Planeación, Diseño y simulación de una tarjeta de adquisición de datos, de 4 canales, a 80 MSPS

Hernández Morales, I. 3 , Monterroso Villatoro, I. 3, Aldana Segura, W. 2,Félix Valdez, J.1,

1Laboratorio Internacional de Partículas Elementales, DCI, CL, Universidad de Guanajuato, México.2Universidad de San Carlos de Guatemala, Universidad Galileo, Guatemala. 3Guatemala, Universidad Galileo, Guatemala.

felix@física.ugto.mx

RESULTADOS/ RESULTS

DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES/ DISCUSSION

& CONCLUSIONS

Los fenómenos físicos pueden describirse y replicarse como experiencias de laboratorio al contarcon equipo adecuado que permita hasta cierto punto, por medio de la adecuada sistematización dela experiencia, reproducir el mundo externo.La necesidad de equipamiento diseñado a la medida y adecuado es un tema común en todas lasUniversidades, Centros de Estudio y Laboratorios alrededor del mundo. Esto ha motivado laplaneación, diseño, simulación, para posterior construcción, de una tarjeta adquisidora de datos de4 canales que opera a 80 MSPS con una capacidad de 480 Mbits/s.Esta tarjeta se planea utilizar en situaciones de laboratorio donde se obtienen señalesexponenciales descendientes, en el orden de mV y cuya frecuencia sea de (300Mhz). [1]Para ello, se han investigado las características de varias otras tarjetas comerciales, entre ellasFPGA Xilinx, componentes de Texas Instruments y Eagleye 530s. Las capacidades de losprocesadores ARM en estos tipos de aplicaciones también fueron estudiadas [2].Inicialmente se estudió la posibilidad de utilizar un módulo Arduino o una RaspberryPi4 para laadquisición y transmisión de los datos. Una alternativa que se evaluó, fueron las tarjetas Teensydado el desempeño de las tarjetas Teensy 4.1, que recientemente han salido al mercado, lascuales fueron integradas desde las aplicaciones varias, privilegiadas por su bajo costo y unarespuesta rápida con altas tasas de muestreo. Esta característica hizo particularmente atractivo eluso de este dispositivo. Autores como Romano [3], han utilizado este dispositivo para aplicacionesen óptica por su velocidad de respuesta.

El diseño original se planteó como la posibilidad de establecer un circuito comparador para podergatillar eventos efectivamente y discriminar los datos antes de su almacenamiento. Sin embargo, aldiseñar y probar el sistema, las compuertas lógicas utilizaban valores muy altos de voltaje para lo quenosotros estábamos diseñando. Por estas razones se buscó un circuito comparador de alta velocidadque fuera capaz de operar en el rango de mV.Se decidió que podríamos fabricar una tarjeta de adquisición de datos, modular pero que fuera losuficientemente robusta para el trabajo que necesitábamos. Se agregó un buffer para poder almacenarlos datos para darle un estado lógico a la respuesta del ADC (Analog-Digital Converter), discriminarseñales falsas al módulo de digitalización y se estableció un mecanismo para poder almacenar losdatos de manera efectiva.DiseñoDe esa suerte, se decidió que previo al diseño final y la construcción de la tarjeta, se realizarían lassimulaciones de cada módulo para conocer la respuesta y operación de los diversos componentespropuestos. Esto presentaba ventajas económicas y técnicas. Se decidió iniciar las simulaciones conMultisim utilizando experiencias previas y las ventajas de la plataforma [4]. Teniendo en consideraciónla necesidad de enviar los datos a un dispositivo de almacenamiento, se optó por protocolos Ethernet yUSB. Esto nos permite enviar la información de forma efectiva y presenta la ventaja adicional de poderoperar el equipo de forma remota. En este caso, cuando se estudian fenómenos relacionados aradiación de origen cósmico o no, esta facilidad resulta sumamente útil.

•Módulos•El diseño modular permite, además, a través de puntos de prueba determinar fallos posibles en loscomponentes involucrados en los módulos y funcionamiento en la tarjeta oportunamente. Esto se hadeterminado de experiencias exitosas previas en la adquisición de datos [5]. Este diseño modular nospermite conocer la interacción de cada canal con elementos externos si se llega a dar el caso.Módulos implementados:En la Figura 1 se aprecia la Arquitectura del diseño.-Alimentación -Adquisición por canal- Sensores -Preprocesamiento y transmisión de datos

[1]J. Félix, E. Granados, and O. Moreno, “Design, construction and characterization of a mini cosmic ray spectrometer,” J. Phys. Conf. Ser., vol. 761, no. 1, pp. 2–6, 2016. [2]F. J. Rosas-Torres, M. A. Hernández-Morquecho, J. Sánchez-Sánchez, and J. Félix, “Design, construction, characterization, and operation of a hybrid cosmic rays detector based on an electron gas,” in Journal of Physics: Conference Series, 2017, vol. 792, no. 1. [3]M. Romano, M. Bucklin, H. Gritton, D. Mehrotra, R. Kessel, and X. Han, “A Teensy microcontroller-based interface for optical imaging camera control during behavioral experiments,” J. Neurosci. Methods, 2019.[4]D. Báez-López and F. E. Guerrero-Castro, “Circuit analysis with Multisim,” Synth. Lect. Digit. Circuits Syst., 2011. [5] F. J. Rosas Torres, M. A. Hernández Morquecho, L. Arceo, and J. Félix, “Cu Hybrid 4 Channel Cosmic Ray Detector,” in Journal of Physics: Conference Series, 2017, vol. 912, no. 1. [6] P. Horowitz, W. Hill, and R. J. Rollefson, “ The Art of Electronics ,” Am. J. Phys., 1990. [7]L. P. Consumption and A. M. I. Cc, “8ĆLINE TO 3ĆLINE PRIORITY ENCODERS Outputs Can Drive Up To 10 LSTTL Loads SN54HC148 , SN74HC148 8ĆLINE TO 3ĆLINE PRIORITY ENCODERS,” no. March 1984, 2004.[8] A. D. Converter, “ADC10080 10-Bit, 80 MSPS, 3V, 78.6 mW A/D Converter,” no. July 2003, 2013. [9] S. No et al., “10-BIT BUFFERS / DRIVERS WITH 3-STATE OUTPUTS 10-BIT BUFFERS / DRIVERS,” no. December 1995, 1997. [10] “M4F Trace ANT060,” no. January. p. 85260, 2018. [11] N. X. P. Semiconductors, “i . MX RT1060 Processor Reference Manual,” 2019. [12]J. Wang and W. Wang, “The common data acquisition system based on arm9,” in Proceedings - IEEE 2011 10th International Conference on Electronic Measurement and Instruments, ICEMI 2011, 2011. [13] A. Waterman, Y. Lee, R. Avizienis, H. Cook, D. Patterson, and K. Asanovic, “The RISC-V instruction set,” in 2013 IEEE Hot Chips 25 Symposium, HCS 2013, 2016. [14] M. Iordache, G. Andronescu, V. Bucatǎ, D. Niculae, M. Stǎnculescu, and L. Iordache, “Analysis and design of wireless electromagnetic energy transfer systems,” in 2016 International Conference on Applied and Theoretical Electricity, ICATE 2016 - Proceedings, 2016. [15] “KiCad, Herramienta de Software Libre de Modelado de Circuitos Impresos para el Desarrollo de Hardware,” Cienc. e Ing., 2017. [16] D. Báez-López, F. E. Guerrero-Castro, and O. D. Cervantes-Villagómez, “Advanced circuit simulation using multisim workbench,” Synth. Lect. Digit. Circuits Syst., 2012. [17] R. Manual, Multisim TM SPICE. 1994.

Se agradece el apoyo del Proyecto CONACYT

REFERENCIAS/ REFERENCES

METODOLOGÍA / METHODOLOGY

INTRODUCCIÓN/ INTRODUCTION

RESUMEN/ABSTRACT

Resumen –– En los diseños experimentales, un reto es contar con el equipo adecuado para la adquisición, almacenamiento y procesamiento de datos. Estos datos permiten estudiar más a fondo un eventoel cual gracias a la adecuada sistematización puede ser replicable en condiciones de laboratorio. Para subsanar la necesidad de equipo diseñado para condiciones particulares de laboratorio, se planifica,diseña, y simula, para posteriormente construir, una tarjeta de adquisición de datos de 4 canales, capaz de entregar 480 Mbits/s y frecuencia de muestreo de 80 MSPS. La tarjeta incluye un módulocomparador, un módulo de digitalización, módulo de sensores y control y comunicación y transferencia de datos.

Se utiliza software como Multisim y TINA para poder realizar una simulación de la operación de los diferentes módulos diseñados en la tarjeta previo a la construcción final del circuito impreso (PCB).El diseño elaborado permite obtener, una tarjeta de adquisición de datos con los más altos estándares de control capaz de tomar señales de mV, discriminarlas y finalmente enviarlas para su

almacenamiento. Presentamos detalles técnicos y resultados preliminares de este diseño y simulación.

Abstract –– In the experimental design, to have adequate equipment for the acquisition, storage and processing of data is a challenge. These data, allows us to study even further an event, which thanks toadequate systematization can be replicable under Laboratory conditions. To alleviate the need for equipment designed to particular Laboratory conditions, a 4 channel, acquisition board is planned, designed,simulated and build, capable of delivering 480 Mbits/s with a sample rate of 80MSPS. The board includes a comparator module, a digitalizing module, sensors, and control module and finally a module forprocessing, communication and data storage. Software like Multisim and TINA are used to be able to perform a simulation of the operation of several modules, designed from the board, before building theprinted circuit board (PCB). The design allows to obtain, a data acquisition board, with the highest control standards, capable of taking signals in the mV range, discriminate them and finally send them forstorage.

Palabras Clave – ADC, adquisición de datos, digitalización de datos, PBC, ARM Cortex, Teensy Keywords –– ADC, data acquisition, data digitalizing, PBC. ARM Cortex, Teensy

Figura 1 Diagrama de Bloques de la tarjeta de adquisición de datos.

Figura 5 Señales de Entrada, reloj y Salidadel ADC con el software TINA (elaboraciónpropia)

Figura 3 Señales de entrada en los BNC ysalida del comparador, simulación realizada enMultisim (elaboración propia)

Figura 4 señales en el Buffer simulaciónrealizada en Multisim (elaboración propia)

Conclusiones: El diseño cumple con estándares más exigentes en temas de seguridad y de transmisión de datos. Es capaz de adquirir señales de 4 canales, utilizar los eventos de 2 canales para gatillar la digitalización y operar con una tasa de muestreo de 80MSPS y una resolución de 10 bits. Puede además transmitir los datos a una velocidad de 480Mbits/s. Esto implica que puede reemplazar modelos comerciales de más alto costo por su efectividad para la transmisión de datos.Es posible elaborar un sistema de adquisición de datos con componentes comercialmente disponibles, construyendo una solución ad-hoc al evento que se quiere estudiar a un costo mucho menor que las tarjetas comercialmente disponibles. El uso de software de simulación ha permitido evaluar diversos componentes previo a la fabricación del PCB, esto tiene ventajas técnicas y económicas de largo plazo.

La simulación de las señales en elBuffer da como resultado la . Seestablece efectivamente que lacFigura 4. configuraciónseleccionada entrega al módulo deTeensy una señal apropiada, y queel buffer contribuye a mantener laintegridad de la señal.

Agradecimientos