il suo utilizzo, in quanto la gamma camera dovr`a essere adeguatamente schermata, lateralmente e sul retro, dalle radiazioni ambientali e da quelle diffuse della sorgente, in modo da non inficiarne il contrasto e l’efficienza. Di conseguenza `e stato necessario cercare il pi`u possibile di favorire la dispersione del calore prodotto per effetto Joule sulla scheda. Le azioni intraprese per soddisfare tale requisito sono state:
• allargare il pi`u possibile l’estensione delle piazzole per i chip, conduttive termicamente e connesse a massa elettricamente, in modo da favorire la dispersione laterale del calore; • disporre 9 via per ogni piazzola in modo da favorire la dispersione verticale del calore verso
la faccia opposta della scheda;
• ricoprire ogni strato della scheda con delle metallizzazioni connesse elettricamente (e termi- camente) a massa in modo da ridurre la resistenza termica per la dispersione laterale del calore;
• scegliere una tecnologia con spessori elevati di metallizzazione per ogni strato della scheda, al fine di ridurre la resistenza termica nella direzione laterale;
• scegliere una resina protettiva per i chip con un alta conducibilit`a termica in modo da favorire la dispersione verticale del calore verso l’esterno.
Infine, la meccanica della schermatura in piombo dovr`a essere ben studiata al fine di favorire la dispersione del calore nell’ambiente.
4.2
Scheda di controllo e di acquisizione digitale
La scheda di acquisizione analogica descritta al paragrafo precedente necessita di diversi segnali digitali di controllo per gestire tutte le fasi dell’acquisizione dei segnali di carica provenienti dagli anodi del tubo fotomoltiplicatore (come descritto ai paragrafi 2.2 e 2.3). Inoltre, `e necessario effettuare un’elaborazione dei dati uscenti dagli ADC, al fine di creare un pacchetto di informazioni con tutti i 64 segnali di carica acquisiti in un periodo di acquisizione, adatto ad essere inoltrato ad un computer attraverso un protocollo USB e nel quale si identifichi chiaramente l’inizio del pacchetto, pacchetto che pu`o essere anche scartato in determinate condizioni (per approfondire questi argomenti si rimanda al paragrafo 4.3). I 64 valori di carica, digitalizzati e contenuti in un pacchetto, sono relativi ad un possibile evento di scintillazione avvenuto durante il periodo di acquisizione precedente a quello in cui tale pacchetto viene acquisito dalla scheda di controllo.
La scheda di acquisizione digitale deve essere in grado di acquisire nel minimo periodo di ac- quisizione richiesto (6.7 µs) i 64 valori digitali uscenti dai 16 ADC. Poich`e gli ADC trasmettono serialmente 16 bit per ogni conversione, anche se solamente 10 bit di questi contengono l’infor- mazione sul valore convertito, il numero di byte trasmessi dagli ADC alla scheda di controllo per
ogni pacchetto `e pari a 128 Byte. Considerando come massima frequenza di acquisizione 150 kHz, si ottiene una velocit`a di trasmissione di 154 Mbit/s. Date l’alta quantit`a di dati ricevuti nell’unit`a di tempo, la necessit`a di ordinare i valori convertiti per creare i pacchetti a partire dalle trasmissioni seriali, le successive elaborazioni per il filtraggio dei pacchetti ricevuti e la seguente trasmissione verso un calcolatore, si `e scelto di non far uso di un microcontrollore, che `e tipicamente limita- to ad una esecuzione sequenziale delle operazioni, ma di impiegare una FPGA. Questa, infatti, permette di sintetizzare al suo interno, grazie ad una fitta rete di interruttori programmabili, com- plessi circuiti digitali in grado di elaborare in parallelo i dati acquisiti, garantendo cos`ı un maggior controllo sui tempi di elaborazione e, tipicamente, una pi`u veloce esecuzione. L’incremento della velocit`a di elaborazione `e favorito dalla possibilit`a di scegliere i circuiti logici pi`u idonei a compiere le operazioni richieste.
Figura 4.5: Scheda commerciale XEM3010 dell’Opal Kelly, utilizzata come scheda di controllo e acquisizione digitale dei dati uscenti dalla scheda di acquisizione analogica descritta al paragrafo 4.1.
Come gi`a accennato al paragrafo precedente, la scheda di acquisizione analogica pu`o essere collegata alla scheda commerciale Opal Kelly XEM3010, basata su un’FPGA Spartan 3 e mostrata in figura 4.5. Lo svantaggio di questa scheda risiede nelle sue dimensioni planari (75x50 mm2), che sono maggiori di quelle della scheda di acquisizione analogica e del tubo fotomoltiplicatore utilizza- to, e che peggiorano l’integrazione dell’elettronica di lettura. Ci`o rappresenta un problema sia per le applicazioni riguardanti le sonde scintigrafiche, in cui un maggior volume della gamma camera si traduce in un suo maggior peso causato dal conseguente aumento di volume della schermatura in piombo, ma soprattutto per le applicazioni riguardanti anelli di rivelatori per ricostruzioni tomo- grafiche, nelle quali `e necessario disporre molte unit`a della gamma camera in esame su pi`u anelli affiancati, cosa che non sarebbe possibile con una scheda di controllo delle dimensioni della Opal Kelly XEM3010. Per questi motivi, durante il lavoro di tesi si `e sviluppata una scheda di controllo basata su una FPGA con le stesse dimensioni planari della scheda di acquisizione analogica.
4.2 – Scheda di controllo e di acquisizione digitale
(a) (b)
Figura 4.6: Viste dall’alto (a) e dal basso (b) del disegno della scheda di controllo sviluppata.
della scheda di controllo e acquisizione digitale alternativa alla XEM3010. Tra i footprint1 dei
componenti predisposti sul lato superiore della scheda (figura 4.6a), si nota maggiormente quello relativo al principale componente della scheda: l’FPGA (il footprint con designator2U4). Il modello
dell’FPGA scelta `e XC6SLX9-2TQG144C della famiglia Spartan 6 della Xilinx che, a differenza del modello XC3S1500-4FG320 della famiglia Spartan 3 utilizzato dalla scheda XEM3010, `e dotato di un contenitore del tipo QFP (Quad Flat Pack), caratterizzato dai pin disposti sui quattro lati di esso, invece di un contenitore del tipo BGA (Ball Grid Array), in cui i pin sono disposti su una matrice di pin sottostante ad esso. In tal modo, il costo per il montaggio del componente sulla scheda `e stato inferiore. Il componente, il cui footprint `e caratterizzato dal designator U2, `e una memoria non volatile per la programmazione dell’FPGA, operazione che viene effettuata dopo l’avvenuta alimentazione della scheda. La programmazione deve essere effettuata ad ogni accensione della scheda, poich`e la memoria dell’FPGA dedicata al codice di programmazione `e volatile. Nella scheda progettata, la programmazione dell’FPGA avviene con quest’ultima che scandisce, con il suo segnale di clock, le varie fasi di programmazione, operando in una modalit`a nella quale l’FPGA si comporta da master. Il footprint J3 in figura 4.6b `e dedicato ad un connettore per la trasmissione del codice di programmazione alla memoria non volatile. Sul retro della scheda di controllo (figura 4.6b) `e predisposto il footprint per un componente in grado di convertire una comunicazione FIFO (basata su registri FIFO - First In First Out) sincrona attraverso un bus ad 8 canali, protocollo
1In un circuito stampato, il footprint di un componente rappresenta l’insieme delle piazzole metalliche predisposte
per la saldatura dei pin del componente sulla scheda.
2Il designator di un componente, su di un progetto elettronico, rappresenta un nome di riferimento per il
utilizzato dall’FPGA per trasmettere (e ricevere) dati al (e dal) computer, in una comunicazione USB, protocollo impiegato dal computer, nel caso in esame, per ricevere (e trasmettere) dati da (e a) l’FPGA. In particolare si deve garantire una velocit`a di trasmissione dati verso il computer di almeno 3 ·104 pacchetti al secondo (stabilita dalla specifica al paragrafo 1.9), corrispondenti
a 31 Mbit/s, valore al di sotto di quelli limite per i due protocolli appena menzionati. Anche il componente appena descritto necessita di una memoria non volatile per la sua configurazione, il cui footprint `e identificabile grazie al designator U3 in figura 4.6b. Sempre sulla vista dal basso della scheda di controllo (figura 4.6b) `e possibile notare anche i footprint dei connettori che verranno utilizzati, durante il normale funzionamento della scheda, per alimentare sia la scheda di controllo che quella di acquisizione analogica (connettore con designator P1), e per trasmettere e ricevere dati dal computer (connettore con designator J1). In particolare, quest’ultimo `e relativo ad un comune connettore mini USB.