Capitolo 5
Risultati di collaudo
Introduzione
In questo capitolo si discuteranno i risultati di collaudo dell’intero sistema elettronico sviluppato dal gruppo di lavoro dell’Università di Pisa nell’ambito del progetto SPADA. Pertanto si illustreranno le problematiche evidenziate durante le prove di laboratorio svolte sulle diverse schede illustrate e con strumenti appositamente sviluppati per effettuare il test del sistema. Si concluderà il capitolo riportando i risultati ottenuti durante la dimostrazione dell’applicazione FTI svoltasi a Milano il 17 dicembre 2004 in cui è stata messa alla prova la capacità di acquisizione in tempo reale dei segnali provenienti dagli SPADA illuminati artificialmente con segnali luminosi a forma d’onda, intensità e frequenza variabili tramite una lampada LED.
5.1 Test di laboratorio
5.1.1 Emulatore
Per effettuare delle prove di laboratorio significative è stato sviluppato un hardware apposito che permettesse di emulare il comportamento dei sensori SPAD. A tal fine è stata progettata un’architettura FPGA per la generazione di segnali a onda rettangolare a frequenza variabile impostabile dall’utente tramite un’interfaccia LabView. La piattaforma hardware utilizzata all’uopo, benché ecceda in prestazioni le specifiche da rispettare, è una seconda Orsys C6713 per la
131 dall’interfaccia LabView. L’architettura FPGA, implementata sullo Xilinx XC2V1000 consente di operare in due modalità distinte :
• Fixed Frequency • Pseudo Random
In modalità Fixed Frequency il sistema è in grado di generare 30 coppie di segnali a forma d’onda rettangolare con impulsi di durata circa pari a 20ns e frequenze variabili da 10 Hz a 25 MHz impostabili scrivendo in 30 registri di configurazione. Nella modalità Pseudo Random il sistema opera in modo simile facendo sì che esista un certo jitter attorno alla frequenza impostata nel registro di configurazione.
L’interfaccia LabView sviluppata per il controllo dell’emulatore consente di impostare la modalità desiderata e la frequenza di ogni coppia tramite un pannello di controllo come quello mostrato in figura 5.1.
I segnali generati dall’emulatore sono portati direttamente sul connettore micro-line della scheda Orsys. Per eseguire le prove la scheda è stata alloggiata in uno chassis gemello di quello utilizzato per il progetto SPADA, montandola su una power supply board uguale a quella illustrata nel capitolo 2. Attraverso un identico back panel, i 60 segnali generati dall’emulatore vengono inviati a due schede ognuna delle quali è dotata di 8 trasmettitori differenziali della famiglia 26LV31 in grado di convertire quattro segnali single ended in altrettanti segnali differenziali. Le uscite dei buffer trasmettitori pilotano due connettori SCSI uguali a quelli montati sulle schede ricevitori viste nel capitolo 2. Per la ricezione dei comandi attraverso la porta seriale è stata montata una seconda scheda audio dotata di connettore RS-232.
L’intero sistema di testing è pertanto costituito da due rack identici che comunicano tra loro attraverso due cavi SCSI. Il rack su cui è installata la scheda con l’emulatore simula il comportamento della detection board mentre il secondo rack, in cui è installata la Orsys con il firmware del progetto SPADA è il soggetto del test. Le varie prove sono state effettuate con l’ausilio di tre PC, uno per il controllo dell’emulatore via RS-232, il secondo per la gestione della connessione IEEE1394 tramite l’applicazione Linux e il terzo per la ricezione e visualizzazione dei risultati di conteggio e il controllo del sistema tramite l’interfaccia LabView sviluppata per il progetto SPADA presentata nel precedente capitolo.
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Figura 5.2: Sistema di testing per il progetto SPADA.
Su questo sistema sono state effettuate le prove di collaudo delle schede presentate nel capitolo 2. Nel paragrafo seguente si riportano le prove effettuate e le problematiche individuate, le soluzioni adottate e quelle proposte.
5.1.2 Prove di collaudo
5.1.2.1 Scheda GPIO
Il test della scheda GPIO non ha incontrato particolari difficoltà ed è stato verificato il corretto funzionamento dei dispositivi montati su di essa semplicemente ponendo a 3.3V gli ingressi e verificando lo stato delle uscite dei relativi buffer e attivando via software i segnali di Gate e Interlock verificando lo stato delle uscite con un oscilloscopio.
5.1.2.2 Schede ricevitori
La scheda con i ricevitori differenziali è stata testata con buoni risultati e, ad eccezione di problematiche relative all’assemblaggio stesso delle schede come alcune imprecisioni nelle saldature, il comportamento corretto dei buffer è stato verificato.
5.1.2.3 Scheda audio
La scheda audio è quella che ovviamente ha presentato i maggiori problemi di collaudo a causa delle intrinseche difficoltà incontrate nelle fasi di montaggio della scheda stessa dovute alle dimensioni fisiche dei dispositivi implicati. Corretti gli errori di progetto dovuti a alcune connessioni errate tra il connettore DIN e i segnali connessi al TAS5001, si è proceduto a testare la scheda con il segnale PCM generato dalla McASP. Il risultato ottenuto è stato la presenza di un segnale PWM sull’uscita del TAS5121 durato qualche istante e il susseguente annullamento del segnale stesso. Una soluzione possibile a questo comportamento è l’inserimento nello schema elettrico di due diodi zener di protezione sulle uscite del TAS5121. E’ probabile infatti che il fronte in salita della tensione di uscita del dispositivo alla prima transizione del segnale PWM, a causa della presenza dell’induttanza del filtro di ricostruzione di uscita, possa aver causato una sovracorrente che ha danneggiato i DMOS dello stadio di potenza dell’amplificatore. Le prove suggerite da effettuare per la verifica di questa ipotesi consistono in un montaggio per parti della scheda e nella verifica passo passo del corretto funzionamento di ogni singolo dispositivo, aggiungendo ovviamente allo schema elettrico i diodi zener.
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5.1.2.4 Back panel
Una volta montati i quattro connettori DIN per l’installazione delle schede è stata verificata la continuità delle piste presenti sul back panel attraverso l’utilizzo di un normale multimetro. Durante il collaudo della scheda con l’emulatore è stato messo in luce un fenomeno di crosstalk tra piste adiacenti. La causa del fenomeno è stata attribuita alla presenza contemporanea su tutte le linee di transizioni non in fase tra loro. Questo fatto si risolve nell’insorgere di transizioni indesiderate sulle linee adiacenti e nei conseguenti errori nei conteggi degli impulsi. Il fatto poi che le transizioni indesiderate fossero in opposizione di fase con le transizioni che le hanno causate ha portato a pensare che la natura di questo fenomeno fosse di tipo induttivo. Una possibile soluzione a questo problema è il tentare di ridurre il più possibile il percorso compiuto dai segnali sul back panel, in modo da diminuire l’induttanza mutua tra le piste. Tuttavia, durante le prove eseguite a Milano con i sensori SPAD, il comportamento delle linee di connessione del back panel è stato soddisfacente, evidenziando effetti di crosstalk trascurabili in termini di incidenza sulle prestazioni globali del sistema. Le cause del successo sono da ricercare nel comportamento casuale della frequenza dei segnali provenienti dai sensori reali che ha consentito di attenuare i disturbi dovuti al crosstalk.
5.2 Risultati della dimostrazione FTI
Durante la dimostrazione tenutasi a Milano il 17 dicembre 2004 il sistema elettronico progettato dall’Università di Pisa è stato provato con i sensori SPAD progettati dal politecnico di Milano per verificare il rispetto delle specifiche di progetto presentate nel primo capitolo. L’architettura del sistema usato durante la dimostrazione è quella presentata in figura 5.3. Lo schema è identico a quello mostrato in figura 5.2 eccetto per il fatto che al posto dell’emulatore si ha la Detection Board, la quale, opportunamente stimolata con una lampada LED, genera i 60 segnali differenziali da elaborare.
Figura 5.3: Architettura di collaudo utilizzata durante la dimostrazione dell’applicazione FTI il 17 Dicembre 2004 a Milano.
137 • Illuminazione con un LED impulsato con controllo a onda
quadra.
• Illuminazione con un LED impulsato con controllo a dente di sega.
• Spostamento della piattaforma su cui è stato installato il sensore SPADA agendo sui meccanismi di movimentazione meccanici e illuminazione fissa.
Figura 5.4: Setup sperimentale del sistema complessivo che integra la matrice di sensori SPADA e il sistema di acquisizione.
I test sono stati mirati a verificare l’acquisizione sia dell’immagine complessiva che dei dati provenienti da un singolo pixel. I risultati delle prove effettuate con i segnali a onda quadra e a dente di sega sono presentati nelle Figure 5.5 e 5.6 dove si nota come la visione complessiva evidenzi l’illuminazione focalizzata sui pixel centrali della matrice e la LED illuminante di tipo rettangolare e a dente di sega
Figura 5.5: Immagine SPADA e andamento nel tempo del segnale illuminante tutta la matrice di sensori con forma ad onda quadra
Figura 5.6: Immagine SPADA e andamento nel tempo del segnale corrispondente ad uno dei canali centrali con illuminazione pilotata a dente di sega.
Nelle figure seguenti sono riportati i risultati delle acquisizioni a seguito dell’illuminazione con uno spot luminoso e movimentazione meccanica della piattaforma di alloggiamento dello SPADA.
139 Si può pertanto concludere che gli esperimenti svolti hanno dimostrato la perfetta funzionalità dell’intero sistema di acquisizione sia per la parte sensori ed elettronica di rivelazione, che per la parte di acquisizione, elaborazione e presentazione dei dati. Il sistema complessivo, così come progettato, consente una facile integrazione nei telescopi dei partner di progetto Osservatorio Astronomico di Catania ed ESO di Garching (GER) grazie all’architettura modulare del sistema elettronico. In accordo con le specifiche di progetto presentate nel capitolo introduttivo si è adesso in grado di ottenere un sistema di acquisizione di dati astronomici ad alta risoluzione, completo, facilmente portabile, a basso costo, di prestazioni decisamente superiori a tutti quelli attualmente disponibili. La possibilità di controllare e monitorare l’esperimento in corso tramite protocollo TCP/IP, inoltre, lascia immaginare uno scenario in cui un qualunque ricercatore in astronomia situato dall’altra parte del globo, connesso in remoto con un osservatorio dotato del sistema di acquisizione presentato in questo lavoro, possa accedere ai dati acquisiti, impostare o modificare i parametri di acquisizione o visualizzare lo stato di un esperimento in corso.
