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Acquisition capteur CMOS (Mimosa 26) en μTCA pour QAPIVI

Loup Balleyguier

DAQ QAPIVI 14/11/13

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Plan1. Besoins2. Architecture du système d’acquisition3. Connectique4. Interface homme machine5. Format des données6. Tests et validation

7. Vers le 10 Gb/s8. Evolutions possibles

DAQ QAPIVI 14/11/13

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Besoins11

DAQ QAPIVI

4 / 38Acquisition de M26

Lire les données envoyés par 8 capteurs M26 (trajectométrie)

1

DAQ QAPIVI

5 / 38DAQ actuelle

La chaîne d’acquision de Strasbourg• Source non disponible, évolution délicate

• Ne peut fonctionner qu’avec 8 capteurs

• A base d’un PXI, intégration difficile avec le futur des autres projets autours de l’hadronthérapie (gamhadron, ENVision, etc.)

1

DAQ QAPIVI

6 / 38Nouvelle DAQ

Objectifs

• Plus de flexibilité

• A base de μTCA (nombreux protocoles séries rapide supportés, orienté réseaux)

• Ouvert aux modifications (au moins pour nous)

1

DAQ QAPIVI

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Architecture du système d’acquisition

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DAQ QAPIVI

8 / 38Synoptique global2

DAQ QAPIVI

Gigabits Ethernet

Rack µTCA

MCH

FMC

S4-AMC

Fon

d de

pan

ier

Câble VHDCI68

Carte interface

Télescope EUDET

Signaux de Contrôle

Signaux de données

Signaux JTAG

Signaux NIM externe

FPGA

9 / 38Système d’acquisition

Carte d’interface

• Simplifier le câblage avec le télescope

• Regrouper certains signaux

• Amener des signaux extérieurs (trigger)

2

DAQ QAPIVI

10 / 38Système d’acquisition

• Carte AMC du commerce avec un FPGA

• Envoi des signaux de contrôle

• Lectures des données, mise en forme et envoi au PC

2

DAQ QAPIVI

Carte d’acquisition

11 / 38Système d’acquisition

Le PC d’acquisition• Interface avec la carte AMC (via MCH)

• Récupère les données (par lien gigabit)

• Écrit sur disque les données (rapide !)

2

DAQ QAPIVI

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Connectique33

DAQ QAPIVI

13 / 38Connectique du télescope

• 11 signaux par capteur => beaucoup de fils

• On garde la connectique tel quel pour être compatible avec la daq de Strasbourg

3

Signaux LVDS dans câbles RJ45

DAQ QAPIVI

(if it works, don’t break it)

14 / 38Connectique interface-acquisition3

DAQ QAPIVI

Un seul câble VHDCI concentre tous les signaux

Contrôle

JTAG

Alimentation

Trigger

Données

Tout en 1

15 / 38Connectique μTCA-PC3

DAQ QAPIVI

Câble Ethernet classique (devrait changer)

16 / 38

Interface homme machine44

DAQ QAPIVI

17 / 38Interface en console4

DAQ QAPIVI

Un menu en mode texte• Configurer les capteurs depuis un fichier donné

• Tester si le câblage est correct

• Lancer une acquisition d’un nombre de frames (ou d’évènement) donné

• Faire un reset

18 / 38Fichiers de configuration

• Création des fichiers de configurations avec la gui

• Écrire un fichier principal qui associe à chaque capteurs un fichier

• On peut avoir moins de 8 capteurs

4

Réutilisation du logiciel de Strasbourg

DAQ QAPIVI

19 / 38Fichier principal de configuration4

Indique la position des capteurs dans la chaîne JTAG et leur fichier de configuration associé

DAQ QAPIVI

QAPIVI Telescope JTAG Filechain: 1 2 4 5 6 7 81:D:\ACQUISITION\conf\dev1.txt2:D:\ACQUISITION\conf\dev2.txt4:D:\ACQUISITION\conf\dev4.txt5:D:\ACQUISITION\conf\dev5.txt6:D:\ACQUISITION\conf\dev6.txt7:D:\ACQUISITION\conf\dev7.txt8:D:\ACQUISITION\conf\dev8.txt

Dans cet exemple, le capteur 3 est absent de la chaîne et l’acquisition peut tout de même avoir lieu

20 / 38Log supplémentaire

• Utile principalement pour du debug

• Envoyé par udp, sur le port 6200

• Un script python permet de visualiser ces messages

4

20DAQ QAPIVI

Le firmware du FPGA envoi quelques informations

21 / 38

Format des données55

DAQ QAPIVI

22 / 38Frame bundle

• Les données bruts des états des 8 capteurs sont concaténés dans un frame bundle

• Chaque frame bundle possède une entête avec diverses informations

5

Le télescope envoi 8 frames synchronisées

DAQ QAPIVI

0x11DD (max)

En-tête0x0

0xC

Pixel states Data

Espace d’adresse par mot de 32 bits

23 / 38Frame bundle (suite)

• Un mot sentinelle (0xBAADF00D)

• La taille total du frame bundle

• Le numéro de frame

• Table des offsets pour chacune des sous-frames

• Information de trigger

• Synchronisation

5

L’entête est constitué de

DAQ QAPIVI

0x0

0xC

Espace d’adresse par mot de 32 bits

0xBAADF00DTotal size

Frame countOffset sensor 1Offset sensor 2Offset sensor 3Offset sensor 4Offset sensor 5Offset sensor 6Offset sensor 7Offset sensor 8

Trig infoStatus

24 / 38Information de trigger5

Les inpulsions de trigger (ext1) sont enregistrées dans un mot de 32 bits

DAQ QAPIVI

31 0

keepRow address

110

Reserved Trig countov

11141530

• Numéro de la ligne au premier trigger de la frame

• Compteurs 4 bits du nombre de trigger

• Overflow du compteur

• Bit de decision pour garder la frame en mode triggé (non implémenté)

25 / 38Synchronisation5

S’assurer de la synchronisation de la lecture

DAQ QAPIVI

Vérification des headers trailers sur chaque lignes de données de chaque capteur

31 8 0123

h0h1t0t1

Sensor 1

h0h1t0t1

Sensor 2

h0h1t0t1

Sensor 3

h0h1t0t1

Sensor 8

………

456730 29 28 11 10 9

26 / 38Fichier de données

• Les frames bundles sont concaténés dans un fichier binaire

• Si ce fichier est trop gros, un nouveau est crée

• Un ficher d’index en mode texte stocke les offsets de frame bundles block (paquets de frame bundles)

5

Sur le PC

DAQ QAPIVI

27 / 38Analyse des données

• Un ensemble de fonctions et structures en langage C

• Service minimal, lire les données d’un run et les mapper sur des structures appropriés en mémoire

• Tolérance au fautes, la lecture essaye de reprendre correctement en cas de fichier mal formé

5

Bibliothèque de lecture des fichiers de données

DAQ QAPIVI

28 / 38

Tests et validation66

DAQ QAPIVI

29 / 38Configuration

• Les capteurs sont chargé avec des headers et trailers connus

• La visualisation des trame à l’oscilloscope, confirme que l’on a bien les headers attendus

6

Validation de la configuration

DAQ QAPIVI

30 / 38Acquisition

• Les capteurs peuvent être placé dans un mode de test, ils envoient alors des trames connus (et paramétrable)

• Coté PC, les frames reçues sont comparés au frame attendus

6

Validation l’acquisition

DAQ QAPIVI

31 / 38Écriture sur le disque

• Tests de grosse acquisition (plusieurs millions de frames)

• Vérification a posteriori que le volume des données écrites correspond bien au nombre attendu

• Analyse des données pour s’assurer qu’elles sont cohérentes

6

Validation de gros volume d’écriture

DAQ QAPIVI

32 / 38Analyse des données5

Exemple d’une frame de test

DAQ QAPIVI

Daq StrasbourgDaq Lyon

33 / 38

Vers le 10GbE77

DAQ QAPIVI

34 / 38Ne pas perdre de frames

• Avec le débit actuel on perd donc 20% des frames dans le pire des cas

• Solution : utiliser un protocole plus rapide

7

Le débit maximal du télescope excède le gigabit/s ( 1.3 Gb/s)≃

DAQ QAPIVI

35 / 38Vers le 10GbE

• Le programme d’acquisition n’a pas besoin d’être modifié

• Utiliser un MCH disposant d’un switch 10Gb (c’est déjà le cas)

• Utiliser une carte 10Gb coté PC (en attente de la carte)

• Adapter le firmware pour travailler avec une IP 10Gb

7

Que faut-il faire concrètement

DAQ QAPIVI

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Évolutions possibles88

DAQ QAPIVI

37 / 38Évolutions

• Intégrer la carte d’interface sur le télescope directement (plus de câblage !)

• Multiplier par 2 les entrées/sortie en face avant le carte AMC (connecteur double VHDCI) afin de faire l’acquisition de 2 télescopes

8

Évolutions possible pour le futur

DAQ QAPIVI

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Merci de votre attention

Passons maintenant aux questions

DAQ QAPIVI