Capitolo 6
IL COLLAUDO DELLA
SCHEDA DI ACQUISIZIONE
Se durante lo sviluppo del sistema di acquisizione ed elaborazione dei dati, realizzato presso il Dip. Di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Pisa, i test effettuati sono stati realizzati con un’immediata connessione in pila delle due schede C6713Compact (sulle quali sono stati implementati rispettivamente il sistema di acquisizione e l’Emulatore), nella fase successiva alla sua definitiva realizzazione entrambe le schede sono state alloggiate in appositi case, contenenti anche altre schede ausiliarie, ed è stato possibile valutare le prestazioni del DUT (Device Under Test) nelle effettive condizioni di funzionamento.
Si descrivono di seguito il sistema di acquisizione ed elaborazione finale, l’apparato di test, che ne ha consentito un collaudo elettrico oltre che funzionale, ed i risultati prodotti dagli esperimenti di test.
6.1 I sistemi di acquisizione e di test
La fase di assemblaggio finale dei sistemi di acquisizione e di test prevede che essi siano affiancati da schede ausiliarie e con queste inserite in appositi case. Di seguito è fornita una descrizione sintetica dei due sistemi, per ulteriori dettagli si rimanda a [1, 2].
6.1.1
Il sistema di acquisizione ed elaborazione dati
Al fine di realizzare tutte le funzioni cui la DPB è preposta, la scheda C6713Compact su cui sono comunque implementate gran parte delle funzionalità richieste, necessita di altre schede ausiliarie, oltre la già citata Power Supply, quali:
¾ due schede di ricevitori differenziali, per la trasformazione dei segnali provenienti dalla Detection Board tramite connettori SCSI, da differenziali ad unipolari, e per traslarne il livello da 5V a 3.3V;
¾ una scheda audio per la generazione di una sinusoide analogica, il cui utilizzo è limitato all’applicazione di Adaptive Optics;
¾ una scheda per i segnali generici di I/O, per la trasmissione dei segnali di Gate ed Interlock software e ricezione di quelli hardware trasmessi alla DPB da apparecchiature esterne;
¾ una scheda di back panel dotata di connettori din, su cui sono inserite le precedenti; quest’ultima funge sostanzialmente da bus al fine realizzare la connettività tra le schede. Tutte le schede, realizzate su Eurocard standard, sono alloggiate in un apposito ‘rack’, fig.6.1, e disposte verticalmente sul back plane, come evidenziato in fig. 6.2.
E’ inoltre previsto l’alloggiamento, all’interno del rack, dei tre alimentatori necessari alla Data Processing Board, alla Detection Board ed al sensore SPADA. Tutte le schede presentano i relativi connettori da pannello, che escono sullo chassis, fig. 6.1, tra cui: due connettori SCSI, due connettori Firewire, i segnali generici di I/O.
Fig. 6.2 :Disposizione delle schede innestate sul back plane.
Fig. 6.3 : I sistemi di acquisizione ed elaborazione (sinistra) e di rilevamento e controllo (destra). Sulla sommità di quest’ultimo è disposto l’array circolare di sensori SPAD.
In fig. 6.3 è illustrata la comunicazione tra il sistema di rilevamento e controllo e quello di acquisizione ed elaborazione.
Il controllo del sistema di acquisizione ed elaborazione è affidato ad un’interfaccia software1 tramite la quale, da computer remoto, è possibile:
¾ impostare i parametri necessari al funzionamento nelle tre applicazioni;
¾ visualizzare, tramite un diagramma a 60 settori a simmetria cilindrica, fig.6.5, i dati acquisiti ed elaborati dalla DPB;
¾ svolgere sulle immagini acquisite post-elaborazioni di tipo prevalentemente diagnostico, per valutare il corretto funzionamento del sistema, e statistico.
Fig. 6.5 : Diagramma per la visualizzazione dei dati acquisiti; i 60 settori corrispondono alla disposizione fisica dei sensori SPAD all’in- terno dell’array, le differenti tonalità di grigio sono correlate al
numero di fotoni rivelato dal corrispondente sensore.
1
La realizzazione del software del computer remoto utilizzato per il controllo del sistema di acquisizione ed elaborazione è stata curata dal Dip. di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Pisa.
6.1.2
Il sistema di test
Definita la struttura del sistema di acquisizione ed elaborazione nel suo complesso, al fine di realizzarne il collaudo nelle effettive condizioni di funzionamento, quando cioè tutte le parti che lo compongono sono assemblate, si procede alla descrizione dell’apparato di test che ne è derivato.
Alla C6713Compact, supportata dalla relativa scheda di alimentazione, sono state affiancate due schede di trasmettitori differenziali, che svolgono compiti duali a quelle presenti nel DUT, ovvero traslano il livello del segnale in uscita dalla Power Supply e lo trasformano da unipolare a differenziale; questo per consentire la comunicazione tramite i due cavi SCSI a 68 pin.
Anche in questo caso le schede sono innestate su un back pannel, ed alloggiate internamente ad un rack identico a quello utilizzato per ospitare l’elettronica di elaborazione.
In fig. 6.6 è illustrata la connessione tra l’apparato di test e l’elettronica di acquisizione ed elaborazione.
Fig. 6.6 : Interfacciamento tra il sistema di test e l’elettronica di acquisizione ed elaborazione. Entrambi sono configurabili in maniera indipendente da computer remoto.
6.2 Risultati del collaudo
Da quanto esposto nel precedente paragrafo deriva che il collaudo è stato realizzato nel seguente modo:
¾ lo SPADA Emulator, pilotato dal software del computer remoto, genera le forme d’onda impulsate che sono trasmesse, tramite i connettori SCSI, all’elettronica di acquisizione ed elaborazione (SPADA Processing Electronic);
¾ quest’ultima acquisisce i dati e li elabora secondo le specifiche impostate dall’utente, sempre tramite computer remoto.
Gli esperimenti sono stati condotti facendo variare:
¾ a livello dell’Emulatore, la modalità di testing e la frequenza impostata su ciascun canale;
¾ a livello dell’elettronica di acquisizione, la durata dell’esperimento di FTI condotto (si ricorda che questa risulta essere l’applicazione critica tra le tre alla cui realizzazione la DPB è preposta), modificando opportunamente la finestra temporale Tw.
Oltre che dal diagramma di fig.6.5, che fornisce un’intuitiva immagine di come l’array di sensori sarebbe sollecitato qualora fosse esposto ad un flusso di fotoni incidente alla frequenza impostata, i risultati di ciascun esperimento sono resi visualizzabili da una matrice di 60 indicatori digitali, sempre contenuta all’interno dell’interfaccia che controlla l’elettronica di elaborazione.
Ciascun elemento di questa matrice contiene il numero di conteggi, effettuato nella finestra Tw, dal relativo canale di acquisizione.
Un’indagine visiva dei risultati prodotti dai conteggi, riferiti alla finestra temporale considerata, confrontati con gli stimoli inviati dall’Emulatore, ha costituito il GO/NOGO del test effettuato.
Nelle prime fasi i canali di acquisizione sono stati singolarmente sollecitati, a frequenze stabili, e gli esperimenti ripetuti aumentando ad ogni passo la frequenza di stimolo, fino ad arrivare alla massima consentita. Ne è risultato che ciascun canale risponde adeguatamente, ovvero è in grado di contare gli impulsi con estrema precisione, a meno di un singolo impulso dipendente dal posizionamento della finestra temporale rispetto al treno di impulsi stesso; questo evento trova giustificazione nel fatto che, essendo il segnale di cui si desidera effettuare
la misura ed il generatore di riferimento del sistema che la deve realizzare dei sistemi incorrelati, è possibile che a seconda della posizione della finestra temporale rispetto alla successione degli impulsi si abbiano letture differenti anche sullo stesso segnale e con uguale finestra di apertura, fig.6.7. Su questo errore relativo :
N 1 ± = ε
dove N è il numero di impulsi all’interno della finestra temporale considerata, non è possibile intervenire in quanto intrinseco ai sistemi di misure digitali di frequenza.
Fig. 6.7 : Errore relativo di conteggio introdotto dall’incorrelazione dei sistemi di generazione e di misura.
In un secondo momento, sempre su ciascun canale, sono stati inviati treni di impulsi a periodo variabile, ovvero in modalità pseudo-random. Anche in questo caso, effettuando un confronto tra il jitter atteso, visualizzato dall’interfaccia che pilota l’Emulatore, e quello rilevato, visualizzato da quella che pilota il sistema di acquisizione, si è verificato il corretto funzionamento dei singoli canali a ciascuna frequenza impostata. Si evidenzia che nella stimolazione in modalità pseudo-random i pixel dell’immagine visualizzata risultavano, come atteso, lampeggianti.
Infine si è proceduto con la stimolazione simultanea di più canali, aumentandone ad ogni passo e il numero e la frequenza di stimolo.
I risultati ottenuti si sono rivelati anche in questo caso soddisfacenti eccezion fatta per l’insorgere di indesiderati fenomeni di cross-talk tra i canali, imputabili alle lunghe piste di interconnessione del back-pannel, quando il numero di canali che commutavano allo stesso istante era elevato. Si evidenzia a tal proposito che tale evenienza, seppur rilevata dal collaudo effettuato con l’Emulatore, risulta avere una probabilità trascurabile di manifestarsi nella vita operativa della DPB. Ciò è stato ampiamente verificato nella fase dimostrativa cui hanno preso
parte le unità coinvolte nel progetto di ricerca. Infatti test realizzati tramite l’interfacciamento del sistema di rilevamento, contenente la matrice di sensori SPAD, e del sistema di acquisizione ed elaborazione, fig.6.3, hanno dimostrato la perfetta funzionalità di entrambi i sistemi.
In particolare i test effettuati sono stati condotti esponendo la matrice di sensori alla fonte luminosa proveniente da un LED impulsato con controllo ad onda quadra, in un primo momento, e ad onda triangolare poi. I risultati prodotti, visualizzati tramite l’interfaccia che pilota l’elettronica di acquisizione ed elaborazione, sono riportati in fig. 6.8 e 6.9 rispettivamente.
Fig. 6.8 : Immagine visualizzata (sinistra) e risposta nel tempo del singolo pixel (destra) nel caso di LED impulsato con controllo ad onda quadra.
Fig. 6.9 : Immagine visualizzata (sinistra) e risposta nel tempo del singolo pixel (destra) nel caso di LED impulsato con controllo ad onda triangolare.
L’immagine visualizzata evidenzia l’illuminazione focalizzata sui pixel centrali della matrice di sensori, e la risposta nel tempo del singolo pixel che si nota corrispondere al pilotaggio elettrico del LED illuminante.
Infine altri test effettuati in condizioni di movimento relativo tra la sorgente di luce e l’array di sensori ha prodotto i risultati riportati in fig. 6.10, in cui è evidenziato che il pattern luminoso si sposta secondo il movimento previsto.
Fig. 6.10 : Risultati visualizzati dall’interfaccia grafica in corrispondenza di alcuni dei test effettuati in condizioni di moto relativo tra l’array di sensori e la sorgente di luce.
Concludendo si può affermare che, dagli esperimenti effettuati, l’Emulatore si è rivelato uno strumento di testing versatile ed affidabile. Infatti le due modalità di funzionamento, fixed-frequency e pseudo-random frequency, consentono all’utente di effettuare un test veloce ed economico della scheda di acquisizione ed elaborazione; quest’ultimo risulterà inoltre ripetibile in più fasi della messa a punto finale del sistema, senza costi aggiuntivi. La modalità fixed-frequency, come già anticipato nei precedenti capitoli, risulta particolarmente utile alle frequenze più elevate, per garantire che la scheda di acquisizione ed elaborazione conti correttamente gli impulsi che arrivano su ciascun canale. La modalità pseudo-random frequency consente l’innesto di una aleatorietà che provoca una generazione pseudo-casuale di stimoli per il testing della Processing Board. Quest’ultimo aspetto risulta avere un rilievo notevole in ambiti in cui sia necessario produrre delle sequenze di stimolo pseudo-casuali, ma al contempo garantire un livello di predicibilità tale da verificare il corretto funzionamento del dispositivo sotto test, come nel presente caso. Inoltre la possibilità di programmare individualmente i generatori di stimolo consente una pronta identificazione dei canali della scheda di acquisizione su cui si sia, eventualmente, verificato un malfunzionamento, ed ancora l’attivazione contemporanea di più generatori di impulsi ha permesso di mettere in rilievo fenomeni secondari indesiderati, come evidenziato in
precedenza.
L’utilizzo di un dispositivo programmabile, per la sua implementazione, rende l’Emulatore ancora più flessibile. Infatti seppure tale sistema sia stato realizzato ‘ad hoc’ per il testing della scheda di acquisizione, opportune modifiche possono renderlo un utile strumento per la validazione di altri dispositivi che necessitino esclusivamente di collaudi funzionali. Il sistema adattivo, che prevede che la variazione del numero di bit da cambiare all’interno della parola di caricamento dei contatori sia adattata al range frequenziale considerato, potrebbe essere riproposto in altri contesti in cui sia necessario valutare le prestazioni dei dispositivi sotto test limitando l’intervallo frequenziale di osservazione; inoltre delle modifiche, di immediata realizzazione, delle impostazioni dell’interfaccia utente, scelte sulla base delle esigenze specifiche di progetto, consentirebbero un adeguamento del sistema ‘adattivo’ ad altri ambiti in cui tale limitazione della finestra frequenziale di stimolo, potrebbe rivelarsi utile.
