Pickering Interfaces LXI: Basis für hochkomplexe Schaltmatrizen

Für die Signalüberwachung am Teilchenbeschleuniger des CERN hat Pickering Interfaces eine neue Schaltmatrix auf LXI-Basis entwickelt. Warum gerade LXI für komplexe Schaltsysteme mit hohen Ansprüchen an Leistung und Fernzugriff prädestiniert ist, erklärt David Owen von Pickering Interfaces.

Das CERN betreibt in der Nähe von Genf hundert Meter unter der Erde einen Hochenergie-Teilchenbeschleuniger (Large Hadron Collider, LHC) zur Forschung in der Hochenergiephysik. Darin gibt es zwei gegenläufige, ringförmige Teilchenstrahlen, die sich an vier Experimentierstellen kreuzen. Dort prallen Teilchen aus entgegengesetzten Richtungen aufeinander und erzeugen Signaturen, die die Existenz kurzlebiger Teilchen erkennen lassen. Um dies nachzuweisen, müssen die erzeugten Daten sicher erfasst werden. Die Überwachung des LHC selber erfolgt über das »Open Analogue Signal Information System«, kurz OASIS. Es nimmt die relevanten Überwachungssignale an verschiedenen Stellen auf und stellt somit sicher, dass das System in einem ordnungsgemäßen Zustand ist.

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LXI-System zur Signalüberwachung der Teilchenbeschleuniger am CERN

LXI-System zur Signalüberwachung der Teilchenbeschleuniger am CERN

OASIS nutzt mehrere Digitizer zur Erfassung der Signale, die dann über Ethernet an die Anwender übertragen werden. Die Digitizer sind jedoch sehr teuer, so dass nicht für jedes zu überwachende Signal ein eigener Digitizer zur Verfügung steht. Mittels eines Schaltsystems wählt OASIS aus den vielen verfügbaren Signalen diejenigen aus, die anzuzeigen sind. Ursprünglich basierte dieses Schaltsystem auf VXI, dann auf cPCI.

Neues Schaltsystem für OASIS

Im Rahmen eines alle zwei Jahre stattfindenden System-Upgrades hat das CERN im Februar 2013 den Teilchenbeschleuniger heruntergefahren und alle Systeme aufgerüstet – auch OASIS. Die Anforderungen an das neue Schaltsystem: An jeder der vier Experimentierstellen müssen insgesamt 104 Sensoren bis zu 16 Signale zur Digitalisierung abgreifen.

»Die analogen Signale haben Frequenzanteile bis zu mehreren Megahertz, und die Pegel der unterschiedlichen Messstellen können erheblich voneinander abweichen«, erklärt David Owen, Business Development Manager von Pickering Interfaces. »Das sorgt für anspruchsvolle Randbedingungen bezüglich der nötigen Bandbreite und des zulässigen Übersprechens zwischen den Kanälen. Wenn gleichzeitig Signale von Quellen mit hohem und mit niedrigem Pegel auf unterschiedlichen Kanälen übertragen werden, könnte das starke Signal das schwache durch Übersprechen stören.« Eine weitere wichtige Anforderung ist die Fernsteuerung des Systems.

Man brauchte also eine Schaltmatrix der Größe 104 x 16 mit einer Signalbandbreite von einigen zehn Megahertz, und man musste das Übersprechen im Griff haben. »Die Größe der Matrix war mit herkömmlichen Mitteln oder Standardprodukten nicht zu lösen«, so Owen. »Dennoch sollten die Kosten für das neue Schaltsystem spürbar niedriger sein, als die für separate Digitizer zu jedem analogen Signal. Es stellte sich heraus, dass die starre modulare Struktur des PCI-Busses für diese Art Schaltsystem nicht geeignet war. Das galt auch für cPCI und PXI.«

LXI als Plattform

Pickering Interfaces konstruierte eine LXI-basierte Lösung für das Problem. Owen beschreibt den Weg wie folgt: »Um eine Hochleistungsmatrix dieses Typs zu realisieren, mussten wir zunächst den Formfaktor des endgültigen Schaltsystems ermitteln. Dabei zeigte sich, dass keine bekannten Systeme in Frage kamen. Wir brauchten also einen modularen Ansatz, um die Größe der Matrix skalierbar zu gestalten – unter anderem, weil unterschiedliche Standorte unterschiedliche Matrixgrößen erforderten: ein Standort 64 x 16, ein anderer 104 x 16. Die Systemanforderungen konnten sich auch im Lauf der Zeit ändern, wenn sich die Anzahl der Sensoren änderte und mehr oder weniger Kanäle dazu kamen. Alles deutete darauf hin, dass ein proprietärer, skalierbarer, modularer Ansatz nötig war, um die Matrixgröße einfach anpassen zu können. Daher haben wir uns für LXI als Plattform entschieden. LXI bietet große Freiheit hinsichtlich der Baugröße. LXI bedeutet auch, dass die Anwender ohne zusätzliche Controller über den LXI-Produktwebserver über ihr Netzwerk Zugriff auf den Zustand der Matrix erhalten. Zudem wusste CERN, dass wir sowohl in LXI- als auch in PXI-Systemen Selbsttestfunktionalität (BIRST) implementiert hatten, und forderte nun ebenfalls einen Selbsttest für das Schaltsystem. Im Idealfall sollte der Test auch dann möglich sein, wenn die Ein- und Ausgänge mit abgeschalteten Quellen bzw. Lasten verbunden sind. Zudem wollte man den Selbsttest auch aus der Ferne starten und durchführen können.«