[論文レビュー] Versatile Data Acquisition and Controls for Epics Using Vme-Based Fpgas

Trent Allison, R. Flood|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2001

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、ジェファーソンラボにおける柔軟で迅速なプロトタイピング用データ取得および制御システムのためのVMEベースのFPGAアーキテクチャを提示する。EPICSを活用することで統合が可能となり、カスタマイズ可能なFPGA論理と標準化されたライブラリを用いることで、低遅延でリアルタイム制御が可能となり、リードバック機能も備える。これにより、商用ソリューションと比較して開発時間とコストを大幅に削減できる。

ABSTRACT

Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) have provided Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) with versatile VME-based data acquisition and control interfaces with minimal development times. FPGA designs have been used to interface to VME and provide control logic for numerous systems. The building blocks of these logic designs can be tailored to the individual needs of each system and provide system operators with read-backs and controls via a VME interface to an EPICS based computer. This versatility allows the system developer to choose components and define operating parameters and options that are not readily available commercially. Jefferson Lab has begun developing standard FPGA libraries that result in quick turn around times and inexpensive designs.

研究の動機と目的

• 加速器および実験物理学のアプリケーション向けに、柔軟で低コストのデータ取得および制御システムを開発すること。
• 特許取得済みの商用ハードウェアではなく再構成可能なFPGAを用いることで、開発時間とコストを削減すること。
• VMEインターフェースを通じてEPICS統合により、リアルタイムでのシステム監視および制御を可能にすること。
• FPGA設計を再利用可能なライブラリとして標準化し、複数のシステムへの迅速な展開を可能にすること。
• システム運用者が統合されたVMEベースのインターフェースを通じて、設定可能なリードバックおよび制御機能を提供すること。

提案手法

• VMEバスプラットフォームにFPGAベースの論理回路を実装し、さまざまな実験システムと接続すること。
• 特定のシステム要件に適合したモジュラーよりも再利用可能なFPGAビルディングブロックを設計すること。
• VMEを介してEPICSとFPGA制御システムを統合し、リアルタイムでのデータ交換および制御を可能にすること。
• 設計の迅速化とエラー低減を図るために、標準化されたFPGAライブラリアプローチを活用すること。
• FPGAを、データ取得および制御機能を併せ持つように設定し、内蔵されたリードバック機能を備えること。
• 既存の加速器インfraストラクチャと互換性を確保するため、VMEベースの環境にシステムを展開すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FPGAベースのVMEシステムは、実験物理学分野におけるデータ取得および制御のスピードとコスト効率をどのように向上させることができるか？
• RQ2 再利用可能なFPGAライブラリは、開発時間の短縮とシステム信頼性の向上にどの程度寄与するか？
• RQ3 VMEベースのFPGAは、複雑な制御システムにおいて、十分なリアルタイム性能とEPICSとの統合能力を提供できるか？
• RQ4 標準的なVME環境において、FPGA論理によるカスタマイズ性および設定可能性はどの程度達成可能か？
• RQ5 柔軟性と導入時間の観点から、FPGAの使用は商用オフザシェルフソリューションと比較してどのように異なるか？

主な発見

• FPGAベースのシステムは、従来の商用ソリューションと比較して、顕著に開発時間が短縮された。
• カスタマイズ可能なFPGA論理により、市販品では入手できない、システムパrameterや動作モードの正確なカスタマイズが可能となった。
• VMEを介したEPICS統合により、信頼性の高いリアルタイムデータ取得および制御が可能となり、内蔵されたリードバック機能も備えた。
• 標準化されたFPGAライブラリにより、複数のシステムへの迅速な展開が可能となり、一貫性が向上し、エラーが低減した。
• 同じ基盤ハードウェアプラットフォームを用いて、多様なシステムとのインターフェース接続において高い多様性を示した。
• 1つのFPGA設計内で、データ取得および制御機能を両方とも効果的に実装し、ハードウェアの複雑さを最小限に抑えることに成功した。