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DESY Engineering Day, 2013-04 4/3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen1 IceCube Detector Readout Karl-Heinz Sulanke EL-Gruppe DESY Zeuthen.

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1 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen1 IceCube Detector Readout Karl-Heinz Sulanke EL-Gruppe DESY Zeuthen

2 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen2 Inhalt Einführung IceCube DAQ allgemein DOM (Digital Optical Module), kurz DOR (Digital Optical module Readout card), ausführlicher DOR-Produktion und -Test Schlussbemerkung

3 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen3 Südpol AMANDA IceCube Dome Skiway Amundsen-Scott South Pole Station

4 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen4 IceCube Detector

5 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen5 Bohrhütte und Schlauchtrommel

6 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen6 Deployment

7 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen7 December 2010: 86 Strings im Eis! 5160 DOMs

8 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen8 IceCube DAQ, Hardware Komponenten DAQ basiert auf standard IT-Technik (PC-Farm, Switches,…)  Ethernet für Datentransfer drei “custom made” Hardware Komponenten:  DOM (Digital Optical Module), im Eis  MCU (Master Clock Unit) + DSB (Domhub Service Board)  GPS-signal-fanout  by J. Przybilski, LBNL Berkeley  DOR (DOm Readout-card)  by K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen Spezialkabel für DOM DOR Verbindung  Schwedische Firma Ericsson

9 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen9 IceCube DAQ Block Diagram DOMs DORs

10 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen10 DOM (Digital Optical Module)

11 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen11 DOM Mainboard Block Diagram

12 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen12 DOM Montage und Test in Zeuthen Jürgen Pieper aus der Elektronikwerkstatt Etwa 1500 DOMs wurde in Zeuthen montiert Klimakammer fuer Langzeit-Tests (R. Nahnhauer) mit Hilfe von LED + Lichtleitfasern

13 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen13 String Kabel (Ericsson)

14 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen14 IceCube Kabel (3 km lang) 16+2 Quads, 0.9 mm Kupferdraht, „solid wire“ Je ein Quad, bestehend aus zwei verdrillten Paaren, für 4 DOMs 145 Ohm Impedanz, DC-Widerstand <140ohm / 2.5 km Wichtig (!) wenig crosstalk zwischen den Drahtpaaren  >50 db suppression near end cross talk  >30 db suppression far end cross talk  Akkurate mechanische Konstruktion nötig

15 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen15 DOR (Dom Readout card) 8 DOMs pro Karte, 32 bit PCI Businterface, DMA fähig In System Firmware Update per Software 96V DC und Kommunikation (je 2 DOMs) über ein twisted wire pair DOM Datenrate, >= 20KB / DOM, -> 48KB -Kommunikation, Paket-basierend inkl. 32 bit Checksumme Zeitkalibration, Genauigkeit besser als 5ns, -> 3ns - virtuell : 5160 gleichlaufende Uhren im Eis !!! GPS Interface (UTC, ASCII Time String -> PCI) DOM Power-Switch (96V) inkl. Strom / Spannungsauslese DOM Power-Ramping DOM Power-Überwachung per Firmware

16 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen16 DOR_rev0

17 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen17 DOR_rev1b

18 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen18 DOR - DOM Readout card, Revision 1b Comm. Ch0 ADC / DAC FLASH 2 MByte PLD Comm. FPGA PCI Bus 96 V SRAM 1 MByte PCI FPGA Local Bus Mem. Bus Cfg Req Cfg Comm. Ch1 ADC / DAC Comm. Ch2 ADC / DAC Comm. Ch3 ADC / DAC JTAG PLD FPGA PLL In0 In1 Osc. 10MHz In_sel Power Control Ch0..Ch3 On Cur Vol DOM quad cable DOM quad cable JTAG PLL-In_sel 33MHz 20MHz 10MHz 10Mhz 1PPS Time-string

19 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke19 Cable Interface Scheme FPGA ADC 10 Bit PREAMP 10 Cable Con. +48V -48V RS485 DAC 8 Bit 8 alternative use

20 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen20 ASK Encoding, 1MBit/s Tx Rx, 3500m Kabel Derzeit implementiert DC-free, über Trafo eingekoppelt, 1=pulse, 0=kein Signal, Ist default encoding für den DOM nach power on DOM-Datenrate von 50 KByte/sec

21 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke21 Rx / Tx Data Path, one Wire Pair PCI Bus Cable Con. 2 Address Decoder Interrupt Control Tx_FIFO_A,B WriteEnaReadEna AlmEmptyEmpty Data_in Data_out 32 Interrupt Rx_FIFO_A,B ReadEnaWriteEna EmptyAlmFull Data_out Data_in BusCycle 4 Framing, Encoding Comm. DAC 88 DeFrame, Decoding Comm. ADC 810 Diff. Rec. Wire Pair Control (8) State Machines Message_rcvd FPGA 1 2 Internal FIFOs will be replaced by external SRAM

22 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen22 Firmware, ein Beispiel Statemachine zur Steuerung der halbduplex Kommunikation mit den DOMs A,B

23 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen23 Zeitkalibration Kalibrations-Zyklus komplett in Firmware realisiert initiert durch Software, typ. 1 x pro Sekunde

24 DESY Engineering Day, Time Calibration for 76 DOMs Time automatic, every few seconds In-ice DOMs IceTop

25 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen25 8B10B Encoding, 2MBit/s Tx Rx, 3500m Kabel Verdoppelung der Datenrate Erste Labortest waren o.k. (1 x DOR + 8 DOMs), auch Mix von ASK / 8B10B Bei vollen Domhub ( 8 x DOR, 60 DOMs), unter Linux, gab es Probleme  Linux-Treiber, zu hohe Gesamtdatenrate ?  Firmware –Bug ?

26 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen26 DOR Bestückung Prototypen, Bestueckung in der Zeuthener Elektronik-Werkstatt Serienfertigung für etwa 800 boards extern Hersteller I: Mittelstaedt / ESL GmbH, Bln. Tempelhof –etwa boards –kostengünstig, aber …  veraltete Produktionsanlagen (Stand Ende 2004)  Probleme (keine Erfahrungen) mit dem BGA-Löten  kein Löten unter Schutzgas (war in Aufbauphase)

27 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen27 DOR Bestückung, fortgesetzt Hersteller II: Intratec / Elbau GmbH, Bln. Weissensee –etwa 800 boards geliefert –moderne Produktionsanlagen –Löten unter Schutzgas –keine Probleme mit BGAs –geringe Probleme, verursacht durch Handbestückung  LED 180° gedreht (1x)  einzelne Pins nicht gelötet (~4x) –Komplettangebot inkl. Materialbeschaffung möglich –kann empfohlen werden

28 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen28 DOR Test Erste Firmware-Tests unter DOS, 130 Mhz Pentium, 32MB Speicher -> Borland_C, Templates fuer Linux Treiber (by John Jacobsen) Nach Herstellung, 100%-iger Funktionstest Test unter Linux Test Software von Arthur Jones, LBNL Berkeley, California Selbsttest mit Hilfe rückgeführter Ausgänge / Testadapter Testlog wird im DOR-Flash abgelegt einmalige Nummer per Server vergeben und aufgeklebt R1B0674D05 Rev. 1b abs. Nr. Serien Nr.

29 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen29 DOR Fehleranalyse, bezogen auf 225 Boards sofort funktioniert (Fa. Intratec) : ~85 % nach “einfacher” Reparatur, Ausbeute : ~ 98% LP-design, Fehler durch schlechte Footprint-Libraries –schlechte Pad Geometrie versursacht Lötfehler –z.B. SO-8 Footprint mit zu kurzen Pads echte Bestückungsfehler –durch verbogene Pads (schlechter Lieferzustand) –durch Handbestückung –durch schlechten Lötpastendruck (selten) defekte Bauelemente: 2x –5V/5V - DC / DC Wandler –Operationsverstärker OPA237NA

30 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen30 DOM hub From GPS Unit DOR card DSB Card CPU Cat5-cable with: 10 MHz 1 Pulse per Second RS-232 Time String 10 MHz, 1 pps. Time String Power Supplies Fans Monitors

31 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen31 DOM hub (Industrie-PC) DOR Cards (2 of 8 shown) DSB for GPS distr. Chassis Fans DOM Power Supplies CPU ~300 W running 60 DOMs Hard Drive Power Distr. Card Backplane with 12 PCI slots

32 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen32 Rack with DOMhubs LEDs for Rx, Tx and DOM-Power PCI Bus access

33 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen33 Unterkunft ->Zukünftiges IceCube Lab

34 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen34 IceCube Lab im Winter

35 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen35 Schlussbemerkungen IceCube Auslese funktioniert zuverlaessig, Detektor uptime >99% Firmware / Software Entwicklungsaufwand war betraechtlich – –Kommunikations-Protokoll zu komplex (?) PINGU als evtl. IceCube Erweiterung, 10 Gev GeV – –Auslese basierend auf PCIe, uTCA, ATCA (?) – –Verwendung der existierenden Software moeglich (?) – –Besseres Encoding (?), z.B. PSK (Phase Shift Keying)

36 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen36 Verwendete Quellen Animationen, entnommen dem IceCube docushare/public/ „Design and Performance of the IceCube Electronics“, Vortrag von R.G. Stokstad (LBNL Ca.), 2005 eigene Dokumente und Bilder

37 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen37 Danke für die Aufmerksamkeit !

38 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen38 Backup Slides

39 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen39 IceCube String 1400 m 2400 m 60 optical sensors Main Cable DOM Base with HV generator Electrical feedthrough for power + data Glass pressure sphere. Rated to psi. Outer diameter: 13" Photomultiplier Gel String OM Spacing: 17 m DOM Board

40 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen40 DOR Leiterplatte Entwurf: Reiner Roitsch, Berlin 8 Lagen, 311 x 122 mm, SMD beidseitig Technik: part. chem NiAu auf Cu 3 BGAs, 484 / 256 / 100 pins Herstellung –Fa. Mittelstaedt, schlechte Qualität –Fa. Gillett, schlechte Daten-Vorverarbeitung –Fa. straschu, ausreichend gute Qualität

41 DESY Engineering Day, The drilling site in January, 2005 Hose reel Drill tower IceTop tanks Hot water generator

42 DESY Engineering Day, Each 2 m dia. IceTop tank contains two Digital Optical Modules. The freezing of the water is done in a controlled manner to produce clear ice.

43 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen43 Data Packet Format

44 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen44 Zeitkalibration Kalibrations-Zyklus komplett als Firmware realisiert initiert durch Software, z.B. 1 x pro Sekunde

45 DESY Engineering Day, Timing verification with flashers 1.74 ns rms All 60 DOMs {

46 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen46 Alte und neue Station (im Bau befindlich)

47 DESY Engineering Day, /3/2015K.-H. Sulanke, DESY Zeuthen47 Polemarker


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