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updated the mvdsensorcontrol docu draft
authorMichael Wiebusch <antiquark@gmx.net>
Thu, 8 May 2014 09:19:07 +0000 (11:19 +0200)
committerMichael Wiebusch <antiquark@gmx.net>
Thu, 8 May 2014 09:19:07 +0000 (11:19 +0200)
mvdsensorcontrol/.daqsetup.tex.kate-swp [deleted file]
mvdsensorcontrol/daqsetup.tex
mvdsensorcontrol/jtag.tex
mvdsensorcontrol/remarks.tex

diff --git a/mvdsensorcontrol/.daqsetup.tex.kate-swp b/mvdsensorcontrol/.daqsetup.tex.kate-swp
deleted file mode 100644 (file)
index ec33129..0000000
Binary files a/mvdsensorcontrol/.daqsetup.tex.kate-swp and /dev/null differ
index 8fa8435a378f93421ec138c7aa32c8765f085ca0..1e092543bcca07ff39dd47fd559f8a9564f9f429 100644 (file)
@@ -90,6 +90,180 @@ and thus on the efficiency of the sensor.
 \label{fig:m26lines}
 \end{figure}
 
+\subsection{The front-end electronics (draft!)}
+\label{sec:front-end_electronics}
+\subsubsection{The front-end board(draft!)}
+\label{sec:front-end_board}
+The front-end board serves mainly as an adaptor between the sensor FPC, to which the MIMOSA26 chip is
+bonded, and the converter board. The front-end board possesses decoupling capacitors to filter off
+fluctuations in the supply voltages. It also provides some circuitry to generate the clamping voltage
+for the sensor or buffer a clamping voltage generated on the
+\hyperref[sec:converter_board]{converter board}.
+\subsubsection{The converter board(draft!)}
+\label{sec:converter_board}
+The converter board is the main front-end electronics component.
+It is intended to electrically accommodate up to two sensors and it provides a means to monitor the
+sensor's electrical behaviour.
+
+The converter board consists of the following circuits:
+\begin{description}
+\item[Power supplies]
+% \paragraph{Power supplies}
+For each of the two sensors, the converter board provides a power supply for the analog supply voltage
+and a second one for the digital supply voltage. 
+The converter board is powered with \SIrange{4}{5}{\volt}; each power supply section uses an LDO
+voltage regulator to provide a stable \SI{3.3}{\volt} voltage source from the board's input voltage.
+The four power supplies can be switched on and off by slow control.
+In addition to switching a supply off there is the possibility to short the power supply output,
+so any following decoupling capacitors are discharged.
+There are eight individual control signals that can be set via slow control:
+\begin{description}
+\item[EnaA0]
+Enable analog power supply for sensor 0
+\item[EnaD0]
+Enable digital power supply for sensor 0
+\item[DisA0]
+Short/discharge output of analog power supply for sensor 0
+\item[DisD0]
+Short/discharge output of digital power supply for sensor 0
+\item[EnaA1]
+Enable analog power supply for sensor 1
+\item[EnaD1]
+Enable digital power supply for sensor 1
+\item[DisA1]
+Short/discharge output of analog power supply for sensor 1
+\item[DisD1]
+Short/discharge output of digital power supply for sensor 1
+\end{description}
+\item[ADC]
+% \paragraph{ADC}
+The converter board possesses two 16 bit ADCs and adjacent amplifier and multiplexer circuits
+to monitor the following observables for each of the two sensors:
+\begin{description}
+\item[CurrentDigital]
+The momentary current draw of the sensor on the digital power supply line (measured via
+a shunt and a high side current mirror).
+\item[CurrentAnalog]
+The momentary current draw of the sensor on the analog power supply line (measured via
+a shunt and a high side current mirror).
+\item[VoltageDigital]
+The momentary voltage of the sensor's digital power supply line (measured via a sense line).
+\item[VoltageAnalog]
+The momentary voltage of the sensor's analog power supply line (measured via a sense line).
+\item[VoltageGnd]
+The voltage drop on the ground line between sensor and converter board (measured via a sense line).
+\item[SensorTemperature]
+The voltage drop on a forward biased diode on the silicon bulk of the MIMOSA26 chip. The voltage shows
+a negative temperature dependence (the lower the voltage drop, the warmer the chip).
+\item[VDiscRef2A-VDiscRef2D]
+The voltages on the VDISCREF2 outputs of the sensor. These are test outputs to review the baseline
+voltages of the discriminator circuit, which are set via a JTAG controllable
+DAC\footnote{JTAG register "DAC\_BIAS", field "IVDREF2"}.
+There are four individual test outputs, since the
+baseline voltage is actively buffered for each quarter of the sensor and each buffer introduces
+a different voltage offset.
+The DAC range is \SIrange{0}{2.7}{\volt} according to the datasheet.
+\item[VDiscRefA-VDiscRefD]
+The voltages on the discriminator reference voltage outputs, measured relative to their respective
+baseline. The readings of these channels directly show the discriminator threshold voltages
+that are generated by four individual
+DACs\footnote{JTAG register "DAC\_BIAS", fields "IVDREF1A-IVDREF1D"}
+inside the chip. The DAC range is \SIrange{-32}{32}{\milli\volt} according to the datasheet.
+For these input channels the converter board has a measuring range from \SIrange{-39.9}{39.9}{\volt}.
+\item[ZeroSingle]
+Calibration offset that has to be subtracted from VDiscRef2A-VDiscRef2D to reduce systematic
+uncertainty introduced by the multiplexer and amplifier circuitry.
+\item[ZeroDifferential]
+Calibration offset that has to be subtracted from VDiscRefA-VDiscRefD to reduce systematic
+uncertainty introduced by the multiplexer and amplifier circuitry.
+\end{description}
+\item[Latchup detection circuit]
+% \paragraph{Latchup detection circuit}
+Each power supply unit has a shunt plus a high side current mirror in order to measure the
+voltage drop on the shunt that is proportional to the output current.
+This voltage drop is not only measured by the ADC section, but also monitored by an analog comparator.
+The comparator also receives a reference voltage from a programmable on-board DAC.
+If the output current exceeds a certain threshold, depending on the DAC setting, a fast digital signal
+is generated by the comparator indicating an overcurrent situation.
+\item[Programmable DAC]
+% \paragraph{Programmable DAC}
+On the converter board there is one programmable eight channel digital to analog converter (DAC).
+Six of its channels are used for the following purposes:
+\begin{itemize}
+\item
+Sensor 0 analog overcurrent threshold reference voltage
+\item
+Sensor 0 digital overcurrent threshold reference voltage
+\item
+Sensor 0 clamping voltage
+\item
+Sensor 1 analog overcurrent threshold reference voltage
+\item
+Sensor 1 digital overcurrent threshold reference voltage
+\item
+Sensor 1 clamping voltage
+\end{itemize}
+The clamping voltage outputs of the DAC is only connected to the sensors if the proper jumpers/solder
+bridges are closed.
+% \paragraph{Signal switches}
+\item[Signal switches]
+The converter board provides semiconductor switches to enable/disable the sensor control signals
+and to enable/bypass JTAG for each sensor.
+There are four individual control signals that can be set by slow control:
+\begin{description}
+\item[SensorEn0]
+Enable CLKL, RESET and START for sensor 0.
+\item[JtagEn0]
+Enable JTAG communication for sensor 0 if this signal is 1. Bypass sensor 0 in JTAG chain when
+signal is 0.
+\item[SensorEn1]
+Enable CLKL, RESET and START for sensor 1.
+\item[JtagEn1]
+Enable JTAG communication for sensor 1 if this signal is 1. Bypass sensor 1 in JTAG chain when
+signal is 0.
+\end{description}
+% \paragraph{Microcontroller}
+\item[Microcontroller]
+[stm32 blah blah ??]
+
+% \paragraph{Signal buffers and signal converters}
+\item[Signal buffers and signal converters]
+All signals between the converter board and the TRB3 are exchanged via LVDS lines to use the most
+stable transmission technique. After all this connection is the longest distance in the set-up
+that needs to be bridged by copper cables.
+On the other side of the board, the MIMOSA26 sensor uses a mixture of LVDS and LVTTL signals.
+Different kinds of signal buffers\footnote{Not data buffers/FIFOs but 
+signal buffers/drivers/impedance converters}
+and converters are employed on the converter board:
+\begin{description}
+\item[Sensor data LVDS buffers]
+The serial data outputs of the sensors (D0, D1, MKD and CLKD) are fed through LVDS buffers
+to unburden the sensor's internal LVDS output drivers.
+\item[Sensor main clock LVDS buffer]
+The sensor receives an \SI{80}{\mega\hertz} LVDS clock signal from the JTAG controller.
+This signal is repeated via an LVDS buffer on the converter board.
+\item[JTAG and sensor control LVDS$\Leftrightarrow$LVTTL converters]
+The sensor possesses an LVTTL JTAG interface. The converter board provides
+LVDS$\Leftrightarrow$LVTTL converters to connect the sensor's JTAG LVTTL signal lines to the
+LVDS signal lines of the FPGA that hosts the JTAG controller entity.
+The same is true for the RESET and the START signal that the sensor receives from the JTAG
+controller.
+\item[Microcontroller SPI and UART LVDS$\Leftrightarrow$LVTTL converter]
+The microcontroller communicates with the CbController via an SPI and a UART interface.
+Both are LVTTL interfaces on the microcontroller side and LVDS on the FPGA side, so the
+converter board provides the proper converters.
+\item[Overcurrent LVDS$\Leftrightarrow$LVTTL converter]
+Each power supply has an overcurrent indicator LVTTL signal which has to be converted to LVDS
+in order to be monitored by the CbController FPGA entity.
+\end{description}
+
+% \item[Signal switches]
+% \item[Flat cable connector]
+
+
+\end{description}
+
+
 
 \subsection{TRB3 FPGA board}
 \begin{figure}[H]
@@ -124,7 +298,8 @@ The design for the TRB3 peripheral FPGAs consists of
 three main entities: The readout controller (ROC), the JTAG controller and the converter board
 controller (CbController). Each of the three has its distinct functionality.
 \subsubsection{Readout controller}
-The readout controller captures the synchronous serial data stream coming from the sensor.
+The readout controller\footnote{Implemented by Borislav Milanovic during his PhD. studies}
+captures the synchronous serial data stream coming from the sensor.
 By means of the front-end electronics and dedicated FPGA pins the readout controller receives
 the following (differential) signals from the sensor:
 \begin{description}
@@ -138,41 +313,42 @@ is constantly high)
 Serial data output for the first half of the sensor data.
 \item[D1]
 Serial data output for the second half of the sensor data.
-
 \end{description}
+The ROC buffers the two serial data streams and provides a mechanism that allows the data to
+cross from the sensor clock domain (\SI{80}{\mega\hertz}) to the FPGA clock domain
+(\SI{100}{\mega\hertz}). It then combines the two data streams, checks the data for consistency
+and adds status information as well as a sensor id. The new composite data stream is then transmitted
+to a data acquisition computer via TRBnet where the data is finally stored.
+\subsubsection{JTAG controller}
+\label{sec:JTAG_controller}
+While the ROC is concerned with the data coming from the sensor, the JTAG controller\footnote{
+Developed by Bertram Neuman during his master's thesis} handles the
+communication to the sensor. The MIMOSA26 sensor possesses a JTAG interface (a synchronous serial
+data interface) that provides access to the settings registers of the chip.
+Multiple sensors can have their JTAG interfaces connected in series (comparable to shift registers)
+and then be operated with a single JTAG controller.
+The JTAG controller receives the sensor settings via TRBnet (slow control network) and is then able
+to program the sensors with their respecitve settings automatically.
+Furthermore the JTAG controller controls the START and the RESET signal of the sensor, so the sensor
+can be initialized and reset via slow control commands.
 
-\subsection{JTAG controller}
-
-\subsection{Converter board controller}
-
-\begin{itemize}
-\item
-hub
-\item
-ccu
-\item
-roc
-  \begin{itemize}
-  \item
-  actual roc
-  \item
-  JTAG
-  \item
-  CbController
-  \end{itemize}
-\item
-\end{itemize}
-
-\subsection{Converter board v2013}
-The converter board is the key component 
-??-> what to write
-\begin{itemize}
-\item
-Key component of the front-end electronics
-\item
-Regulated power supplies (linear, switchable), voltage and consumption can be measured
-\item
-blah
+See section \ref{sec:JTAG_programming} for more details about JTAG registers and their manipulation.
 
-\end{itemize}
+\subsubsection{Converter board controller}
+The converter board controller is not directly involved in the communication with the sensor.
+It acts as a slow control bridge to the functionality of the
+\hyperref[sec:converter_board]{converter board}, thus
+the entity allows for the switching of power and signal lines to and from the sensor via slow control.
+Furthermore it is involved in the acquisition of sensor status information,
+such as sensor temperature and power consumption.
+For communication with the converter board the entity includes an SPI slave interface and a
+bidirectional UART.
+The CbController entity forwards slow control commands to the converter board via the UART and
+receives status information from the converter board.
+The SPI slave constantly receives a joint data stream of all voltage and current measurements performed
+by the ADCs on the converter board.
+The readings get stored in dedicated registers and are refreshed continuously. The register contents
+can then be read out via slow control requests.
+\subsubsection{hub/ccu?(draft!)}
+[??placeholder]
 
index ad28adacd7877358ec574719e203275d7671fdf3..4a50aebc9650c2143ed5220ce79073ca2045ea97 100644 (file)
@@ -1,4 +1,5 @@
 \section{JTAG programming}
+\label{sec:JTAG_programming}
 
 \subsection{MIMOSA26 registers and the JTAG controller entity}
 
@@ -14,7 +15,8 @@ The MIMOSA26 chip posesses 11 JTAG settings registers, wich are hardwired to dis
 readout logic part of the sensor (see Figure \ref{fig:M26andItsRegisters}). Most registers are sub-divided
 into multiple data fields of variable length (see Figure \ref{fig:datafields}). Each of the in total 82 
 datafields corresponds to a distinct function or configurable quantity inside the sensor.
-The JTAG programming is handled by a dedicated FPGA design entity, the JTAG Controller.
+The JTAG programming is handled by a dedicated FPGA design entity, the 
+\hyperref[sec:JTAG_controller]{JTAG controller}.
 This entity receives commands from the programming software on a regular PC.
 
 \begin{figure}[H]
index 24c437089bc1f0900b5292aa02560ab860ba6eac..96617b88fb100d49e6891eecbdc08890565342a2 100644 (file)
@@ -35,4 +35,11 @@ Front End Board ??
 \item
 Elaborate on the elements of the config XML file.
 
+\end{itemize}
+
+\subsection{to investigate}
+\begin{itemize}
+\item
+how does the data flow go with the roc/hub/evtbuilder?
+
 \end{itemize}
\ No newline at end of file