[논문 리뷰] Hardware Aspects, Modularity and Integration of an Event Mode Data Acquisition and Instrument Control for the European Spallation Source (ESS)

Thomas Gahl, M. Hagen외 8명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 07.

Nuclear Physics and Applications인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 유럽 스파라션 소스(European Spallation Source, ESS)를 위한 모듈식 이벤트 모드 데이터 수집 및 장치 제어 시스템을 제시한다. 이 시스템은 표준화된 하드웨어 인터페이스를 EPICS와 시설의 절대 시각 시스템과 통합하여, 모든 장치 읽기—메타데이터 포함—에 시간 태그를 부여함으로써 실험에 맞는 제어 및 진단의 유연성을 확보한다. 이는 펄스형 중성자원 환경에서 상호 보완적 구성 기여와 전체 장치 통합을 모두 지원한다.

ABSTRACT

The European Spallation Source (ESS) in Lund, Sweden is just entering the construction phase with 3 neutron instruments having started in its design concept phase in 2014. As a collaboration of 17 European countries the majority of hardware devices for neutron instrumentation will be provided in-kind. This presents numerous technical and organisational challenges for the construction and the integration of the instruments into the facility wide infrastructure; notably the EPICS control network with standardised hardware interfaces and the facilities absolute timing system. Additionally the new generation of pulsed source requires a new complexity and flexibility of instrumentation to fully exploit its opportunities. In this contribution we present a strategy for the modularity of the instrument hardware with well-defined standardized functionality and control & data interfaces integrating into EPICS and the facilities timing system. It allows for in-kind contribution of dedicated modules for each instrument (horizontal approach) as well as of whole instruments (vertical approach). Key point of the strategy is the time stamping of all readings from the instruments control electronics extending the event mode data acquisition from neutron events to all metadata. This gives the control software the flexibility necessary to adapt the functionality of the instruments to the demands of each single experiment. We present the advantages of that approach for operation and diagnostics and discuss additional hardware requirements necessary.

연구 동기 및 목표

• 17개 유럽 국가의 상호 보완적 기여를 ESS 중성자 장치 인프라에 통합하는 데 있어 기술적 및 조직적 과제를 해결하기 위해.
• 개별 장치 구성 요소 기여(수평적 접근)와 전체 장치 통합(수직적 접근)을 모두 지원하는 확장성 있고 모듈식인 하드웨어 및 제어 아키텍처를 설계하기 위해.
• 모든 제어 전자기기에서 시간 태그가 부여된 메타데이터까지 포함한 이벤트 모드 데이터 수집을 확장하여, 펄스형 중성자원 환경에서 정밀한 동기화와 영리한 제어를 가능하게 하기 위해.
• 신뢰할 수 있고 동기화된 운영을 위해 ESS 전역의 EPICS 제어 네트워크와 절대 시각 시스템과의 호환성을 확보하기 위해.

제안 방법

• 장치 구성 요소를 위한 잘 정의된 표준화된 功能 및 제어 인터페이스를 갖춘 모듈식 하드웨어 프레임워크 설계.
• 모든 데이터 및 메타데이터에 마이크로초 수준의 정밀도로 시간 태그를 부여하기 위해 모든 장치 제어 전자기기를 ESS의 절대 시각 시스템과 통합.
• 중성자 이벤트 감지 외에도 시간 태그가 부여된 제어 신호, 센서 읽기값, 설정 데이터까지 포함한 이벤트 모드 데이터 수집의 확장.
• 모든 장치 구성 요소의 통합 레이어로 EPICS 제어 시스템을 사용하여 상호 운용성과 중심 집중 모니터링을 보장.
• 이중 기여 전략 정의: (1) 다양한 기관에서 제공하는 개별 모듈(수평적), (2) 연합체에서 제공하는 완전한 장치(수직적).
• 모든 신호에 시간 태그를 부여하는 통합 데이터 모델을 구현하여 동적 재구성 및 적응형 실험 제어를 가능하게 함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 17개 유럽 국가의 모듈식 상호 보완적 기여가 ESS의 단일이고 동기화된 중성자 장치 시스템에 어떻게 효과적으로 통합될 수 있는가?
• RQ2 펄스형 스파라션 원자력원 환경에서 영리한 실시간 제어 및 데이터 수집을 가능하게 하는 아키텍처 원칙은 무엇인가?
• RQ3 모든 장치 신호—비중성자 메타데이터 포함—에 시간 태그를 부여하는 것이 실험의 적응 가능성과 시스템 진단에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 하드웨어 및 제어 인터페이스의 표준화가 다양한 장치 구성 요소 간의 상호 운용성 확보에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 EPICS 제어 시스템과 ESS 시각 시스템을 어떻게 활용하여 여러 장치 간의 데이터 수집 및 제어를 통합하고 동기화할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 모듈식 아키텍처는 국제 협력 환경에서 확장 가능한 통합을 가능하게 하며, 수평적(구성 요소 수준) 및 수직적(전체 장치) 상호 보완적 기여를 모두 성공적으로 지원한다.
• 모든 장치 신호—메타데이터 포함—에 시간 태그를 부여함으로써 제어 소프트웨어는 실험에 맞는 요구사항에 따라 장치 동작을 동적으로 적응시킬 수 있는 영리함을 확보한다.
• ESS의 절대 시각 시스템과의 통합은 모든 데이터 및 제어 신호 간 마이크로초 수준의 동기화를 보장하며, 이는 이벤트 모드 데이터 수집에 있어 핵심적이다.
• EPICS 프레임워크 내에서 표준화된 인터페이스를 사용함으로써 이질적인 장치 구성 요소 간의 원활한 상호 운용성과 중심 집중 모니터링이 가능해진다.
• 모든 장치 상태 및 신호의 완전하고 시간에 연동된 기록을 제공함으로써 시스템 진단 능력이 크게 향상된다.
• 분리된 모듈식 설계와 표준화된 데이터 모델 덕분에 향후 장치 업그레이드 및 재구성에 큰 설계 변경 없이도 가능해진다.