Projet Auger

 

Les activités du service électronique pour l'observatoire AUGER

Pour le plus grand observatoire de rayons cosmiques au monde, le service électronique du laboratoire APC a la responsabilité des contrôleurs de station des détecteurs de surface.

Nous réalisons les cartes contrôleur de station pour un nouveau réseau prototype de 20 détecteurs. Ces nouveaux développements sont réalisés dans la perspective de construction d’un second site dans l’hémisphère nord, et aussi pour préparer des projets d’extension du site Argentin.

Nous avons conçu, supervisé la production  et nous assurons le suivi des 1830 cartes unifiées constituant le cœur des contrôleurs de station du site sud.

 

Local Station Controler (site Nord) :

 Microcontroleur ATMEL ARM920T :

• Entrée/sorties : 80 MHz - Coeur cadencé à 180 MHz

• 2 ports USB et plusieurs UART

• 4 SPI (Slow Control et ROM boot)

• Port JTAG (In-Situ Test facility avec boundary scan)

• Contrôleur SDRAM

• 32 bits de données et 26 bits d’adresses

•Port Ethernet

Système d'exploitation: Linux embarqué

Cyclone III FPGA: Marquage en temps des évènements, "trigger numérique" Front End, signaux logiques

6 Flash ADC - 100 MHZ: conversion des sigaux provenant du Front End analogique

 

Schéma de principe du contrôleur de station - site nord Prototype de la LSC Board

 

La conception d'un premier prototype est fianlisée. 25 cartes produites début 2011 seront installées sur un site de test aux USA dans le Colorado (Ville de Lamar).

 

Interface CAN Bus:

Afin d'assurer la communication avec des cartes externes (module radiocommunication, carte de contrôle d'alimentation "TPCB", Led Flasher) le bus CAN a été choisi.

Afin notamment de pouvoir contrôler un module Led Flasher  (envoi d'impulsion lumineuse dans la cuve pour calibration) conçu par un laboratoire Italien, nous avons conçu (software et hardware) une carte de démonstration d'interface CAN bus.

 

Cette interface est développée autour d'un microcontrôleur PIC18F4680 de chez Microchip

    

Schéma de connection de modules via le CAN Bus                       Schéma fonctionnel interface CAN (Led interface)

 

L'électronique du site Argentin:

La conception et la production de ces premières cartes à été initiée en 1996 pour s'achever en 2004.

Depuis nous avons la responsabilité du suivi de ces cartes sur le site Argentin (installation, réparation...)

Actuellement 1660 cartes électroniques (dites "cartes unifiées") fonctionnent depuis plusieurs années dans la Pampa Argentine.

Le coût total pour la fourniture de 1830 cartes unifiées incluant les "spares" (fabrication-approvisionnements-licenses-transport) a été d'environ 830 k€.

Description d'un détecteur de surface (site sud) Schéma de principe de l'électronique des détecteurs de surface

 

Chaque station locale est équipée de :

·         3 photomultiplicateurs et leurs embases (IPN Orsay) : Les particules cosmiques traversant la cuve remplie d’eau génèrent des photons. Ils sont convertis en signaux électriques au moyen de ces photo-détecteurs.

·         1 Front End (USA) pour la numérisation et la sélection des signaux issus des embases

·         La partie numérique qui constitue le cœur du système (Carte Unifiée - APC)

·         Le « Tank Power Control Board » pour le contrôle des batteries et  des panneaux solaires (Fermilab – USA)

·         Le Led Flasher (Mephi – Russie) pour la calibration du détecteur

·         Le module de communication radio (Leeds – UK)

 

Description de la carte unifiée

Caractéristiques fondamentales imposées par le cahier des charges :

·Température de fonctionnement : -20 à +70 degrés Celsius

·Température de stockage :-40 à +80 degrés Celsius

·La durée de l'expérience doit être de 20 ans

·Cycle de fonctionnement 7 jours sur 7, 24 heures sur 24, pendant  20 ans

·Consommationmaximale de 10 Watts pour l'ensemble de l'électronique de la cuve

·Hygrométrie moyenne de 30 à 80% ; 70% du terrain inondable ; Environnement salin

·Caractéristiques du circuit imprimé :

Ø  Dimensions : 240*340 mm. en verre époxy (FR-4)

Ø  4 couches métallisées

Ø  Tous les composants sont montés dans le même sens et sur une seule couche (coût de fabrication plus faible et meilleure fiabilité).

 

Le  cœur du système :

·         Le processeur : Power IBM PC 403 GCX 80 MHz en interne – 40 MHz sur le bus

·         Bus : 24 bits d’adresses et 32 bits de données

·         Système d’exploitation : Microware OS9000 (système temps réel ressemblant à Unix)

·         32 Méga Octets de mémoire Dynamic RAM EDO

·         8 Méga Octets de mémoire Flash EPROM : système d’exploitation et programmes

·         128 Ko de PROM : reprogrammation de secours de la Flash Eprom (restauration)

·         PLD : composant logique programmable (signaux de contrôle – « glue » logique)

·         Canaux DMA (Accès direct mémoire) : transfert rapide des données du Front End

·         5 ports série RS232 – Communication avec GPS, radio, console externe, test…

·         Connexion pour une carte Ethernet spécifique

 

La fonction "Time tagging" : Cette fonction est réalisée dans un asic numérique. Elle permet de marquer en temps chaque évènement détecté. Sa grande précision (meilleure que 10 ns) permet ainsi de mesurer les différences en temps d’arrivee des évènements issus d'une même gerbe cosmique entre chaque détecteur. Ainsi à partir de cette mesure de temps, on détermine l'angle de provenance de la gerbe. Un récepteur GPS sur chaque station, permet de synchroniser toutes les cuves en temps à partir de l'impulsion de synchronisation (PPS) qui est envoyée chaque seconde  par les satellites.

Fonction dite "TPS" (Tank Power System): Mise hors tension de l'électronique en cas de batterie faible

Fonction "Slow control": mesure des paramètres lents (tensions, courants, températures...)

Schéma fonctionnel de la "carte unifiée"

 

Carte unifiée (vue de dessus) Carte unifiée (vue de dessous)

 

Les contraintes:

Le nombre important de cartes, la grandeur du site ainsi que l’environnement sévère sont des contraintes qui nous ont conduits à mettre en place un plan de management de la qualité afin d’atteindre le niveau de fiabilité souhaité. Les contraintes majeures sont:

- 20 ans de fonctionnement (24h/24)

- 1660 détecteurs répartis sur 3000 km² (50 km sur 60 km): les difficultés et temps d'accès à des détecteurs situés dans la pampa dans de nombreuse zones inondables motivent la recherche d'une fiabilité élevée.

- Environnement sévère (température, sel, décharges électrostatiques, humidité, accès…). Les variations de températures journalières peuvent atteindre 30°C (moyenne annuelle 22°C) et la température peut atteindre 60°C en été et -10°C en hiver.

 

L’assurance produit représente l’ensemble des activités permettant d’obtenir un produit de qualité, c'est-à-dire conforme aux spécifications et exigences. L’exigence majeure pour l’électronique de l’observatoire Pierre AUGER étant sa grande fiabilité. Ces activités, et en particulier celles concernant la fiabilisation, sont transversales à l’ensemble des étapes du projet :

 

Conception:

La recherche de la meilleure fiabilité débute dès la conception. Elle concerne:

 - La définition de l’électronique

 - Les règles de conception et choix composants (recherche d’architectures fiables, derating, protection des éléments sensible comme les entrées sorties qui sont sensibles aux décharges électrostatiques, choix de composants ayant une fiabilité élevée...)

 - L'analyse des modes de défaillance, de leurs effets et de leur criticité (AMDEC). Puis, on a évalué le temps moyen avant défaut  (MTBF) de chaque composant puis de la carte. Ce travail nous a permis de déterminer de manière assez réaliste la quantité d'élements de rechange (composants pour les réparations et cartes de remplacement) afin d'assurer le maintien du site pendant 20 ans. Cela nous permet aussi de planifier la maintenance des cartes.

 

Industrialisation:

Cette démarche s’est poursuivie lors de la fabrication des 1830 cartes. Elle concerne :

- La réalisation de l'appel d’offre Européen (1830 cartes ). Il convenait d’être rigoureux dans la rédaction des documents liés à cet appel d’offre (CCAP, CCTP, RDC…)

- La production qui a été découpée en 7 tranches. Les 2 premières servant de pré-série ont permis de corriger les défauts de jeunesse.

- La rédaction d'un plan de management de la qualité ainsi que de procédures de fabrication et de test

- La gestion de la configuration

- Le déverminage des cartes (24 heures): cyclages en température entre -20°C et +70°C pour éliminer les défauts de jeunesse

- Les tests in situ et fonctionnels et bancs tests associés

- La tropicalisation: application d'un verni de protection contre l'humidité sur chaque carte

- Les recettes des cartes et leur expédition

 

Exploitation:

La fiabilité est enfin une préoccupation majeure dans l'exploitation du site, notament en ce qui concerne:

-Les procédures d'installation

- La mise au point de bancs de test

- L'installation sur le site et formation  personnels

- Le suivi fiabilité et maintenance 

  (recueil des données et déplacements sur site – en cours)

 

Des revues de projet ont marqué chaque étape clé et le lancement des nouvelles phases (Preliminary Design Review, Critical Design Review, Production Readyness Review, Operation Readyness Review).

 

Mission en argentine - Installation sur le site C'est du sel!...

 

Résultats:

-Excellente fiabilité mesurée (43 ans/5000 ans de fonctionnement cumulé)

-Développement d'un savoir faire en conception d'électronique en environnement difficile et sûreté de fonctionnement

 

Participation à ces activités :

-Bernard COURTY (Conception électronique)

-Laurent GUGLIELMI (Logiciel embarqué

-Stéphane COLONGES (Conception électronque – fiabilité – gestion de production )

-Jean Jacques JAEGER et Jack Waisbard (Développement de l’ASIC « Time Tagging »)

-Philippe TARDY (Câblage)

-Gilles DESPLANCQUES et Jean VERGNES (CAO)

-Sahbi SELMANE (Tests)

-Ronan OGER (Tests)

 

Informations :

colongesatapc.univ-paris7.fr

courtyatapc.univ-paris7.fr