Il “progetto SPADA”

Capitolo 2

Il “progetto SPADA”

2.1 Introduzione

Si sono viste nel capitolo precedente tre applicazioni astronomiche che necessitano di strumentazioni di elevato grado tecnologico. Il progetto di ricerca “cofin-prin 2002” – “Development of Monolithic Photon-Counter Arrays for Transient High-Energy Phenomena and Adaptive Optics in Astrophysics” – mira proprio a proporre nuove soluzioni tecnologiche per l’acquisizione delle radiazioni elettromagnetiche nella banda del visibile, in funzione delle richieste degli astronomi che si occupano delle applicazioni analizzate.

Il progetto di ricerca in esame ha come punto di forza l’applicazione in campo astronomico di particolari sensori SPAD, organizzati in array a simmetria circolare. Questi sono stati sviluppati dal politecnico di Milano nell’ambito di un’esperienza sul campo ormai pluriennale, e consentono di rilevare il singolo fotone di luce incidente su di essi, con elevati rendimenti, bassi conteggi di buio e basse tensioni in gioco, quindi senza troppi problemi di natura termica. Queste sono alcune delle importanti caratteristiche che li rendono preferibili ad altri dispositivi in commercio, precedentemente utilizzati allo stesso scopo, come sensori SPAD funzionanti a tensioni più elevate, tubi fotomoltiplicatori, e sensori basati su CCD. Si vedrà ora più in dettaglio come sono costituiti tali sensori, quali sono i loro pregi ed i loro difetti, e di quale circuiteria di contorno abbisognano.

2.2 Sensori SPAD

Un sensore SPAD (Single Photon Avalanche Diode) è un sensore di luce capace di rilevare l’arrivo di singoli fotoni. Tale dispositivo trova numerose applicazioni in campi disparati come l’astronomia, il rilevamento di singole molecole, le misure di fluorescenza e luminosità, la caratterizzazione dei diodi laser, il testing delle fibre ottiche, la telemetria… In particolare, in campo astronomico, si usano tecniche di photon counting quando si vogliono effettuare misure

accurate di segnali ottici deboli o di veloci impulsi luminosi, nel range dei nanosecondi o dei picosecondi.

Si richiedono a questi sensori alta sensitività ai fotoni, basso rumore di fondo, e spesso anche tensioni d’alimentazione piuttosto basse, uguali o minori di 30V.

Una tipica struttura di un sensore SPAD è mostrata in figura 2.1.

Figura 2.1: Possibile struttura di un sensore SPAD.

Il cuore del sistema è costituito da una giunzione p-n, che viene polarizzata in modo inverso ad una tensione superiore in modulo (tipicamente di 5-10V) a quella di breakdown: si parla di funzionamento in modo Geiger del fotodiodo, che prende anche il nome di APD (Avalanche

Photodiode). In queste condizioni può trascorrere un tempo anche notevole (fino a qualche

millisecondo) prima che la giunzione inizi a condurre, a causa di un portatore minoritario che inneschi il breakdown. L’innesco, nel caso dei fotodiodi SPAD, può essere provocato da portatori fotogenerati: in questo modo si hanno degli impulsi di corrente con fronti molto veloci, legati ai fotoni incidenti sul sensore. Una tipica misura di qualità dei dispositivi SPAD consiste proprio nell’analisi del tempo che intercorre tra l’arrivo del fotone ed il fronte di corrente in uscita: il parametro che si usa è il FWHM (Full Width at Half Minimum), che si riferisce alla media statistica del ritardo citato.

Efficienze tipiche nel rilievo dei fotoni variano tra 4% e 50%, in funzione della lunghezza d’onda e della tensione di polarizzazione. Valori accettabili di FWHM devono invece essere dell’ordine di poche decine di picosecondi.

Altra valutazione sulla qualità del sensore SPAD viene fatta misurando la quantità di “dark count”, o “conteggi di buio”: l’innesco del breakdown a valanga, infatti, non sempre è provocato da portatori fotogenerati. In particolare gli impulsi causati da portatori generati termicamente costituiscono un rumore indesiderato: sono i dark count spuri, non indipendenti dalle difettosità

presenti nella giunzione, soprattutto quelle circa a metà del gap tra banda di conduzione e banda di valenza. Inoltre si osserva che i dark count aumentano molto con l’aumentare dell’area del dispositivo, limitandone il diametro attivo a meno di 50µm.

Si verifica sperimentalmente che, come prevedibile, il numero dei conteggi di buio aumenta notevolmente anche con l’aumentare della tensione applicata al diodo: non si dovrà quindi eccedere nella tensione di polarizzazione, che pur dovrà essere sufficientemente maggiore (tipicamente di 5-10V) della tensione di breakdown.

Figura 2.2: Dipendenza dei conteggi di buio dal diametro dell’area attiva, per due diverse tensioni di polarizzazione.

D’altronde i conteggi di buio possono proprio essere utilizzati per quantificare il numero di difetti nella zona di svuotamento della giunzione superficiale: la diversità nel numero di dark count tra sensori ottenuti con processi diversi, può essere usata per valutare la qualità dei processi stessi.

Una tipica configurazione di utilizzo di un sensore SPAD, che ci permette di misurare anche il numero di dark count nel caso non si abbia luce incidente sul dispositivo, è mostrata in figura 2.3.

Figura 2.3: Configurazione circuitale utilizzabile per il test dei conteggi di buio.

Si applica al sistema una tensione di polarizzazione sufficientemente alta da portare il diodo in un modo di funzionamento di tipo Geiger. Nessuna corrente scorre finché un elettrone libero, o una lacuna, entra nella regione di svuotamento, o vi si autogenera. A questo punto si innesca la generazione a valanga di portatori, poiché si ha nella zona di svuotamento un campo elettrico elevato, sufficiente a fornire ai portatori abbastanza energia cinetica da rompere i legami tra gli elettroni e i nuclei degli atomi di silicio. A causa del passaggio di corrente, una tensione significativa cade ai capi della resistenza di zavorra (“ballast resistor”): ciò a sua volta causa l’abbassamento della tensione ai capi dello SPAD sotto il valore di breakdown. Il “frequency

counter” percepisce l’impulso di tensione ai capi della resistenza di rilevamento (“sense resistor”) e

registra un dark count. Contemporaneamente, poiché la tensione sullo SPAD si è molto abbassata, la carica al suo interno viene riassorbita e la moltiplicazione a valanga cessa. A questo punto la corrente nello SPAD, e quindi anche nelle resistenze, torna ad essere nulla: tutta la tensione di polarizzazione torna a cadere ai capi del sensore.

Come già osservato, un importante parametro di qualità dei dispositivi SPAD è la velocità di risposta. Oltre al già citato FWHM, assume grande rilevanza la forma dell’impulso di corrente in uscita del dispositivo: esso idealmente dovrebbe essere impulsivo, ma in realtà è costituito da un picco marcato e da una coda più lenta. Il picco deriva dai portatori fotogenerati all’interno della zona di svuotamento della giunzione, la coda lenta (slow tail) da quelli fotogenerati nelle regioni neutre che la circondano. La coda rappresenta un grosso inconveniente nella misura di forme

d’onda ottiche, soprattutto quando deboli segnali devono essere rilevati dopo forti picchi di luce. Si cerca quindi di costruire dei sensori con delle code il meno possibile pronunciate.

Figura 2.4: Esempi di impulsi in uscita da due diversi SPAD, A e B, in seguito all’arrivo di un impulso luminoso da un diodo laser a 850nm. Il sensore B è affetto da una coda molto più lenta, che non permette di mostrare eventuali effetti del second’ordine, rilevati invece da A (frecce 1 e 2). Essi possono essere ad esempio dovuti a riflessioni lungo le fibre ottiche di connessione e a residui

di oscillazione nel diodo laser.

2.2.1 Array di SPAD

Quando si vogliono inserire più dispositivi di tipo SPAD su di un unico chip, insorgono ulteriori problemi.

In particolare si ha un cross-talk tra i sensori. Questo può essere rilevato sperimentalmente facendo incidere della luce su un solo SPAD, e verificando un sensibile aumento dei dark count nei sensori circostanti. Ciò accade in quanto alcuni dei moltissimi portatori generati a valanga nel sensore illuminato possono sconfinare in una giunzione “adiacente”, producendo anche in questa un breakdown indesiderato.

Come esempio si prenda in considerazione un vettore lineare di 10 SPAD circolari di diametro 20µm, distanziati tra loro di 106µm, ed i relativi risultati sperimentali di cross-talk:

Figura 2.5, a e b: array di SPAD 1x10, e rilevamenti dell’effetto di cross-talk in funzione della distanza dal sensore illuminato e della corrente che esso genera.

Possibili metodi per diminuire il cross-talk tra i sensori sono: cercare di distanziarli maggiormente; isolarli meglio, ad esempio interponendo tra loro delle zone in polisilicio, che assorbano i portatori sfuggiti alla giunzione in breakdown.

Inoltre grande importanza per molte applicazioni avranno anche la particolare forma della matrice, e le dimensioni dei singoli sensori.

2.2.2 AQCs

I sensori SPAD, per poter funzionare correttamente, hanno bisogno di una “circuiteria di spegnimento”, che arresti il fenomeno del breakdown a valanga. Un esempio, passivo, è già stato

mostrato in precedenza. Verrà mostrato ora un circuito attivo di spegnimento molto efficiente, chiamato anche AQC (Active Quenching Circuit).

Questo circuito rileva il trigger dovuto all’ingenerarsi del breakdown a valanga, fornisce un impulso d’uscita sincrono, e spegne la corrente dello SPAD attraverso l’applicazione di una tensione di spegnimento più bassa di quella di breakdown. Dopo un intervallo di tempo ben definito l’AQC riporta la tensione di polarizzazione al sensore, che è quindi di nuovo pronto a rilevare un altro fotone.

Un possibile schema a blocchi è mostrato in figura 2.6.

Figura 2.6: Diagramma a blocchi di un AQC

Il comparatore rileva l’inizio del breakdown e ciò porta l’interruttore di spegnimento a fermare la corrente che fluisce nel diodo. Questo è reso inattivo per un periodo regolabile tra poche decine di nanosecondi e qualche microsecondo. Successivamente, la logica di reset riapre l’interruttore di spegnimento e richiude quello di reset, riapplicando al sensore la polarizzazione iniziale. Gli AQC costruiti attualmente possono compiere tutte queste operazioni in 50ns, corrispondenti ad un flusso massimo rilevabile di fotoni di 20Mcps.

Nel caso in cui uno o più circuiti di spegnimento vengano realizzati su un unico chip, si parla di iAQC (Integrate Active Quenching Circuit). In questo modo si aumentano affidabilità e velocità; inoltre si riduce il numero dei componenti discreti e quindi l’ingombro del sistema; resteranno al di fuori dell’integrato solo i componenti sottoposti a tensioni più elevate (vedere figure 2.7, 2.8 e 2.9).

Figura 2.7: Schema a blocchi e utilizzo di un iAQC

Figura 2.8: Layout di un iAQC. Le dimensioni sono di 1.1mm x 1.4mm. La maggior parte dell’ingombro è costituita dai tre condensatori dei monostabili.

Figura 2.9: Circuito completo per la gestione di un sensore SPAD

con elevata tensione anodica. (In realtà i sensori usati nel “progetto SPADA” avranno il pregio di funzionare correttamente a tensioni molto più ridotte.)

2.3 Una prima definizione della struttura del sistema

Come visto nel paragrafo precedente, i sensori SPAD costituiscono un punto di forza essenziale per il progetto nel suo complesso. Tuttavia, se si vuole focalizzare il sistema sugli scopi astronomici descritti nel primo capitolo, sarà necessaria anche una fase di acquisizione ed elaborazione dati dedicata. Al sensore dovranno quindi essere affiancate due schede: la prima per la gestione fisica dell’array di sensori, con i relativi iAQC ed il controllo della temperatura del chip; la seconda per il conteggio dei fotoni, la pre-elaborazione dei dati e l’upload verso un computer remoto, che visualizzerà le immagini rilevate dai sensori e svolgerà le ultime elaborazioni sui dati acquisiti, tramite un apposito software. Le due schede verranno chiamate rispettivamente Detection Electronic Board e Data-Processing Electronic Board.

La prima scheda, assieme ai sensori, viene progettata e realizzata dal gruppo di lavoro del politecnico di Milano. La seconda scheda ed il software del computer remoto costituiscono invece l’ambito di sviluppo del gruppo di lavoro dell’università di Pisa.

Le piattaforme di prova del sistema saranno essenzialmente due: l’osservatorio astronomico di Catania, e quello dell’ESO (European Southern Observatory). E’ importante notare che l’ESO possiede già avanzate apparecchiature dedicate all’ottica adattiva, all’interno delle quali andrà

inserito il nuovo sistema di rilevamento basato sugli SPAD; in quest’ambiente sarà comunque l’apparecchiatura già esistente, denominata MACAO, a svolgere la maggior parte delle elaborazioni necessarie all’ottica adattiva, limitando così la funzione della Data-Processing Board al solo conteggio dei fotoni rilevati. Al contrario, la Data-Processing Board svolgerà anche il ruolo di elaborazione dati nel contesto dell’osservatorio di Catania.

2.4 Flusso progettuale

Nella realizzazione del progetto SPADA si sta seguendo un flusso progettuale di tipo classico, top-down, che verrà ora schematizzato velocemente e poi descritto più in dettaglio nei paragrafi e nei capitoli seguenti.

Per prima cosa, attraverso incontri tra le parti interessate al progetto (realizzatori e “committenti”), si sono stabilite le specifiche funzionali, per le tre diverse applicazioni previste. Quindi, in funzione di tali specifiche funzionali, sono state definite le interfacce tra il sistema di acquisizione dati ed il mondo esterno. Si è proceduto poi alla suddivisione dei compiti tra le unità di lavoro, e alla definizione dei sistemi di comunicazione tra le schede costruite (o programmate) da unità differenti.

Lo sguardo si sposti ora sull’unita di lavoro dell’università di Pisa, interessata alla costruzione della Data-Processing Board e del software del computer remoto. In funzione delle specifiche definite precedentemente, è stata scelta la piattaforma di sviluppo principale, sotto forma di una scheda commercialmente disponibile, sulla quale possono essere implementate la maggior parte delle funzionalità richieste. Per le funzioni che da questa board non possono essere svolte, sono state previste altre schede, ad essa connesse.

Si è quindi proceduto ad una schematizzazione delle funzioni da svolgere nelle tre applicazioni diverse, ed al partizionamento interno all’unità di lavoro, per assegnare le diverse funzioni individuate ai dispositivi disponibili più adatti a realizzarle.

Contemporaneamente la scheda commerciale usata come piattaforma di lavoro principale è stata acquisita, assieme al software necessario al suo utilizzo, e testata.

Solo a questo punto del processo può iniziare il lavoro di progettazione e programmazione vera e propria. Nel contempo viene sviluppato anche il software del computer remoto.

Le fasi appena descritte costituiranno l’argomento dei prossimi paragrafi e capitoli: saranno ora esposte, per prima cosa, le specifiche definitive dell’intero progetto.

2.5 Specifiche del sistema

In seguito ad alcuni incontri tra le unità di lavoro interessate dal progetto e a scambi di proposte ed informazioni tramite posta elettronica, sono state fissate le specifiche dell’intero sistema, e delle sue singole parti.

Infatti, parte di tali specifiche è costituita dai desiderata funzionali dell’intero sistema, altra parte riguarda le interfacce tra le diverse sezioni, progettate da team differenti.

Verranno ora descritte le principali sezioni del progetto, con le relative specifiche definitive. Una rappresentazione schematica del complesso è mostrata in figura 2.10.

Figura 2.10: Il sistema complessivo scomposto nelle sue sezioni principali.

2.5.1 Sensore SPADA

Il sensore è costituito da 60 elementi SPAD piazzati nel fuoco di piccole sferette (figura 2.11), a loro volta collocate sul piano focale di un array di circa 16mm di diametro, costituito da 60 piccole lenti. La dimensione d’ingombro del chip risulta di circa 16mm x 16mm, ed ogni pixel è piazzato sufficientemente distante dagli altri da prevenire l’effetto di crosstalk (vedere paragrafo 2.2.1). Il chip SPADA, a simmetria circolare, sarà realizzato su un die quadrato (figura2.12). Negli angoli del die potranno quindi essere realizzate altre strutture, anche di controllo.

Sensore

SPADA

Detection Electronic Board Data-processing Electronic Board

Remote Computer

Firewire

Figura 2.11: Punti focali in cui si collocano i sensori, organizzati secondo una simmetria sferica.

6 x 10 array quad-cell other array other quad-cells temperature sensor

Figura 2.12: Un possibile chip SPADA (a sinistra). Un wafer contiene fino a 16 chip (a destra).

In modo da sfruttare al meglio tutta l’area disponibile di silicio, più sensori sono realizzati in corrispondenza di ogni pixel, come mostrato in figura 2.13. In questa maniera, lo stesso die può essere usato come un chip SPADA di 60 pixel con quattro differenti diametri attivi. L’ottica d’ingresso verrà poi focalizzata su un singolo set di SPAD e solo questo set di 60 sensori sarà effettivamente collegato alla Detection Electronic Board.

10µm

20µm 30µm

40µm

Figura 2.13: Ogni pixel è formato da 4 sensori con aperture diverse.

Il supporto per il chip SPADA consiste di un substrato ceramico 50mm x 50mm, che verrà posto a stretto contatto con un dito freddo Peltier. In questo modo si potrà mantenere costante la

temperatura del chip, controllando così anche la costanza del rendimento dei sensori ed il numero di conteggi di buio.

Un’ottica dedicata, costituita proprio dalle microlenti e dalle microsfere già citate, focalizzerà il fronte d’onda incidente su ogni singolo sensore SPAD (figura 2.14). La distanza tra le microsfere e la superficie dello SPADA sarà di circa 66µm. In figura 2.15 è mostrato il comune alloggiamento del supporto SPADA e di quello ottico.

SPADA

WaveFront

microspheres held by ceramic holder SPADA sensor

Peltier cooling stage microlenses array

Figura 2.14: Le microlenti e le microsfere vanno piazzate subito sopra il sensore SPADA.

Figura 2.15: Alloggiamento dei supporti ottici e del sensore SPADA.

Fra le ulteriori specifiche dei sensori rientrano anche un’efficienza di rilevamento dei fotoni di almeno il 40% (alla lunghezza d’onda di 600nm e senza il rivestimento antiriflessione) ed un conteggio di buio massimo di 10kcps a temperatura ambiente.

2.5.2 Detection Electronic Board

La Detection Board è mostrata in figura 2.16. Essa è provvista di 60 circuiti attivi di spegnimento (iAQC: integrated Active Quenching Circuits) del tipo già analizzato per i singoli pixel del sensore SPADA e di 60 linee di uscita attraverso due connettori SCSI a 68 pin con output drivers differenziali RS422.

Tutti gli iAQC saranno montati come “chip-on-board devices”, per minimizzare le dimensioni totali e migliorare l’affidabilità e la possibilità di manutenzione. Le dimensioni previste per ogni iAQC sono di circa 2mm x 1mm.

Le tensioni di alimentazione positive per gli iAQC sono quelle standard di +5V e +12V, mentre l’anodo comune dell’intero SPADA ad elevata tensione d’alimentazione varierà nel range tra –5V e –24V, e sarà programmabile dall’utente. Anche il tempo di hold-off sarà impostabile, su valori tra 10ns e 500ns.

Un driver per il refrigeratore Peltier controllerà la temperatura dello SPADA, attraverso un sensore di temperatura integrato sul chip o per mezzo di due sensori di temperatura commerciali piazzati sopra e sotto lo stadio Peltier. Il driver monitorerà anche la corrente assorbita dal refrigeratore, per diagnosticare e prevenire eventuali condizioni critiche. La temperatura sarà selezionabile dall’utente tra quella ambiente e -30°C.

Un microcontrollore a 8bit gestirà tutti i settaggi, le diagnostiche, e le comunicazioni con la Data-Processing Electronic Board o le apparecchiature ESO MACAO. I comandi e le letture (di temperatura, over-voltage e durata degli hold-off) saranno trasferiti tramite interfacce seriali RS-232.

Tutti gli iAQC avranno un comune input di Gate, per abilitare e disabilitare il sensore SPADA. Inoltre, la scheda prevede un segnale di Interlock per staccare l’alimentazione del sensore SPADA in caso di rischi o emergenze. Entrambi i segnali saranno comunicati attraverso connettori SMC.

La scheda sarà collocata in stretta vicinanza del sensore SPADA; solo la sezione di alimentazione sarà separata.

E’ previsto anche un meccanismo di watchdog per verificare la corretta connessione con la Data- Processing Electronic Board o l’host computer dell’apparecchiatura MACAO. Se la corretta condizione del watchdog non è verificata lo SPADA viene spento.

Power-supply for electronics and SPADs iAQC diff.out iAQC diff.out iAQC diff.out iAQC diff.out SC SI co nn ect or 68 pi n SC SI c on ne ct or 68 pi n 1 2 3 60 Peltier Controller Pe lti er e T er m oR µC gate interlock RS232 Mains 230V ac Fiber Optics Gate In driver diff.

Detection electronic board

gate Vhigh T.meas T.set Common anode supply fr om th e SP ADA se ns or to D ata -P ro ce si ng El ec tr on ic s to MACAO equipment Inter lock diff. gate interlock hold-off duration overvoltage setting to Data-Processing board

Figura 2.16: Diagramma a blocchi della detection board.

2.5.3 Data-Processing Electronic Board

La Data-Processing Electronic Board, sviluppata dall’unità di lavoro dell’università di Pisa, sarà collocata tra la Detection Electronic Board ed il computer remoto. La scheda effettuerà l’acquisizione dei segnali provenienti dal sensore SPADA, in particolare conterà i fotoni segnalati a ciascuno dei 60 ingressi (la tipica durata di un impulso è di 10ns, il massimo counting rate di 20Mcps), genererà segnali di sincronizzazione e sinusoidali, gestirà assieme alla Detection Board i gates software e hardware. Gestirà inoltre le finestre temporali, di durata programmabile dall’utente,

e le elaborazioni dati richieste dalle diverse applicazioni. Infine effettuerà l’upload dei dati processati al computer remoto, via Firewire.1

Le principali funzioni della scheda verranno implementate tramite la board Orsys C6713, che sarà ampiamente descritta successivamente.2

La processazione dei dati sarà focalizzata su tre applicazioni principali: Fast Transient Imaging (FTI), Adaptive Optics (AO), e Layer Sensing (LS). Saranno ora discussi separatamente i requisiti necessari alle tre applicazioni: la board dovrà provvedere ad implementare una qualsiasi delle tre funzionalità previste mediante una riconfigurabilità all’accensione.

2.5.3.1 Fast Transient Imaging

Nell’applicazione di Fast Transient Imaging (FTI) l’importante è acquisire l’immagine a 60 pixel fornita dal sensore SPADA ogni finestra di integrazione temporale Tw (di durata impostabile tra 10µs e 100ms). Tw brevi permettono il time-tagging del flusso di fotoni incidente, con abbastanza risoluzione per la maggior parte delle applicazioni astronomiche. L’immagine consiste nel numero di fotoni rilevati da ciascun pixel e contati dalla scheda nel periodo Tw. Quindi, ogni periodo Tw, i 60 conteggi effettuati devono essere comunicati al computer remoto attraverso il collegamento Firewire. Lo stesso collegamento verrà usato per scaricare i settaggi ed i parametri impostabili verso la scheda. Un software remoto, costituito da un VI LabView, mostrerà le immagini acquisite, svolgerà la funzione di interfaccia utente ed effettuerà le ultime post-elaborazioni richieste. La figura 2.17 mostra il diagramma a blocchi della scheda di data-processing configurata per l’applicazione FTI.

1 _{Si rimanda al paragrafo 2.6 per conoscere i motivi che hanno portato alla scelta della connessione Firewire. Sarà fatta}

Power-supply 1st _{Counter Latch}

Ck Enable

Timing and control logic

Mains 230V ac

(FAST IMAGING)

SC S I co nn ect or 68 p in S C SI co nn ect or 68 p in Ck Shift Register diff. Gate In diff. Gate Out diff. Inter lock fr om Da ta -P ro ce si ng El ec tr on ic s USB diff. 60th _Counter Latch Ck Enable Ck Shift Register

Enable Data Bus Data shiftclock

Figura 2.17: Schema a blocchi della Data Processing Board configurata per l’applicazione FTI.

La finestra di integrazione temporale deve essere impostata tra 10µs e 100ms con una risoluzione di 14 bit. Ogni contatore deve avere una profondità di 16 bit e implementare un meccanismo di saturazione (si ferma cioè quando il conteggio giunge a FFFF esadecimale). In questo modo, al massimo counting rate teorico (20Mcps) permesso dagli iAQC (corrispondente al minimo hold-off time di 50ns), ogni contatore potrà saturare per Tw maggiori di 3.3ms. In questa situazione, l’operatore potrà decidere di ridurre la finestra di integrazione, migliorando così anche le performance dell’acquisizione rispetto al time-tagging. Inoltre, si nota che per Tw minori di 1ms ogni contatore non avrà mai bisogno di più di 15 bit, mentre al minimo Tw=10µs saranno sufficienti soli 8 bit. Di conseguenza anche l’uploading al computer remoto può essere adattato all’effettivo numero di bit secondo la formula:

n_eff = log_{2(Tw.20Mcps).}

Una logica di timing e controllo salverà il contenuto di ogni contatore in un corrispondente registro di appoggio, ogni finestra di integrazione. In questo modo, nessun fotone verrà perduto dal conteggio. Il contenuto dei 60 registri di appoggio verrà passato all’uscita tramite uno shift register, in modo seriale. Alla finestra di integrazione minore, cioè nel caso più critico, ciò significa la necessità di una banda di uscita pari almeno a:

F_max = 60pixels . 8bit / 10µs = 48Mbps.

Questo altissimo valore giustifica pienamente la scelta della veloce connessione Firewire verso il computer remoto.

Il collegamento Firewire dovrà inoltre provvedere al download dei seguenti settaggi: la finestra di integrazione temporale Tw; il Gate e l’Interlock software, che permettono all’utente di accendere o spegnere gli iACQ o l’intero sensore SPADA (attraverso la Detection Board) per mezzo del computer remoto; l’attivazione del “safety mode”, modalità che consente la generazione di un Interlock hardware e l’invio di un messaggio di errore al computer remoto nel caso in cui i contatori saturino. Vi sarà poi anche una possibilità di Gate hardware, con ingresso fornito da apparecchiature esterne e uscita verso la Detection Board.

Inoltre la scheda dovrà effettuare il by-pass dei comandi indirizzati alla Detection Board, e delle letture dei valori attuali di tali variabili (temperatura, over-voltage, tempi di hold-off).

2.5.3.2 Adaptive Optics

Nelle applicazioni di ottica adattiva un Curvature WaveFront System (CWFS) deve compiere parecchie azioni: la figura 2.18 ne schematizza il principio operativo.

Timing and control logic USB Processing: A-B A+B Audio ampl. Output GND sinusoidal waveform In pu t W av eF ro nt SPADA pixel moving membrane loudspeaker in f ocu s be fore f oc us be hi nd f oc us A B A B

Figura 2.18: principio operativo del sensore di curvatura.

Innanzitutto, tramite il movimento di una membrana, si deve cambiare il piano focale del flusso di fotoni incidente sopra il sensore SPADA, in modo che acquisti un’oscillazione sinusoidale. Si può allora contare per ogni pixel il numero di fotoni rilevati quando il piano focale si trova al di sopra del sensore SPADA (contatore A), e quello rilevato invece quando il piano focale è al di sotto (contatore B). La misura deve essere ripetuta per un numero intero di periodi di oscillazione, sommando ogni volta ai nuovi conteggi quelli precedenti.

In uscita bisogna fornire o i conteggi accumulati nei contatori A e B o il segnale di curvatura: C = (A-B)/(A+B)

Un valore basso in modulo indica che i pixel dello SPADA sono in posizione di fuoco; un valore alto, positivo o negativo, indica che i pixel sono fuori fuoco, e che quindi il sistema di ottica adattiva deve correggere l’ottica di focalizzazione. L’acquisizione del segnale di curvatura va ripetuta in tempo reale.

Uno schema di principio della Data-Processing Board configurata per Ottica Adattiva è mostrato in figura 2.19.

La membrana sarà mossa tramite un altoparlante caratterizzato da una resistenza di 4Ω ed una potenza di 4W. La frequenza dell’oscillazione sinusoidale dovrà essere programmabile dall’utente tra 1.5kHz e 3kHz, con una risoluzione di 1Hz, poiché la membrana risuona con un fattore Q molto elevato. Anche fase ed ampiezza della sinusoide dovranno essere impostabili dall’utente: in particolare la risoluzione sull’ampiezza sarà di 8bit, quella sulla fase di 0.5°.

Una logica di controllo dovrà alternativamente abilitare i contatori corrispondenti ai semiperiodi A e B, continuando a contare per un numero intero di periodi della sinusoide, impostabile nel range tra 1 e 256. Ne consegue che l’intero intervallo di conteggio sarà compreso tra un minimo di 1/3kHz = 333µs ed un massimo di 256/1.5kHz = 171ms. Come per l’applicazione FTI, sono utilizzabili contatori a 16bit, ed anche la logica aritmetica che calcolerà il segnale di curvatura dovrà fornire un risultato su 16bit.

Power-supply 1st A counter Ck Enable Timing and control logic Mains 230V ac

(ADAPTIVE OPTICS)

SC SI c on ne cto r 68 pi n SC S I c on ne cto r 68 pi n Shift Register diff. Gate In diff. Gate Out diff. Inter lock fr om D ata -P ro ce si ng El ec tr on ic s USB diff.

Enable Data Bus Data shiftclock Processing: A-B A+B Audio ampl. Load 4Ω 4W Output GND Sin. Out Multiplying DAC DAC V_REF 8bit 16bit sine table sine peak 1st B counter Ck Enable

Figura 2.19: Schema a blocchi della Data Processing Board configurata per l’applicazione AO.

Alla fine di ogni intervallo di acquisizione, la Data-Processing Board eseguirà l’upload dei 60 segnali di curvatura calcolati, ed eventualmente anche dei contenuti dei singoli registri A e B. Quindi la massima banda necessaria in uscita per questa applicazione risulta essere:

F_max = 3data . 60pixels . 16bit / 333µs ≈ 10Mbps

Anche in questo caso sarà la connessione Firewire a provvedere all’upload dei dati ed al download dei settaggi. Qui ce ne sono parecchi, ed essenziali: frequenza, ampiezza e fase della sinusoide; numero dei periodi di sinusoide per cui acquisire i segnali; scelta di comunicare solo il segnale C di curvatura o anche i contenuti dei registri A e B; Gate ed Interlock software; “safety mode”. Inoltre anche in quest’applicazione la scheda effettuerà il by-pass dei comandi indirizzati alla Detection Board (temperatura, over-voltage, tempi di hold-off).

FIREWIRE

Genera-zione Della Sinusoide

2.5.3.3 Layer Sensing

Questa applicazione, per quel che riguarda la Data Processing Board, è un incrocio tra le precedenti, ma lo scopo questa volta è lo studio degli strati atmosferici per mezzo dell’analisi delle riflessioni a diverse quote, in seguito all’invio di un impulso laser.

La scheda aspetterà un impulso di sincronizzazione (con frequenza di ripetizione di 7kHz), che segnali l’invio dell’impulso laser; lo SPADA sarà mantenuto spento tramite il Gate per i successivi 2.5µs (per mascherare la fluorescenza ottica dovuta all’elevata potenza dell’impulso), dopodiché verrà acceso e la scheda memorizzerà i conteggi dei fotoni arrivati in 10 (o 15) finestre temporali successive, per ognuno dei 60 pixel dell’array di SPAD. L’acquisizione sarà ripetuta per un numero di volte definibile dall’utente.

In alternativa potrà essere la stessa scheda a decidere l’inizio del processo e fornire essa stessa un impulso di sincronizzazione al laser.

Tutti i dati acquisiti verranno salvati e poi trasmessi al computer remoto alla fine del processo, quando potrà anche iniziare una nuova serie di acquisizioni.

Nello stesso tempo, la scheda genererà un segnale sinusoidale, con le stesse specifiche viste nell’applicazione di Ottica Adattiva.

La struttura della Data Processing Board configurata per l’applicazione di Layer Sensing è mostrata in figura 2.19; lo schema è evidentemente solo indicativo, rappresentativo del livello funzionale. In realtà, ad esempio, in luogo dei 15 contatori indicati per ogni pixel (avendo supposto una divisione temporale in 15 slot) ne basterà uno solo, seguito da uno shift register capace di accumulare i dati delle 15 diverse acquisizioni.

Power-supply 1st _pixel sample 1 Ck Enable Mains 230V ac

(LAYER SENSING)

SC SI co nn ecto r 68 pi n SC SI co nn ect or 68 pi n Shift Register diff. Gate In diff. Gate Out diff. Inter lock fr om D ata -P ro ce si ng El ec tr on ic s USB diff. Sample

select Data Bus Data shiftclock Uploading unit Audio ampl. Load 4Ω 4W Output GND Sin. Out Multiplying DAC DAC VREF 8bit 16bit sine table sine peak 1st _pixel sample 15 Ck Enable Timing and control logic

Figura 2.19: Schema a blocchi della Data Processing Board configurata per l’applicazione LS.

2.5.4 Software

Il software del computer remoto sarà sviluppato in modo da essere facile da usare e con un’interfaccia di immediata comprensione. Lo sviluppo avverrà tramite LabView3. Il software dovrà permettere anche la selezione dell’applicazione corrente per il sistema SPADA. Segue una tabella con i comandi principali che devono essere gestiti dal software nelle tre applicazioni. E’ suggerito per ogni comando, o per ogni tipo di dato da visualizzare, un possibile modo grafico di rappresentazione. Genera-zione Della Sinusoide FIREWIRE

F.T.I. A.O. L.S.

Setting Tmeasure 100µs÷100ms 1÷256 periods of the sinusoid 1÷256 periods of the sinusoid Operating

modes • Imaging (singoli frames) • Time-Tagging (più immagini ASCII) • Solo segnale di curvatura • Anche contatori A e B • 10 set di 60 pixel

Setting Tempo di acquisizione totale

Nd Nd

Data display

L’utente può scegliere la visualizzazione di un

frame su una mappa a simmetria cilindrica

In una mappa a simmetria cilindrica

In 15 mappe a simmetria cilindrica

Gate on/off Yes

Interlock on/off Yes Tempera-ture setting Yes Tempera-ture reading Yes Safety mode Yes Sinusoid

generation nd Frequenza, ampiezza efase programmabili dall’utente

Frequenza, ampiezza e fase programmabili

dall’utente

2.5.5 Test di sistema

Tutte le unità di progetto si dovranno riunire in quest’ultima fase, mirata a testare l’intero sistema. Le misure preliminari riguarderanno il test dello SPADA come sensore “stand alone”. Quindi verranno testate la Detection e la Data-Processing Electronic Boards, sia come schede “stand alone” sia in connessione al computer remoto. Infine verrà assemblato assieme l’intero sistema che inizierà ad operare sotto il controllo del software; a questo punto saranno provate tutte le funzionalità relative alle tre applicazioni considerate: Fast Transient Imaging, Adaptive Optics e Layer Sensing.

Fra le cose più importanti da testare vi sono:

• Le performance dei singoli pixel e la loro dipendenza dalla temperatura dello SPADA • L’efficienza di rilevazione a diverse lunghezze d’onda

• Il crosstalk elettrico e ottico tra gli elementi dell’array SPADA • La linearità e l’uniformità della risposta per alti counting rates

• I segnali elettrici provenienti dagli iAQC e dalle schede Detection e Data-Processing • L’efficacia del controllo software sull’intero sistema

• Il confronto delle performance globali con quelle dei sistemi commerciali basati su CCD • L’impatto effettivo con le applicazioni astronomiche per cui il sistema è pensato.

2.6 La connessione Firewire (IEEE1394).

Come rilevato nei paragrafi precedenti, la connessione tra Data Processing Board e computer remoto necessita di una banda molto elevata. Ad esempio, nell’applicazione FTI, la banda necessaria per il solo upload dei dati acquisiti arriva fino a 48Mbps.

Se si vanno ad analizzare le velocità massime relative a diverse interfacce di comunicazione commercialmente utilizzate (tabella 2.2), si nota che la connessione Firewire è una di quelle che possono gestire banda più ampia.

Se si aggiunge a questo che tale connessione sta diventando sempre più uno standard per applicazioni di imaging, e che in commercio sono disponibili schede con collegamento Firewire, provviste di enormi risorse di calcolo e di logica programmabile (è il caso della C6713Compact), la scelta della Firewire risulta più che giustificata.

Tipologia Velocità in Mbps Velocità in MByte/s

Porta seriale(RS-232) 0,115 0,014

Porta Parallela standard 1,2 0.150

USB 1.1 12 1,5

Porta Parallela ECP/EPP 24 3

IDE Controller 26,4 - 133,6 3,3 - 16,7

SCSI - 1 40 5

SCSI - 2 (Fast SCSI) 80 10

USB 2.0 120 - 240 15 - 30

Fast Wide SCSI 160 20

SCSI - 3 (Ultra SCSI) 160 20

Ultra IDE 264 33

Wide Ultra SCSI 320 40

Ultra 2 SCSI 320 40

Firewire IEEE1394 400 50

Wide Ultra 2 SCSI 640 80

Tabella 2.2: velocità in Mbps e MByte/s di alcune tra le più comuni tipologie di connessioni.

La connessione Firewire fu inizialmente sviluppata dalla Apple Computer Inc, come un bus seriale ad alta velocità. Mentre la si stava sviluppando, molti pensarono che per quel periodo fosse addirittura troppo veloce, e che fosse preferibile concentrarsi su connessioni più lente ma di meno costosa implementazione, come l’USB. In effetti, il Firewire fu inizialmente accantonato, e poi ripreso in considerazione, dalla Sony, nel 1995, nei primi DV camcorders. Sempre nel 1995 il Firewire divenne standard IEEE: prese il nome di IEEE1394. Oggi questa connessione è una delle più utilizzate soprattutto nella comunicazione in tempo reale di dati di tipo audio/video.

Gli obiettivi sono: facile utilizzo, basso costo e alta velocità di comunicazione. Inoltre il protocollo è molto scalabile (intendendo con questo che tutti i futuri incrementi della velocità saranno compatibili con le velocità correnti), provvede ad entrambe le applicazioni asincrone e isocrone, permette l’accesso a vaste quantità di spazio di indirizzamento di memoria e permette comunicazioni peer-to-peer. I dispositivi collegati attraverso connessioni IEEE1394 possono, infatti, comunicare tra loro senza la necessità di un host system, quale è per esempio il PC nel caso di connessioni USB.

Ogni qualvolta un dispositivo, o nodo, viene connesso al bus seriale IEEE1394 ha luogo una riconfigurazione automatica della rete. Inoltre sono permessi i cosiddetti hot-swap, ovvero le inserzioni e le disinserzioni delle periferiche a sistema acceso. I nodi sul bus possono avere più porte loro collegate: ognuna di queste agisce come un ripetitore, e si possono così creare reti Firewire anche molto complesse.La figura 2.20 mostra un esempio di possibile rete Firewire.

Figura 2.20: esempio di rete Firewire.

Il protocollo dell’interfaccia IEEE1394 supporta trasferimenti dati sia asincroni, sia isocroni. I trasferimenti isocroni avvengono “one to one” o “one to many”. Fino all'80% della larghezza di banda disponibile del bus può essere utilizzata per trasferimenti isocroni: ciò rende il Firewire un’interfaccia eccellente per applicazioni che richiedono trasmissioni di dati in tempo reale.

I trasferimenti asincroni sono indirizzati ad un nodo specifico con un esplicito indirizzo. Essi non hanno garantita una quantità precisa di larghezza di banda sul bus, ma ne è loro assegnata una giusta dose al momento dell’accesso al bus, quando i trasferimenti asincroni sono permessi. La dimensione massima di un blocco di dati per un pacchetto asincrono è determinata dalla velocità massima di trasferimento del dispositivo. Nella trasmissione asincrona, a differenza di ciò che accade nell’isocrona, è possibile il controllo degli errori ed il conseguente meccanismo di ritrasmissione. Quindi si preferisce usare un trasferimento isocrono, real–time, nel caso in cui si stiano inviando dati che possano tollerare alcuni errori, o in cui il tempo sia un fattore critico (come nella maggior parte delle applicazioni di imaging). Negli altri casi, come per un Disk Drive, sono preferibili i trasferimenti asincroni.

Attualmente il cavo Firewire standard è costituito da 6 fili. I dati sono mandati attraverso due paia di linee di trasmissione intrecciate, ciascuna delle quali separatamente schermata. Due fili aggiuntivi portano l’alimentazione (da 8 a 40V, per un massimo di 1.5A) alle periferiche, ma spesso queste linee non vengono utilizzate.

(a)

(b)

Figura 2.21 a e b: struttura fisica del cavo Firewire.

I fili terminano in un piccolo connettore a 6 pin, mostrato in figura 2.22.

Figura 2.22: connettore Firewire.

Alcuni produttori utilizzano cavi a 4 fili per la connessione di dispositivi Firewire: sono come quelli precedentemente descritti, ma senza i fili di alimentazione. Terminano in connettori più

piccoli, ovviamente con 4 piedini anziché 6: da qui può nascere la necessità di usare semplici cavi adattatori, per connettere dispositivi che utilizzano i due diversi standard di connessione Firewire.

Secondo lo standard, il collegamento IEEE1394 permette oggi di arrivare fino a 400Mbit/sec per cavi di lunghezza inferiore a 4.5 metri. Connessioni più lunghe possono essere effettuate tramite cavi più spessi, o diminuendo il data rate del segnale. Ad esempio nelle applicazioni Sony DV camcorders il data rate utilizzato è di soli 100Mbit/sec: in questo modo si possono ottenere risultati soddisfacenti anche su connessioni lunghe fino ad oltre 20 metri, con cavi standard.

Nella specifica 1394 vengono definiti tre livelli nel protocollo: Physical Layer, Link Layer e Transaction Layer.

Figura 2.23: Stratificazione del protocollo ieee1394.

Senza entrare troppo nello specifico del protocollo di comunicazione, si sottolinea l’esistenza di più supporti commerciali, hardware e software, dedicati alla comunicazione Firewire.

A livello Hardware, i produttori di circuiti integrati forniscono di solito un chipset che include un Link Layer Controller ed un Physical Layer controller.

A livello Software, la IEEE1394 è supportata direttamente nel nuovo Windows Driver Model (WDM) Microsoft, utilizzato da Windows98 in poi. Per dispositivi di memoria, stampanti e Scanner, Windows NT 5.0 supporta il Serial Block Protocol (SBP-2). Oltre alla specifica SBP-2 per le unità di memorizzazione, ci sono altri formati di dati standard che cavalcano sulla cima della

In conclusione, per il collegamento tra Data-Processing Board e computer remoto, l’utilizzo della connessione Firewire – IEEE1394 risulta pienamente motivato per le cause seguenti:

• Elevata velocità massima di comunicazione (400bps).

• Possibilità di usare un veloce protocollo isocrono, per le applicazioni real-time.

• Possibilità di inserire la Data-Processing Board, anche “a caldo”, in una vasta rete di strumenti.

• Facilità di reperimento delle risorse, hardware e software, necessarie al suo utilizzo. • Basso costo, dovuto alla larga diffusione di tale standard.