Analisi del Sistema Telescopio NEMO
PROCESS SUB-PROCESS
1.1 TRASMISSIONE DATI SS SS MEOC JB SJB T BM FCM OM
I dati vengono inviati e ricevuti dalla Shore Station per mezzo delle fibre ottiche del Cavo Elettro-Ottico Principale. Le funzionalità di instradamento dei flussi ottici vengono svolte da dispositivi passivi come multiplexer/demultiplexer ottici. Il segnale resta quindi nel dominio ottico lungo tutto il proprio percorso dal laboratorio a terra fino ai FCM e viceversa. Un altro vantaggio di questo approccio è costituito dalla sua modularità. La struttura ad albero delle connessioni può essere infatti applicata specularmente alle connessioni verso gli apparati di elaborazione dati che costituiscono il laboratorio a terra. In altre parole, immaginando di percorrere il cavo elettro-ottico principale nella direzione opposta, dall’apparato sottomarino verso il laboratorio, si ha esattamente la stessa struttura delle derivazioni. Per ognuno dei FCM dell’apparato sottomarino, nella stazione a terra sarà quindi presente una scheda corrispondente1 che realizza con il FCM un collegamento di tipo punto-punto.
1.1.1 Trasmissione dati JB JB JB SJB TBM Una prima suddivisione dei segnali ottici viene operata dalla JB, da questa si diramano 8 cavi Elettro-Ottici che terminano su altrettanti SJB. In ogni SJB il cavo viene ulteriormente separato in 8 parti che vengono inviate alle TBM poste alla base della torre
1.1.2 Trasmissione dati TW TOWER TBM FCM
La TBM suddivide ulteriormente I segnali ottici in 16 parti che collegano separatamente i FCM della torre al resto dell’apparato. Il canale di comunicazione tra FCM e TBM, costituito da una coppia di fibre ottiche, utilizza in entrambe le direzioni il protocollo STM1.
Questo particolare protocollo appartiene alla famiglia degli standard SDH, ovvero Synchronous Digital Hierarchy.
Le caratteristiche di questo standard, che sono essenziali per il canale di comunicazione FCM TBM, sono principalmente tre:
1. Innanzitutto la necessità di ricostruire un evento con la più alta precisione possibile rende necessaria l’adozione di protocolli di comunicazione esclusivamente sincroni.
2. In secondo luogo, la particolare autosimilarità della struttura di canalizzazione dei dati, fa sì che un protocollo gerarchico si presti molto bene allo scopo: se paragoniamo i dati provenienti da un OM ad un pacchetto, questo viene inserito in un pacco più grande (contenente più pacchi piccoli) quando incontra un concentratore lungo il cammino verso terra. Questo concetto è proprio quello implementato dalla famiglia SDH in cui STM-1 è solo il “pacchetto più piccolo” di una serie che arriva fino allo standard STM-64. La gerarchizzazione delle comunicazioni consiste nel fatto che, per esempio, il protocollo STM-16 è creato su misura per raggruppare al suo interno 16 canali STM- 1 e così via.
3. Infine un’altra caratteristica molto utile della famiglia SDH è proprio il fatto di essere uno standard industriale. Questo infatti, elimina tutto il lavoro di ricerca svolto invece sulla
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comunicazione OM FCM, sulla quale si è deciso di adottare invece un protocollo proprietario. il FCM è un componente passivo, si limita a ricevere il flusso di dati provenienti dalla Shore Station per suddividerlo e inviarlo agli apparati presenti nel Piano e, analogamente, a ricevere i dati provenienti dai OM e SCM inserendoli in una trama ottica che spedisce verso la Shore Station (multiplexer/demultiplexer); al suo interno è presente un elettronica che interpreta e formatta la trama dei dati scambiati con gli apparati presenti nella Shore Station. Nel payload (STM-1) del flusso di dati prodotto dal FCM e diretto al laboratorio di terra sono presenti, organizzati secondo una trama, i dati prodotti dai OM, i dati prodotti dallo SCM e i dati di controllo prodottidal FCM stesso. Di questi, la porzione maggiore è ovviamente occupata dai dati prodotti dai quattro OM.Nel payload del flusso di dati che il FCM riceve dal laboratorio a terra sono invece presenti esclusivamente dati di controllo e segnali di temporizzazione diretti agli apparati elettronici presenti sul piano. Dei circa 150 Mbps disponibili per questo canale ne verranno quindi utilizzati solo una piccola parte.Ogni FCM ha quindi la possibilità di gestire i dati provenienti da un numero doppio di moduli ottici rispetto al necessario, nel caso in cui si decidesse un giorno di aumentare il numero di moduli presenti in un piano. Un altro motivo che ha spinto a questa scelta è il suo elevato consumo di potenza, per cui si potrebbe decidere in futuro di dimezzare il numero di moduli di piano per ogni torre con il conseguente raddoppio della capacità di fan–out di ogni FCM.Il modulo di piano è un dispositivo che ha la funzione di mappare i dati provenienti da ciascun OM su un unico canale etichettandoli in modo opportuno. Questa funzione di mappatore è simmetricamente identica nel verso opposto, cioè il FCM ha anche il compito di demappare le istruzioni di controllo provenienti da terra per indirizzarle verso il OM corretto
1.1.1 Trsmissione dati Floor TOWER FLOOR OM FCM
La comunicazione dei quattro OM con il FCM è di carattere elettrico e il collegamento è in configurazione a stella, si trasmettono segnali di clock, dati, e tensione di alimentazione. All’interno di questo cavo ci sono tre doppini metallici e una calza di schermo. Il clock, generato dal FCM, viene trasmesso attraverso uno dei doppini, mentre i dati nelle due direzioni sono trasmessi separatamente attraverso gli altri due doppini. Il modo comune di queste due ultime coppie di conduttori è inoltre utilizzato per la trasmissione della tensione di alimentazione. Ogni OM produce dati con una velocità media che può variare fra 2 Mbps e 5 Mbps, per cui si è scelto di allocare 19.44 Mbps per i dati prodotti da ogni OM. Ciò garantisce comunque un largo margine di sicurezza lasciando una consistente porzione di banda (quasi 70 Mbps) per eventuali altri moduli ottici che in questo modo è possibile aggiungere sul piano.Per il flusso di dati nella direzione opposta, dal FCM ai OM, viene invece allocata una banda di 4.86 Mbps per OM, dato che non si hanno necessità di velocità maggiori. Il protocollo di trasmissione è in entrambi i sensi di tipo seriale ed è sincrono con il segnale di clock che il FCM invia ai OM, o con segnali da questo direttamente derivabili.Nella trama dei dati prodotti dai OM sono presenti sia i dati relativi agli impulsi generati dal PMT, opportunamente codificati, che alcuni dati di controllo, nei quali si intendono inclusi anche i dati relativi alla lettura dei sensori ambientali.
Riassumendo la comunicazione tra la scheda di acquisizione e il modulo di piano viene sfruttata per inviare a terra gli eventi generati dal PMT e per gestire il funzionamento della DAQ–Board. Per questo ci sono due tipi di informazione che viaggiano tra questi due dispositivi:
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• Segnali di gestione/controllo della DAQ–Board, come ad esempio l’accensione o lo spegnimento del generatore di alta tensione o il comando di acquisizione da uno dei sensori ambientali presenti nel OM.
Per i segnali di controllo si utilizza il termine “Slow control” per sottolineare la relativa lentezza con cui essi vengono inviati rispetto alla velocità di trasmissione degli eventi. Per i segnali di gestione, invece, non ci sono particolari esigenze di tempo per cui il canale destinato allo “Slow Control” avrà a disposizione una banda passante nettamente inferiore. La connessione fisica del FCM al OM avviene tramite tre collegamenti seriali mono-direzionali,Uno di essi ha il compito di mandare al OM un segnale di clock.Il collegamento Data in direzione FCM essenzialmente è il canale su cui viaggiano i dati fisici acquisiti dal PMT, ma viene utilizzato anche per trasmettere “Slow Control di risposta” ad eventuali comandi ricevuti da terra, oppure per inviar dati su parametri ambientali (umidità, temperatura, ecc.) e parametri di controllo per l’alta tensione.Infine il collegamento diretto verso Il OM è unicamente destinato alla comunicazione dei comandi di “Slow Control”.
1.1.2 Trasmissione campioni acquisiti (DAQ) TOWER FLOOR DAQ FCM I dati interessanti vengono salvati e impacchettati dalla DAQ-Board e vengonosecondo gli standard prestabiliti. comunicati al FCM
1.1.3 Trasmissione segnali di temporizzazione (calibrazione temporale)
FLOOR
TOWER SS FCM
La distribuzione dei segnali di temporizzazione all’intero apparato avviene attraverso il canale elettro-ottico, questa scelta elimina gli eventuali poco controllabili effetti di ritardo che la conversione elettro-ottica introdurrebbe. È necessario conoscere l’istante in cui i fotoni Cherenkov
investono il fotocatodo dei PMT con una precisione temporale dell’ordine del ns. All’interno di ogni OM, la DAQ Board dispone di un orologio che scandisce il tempo (Tempo Proprio del Modulo Ottico), con cui viene contrassegnato ogni impulso generato dal PMT. E quindi necessario che tutti i OM scandiscano i tempi propri in fase fra loro o che, più in generale, eventuali sfasamenti possano essere conosciuti, calcolandoli e/o misurandoli, con una precisione della frazione del ns.
1.1.4 Trasmissione segnali di sincronizzazione TOWER FLOOR FCM DAQ-Board
I segnali di sincronizzazione consistono in comandi che è lo stesso FCM ad inviare e prendono questo nome perchè hanno la funzione di mantenere in sincronia i due apparati. I segnali di sincronizzazione necessitano di un tempo di esecuzione da parte della DAQ Board, che deve essere noto con la massima precisione.
1.1.5 della strumentazione di Trasmissione segnali rilevazione ambientale
FLOOR
TOWER SCM FCM
Slow Control Module (SCM) ne è presente uno in ogni piano, possono essere collegati eventuali strumenti di rilevazione ambientale a bassa velocità come correntometri, inclinometri, bussole, tilt- meters, misuratori di salinità e termometri. L’elenco di questi strumenti di misura può variare da piano a piano, per cui lo SCM prevede un certo numero di interfacce (general purpose) digitali, come porte seriali RS232 e segnali digitali programmabili di input/output, e analogiche. Lo SCM produce una quantità di dati estremamente limitata se confrontata con quella dei dati prodotti dai tutti e quattro i OM.Lo SCM produce una quantità di dati estremamente limitata se confrontata con quella dei dati prodotti dai tutti e quattro i OM, per cui per ognuno di questi può essere allocata una banda massima di trasmissione pari a circa 37 Mbps.
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1.2 RILEVAZIONE CHERENKOV OM Fotocat Anodo La rilevazione della luce cherenkov prodotto da uno sciame di muoni, avviene convertendo nel dominio elettrico un segnale luminoso.
1.2.1 Acquisition Cherenkov photon OM Superfice fotocatodo. Sfere Benthos, Gel,
I fotoni genarati dallo sciame di muoni vengono rilevati dalla superficie del fotocatodo. Il processo fisico attraverso cui un PMT produce la corrente sul proprio anodo quando viene investito da uno o più fotoni è un meccanismo estremamente complesso e dipende da molte variabili; in pratica questi tubi fotomoltiplicatori sono dei trasduttori di luce in grado di rilevare il passaggio dei fotoni convertendoli in un segnale elettrico
1.2.2 Signal in the PMT Generation of the OM Bulbo PMT DAQBoard.
I PMT amplificano il segnale elettrico a tal punto da rendere visibile anche il passaggio di un singolo fotone. La conversione dal domino ottico a quello elettrico avviene per mezzo dell’effetto foto elettrico, mentre l’effetto di amplificazione si ottiene sottoponendo l’elettrone prodotto sul fotocatodo ad una forte differenza di potenziale; una volta che il segnale è entrato nel dominio elettrico diventa compito dell’elettronica analizzarlo ed eventualmente campionarlo e memorizzarlo.
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