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Auger APC

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Station LocaleAcces restreint


Chacune des 1600 Stations Locales du Site Argentin est composée de: Le laboratoire a pris une part prépondérante dans la définition, la réalisation et le test de l'électronique et du système d'acquisition de ces stations.

ElectroniqueAcces restreint


La carte FrontEnd permet l'acquisition des signaux des PMs, leur numérisation et leur sélection. Les signaux des six canaux d'entrées analogiques constitués par trois anodes et trois dynodes sont mis en forme et amplifiés. Les données sont stockées dans des mémoires de type FIFO (deux mémoires de 1024 octets par voie permettant de minimiser le temps mort).
La sélection des signaux est réalisée par plusieurs fonctions de déclenchement (triggers numériques) en amplitude et en temps. Lorsqu'un signal est sélectionné, une demande d'interruption est transmise au processeur de la Carte Unifiée (UB) qui autorise alors le transfert des données vers les mémoires dynamiques situées sur cette carte.

Le contrôleur de station est la partie intelligente de l'UB. Il permet le contrôle de l'ensemble de la station locale. Il est constitué de quatre grandes fonctions: Un LED Flasher permet de générer des impulsions lumineuses (108 photons par impulsion) à l'aide de 2 diodes électroluminescentes émettant alternativement dans une longueur d'onde proche de l'ultraviolet.
Ce dispositif est utilisé pour tester, calibrer et mesurer la linéarité des photomultiplicateurs.

Description de la carte unifiée

Les contraintes fondamentale de cette électronique sont les suivantes: Les caractéristiques principales de la Carte Unifiée :

Le marquage en temps ou "Time tagging"

Lorsqu'un événement est détecté (génération d'un trigger), un signal d'interruption (EventClock Fast ou Slow) est envoyé à la fonction de marquage en temps qui détermine l'heure précise de détection de cet événement à l'aide d'une horloge 100 MHz. Le module GPS (Ground Positioning System), à partir du signal qu'il reçoit des satellites, génère chaque seconde un top (1PPS : One Pulse Per Second) dont la précision est meilleure que 10 nanosecondes (après corrections) et permet de tenir compte des dérives de l'horloge 100 MHz.
Le GPS est un module commercial Motorola UT+ connecté sur la carte unifiée par l'intermédiaire d'un connecteur Dubox 10 points. Pour le calcul du temps précis, le Time Tagging compte le nombre de cycles d'horloge (100 MHz) entre deux 1PPS et en détermine la correction. De plus, sur interrogation, le GPS fournit une correction (le saw tooth)qu'il faut apporter au 1PPS et qui peut varier entre + et -50 nanosecondes. Ces diverses corrections, associées à des techniques de traitement du signal, permettent d'atteindre une précision de 8 nanosecondes.

La première implémentation de cette fonction fut réalisée avec un ALTERA FPGA (10K50EQC208-1) et testée avec succès sur les cuves de l'Engineering Array. Une version ASIC a ensuite été développée et testée dans notre laboratoire puis utilisée sur la Carte Unifiée. Les deux versions ont la même fonctionalité. Les temps d'arrivées des deux triggers générés par le FrontEnd sont enregistrés avec une résolution de 10 ns:
- EVTCLKF (Fast trigger, actif bas): le temps est enregistré aux transitions descendantes et montantes du signal EVTCLKF.
- EVTCLKS (Slow trigger, actif bas): le temps est enregistré uniquement lors de la transition descendante du signal EVTCLKS.

Cet enregistrement du temps est réalisé en deux parties (les noms des compteurs et des registres se réfèrent à la figure ci-contre) :
- Un temps grossier, donné par le signal 1PPS (1Hz) du receveur GPS et incrementé dans le compteur C3 (24 bits). Ce signal 1PPS est la référence temps pour tous les détecteurs de l'Observatoire.
- Un temps , donné par l'horloge à 100 MHz et enregistré dans le compteur C1 (27 bits).

A chacune des transitions du signal EVTCLKF, les 2 temps (grossiers et précis) sont enregistrés dans 2 FIFOs de 64 bits, respectivement M2 et M3.
Lors de la transition descendante du signal EVTCLKS, ces 2 mêmes temps sont enregistrés dans 2 registres de 64 bits, respectivement M4 et M5.
L'horloge à 100 MHz est susceptible de variations à moyen et long termes, dues à différents facteurs ainsi qu'à des distorsions entre les différentes stations. C'est pourquoi nous avons également implémenté une calibration (monitoring) de l'horloge 100 MHz. Ceci est réalisé en enregistrant le compteur free-running C1 (100 MHz), à chaque signal 1PPS, dans le registre M1 (27 bits).

De façon à controler également les possibles variations de l'horloge 40 MHz utilisée pour les Flash ADCs, un autre canal de calibration a été ajouté, identique à celui décrit précédemment. Cette fréquence est également utilisée par le micro contrôleur PPC de la Station Locale. Le 40MHz ( FCPU or SYSCLKBUS) est enregistré par le compteur C2 (free-running) à chaque 1PPS dans le registre M6 (27 bits).

L'analyse du signal de la gerbe (sur l'anode et la dernière dynode de chacun des photomultiplicateurs), mesuré par pas de 25 nanosecondes sur tous les détecteurs touchés, associée à la mesure précise du temps, permet de réaliser un tracé de la forme du front d'onde de la gerbe et d'en déduire la direction d'arrivée du rayon cosmique incident avec une précision meilleure qu'un degré d'angle.
La correction à appliquer à la seconde mesurée pour tenir compte de toutes ces corrections est:
         t(n)= c0*( 109+ ST( n+1)- ST(n)) / Cn+ ST( n)
Avec: t(n): instant dans la seconde
         C0: cycle de la seconde n
         Cn: nombre de cycles d'horloge à 100 MHz entre deux 1PPS
         ST(n) est le saw tooth de la seconde n: valeur fournie par interrogation du GPS.

Le contrôle des paramètres lents ou Slow Control

Cette fonction permet le contrôle du détecteur: commande des tensions appliquées sur les photomultiplicateurs, contrôle du LED Flasher, mesure des paramètres à variation lente (utilisés pour calibrer le détecteur) que sont les tensions et les courants des photomultiplicateurs, les températures, ...
Le Slow Control est composeé de 29 entrées de mesures analogiques sur une gamme de 0 à 5 Volts, de 4 sorties analogiques sur une gamme de 0 à 2.5 Volts et de plusieurs entrées et sorties numériques.
Un convertisseur analogique numérique (ADC: Analogic Digital Converter) de 12 bits permet la numérisation des mesures analogiques. 24 voies d'entrés analogiques sont multiplexées afin d'être lues par 3 entrées du convertisseur 8 voies. Les 5 autres entrées permettent la lecture directe des tensions et de la température de la carte. Les principales mesures analogiques sont les températures, tensions et courants pour chacun des photomultiplicateurs, la température de la carte unifiée, les diverses alimentations distribuées et les tensions, courants et températures des batteries et panneaux solaires. Il reste 2 entrées libres (réservées à la mesure de la température de l'eau).

Les quatre tensions de sortie analogiques sont délivrées à l'aide d'un convertisseur numérique analogique (DAC : Digital Analogic Converter) de 12 bits et amplifiées en sortie à l'aide d'amplificateurs opérationels. Trois sorties commandent les tensions appliquées sur chacun des trois PM et une sortie contrôle le LED Flasher. Enfin, les entrées et les sorties numériques permettent notamment la génération d'un déclenchement externe vers le Front End, la lecture de la présence d'une carte Ethernet connectée par l'intermédiaire du connecteur prévu à cet effet, la génération des signaux de contrôle des multiplexeurs du Slow Control et la gestion des signaux de contrôle de la fonction TPS.

Système d'acquisition temps réelAcces restreint


Le software d'acquisition tournant actuellement dans chacune des Stations Locales (SL) est démarré dès la mise sous tension ainsi qu'à chaque REBOOT.
Durant les premières années de fonctionnement, plusieures modifications de ce software ont été effectuées. Il est plus que vraisemblable qu'il y en aura encore d'autres pendant les 3 ou 4 prochaines.
Le danger de cette procédure provient de ce que l'on peut transferer une version erronée de ce software conduisant à un crash de la station. La station va alors effeutuer un REBOOT, puis un nouveau crash etc. Si le temps entre un REBOOT et un crash est suffisamment long pour permettre à la Station Centrale (SC)d'envoyer une commande permettant d'arréter l'acquisition, le malheur n'est pas trop grand. On pourra en effet downloader une version corrigée (ou revenir à l'ancienne version) et faire un nouveau REBOOT.
Par contre, si le crash survient peu de temps après un REBOOT, la station va alors entrer dans un cycle perpétuel REBOOT-crash-REBOOT ...
Le seul moyen de redémarrer le réseau est alors de visiter chaque cuve, l'une après l'autre pour remettre les choses en place. Cette situation devient très grave quand le nombre de cuves à visiter devient grand, ce qui est déjà le cas.

La partie du software qui évolue encore concerne, bien évidemment, les triggers, la qualibration, etc... En bref, tout ce qui touche aux données elles-mêmes. Par contre, la partie gestion du système est stable et n'a plus de raison de varier.

C'est pourquoi nous avons séparé le software en deux parties bien distinctes :

Les services

Les services représentent l'ensemble des tâches lancées au REBOOT. Il s'agit :

L'acquisition

C'est désormais la SC qui prendra l'initiative, par un message adressé au "Serveur de Commandes", de lancer les tâches d'acquisition.
Ces dernières pourront envoyer et recevoir des messages via les Serveurs de Messages, par des mécanismes d'enregistrement sécurisés.

Les futurs changements de software ne concernant que la partie Acquisition, une version erronée entrainant un crash entrainera un REBOOT de la SL qui se retrouvera avec la partie Services en ordre de marche. La SC pourra alors tout naturellement downloader une version corrigée ou la version antérieure non buggée.

Cette deuxième version du software des SL devrait être testée sur un lot restreint de détecteurs dans la Pampa en novembre prochain.