz serial.

Las opciones implementadas para el instrumento Oscilos­copio son las siguientes: velocidad de muestreo, nivel de dis-

FlG. 4.— Curva de platean para PMT 9353KB.

paro, pendiente de disparo, predisparo y autodisparo. Las op­ciones implementadas para el instrumento Analizador Mul-ticanal son: nivel de discriminación o umbral, control de inicio/fin, borrado de toda la memoria de espectro, envió de datos al ordenador.

3.2. ínter faz gráfica

El software escrito en visual C++ realiza las siguientes fun­ciones:

—Acceso al puerto de comunicación serial del ordenador para adquirir los datos.

—Proceso y despliegue gráfico de los datos capturados por el instrumento.

—Operación de las funciones del instrumento a través de una interfaz gráfica de usuario.

El acceso al puerto serial se realizó a través de funciones de API de Windows, que facilitó el manejo de buffers de datos de envío y recepción y la modificación de los parámetros de transmisión. Teniendo en cuenta la gran utilidad de visuali­zar los datos capturados por el instrumento, el despliegue de gráficos se realizó utilizando librerías OpenGL³, que facilitan la representación de datos y su animación en dos dimensio­nes, logrando de esta manera una representación adecuada para los instrumentos Osciloscopio y Analizador Multicanal.

Un ejemplo del despliegue de datos en la interfaz gráfica se puede observar en la Fig. 3. En la parte superior está la ventana correspondiente al instrumento Osciloscopio con un pulso generado por el detector de Rayos Cósmicos, en la parte inferior está la ventana del Analizador Multicanal de pulsos con un espectro característico de Rayos Cósmicos y en la parte derecha está el menú de opciones de los instru­mentos.

4.   RESULTADOS

Una vez efectuadas varias pruebas con un generador de funciones, se verificó que la interfaz gráfica en la PC mues­tra correctamente los datos captados por el instrumento Osci­loscopio. Los controles proveídos en el diseño hacen posible que se puedan observar señales en el rango de frecuencias de IKHz hasta 50MHz; el límite superior es dado por el

³ OpeGL UserInterfaceLibrary, http://glui.sourceforge.net.

teorema de Nyquist ya que el ADC utilizado trabaja a una frecuencia de 100MHz. Aunque en la práctica, para obtener una forma de onda más detallada es necesario tener por lo menos nueve muestras, en vez de dos muestras por periodo. Esto hace que la máxima frecuencia, presente en la señal a analizar debe ser de jq la frecuencia de muestreo. Los pulsos producidos por un PMT tienen una frecuencia aproximada de 40MHz, estos pulsos son detectados por el instrumento Osciloscopio (dos o tres muestras por pulso) y registrados en un archivo para posterior análisis.

Se aplicó el instrumento Analizador Multicanal de pulsos a la determinación de la curva de platean para un fotomulti-plicador9353KB deElectron Tubes⁴. Elfotomultiplicadorse encuentra instalado conjuntamente a un centelleador de agua, denominado WCD3, en el Laboratorio de Física Cósmica, en el monte Chacaltaya.

Se polarizó con alto voltaje (HV) el fotomultiplicadory se realizó el conteo de pulsos durante un tiempo fijo. Se polarizó el PMT de 900 a 1700 V, en intervalos de 100 V.

Los resultados de la aplicación se observan en la Fig. 4 en escala lineal y logarítmica. En esta ultima se puede apre­ciar mejor la región en la que un aumento del alto voltaje causa una menor diferencia entre las cuentas. Entre 1100 V y 1400 V está un segmento con menor pendiente; por lo tanto en ese segmento, a diferencia de otros, las cuentas no au­mentarán significativamente conforme vaya aumentando el alto voltaje. Según la Fig. 4, el valor sugerido para polari­zar el PMT es de 1200 V, y éste es el valor⁵ elegido para la operación de WCD3 en Chacaltaya.

Además de las cuentas totales de pulsos, también se dis­pone del espectro de picos, correspondiente a cada alto vol­taje aplicado al PMT de WCD3. Se han comparado estos es­pectros con las mediciones independientes realizadas por el proyecto LAGO para WCD3, y se ha verificado que los es­pectros son similares para cada alto voltaje.

Los instrumentos descritos han sido diseñados para su uso específico en la observación de señales eléctricas rápidas, producidas por rayos cósmicos, en general de alta energía,

⁴ Electrón Tubes Enterprises Ltd., //www. electrontubes. com.

⁵ Este valor fue elegido después de varias pruebas con equipos especiali­
zados instalados en Chacaltaya.

del proyecto LAGO, pero éstos también tienen un uso gene­ral. En el caso del Osciloscopio, puede utilizarse como un instrumento de laboratorio de nivel universitario, para la ob­servación de señales periódicas y no periódicas, dada su alta tasa de conversión (100 MSPS). En el caso del Analizador Multicanal, éste es muy útil en análisis de espectroscopia nuclear, en el cual la distribución de probabilidad de la ra­diación detectada está en función de su energía. El Analiza­dor Multicanal también puede utilizarse en aplicaciones en las que se requiera el conteo de pulsos.

REFERENCIAS

1.- Rivera, B. H. 2007, Implementación y Calibración de un Prototipo de Detec­tor Cherenkov de Chubascos Atmosféricos (Tesis de Grado, Universidad Mayor de San Andrés)        [ Links ]