Cˇeske´ vysoke´ ucˇenı´ technicke´ v Praze Fakulta jaderna´ a fyzika´lneˇ inzˇeny´rska´ Katedra fyzika´lnı´ elektroniky
Modul pro Time Correlated Photon Counting Rocˇnı´kova´ pra´ce
Autor pa´ce: Sˇkolitel: Konzultant: Sˇkolnı´ rok:
Jakub Ka´kona Ing. Jan Kodet Prof. Ing. Ivan Procha´zka, DrSc. 2010/2011
Prohlasˇuji, zˇe jsem prˇedlozˇenou pra´ci vypracoval samostatneˇ a zˇe jsem uvedl vesˇkerou pouzˇitou literaturu.
Podpis studenta
Praha, xx.xx.2011
Jakub Ka´kona
2
Obsah 1
Zada´nı´ pra´ce 1.1 Cˇasoveˇ digita´lnı´ prˇevodnı´k (TDC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
Realizace 2.1 Testovacı´ prototypy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Mikroprocesory . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Kalibracˇnı´ oscila´tor . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Teplotnı´ kalibrace . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Firmware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Meˇrˇ´ıcı´ mo´d 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Meˇrˇ´ıcı´ mo´d 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Fire generator - generova´nı´ spousˇteˇcı´ho signa´lu 2.3.4 Meˇrˇenı´ teploty . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.5 Datovy´ vy´stup . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
4
1
3 3
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
4 5 5 11 11 12 12 13 13 13 13 13
Vy´sledky 3.1 Pouzˇitı´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Mozˇnosti dalsˇ´ıho vy´voje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Komunikacˇnı´ protokol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Specia´lnı´ zpracova´nı´ rychly´ch vstupnı´ch a vy´stupnı´ch signa´lu˚
. . . .
. . . .
. . . .
15 15 15 15 15
Za´veˇr
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
15
Zada´nı´ pra´ce
Prˇedmeˇtem te´to pra´ce je na´vrh konstrukce prˇ´ıstroje urcˇene´ho k meˇrˇenı´ kra´tky´ch cˇasovy´ch intervalu˚ va´zany´ch na elektricke´ impulznı´ signa´ly. Kra´tky´m cˇasovy´m intervalem se v tomto prˇ´ıpadeˇ rozumı´ rˇa´doveˇ desı´tky piko sekund azˇ jednotky mikrosekund. Od prˇ´ıstroje tohoto typu je obvykle vyzˇadova´no velke´ cˇasove´ rozlisˇenı´ (65ps). Prˇ´ıstroj pak ma´ sˇiroke´ uplatneˇnı´ v medicı´neˇ pru˚myslu, kosmicke´m vy´zkumu a v experimenta´lnı´ch prˇ´ıstrojı´ch fyziky vysoky´ch energiı´.
1.1
Cˇasoveˇ digita´lnı´ prˇevodnı´k (TDC)
Nejjednodusˇsˇ´ım zpu˚sobem elektronicke´ho meˇrˇenı´ cˇasovy´ch intervalu˚ je pouzˇitı´ cˇ´ıtacˇe a oscila´toru. Cˇ´ıtacˇ pak pocˇ´ıta´ pocˇet period oscila´toru mezi prˇ´ıchozı´mi pulzy pro start a stop signa´l. Toto rˇesˇenı´ ale zacˇ´ına´ by´t se zkracujı´cı´mi se intervaly velmi neprakticke´, jelikozˇ pro zı´ska´nı´ velke´ho cˇasove´ho rozlisˇenı´ je trˇeba vysoka´ frekvence velice prˇesne´ho oscila´toru. Navı´c pro pozˇadovane´ cˇasove´ rozlisˇenı´ asi 65ps by nutna´ frekvence oscila´toru byla zhruba 15,3GHz, cozˇ je ale se soucˇasnou digita´lnı´ technikou neproveditelne´. Nezanedbatelna´ je za´rovenˇ take´ potrˇebna´ de´lka extre´mneˇ rychle´ho cˇ´ıtacˇe, ktera´ by pro prakticke´ pouzˇitı´ dosahovala desı´tek bitu˚. 3
K meˇrˇenı´ se proto pouzˇ´ıva´ vhodneˇjsˇ´ıho principu a to sˇ´ırˇenı´ postupne´ vlny v sofistikovane´m rˇeteˇzci logicky´ch hradel. Ideove´ zna´zorneˇnı´ je na 1.1. Metoda funguje tak, zˇe prˇ´ıchozı´m startovacı´m impulzem je v rˇeteˇzci vygenerova´na postupna´ vlna, ktera´ se sˇ´ırˇ´ı po jednotlivy´ch hradlech azˇ do doby, nezˇ je pomocı´ nadrˇazene´ logiky zamezeno jejı´mu sˇ´ırˇenı´ prˇ´ıchozı´m stop pulsem. Na´sledneˇ je pak podle pocˇtu prˇeklopeny´ch hradel mezi pulzy START a STOP mozˇne´ urcˇit de´lku cˇasove´ho intervalu. Metoda tedy vyuzˇ´ıva´ konecˇnou rychlost sˇ´ırˇenı´ signa´lu prˇes hradla a jejı´ prˇesnost za´visı´ na mnoha faktorech, jako je naprˇ´ıklad geometrie cˇipu nebo zapojenı´ rˇeteˇzce.
Obra´zek 1: Ideove´ sche´ma meˇrˇ´ıcı´ jednotky TDC
Zajı´mavy´m proble´mem te´to metody je potrˇeba omezit pocˇet hradel v rˇeteˇzci na minima´lnı´ mnozˇstvı´, nebot’ tak lze le´pe udrzˇet linearitu meˇrˇenı´ a zjednodusˇit vy´robu. Jednou z mozˇnostı´, jak tento proble´m vyrˇesˇit je zkombinovat meˇrˇenı´ na rˇeteˇzci s meˇrˇenı´m pomocı´ cˇ´ıtacˇe. Prˇ´ıchodem startovacı´ho pulzu je pak aktivova´na rychla´ meˇrˇ´ıcı´ jednotka, ktera´ meˇrˇ´ı pouze do nejblizˇsˇ´ı hrany hodin cˇ´ıtacˇe. Na´sledneˇ pocˇ´ıta´ cˇ´ıtacˇ intervaly oscila´toru azˇ do doby nezˇ prˇ´ıchozı´ stop impulz aktivuje meˇrˇ´ıcı´ jednotku ktera´ pak domeˇrˇ´ı cˇas do zby´vajı´cı´ hrany hodin. Rozdı´l pak uda´va´ skutecˇnou de´lku intervalu. Tento zpu˚sob meˇrˇenı´ je zna´zorneˇn na obra´zku 1.1. Prˇedpokladem uzˇitı´ tohoto zpu˚sobu meˇrˇenı´ je dostatecˇneˇ stabilnı´ oscila´tor s periodou kratsˇ´ı, nezˇ je meˇrˇ´ıcı´ rozsah rychle´ TDC jednotky.
2
Realizace
Pro konstrukci prˇ´ıstroje byl zvolen cˇip TDC-GP2 od firmy Acam. Tento integrovany´ obvod vyuzˇ´ıva´ k meˇrˇenı´ kra´tky´ch cˇasovy´ch intervalu˚ vy´sˇe popsane´ metody rˇeteˇzoveˇ zapojeny´ch hradel. Blokove´ sche´ma vnitrˇnı´ architektury cˇipu je zna´zorneˇno na 2. Cip obsahuje mnoho dalsˇ´ıch podpu˚rny´ch obvodu˚, ktere´ zjednodusˇujı´ jeho pouzˇitı´ a take´ prˇida´vajı´ dalsˇ´ı funkce (generova´nı´ spousˇteˇcı´ho pulzu pro vy´strˇel LASERu, meˇrˇenı´ teploty atd.). S ohledem na tyto mozˇnosti byla navrzˇena koncepce vy´sledne´ho zarˇ´ızenı´ tak, aby umozˇnila vyuzˇitı´ vsˇech potencia´lnı´ch mozˇnostı´ cˇipu. Blokove´ sche´ma te´to koncepce je na 2. A obsahuje 4
Obra´zek 2: Zpu˚sob prˇesne´ho meˇrˇenı´ delsˇ´ıch cˇasovy´ch u´seku˚
jednak obvody potrˇebne´ pro funkci cˇipu TDC-GP2, jako kalibracˇnı´ oscila´tor a napeˇt’ovy´ stabiliza´tor. Tak i rˇ´ıdı´cı´ mikroprocesor, neˇkolik mozˇny´ch komunikacˇnı´ch rozhranı´ a obvody pro referencˇnı´ meˇrˇenı´ teploty i pro manipulaci se vstupnı´mi a vy´stupnı´mi signa´ly (vstupnı´ signa´l z experimentu mu˚zˇe by´t posˇkozen rusˇenı´m, nebo disperzı´ vedenı´, vy´stupnı´ signa´l musı´ naopak odpovı´dat pozˇadavku˚m experimenta´lnı´ho zarˇ´ızenı´).
2.1
Testovacı´ prototypy
Pro otestova´nı´ funkcˇnosti zvolene´ho cˇipu byly sestaveny dva testovacı´ prototypy, ktere´ se lisˇ´ı, prˇedevsˇ´ım komunikacˇnı´ architekturou a zpu˚sobem generova´nı´ testovacı´ch impulzu˚. Prvnı´ prototyp obsahoval pouze jeden mikroprocesor, ktery´ obstara´val jak komunikaci s meˇrˇ´ıcı´m cˇipem TDC-GP2, tak i generova´nı´ testovacı´ch start-stop impulzu˚. Komunikace a prˇenos dat pak byla rˇesˇena prˇ´ımo programa´torem PICPROGUSB02A. Toto rˇesˇenı´ se po zprovozneˇnı´ za´kladnı´ch funkcı´ meˇrˇ´ıcı´ho cˇipu uka´zalo by´t neprakticke´, nebot’ nezohlednˇovalo rea´lny´ zpu˚sob vzniku meˇrˇeny´ch signa´lu˚, cozˇ pomeˇrneˇ komplikovalo programova´nı´. Navı´c zpu˚sob komunikace mezi rˇ´ıdı´cı´m mikroprocesorem a pocˇ´ıtacˇem nemohl by´t trvaly´m rˇesˇenı´m. Z tohoto du˚vodu byl prˇipraven dalsˇ´ı prototyp. V ktere´m byl rychlejsˇ´ı mikroprocesor dedikova´n pouze pro generova´nı´ testovacı´ch impulzu˚ simulujı´cı´ch rea´lny´ experiment. Pro komunikaci s cˇipem byl pak prˇida´n levneˇjsˇ´ı a pomalejsˇ´ı mikroprocesor a prˇevodnı´k USB232R01B pro se´riovou komunikaci s pocˇ´ıtacˇem.
2.2
Hardware
Pro realizaci vsˇech prototypu˚ experimenta´lnı´ho zarˇ´ızenı´ bylo s vy´hodou vyuzˇito sta´vajı´cı´ho elektronicke´ho vy´vojove´ho syste´mu MLAB, ktery´ byl pro u´cˇely realizace meˇrˇ´ıcı´ho zarˇ´ızenı´ obohacen o novy´ modul GP201A, ktery´ obsahuje cˇip TDC-GP2. Zapojenı´ modulu bylo opeˇt zvoleno tak, aby neomezilo vyuzˇitelne´ mozˇnosti cˇipu. Jeho konkre´tnı´ zapojenı´ je soucˇa´stı´ prˇ´ılohy. Motiv navrzˇene´ho plosˇne´ho spoje je na 2.2. 5
Obra´zek 3: Ideove´ sche´ma cı´love´ho zarˇ´ızenı´
6
Obra´zek 4: Blokove´ sche´ma cˇipu TDC-GP2
7
Obra´zek 5: 1. testovacı´ prototyp
8
Obra´zek 6: 2. testovacı´ prototyp
9
Obra´zek 7: Zpu˚sob propojenı´ modulu˚ 2. prototypu
10
Obra´zek 8: Na´vrh plosˇne´ho spoje modulu GP201A
2.2.1
Mikroprocesory
V prvnı´m prototypu byl k ovla´da´nı´ meˇrˇ´ıcı´ho cˇipu TDC-GP2 vyuzˇit mikroprocesor PIC18F4550 v modulu PIC18F4550v01A, ktery´ za´rovenˇ generoval testovacı´ signa´ly. V na´sledujı´cı´m druhe´m prototypu byl odsunut pouze do pozice genera´toru testovacı´ho signa´lu. A pro obsluhu meˇrˇ´ıcı´ho cˇipu byl prˇida´n mikroprocesor PIC16F887 v modulu PIC16F87xTQ4401B. Jehozˇ parametry jsou dostacˇujı´cı´ pro komunikaci s meˇrˇ´ıcı´m cˇipem i nadrˇazeny´m pocˇ´ıtacˇem. 2.2.2
Kalibracˇnı´ oscila´tor
Princip meˇrˇenı´ cˇipu TDC-GP2 je ze sve´ podstaty za´visly´ na mnoha dalsˇ´ıch promeˇnny´ch (Rychlost prˇekla´peˇnı´ hradel se meˇnı´ naprˇ´ıklad s teplotou a napa´jecı´m napeˇtı´m) a proto je trˇeba meˇrˇ´ıcı´ rˇeteˇzec soustavneˇ a systematicky kalibrovat. K tomu slouzˇ´ı externı´ oscila´tor o ktere´m se prˇedpokla´da´, zˇe ma´ stabilnı´ periodu. Meˇrˇ´ıcı´ rˇeteˇzec TDC cˇipu se pak pouzˇije ke zmeˇrˇenı´ periody oscila´toru a je jej pak mozˇne´ kalibrovat za prˇedpokladu, zˇe vy´stupnı´ digita´lnı´ hodnota z meˇrˇ´ıcı´ho rˇeteˇzce je linea´rnı´ funkcı´ cˇasu. Prˇi na´vrhu konstrukce prototypu bylo vybı´ra´no z cele´ rˇady oscila´toru˚ [viz prˇ´ıloha] a hodnoceny jejich parametry; cena, stabilita a dostupnost. Vy´sledny´m vybrany´m kalibracˇnı´m oscila´torem je SG8002 - 5MHz.
11
2.2.3
Teplotnı´ kalibrace
Samotny´ cˇip TDC-GP2 je vybaven elektronikou urcˇenou k meˇrˇenı´ teploty avsˇak jejı´ princip je zalozˇen meˇrˇenı´ doby na nabı´jenı´ referencˇnı´ho kondenza´toru prˇes staticke´ odpory a termistory - jde tedy o pomeˇrovou metodu. Pouzˇitı´ pomeˇrove´ho meˇrˇenı´ ke korekci teplotnı´ch driftu˚ samotne´ho cˇipu TDC-GP2 by tudı´zˇ bylo problematicke´ navı´c jeho TDC jednotka, kterou chceme teplotneˇ kalibrovat se v tomto meˇrˇenı´ prˇ´ımo vyuzˇ´ıva´. Prototyp byl tedy obohacen o digita´lnı´ teplomeˇr DS18B20 jehozˇ absolutnı´ prˇesnost 0,6K a rozlisˇenı´ 0,01K lze pokla´dat za dostacˇujı´cı´. A lze tedy TDC cˇip spolu s oscila´torem kalibrovat vzhledem k teploteˇ nameˇrˇene´ tı´mto teplomeˇrem.
2.3
Firmware
Firmware mikroprocesoru je napsa´n v jazyce C v prostrˇedı´ CCS C compiler.
Obra´zek 9: Hlavnı´ programova´ smycˇka rˇ´ıdı´cı´ho mikrokontrole´ru PIC16F887
Programova´ smycˇka rˇ´ıdı´cı´ho mikrokontrole´ru je navrzˇena tak, aby umozˇnila realizovat oba meˇrˇ´ıcı´ rezˇimy TDC cˇipu. K ovla´da´nı´ TDC-GP2 byla vytvorˇena knihovna, ktera´ umozˇnˇuje nastavit vsˇechny mozˇnosti cˇipu. Obsahuje take´ neˇkolik funkcı´ vysˇsˇ´ı u´rovneˇ, ktere´ se ty´kajı´ ovla´da´nı´ urcˇite´ho meˇrˇ´ıcı´ho mo´du cˇipu. TDC-GP2 ma´ dva hlavnı´ cˇasove´ meˇrˇ´ıcı´ mo´dy, lisˇ´ı se prˇedevsˇ´ım v rozsahu meˇrˇene´ho intervalu a pocˇtem kana´lu˚ na ktery´ch je mozˇne´ sledovat STOP impuls.
12
Obra´zek 10: Pru˚beˇh meˇrˇenı´ v cˇipu GP2 beˇhem meˇrˇ´ıcı´ho mo´du 1.
2.3.1
Meˇrˇ´ıcı´ mo´d 1
2.3.2
Meˇrˇ´ıcı´ mo´d 2
2.3.3
Fire generator - generova´nı´ spousˇteˇcı´ho signa´lu
Oba meˇrˇ´ıcı´ mo´dy cˇipu umı´ za´rovenˇ vyuzˇ´ıt takzvany´ ”Fire generator”, ktery´ slouzˇ´ı k vygenerova´nı´ spousˇteˇcı´ho signa´lu pro zacˇa´tek meˇrˇenı´. (Naprˇ´ıklad vy´strˇel LASERu). K tomu v knihovneˇ opeˇt existujı´ potrˇebne´ prostrˇedky. 2.3.4
Meˇrˇenı´ teploty
Prˇi meˇrˇenı´ teploty cˇipem TDC-GP2 je trˇeba jej resetovat do tova´rnı´ho nastavenı´ a na´sledneˇ nastavit pocˇet meˇrˇeny´ch kana´lu˚ (Dva nebo cˇtyrˇi). Dalsˇ´ı nastavenı´ nenı´ trˇeba prova´deˇt. A lze rovnou spustit meˇrˇenı´ funkcı´ DOPLNIT. Firmware je od druhe´ho prototypu nakonfigurova´n tak, zˇe automaticky meˇrˇ´ı vsˇechny cˇtyrˇi mozˇne´ teplotnı´ kana´ly a navı´c prˇecˇte i digita´lnı´ senzor teploty DS18B20. Nameˇrˇeny´ vy´stup ze cˇtyrˇ pomeˇrovy´ch termocˇla´nkovy´ch teplomeˇrny´ch kana´lu˚ nenı´ firmwarem nijak zpracova´va´n a jeho vyhodnocenı´ je ponecha´no na uzˇivateli. 2.3.5
Datovy´ vy´stup
Datovy´ vy´stup je podobny´ zna´me´mu GPS textove´mu forma´tu NMEA. Zde je prˇ´ıklad vy´stupnı´ch dat:
13
Obra´zek 11: Pru˚beˇh meˇrˇenı´ v cˇipu GP2 beˇhem meˇrˇ´ıcı´ho mo´du 2.
14
Vy´stupnı´ data jsou odesı´la´na na se´rovy´ port s parametry 9800 8N1. A ke sbeˇru dat lze pouzˇ´ıt libovolny´ textovy´ termina´l.
3
Vy´sledky
Na dvou prototypech byla oveˇrˇena funkcˇnost cˇipu TDC-GP2 a
3.1
Pouzˇitı´
Po vybavenı´ prˇ´ıstroje potrˇebny´mi opticky´mi elementy ke pak mozˇne´ jej pouzˇ´ıt k laserove´mu meˇrˇenı´ vzda´lenostı´. Nebo i pro Time Correlated Photon Countig a v dalsˇ´ıch aplikacı´ch.
3.2
Mozˇnosti dalsˇ´ıho vy´voje
Dalsˇ´ı vy´voj zarˇ´ızenı´ by jizˇ meˇl by´t cı´len na konkre´tnı´ aplikaci ve ktere´ bude prˇ´ıstroje nasazen. Aktua´lnı´ stav je dobry´m vy´chozı´m bodem pro nasazenı´ v konkre´tnı´ch experimentech. 3.2.1
Komunikacˇnı´ protokol
Pouzˇity´ komunikacˇnı´ protokol je du˚sledkem postupne´ho vy´voje prototypu˚ a pro 3.2.2
Specia´lnı´ zpracova´nı´ rychly´ch vstupnı´ch a vy´stupnı´ch signa´lu˚
Samotny´ cˇip TDC-GP2 pouzˇ´ıva´ jako vstupnı´ a vy´stupnı´ signa´l logicke´ u´rovneˇ 5V CMOS. To nemusı´ by´t pro neˇktere´ aplikace vhodne´, jednak kvu˚li komplikacı´m s vedenı´m jednoduche´ho CMOS signa´lu na delsˇ´ı vzda´lenosti a potom i z hlediska ochrany samotne´ho obvodu prˇed posˇkozenı´m externı´m zarˇ´ızenı´m. Do budoucna byl proto prˇipraven neˇkolik za´kladnı´ch modulu˚ umozˇnujı´cı´ch interakci s jiny´mi prˇ´ıstroji. Patrˇ´ı mezi neˇ prˇevodnı´k TTL na PECL, vy´stupnı´ PECL signa´l je pak diferencia´lnı´ a lze jej proto snadno odva´deˇt na velke´ vzda´lenosti kvalitnı´m diferencia´lnı´m vedenı´m, jako jsou naprˇ´ıklad kabely SATA, nebo UTP kabely bez rizika posˇkozenı´ signa´lu elektrickou interferencı´. Stejny´ prˇevodnı´k (Osazeny´ jiny´m IO) pak lze pouzˇ´ıt i k prˇevedenı´ PECL signa´lu zpeˇt na TTL a dovedenı´m pouze na kra´tkou vzda´lenost. Proble´my kompatibility CMOS a TTL lze pak v takove´m prˇ´ıpadeˇ zanedbat. V prˇ´ıpadeˇ zˇe by bylo prˇesto nutne´ sta´le pouzˇ´ıvat CMOS signa´l a hrozilo by narusˇenı´ jeho integrity disperzı´ vedenı´ nebo jiny´mi vlivy, tak lze zarˇ´ızenı´ snadno dovybavit rychly´m kompara´torem, jako je naprˇ´ıklad neˇktery´ z ADCMP551/ADCMP552/ADCMP553.
4
Za´veˇr
Vy´sledkem pra´ce je prˇ´ıstroj, ktery´ lze bez za´sadnı´ch u´prav vyuzˇ´ıt k meˇrˇenı´ kra´tky´ch cˇasovy´ch intervalu˚ v laboratornı´ch experimentech. Zarˇ´ızenı´ je za´rovenˇ dostatecˇneˇ flexibilnı´ pro potrˇebne´ u´pravy neˇktery´ch specia´lnı´ch aplikacı´ch, ktere´ zatı´m nelze prˇedvı´dat. 15
Obra´zek 12: Na´vrh desky plosˇne´ho spoje prˇevodnı´ku TTL na PECL a opacˇneˇ.
Reference [1]
16
