System-on-Chip-basierte Magnetstromregelung in einem MicroTCA-System

Abstract

In dieser Arbeit wird ein Konzept zur Portierung der DESY-II-Magnetstromregelung vom VMEbus-Standard auf den MicroTCA-Standard entwickelt. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Einhaltung der Echtzeitan-forderung, die im VME-System durch die Nutzung des Echtzeitbetriebssystems VxWorks realisiert wurde. Das zentrale Konzept dieser Arbeit basiert auf einem System-On-Chip (SoC)-Ansatz, bei dem die Berechnungen aller sechs Magnetkreise, die im VME-System auf der zentralen CPU ausgeführt wurden, auf jeweils eigene Zynq7000-SoCs ausgelagert werden, wodurch die Rechenlast für einen einzelnen Prozessor deutlich reduziert wird. Auf dem SoC werden echtzeit-kritische Aufgaben ausgeführt wie das Auszählen von Trigger- und Taktsignalen aus der Magnetstrommessung auf der Programmable Logic (PL) und die Berechnung und Regelung auf dem Processing System (PS). Zwischen diesen beiden Komponenten werden PL-PS-Interrupts und das AXI4-lite-Protkoll zur Datenkommunikation verwendet. Das CPU-Modul des MicroTCA-Crates wird für die Implementierung eines Kontrollsystem-Servers genutzt. Dieser stellt für die auf den jeweiligen AMC-Karten implementierten Regelungen Sollwerte und Steuersignale bereit. Für die Kommunikation dieser Werte zwischen der CPU und den SoC-AMC-Karten wird PCIe auf der AMC-Backplane verwendet. Die implementierten Funktionen und Schnittstellen wurden mit dem Global-Timer des Zynq7000, dem Integrated Logic Analyzer und Oszilloskop-Messungen untersucht und validiert. Die Echtzeitanforderung von 80 ms wird auch ohne VxWorks eingehalten. Die Datenkommunikation über die PL-PS-Schnittstelle überträgt die erforderlichen Werte zu korrekten Zeitpunkten. Die Kontrollsystemwerte werden ebenfalls erfolgreich aus dem Kontrollsystem geladen und im SoC zur Verfügung gestellt. Allgemein stellt diese Arbeit ein Konzept für den Einsatz des MicroTCA-STandards in der DESY-II-Magnetstromregelung dar. Die Ergebnisse fungieren damit als Grundlage für die zukünftige Modernisierung der gesamten Regelung basierend auf dem MicroTCA-Standard.

This thesis develops a concept for the migration of the DESY II magnets control from the VMEbus standard to the MicroTCA standard. A special focus is placed on meeting the real-time requirement, that was achieved in the VME system by using the real-time operating system VxWorks. The central concept of this thesis is the system-on-chip (SoC) approach, in which the calculations of all six magnet circuits, that were executed on the central CPU in the VME system, are outsourced onto individual Zynq7000 SoCs. Thereby the workload for a single processor is significantly reduced. On the SoC real-time critical tasks are executed, like counting trigger and pulse signals from the current measurement on the Programmable Logic (PL) and calculations and control algorithms on the Processing System (PS). PLPS interrupts and the AXI4-lite protocol are used for data communication between these two components. The CPU module of the MicroTCA crate is used for the implementation of the control system server. For the communication between the CPU and the SoC-AMC modules, PCIe on the AMC backplane is used. The implemented functions and interfaces were analyzed and validated using the global timer of the Zynq7000, the Integrated Logic Analyzer and oscilloscope measurements. The real-time requirement of 80 ms is met even without VxWorks. The data communication over the PL-PS interface transmits the required values at the correct moments. The control system values are also successfully loaded from the control system and made available in the SoC. In general, this thesis provides a concept for the use of the MicroTCA standard in the DESY II magnet control. The results serve as a basis for the future modernization of the entire magnet control based on the MicroTCA standard.