ELETRÔNICA DIGITAL DE AQUISIÇÃO DE DADOS PARA DETECTORES SEMICONDUTORES DE RADIAÇÃO NUCLEAR

Transcrição

1 aa/bb/cc/dd-ntc ELETRÔNICA DIGITAL DE AQUISIÇÃO DE DADOS PARA DETECTORES SEMICONDUTORES DE RADIAÇÃO NUCLEAR Cesar Strauss URL do documento original: < INPE São José dos Campos 2016

2 PUBLICADO POR: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE Gabinete do Diretor (GB) Serviço de Informação e Documentação (SID) Caixa Postal CEP São José dos Campos - SP - Brasil Tel.:(012) /6921 Fax: (012) pubtc@sid.inpe.br COMISSÃO DO CONSELHO DE EDITORAÇÃO E PRESERVAÇÃO DA PRODUÇÃO INTELECTUAL DO INPE (DE/DIR-544): Presidente: Marciana Leite Ribeiro - Serviço de Informação e Documentação (SID) Membros: Dr. Gerald Jean Francis Banon - Coordenação Observação da Terra (OBT) Dr. Amauri Silva Montes - Coordenação Engenharia e Tecnologia Espaciais (ETE) Dr. André de Castro Milone - Coordenação Ciências Espaciais e Atmosféricas (CEA) Dr. Joaquim José Barroso de Castro - Centro de Tecnologias Espaciais (CTE) Dr. Manoel Alonso Gan - Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos (CPT) Dr a Maria do Carmo de Andrade Nono - Conselho de Pós-Graduação Dr. Plínio Carlos Alvalá - Centro de Ciência do Sistema Terrestre (CST) BIBLIOTECA DIGITAL: Dr. Gerald Jean Francis Banon - Coordenação de Observação da Terra (OBT) Clayton Martins Pereira - Serviço de Informação e Documentação (SID) REVISÃO E NORMALIZAÇÃO DOCUMENTÁRIA: Simone Angélica Del Ducca Barbedo - Serviço de Informação e Documentação (SID) Yolanda Ribeiro da Silva Souza - Serviço de Informação e Documentação (SID) EDITORAÇÃO ELETRÔNICA: Marcelo de Castro Pazos - Serviço de Informação e Documentação (SID) André Luis Dias Fernandes - Serviço de Informação e Documentação (SID)

3 aa/bb/cc/dd-ntc ELETRÔNICA DIGITAL DE AQUISIÇÃO DE DADOS PARA DETECTORES SEMICONDUTORES DE RADIAÇÃO NUCLEAR Cesar Strauss URL do documento original: < INPE São José dos Campos 2016

4 Cutter Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) Sobrenome, Nomes. Eletrônica digital de aquisição de dados para detectores semicondutores de radiação nuclear / Nome Completo do Autor1; Nome Completo do Autor2. São José dos Campos : INPE, xiii + 11 p. ; (aa/bb/cc/dd-ntc) 1. Palavra chave. 2. Palavra chave 3. Palavra chave. 4. Palavra chave. 5. Palavra chave I. Título. CDU Esta obra foi licenciada sob uma Licença Creative Commons Atribuição-NãoComercial 3.0 Não Adaptada. This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 3.0 Unported License. Informar aqui sobre marca registrada (a modificação desta linha deve ser feita no arquivo publicacao.tex). ii

5 AGRADECIMENTOS Agradecemos à FINEP, CNPq e FAPESP pelo suporte finaneiro. Agradecemos também a Fernando G. Blanco, Sérgio Admirábile, Leonardo Pinheiro e Fernando Orsatti pelo inestimável suporte técnico. iii

6

7 RESUMO Neste trabalho apresenta-se uma eletrônica digital desenvolvida para a camara de raios-x do experimento protomirax. O hardware que implementa a aquisição de dados foi programado em um componente CPLD (Complex Programmable Logic Device). Descreve-se uma visão geral da implementação do hardware e software a partir da descrição de seus módulos. Palavras-chave: protomirax. CPLD. detector de raios-x. v

8

9 DIGITAL DATA ACQUISITION ELECTRONICS FOR SEMICONDUCTOR DETECTORS OF NUCLEAR RADIATION ABSTRACT This work presents a digital electronics develped for the X-ray camara of the protomirax experiment. The hardware that implements the data acquisition was programmed in a CPLD (Complex Programmable Logic Device). It is described a general vision of the hardware and software implementation by describing its modules. Keywords: protomirax. CPLD. X-ray detectors. vii

10

11 LISTA DE FIGURAS Pág. 1.1 Interface da eletrônica digital (versão final 13 13) Interface da eletrônica digital (versão protótipo 3 3) Implementação do CPLD do ADC ix

12

13 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ADC Conversor Analógico-Digital CNPq Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CPLD Complex Programmable Gate Array CZT Cádmio Zinco Telurídico FAPESP Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo FIFO First In, First Out FINEP Financiadora de Estudos e Projetos FPGA Field Programmable Gate Array GPS Sistema de Posicionamento Global MUX Multiplexador xi

14

15 SUMÁRIO Pág. 1 INTRODUÇÃO Placa ADC O módulo demux O módulo fifo O módulo xmit_pair O módulo uart Software de aquisição Conclusão e passos futuros REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS xiii

16

17 1 INTRODUÇÃO O experimento protomirax consiste em telescópio de raios-x com máscara codificada, lançado em balão, com objetivo de validar tecnologias para o futuro experimento espacial Mirax. A câmara de raios-x desse telescópio contem uma matriz de elementos detectores com tecnologia CZT. Os eventos que atingem esses detectores são amplificados na eletrônica analógica e convertidos em pulsos digitais com duração proporcional à energia. O objetivo da eletrônica digital, descrita neste documento, é medir a duração desses pulsos, identificar o detector correspondente, registrar o instante de ocorrência e transmitir os eventos ao computador de bordo. Para maiores detalhes, ver (BRAGA et al., 2015). A Figura 1.1 mostra a arquitetura da versão final A eletrônica digital recebe os pulsos dos detectores 1 a 169 através das placas ADC. Cada uma das 13 placas ADC converte 13 pulsos e envia para o MUX. O MUX multiplexa os eventos recebidos pelos ADC, juntamente com a informação de tempo do GPS, e envia ao computador de bordo. A Figura 1.2 mostra o sistema implementado em laboratório para os testes iniciais, numa versão com arranjo de 3 3 detectores. Essa versão foi desenvolvida rapidamente para permitir testes e ajustes da eletrônica analógica dos detectores. As diferenças são: sem GPS (a datação de eventos pode ser incluída posteriormente), e a substituição do MUX e computador de bordo por um software rodando em notebook. eletrônica digital pulsos (1 a 13) ADC 1 pulsos (157 a 169) ADC 13 MUX computador de bordo GPS Figura Interface da eletrônica digital (versão final 13 13) 1

18 eletrônica digital pulsos (1 a 9) ADC computador de aquisição Figura Interface da eletrônica digital (versão protótipo 3 3) 2

19 2 Placa ADC A placa ADC é composta de um CPLD (Complex Programmable Logic Device) que processa os eventos e envia por interface serial ao MUX. A vantagem de usar CPLD é sua capacidade de processar eventos em tempo real com tempo de resposta garantido por projeto. CPLDs, assim como FPGAs (Field Programmable Gate Array) são programado numa linguagem própria para descrição de hardware, o Verilog. A Figura 2.1 mostra os módulos em Verilog que foram implementados. 2.1 O módulo demux O demux é responsável por detectar pulsos dos 13 sinais provenientes da eletrônica analógica, medir sua duração e escrever na sua saída o identificador do detector e a largura do pulso. O módulo é composto de 13 detectores de pulso independentes. Quando chega uma borda de subida, o detector de pulsos inicia a contagem. Na borda de decida, a contagem é armazenada numa memória e o contador é zerado. Se o contador transborda para zero, a contagem é suspensa, ou seja, o valor zero indica a saturação do detector de pulso. Os valores possíveis para uma contagem não-saturada variam de 1 a 255. O demux faz a varredura sequencial das memórias até encontrar uma memória ocupada. A memória selecionada é conectada à saída do módulo demux. Após a memória ser lida pelo módulo conectado na saída, a varredura é retomada. Nota-se que, se uma memória está ocupada esperando ser lida, ela ignora todos os novos pulsos do respectivo detector. Em regime de operação normal, esse tempo morto é definido pela taxa de leitura do módulo conectado à saída (no caso, a fifo). 2.2 O módulo fifo Na placa do ADC, ao lado do CPLD, existe um componente de memória de duas portas denominado FIFO. Ele implementa uma fila de eventos que aguardam serem transmitidos ao computador de bordo. O módulo fifo, no CPLD, implementa o protocolo de sinalização com a FIFO de acordo com o seu datasheet. Ao receber demux fifo xmit_pair uart Figura Implementação do CPLD do ADC 3

20 um dado novo na sua porta de entrada, o módulo escreve esse dado na FIFO. Da mesma forma, ao detectar um dado novo na FIFO, o módulo escreve esse dado na sua porta de saída. O módulo desenvolvido tem a capacidade de recusar dados novos na situação em que a FIFO esteja cheia. Nesse caso, a varredura do demux é interrompida e os eventos novos são perdidos. Outra possibilidade é deixar a própria FIFO descartar os dados novos automaticamente, o que simplifica o módulo. Nesse caso, a varredura do demux não é interrompida, mas os eventos novos são perdidos enquanto a FIFO não esvaziar. Outra possibilidade é evitar que a FIFO fique cheia, descartando os eventos antigos ao invés dos novos. Isso parece ser mais razoável, mas aumenta a complexidade do módulo. Em todo caso, não se prevê o transbordamento da FIFO nas condições normais de operação do experimento. 2.3 O módulo xmit_pair O módulo fifo armazena palavras de até 36 bits. No caso do protótipo 3 3, cada evento ocupa dois bytes: um identificador (1 byte) e a largura do pulso (1 byte). Por outro lado, a uart aceita apenas um byte por vez. A função deste módulo xmit_pair é ler um evento da fifo e escrever os dois bytes sequencialmente na uart. 2.4 O módulo uart O módulo uart recebe e transmite dados na porta serial RS-485. Até o momento, no protótipo 3 3, utiliza-se apenas a transmissão, mas a versão final terá ambos. Devido à natureza half-duplex da porta, a transmissão só é iniciada após um atraso relativo ao término da recepção atual, se houver. Da mesma forma, a recepção não é permitida enquanto estiver transmitindo. O receptor amostra o estado da porta no centro de cada bit, sincronizando-se com o start bit. O transmissor serializa o dado de entrada após inserir o start bit e o stop bit. O gerador de baud rate gera uma frequência próxima à taxa de bit. Isso é feito acumulando um valor apropriado num contador, de tal maneira que o carry-out desse contador ocorra na cadência aproximada da taxa de bit. Isso gera um pequeno ruído de fase que desaparece na média. 4

21 3 Software de aquisição Foi desenvolvido software de aquisição suficiente para implementar a aquisição de dados do protótipo 3 3. O programa multi_3x3 monitora a porta serial e gera saída ASCII na forma de duas colunas: identificador e energia. Um segundo software pode ser encadeado a este, acumulando os eventos e desenhando um histograma de energia. 5

22

23 4 Conclusão e passos futuros Foi desenvolvido a programação do CPLD do ADC que permitiu o teste de praticamente todas as suas funcionalidades e permitiu os testes, ajustes e caracterização da eletrônica analógica. Os módulos foram desenvolvidos em linguagem Verilog, sendo testados e simulados individualmente antes de serem integrados na versão do protótipo 3 3. Os próximos passos do desenvolvimento são: a) Estudar sobre programação de microcontroladores ARM. b) Testar os periféricos da MUX (UART e memória FLASH). c) Implementar o timestamp dos eventos na placa ADC. d) Implementar os protocolos de comunicação ADC-MUX e MUX-SGB e) Testar com dois ou mais ADCs no mesmo barramento. 7

24

25 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BRAGA, J.; D AMICO, F.; AVILA, M. A.; PENACCHIONI, A. V.; SACAHUI, J. R.; JR, V. A. d. S.; MATTIELLO-FRANCISCO, F.; STRAUSS, C.; FIALHO, M. A. The protomirax hard x-ray imaging balloon experiment. arxiv preprint arxiv: ,

26

27 PUBLICAÇÕES TÉCNICO-CIENTÍFICAS EDITADAS PELO INPE Teses e Dissertações (TDI) Teses e Dissertações apresentadas nos Cursos de Pós-Graduação do INPE. Notas Técnico-Científicas (NTC) Incluem resultados preliminares de pesquisa, descrição de equipamentos, descrição e ou documentação de programas de computador, descrição de sistemas e experimentos, apresentação de testes, dados, atlas, e documentação de projetos de engenharia. Propostas e Relatórios de Projetos (PRP) São propostas de projetos técnicocientíficos e relatórios de acompanhamento de projetos, atividades e convênios. Publicações Seriadas São os seriados técnico-científicos: boletins, periódicos, anuários e anais de eventos (simpósios e congressos). Constam destas publicações o Internacional Standard Serial Number (ISSN), que é um código único e definitivo para identificação de títulos de seriados. Manuais Técnicos (MAN) São publicações de caráter técnico que incluem normas, procedimentos, instruções e orientações. Relatórios de Pesquisa (RPQ) Reportam resultados ou progressos de pesquisas tanto de natureza técnica quanto científica, cujo nível seja compatível com o de uma publicação em periódico nacional ou internacional. Publicações Didáticas (PUD) Incluem apostilas, notas de aula e manuais didáticos. Programas de Computador (PDC) São a seqüência de instruções ou códigos, expressos em uma linguagem de programação compilada ou interpretada, a ser executada por um computador para alcançar um determinado objetivo. Aceitam-se tanto programas fonte quanto os executáveis. Pré-publicações (PRE) Todos os artigos publicados em periódicos, anais e como capítulos de livros.