Rozproszona architektura systemu pomiarowo - sterującego opartego na układach FPGA dla eksperymentu FLASH

Rosnące możliwości i dostępność układów FPGA na rynku elektronicznym sprawiają, że coraz częściej są one używane w aplikacjach wymagających dużych, równoległych mocy obliczeniowych oraz opóźnień rzędu kilkudziesięciu nanosekund. Systemy pomiarowo - sterujące w eksperymentach fizyki wysokich energii coraz częściej oparte są na systemach elektronicznych z tymi układami. Pełnią one nie tylko funkcje obliczeniowe i integrujące uruchamiane algorytmy, ale także umożliwiają łatwe użycie dostępnych urządzeń zewnętrznych. Oprócz dużej mocy obliczeniowej, aplikacje te wymagają również użycia kilkudziesięciu kanałów analogowych. Z tego powodu nie jest możliwe zintegrowanie kompletnego systemu na jednej płycie drukowanej (PCB). Prezentowany artykuł opisuje architekturę skalowalnego, rozproszonego systemu pomiarowo-sterującego opartego na układach FPGA, który wyposażony jest w kilkadziesiąt kanałów analogowych. Komunikacja między poszczególnymi elementami tego systemu wykorzystuje optyczne łącza światłowodowe. Został on przetestowany oraz użyty w akceleratorze liniowym będącym częścią lasera nadfioletowego FLASH (Free Electron Laser in Hamburg) jako szkielet sterownika LLRF (Low Level Radio Frequency) dla 24 wnęk nadprzewodzących.

The availability and the computation power provided by FPGA chips is constantly increasing. Currently it can be compared to a computation power of modern DSP chips. This makes FPGA chips natural choice for flexible applications which require large amounts of parallel computation power together with the low latency of executed algorithms. The control and measurement systems for high energy physics experiments (HEP) are executed on electronic boards based on these chips. FPGAs not only execute necessary algorithms, but also provide drivers for used peripherals and communication links. Additionally HEP experiments require usage of large number of analogue channels. Therefore it is not possible to create such a system using single PCB board. The paper describes the architecture of the flexible and scalable distributed system based on FPGA chips, which integrates tens of analogue input channels. The communication amongst the boards is using dedicated RocketIO blocks and optical fibre links. The system was tested and used in the linear accelerator which is part of FLASH experiment as the framework for LLRF (Low Level Radio Frequency) controller for 24 superconducting cavities.