Développements techniques GRAND-proto 2015-2017 LPNHE - Réunion du vendredi David MARTIN

TREND ou GRAND-proto ? TREND : Tianshan Radio Experiment for Neutrino Detection 2008 – 2014 GRAND : Giant Radio Array for Neutrino Detection 2012 : réflexions préliminaires  projet de 200.000 antennes 2014 : démonstrateur sur le site 21CMA  35 antennes et 21 scintillateurs  développer un système d’acquisition GRAND-proto35 début 2015 - fin 2017 07/07/2017 Développements techniques pour GRANDproto - David MARTIN

OUCEQUE ? En Chine - Proche d’Urumqi Infrastructure existante 21CMA Antennes Pékin 07/07/2017 Développements techniques pour GRANDproto - David MARTIN

Le projet GRAND-proto35 Antenne 3 axes X,Y,Z Carte d’acquisition (hardware + firmware) 5-10km Software Jacques DAVID Olivier MARTINEAU Jean-Marc PARRAUD David MARTIN + Pôle CAO-câblage 220V Antenne GPS x35 07/07/2017 Développements techniques pour GRANDproto - David MARTIN

Le synoptique de la carte 07/07/2017 Développements techniques pour GRANDproto - David MARTIN

Le synoptique du FPGA 07/07/2017 Développements techniques pour GRANDproto - David MARTIN

Chronologie 2015 : Conception séparée des cartes prototypes analogique et numérique (schéma, placement/routage, fabrication et câblage) Ecriture du firmware (VHDL) et développement d’une interface (Labview) Premiers tests sur table en mode « séparé » 2016 : « Mariage » des deux cartes, déplacement sur site et premières acquisitions Problème de chauffe de l’ADC rapide Conception d’une carte numérique V2 avec une bonne empreinte Déplacement sur site pour validation de l’ensemble carte analo. + carte num. v2 Conception d’une version « carte unifiée » 2017 : Présérie de 2 cartes unifiées et tests manuels en Labview Développement d’un protocole de tests automatisés en Python/C 07/07/2017 Développements techniques pour GRANDproto - David MARTIN

Carte prototype analogique Opérationnelle en Déc. 2015 Entrée antenne Filtre 30-100MHz Power detecteur Vers la carte numérique Atténuateurs/Calibration A B D E C 07/07/2017 Développements techniques pour GRANDproto - David MARTIN

Linéarité Entrée ADC V Signal d’entrée dBm 0,01 0,1 1nW 0,01 0,1 1µW 9 Entrée ADC V Signal d’entrée dBm 0,01 0,1 1nW 0,01 0,1 1µW 0,01 0,1 1mW 07/07/2017 07/07/2017 Développements techniques pour GRANDproto - David MARTIN Développements techniques pour GRANDproto - David MARTIN

Carte prototype numérique v1 Opérationnelle en Nov. 2015 Entrée des signaux analogiques ADC 4 canaux 12b-100Msps pour la numérisation FPGA Cyclone V Liaison Gigabit Ethernet en cuivre (D1) ou en optique (D2) DAC 8 canaux pour les seuils de déclenchement ADC 8 canaux pour le slow-control B A E C F D1 D2 07/07/2017 Développements techniques pour GRANDproto - David MARTIN

Tests sur le terrain Déplacement en avril 2016 avec deux jeux de cartes : Branchement sur deux antennes = OK Contrôle à distance = OK Signaux voies analogiques pris sur le Power-Detecteur = OK Déclenchement = OK GPS = OK Acquisition = OK/nOK comportement erratique non reproductible (données « bizarres ») 07/07/2017 Développements techniques pour GRANDproto - David MARTIN

Premières données Le système d’acquisition fonctionne mais les données ne sont pas toujours correctes Développement d’outils de debug dédiés à l’ADC (Firmware/Software) Bilan : problème thermique sur l’ADC du à une mauvaise empreinte dans la bibliothèque IN2P3 07/07/2017 Développements techniques pour GRANDproto - David MARTIN

vue avec la caméra thermique Premières données Le système d’acquisition fonctionne mais les données ne sont pas toujours correctes Développement d’outils de debug dédiés à l’ADC (Firmware/Software) Bilan : problème thermique sur l’ADC du à une mauvaise empreinte dans la bibliothèque IN2P3 131°C Carte numérique V1 vue avec la caméra thermique Datasheet ADC 07/07/2017 Développements techniques pour GRANDproto - David MARTIN

Carte prototype numérique v2 Le système d’acquisition fonctionne mais les données ne sont pas toujours correctes Développement d’outils de debug dédiés à l’ADC (Firmware/Software) Bilan : problème thermique sur l’ADC du à une mauvaise empreinte dans la bibliothèque IN2P3 131°C Carte numérique V1 vue avec la caméra thermique  Lancement d’une version v2 (schéma avec nouvelle empreinte + P/R + fabrication + câblage + tests) Datasheet ADC 07/07/2017 Développements techniques pour GRANDproto - David MARTIN

Déclenchement autonome et visu d’un évènement (Re)Tests sur site Voie X Voie Y Voie Z Déclenchement autonome et visu d’un évènement EW-channel NS-channel Vert-channel Déplacement fin 2016 pour tests sur site Le système d’acquisition est fonctionnel Décision de faire fabriquer et câbler une carte d’un seul tenant :  carte unifiée 07/07/2017 Développements techniques pour GRANDproto - David MARTIN

Carte unifiée : Schéma Schéma hiérarchique sous CADENCE DESIGN ENTRY 16.6 16 pages A3 Beaucoup de pages de datasheet à ingérer (et digérer) >1000 composants FPGA 484 pins 07/07/2017 Développements techniques pour GRANDproto - David MARTIN

Carte unifiée : Placement/Routage 10 couches > 1000 composants 3271 pins 2161 vias Impédance contrôlée 2393 pistes CADENCE ALLEGRO LAYOUT 07/07/2017 Développements techniques pour GRANDproto - David MARTIN

Carte unifiée : Empilement / Paires Diff. Doit être symétrique Doit tenir compte des couches de routage spécifiques Doit être prévu avant le travail de placement-routage H é (mm) S W 100 Ohms 07/07/2017 Développements techniques pour GRANDproto - David MARTIN

Carte unifiée : Vérification Estimation de l’impédance des paires différentielles Sous le FPGA, largeur de piste et espacement sont réduits CADENCE SIGRITY 07/07/2017 Développements techniques pour GRANDproto - David MARTIN

Carte Unifiée (présérie) Lancement en janvier 2017 Fabrication et câblage de deux exemplaires de la carte unifiée Retour de sous-traitance en mai 2017 242 mm 162 mm 07/07/2017 Développements techniques pour GRANDproto - David MARTIN

Communication avec la carte Câble RJ45 ou fibre optique Liaison Ethernet Gigabit / IP GEDEK dans le FPGA Protocole de communication « maison » (CTA, LSST) Le FPGA reçoit et traite les trames entrantes Il répond par des trames sortantes Trames entrantes : Blocs de configuration (ADCs, DAC, Trigger, Enable, …) Requête de Slow-Control Trames sortantes : Réponse SC Données (si déclenchement) AAAA AAAA 0000 XXXX 1234 5678 9ABC DEF0 07/07/2017 Développements techniques pour GRANDproto - David MARTIN

FPGA : code VHDL Contient le firmware écrit en VHDL Acquisition continue Contient le firmware écrit en VHDL assure l’interface avec l’utilisateur via le lien GEDEK exécute ses process en fonction des stimuli d’entrée pilote les signaux allant vers les autres composants numériques de la carte Simulation avec Modelsim Synthèse avec Quartus 14 Trames entrantes et sortantes 07/07/2017 Développements techniques pour GRANDproto - David MARTIN

FPGA : simulation Config Trigger Data Read Out 1 2 4 3 07/07/2017 Développements techniques pour GRANDproto - David MARTIN

Interface utilisateur Interface détaillée en Labview Contrôle des communications par Wireshak Réponse du FPGA vers le PC Logiciel de pilotage Labview SlowControlRequest 07/07/2017 Développements techniques pour GRANDproto - David MARTIN

Tests de validation de la présérie tests en mode manuel avec l’interface Labview programmes python/C pour automatiser cette séquence de tests (avec l’aide d’un stagiaire) Taux de trigger : Mémoire circulaire Offset = 90 Offset = 45 07/07/2017 Développements techniques pour GRANDproto - David MARTIN

Merci pour votre attention Et après… Au niveau du laboratoire (3T2017) : Coordonner le développement du boitier Lancer la production des cartes Rendre user-friendly le banc de test de la production Et notre contrat s’arrête là…. Au niveau de GRAND Déploiement GRAND-proto35 (2017/2018) GRAND-proto300 (2019) Merci pour votre attention 07/07/2017 Développements techniques pour GRANDproto - David MARTIN

prochaine réunion de vendredi : 14 juillet - Emmanuel MACRON 07/07/2017 Développements techniques pour GRANDproto - David MARTIN