Schaltsysteme in der Messtechnik Wie ein LXI-System Signale am CERN überwacht

Warum LXI eine ideale Plattform für anspruchsvolle Schaltsysteme ist, zeigt ein Beispiel am CERN. Die Leistungsvorgaben sind hoch und die Strukturen komplex. Zudem sollte ein Fernzugriff möglich sein.

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Der Teilchenbeschleuniger (Large Hadron Collider LHC), der unter dem Namen CERN bekannten europäischen Organisation für Nuklearforschung, geriet durch die Entdeckung des Higgs-Bosons ins Rampenlicht der Öffentlichkeit. CERN betreibt in der Nähe von Genf hundert Meter unter der Erde an der Grenze zwischen der Schweiz und Frankreich einen Hochenergie-Teilchenbeschleuniger zur Forschung in der Hochenergiephysik. In diesem Beschleuniger existieren zwei gegenläufige, ringförmige Teilchenstrahlen, die sich an vier Experimentierstellen kreuzen, wo Teilchen aus entgegengesetzten Richtungen aufeinander prallen und Signaturen erzeugen, um das Vorhandensein kurzlebiger Teilchen zu erkennen.

Der größte Teil der Aufmerksamkeit konzentrierte sich auf die Experimente, um die vorhandenen Daten zu erfassen und um die Existenz neuer Teilchen nachzuweisen. Indes ist auch die Überwachung des Rings an sich ein großes Unterfangen, das vom Open Analogue Signal Information System, bekannt als OASIS, geleistet wird. Der Teilchenbeschleuniger wird über viele Signale überwacht, die an vielen Stellen aufgenommen werden. So ist sichergestellt, dass sich das System in einem ordnungsgemäßen Zustand befindet.

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Alle zwei Jahre erfolgt ein Upgrade der Systeme

Auch ein Unternehmen mit großem Etat wie CERN muss sicherstellen, dass sich das Budget innerhalb des finanziellen Rahmens bewegt. Das System OASIS verwendet mehrere Digitizer, um die Signale zu erfassen, die über Ethernet an die Anwender übertragen werden. Die Digitizer sind jedoch sehr teuer, sodass nicht für jedes zu überwachende Signal ein eigener Digitizer zur Verfügung gestellt werden kann. Mit Hilfe eines Schaltsystems wählt OASIS aus der Fülle der verfügbaren Signale diejenigen aus, die angezeigt werden sollen. Ursprünglich basierte das Schaltsystem auf VXI- und in jüngerer Vergangenheit auf cPCI-Lösungen. Aktuell befindet es sich jedoch im Umbruch.

CERN unterzieht seine Systeme alle zwei Jahre einem wichtigen Upgrade, sodass die Energieniveaus der Teilchenbeschleuniger wieder erhöht bis fast verdoppelt werden und weitere, neue physikalische Phänomene erforscht werden können. Im Februar 2013 wurde der Teilchenbeschleuniger für den geplanten Upgrade heruntergefahren. Notwendigerweise muss im Rahmen dieses Prozesses OASIS hochgerüstet werden.

Die erwähnten Überwachungssignale bergen einige Herausforderungen für ein Schaltsystem. CERN fordert an jeder von vier Experimentierstellen bis zu 16 Signale von insgesamt 104 Sensoren zur Digitalisierung abzugreifen. Die analogen Signale haben Frequenzanteile bis zu mehreren Megahertz und die Pegel der unterschiedlichen Messstellen können erheblich voneinander abweichen. Diese Situation sorgte für anspruchsvolle Randbedingungen bezüglich des zulässigen Übersprechens zwischen Kanälen sowie der erforderlichen Bandbreite. Wenn gleichzeitig Signale von Quellen mit hohem und Quellen mit niedrigem Pegel auf unterschiedlichen Kanälen übertragen werden, könnte das starke Signal das schwache Signal durch Übersprechen stören.

Ein weiteres, wichtiges Thema bei CERN ist die schiere Größe des Beschleunigerrings. Man kann nicht in vernünftiger Zeit von einer Experimentierstelle zur nächsten gehen – der Tunnel ist heute mit Fahrrädern ausgestattet, um Transporte zwischen den Stellen schneller abwickeln zu können. Fernwirken oder Fernsteuern ist daher eine unabdingbare Anforderung an jede Lösung.

Ein OASIS-Schaltsystem entwickeln

CERN kontaktierte Pickering Interfaces und bat um Vorschläge für ein neues Schaltsystem, das im Rahmen des geplanten Upgrades zu implementieren wäre. Die grundlegenden Anforderungen waren eine Schaltmatrix der Größe 104 x 16 mit einer Signalbandbreite von einigen zehn Megahertz. In den Fachgesprächen stellte sich schnell heraus, dass die Beherrschung des Übersprechens eines der Hauptthemen für die Implementierung sein würde. Die Größe der erforderlichen Matrix war nicht mit herkömmlichen Mitteln unter Verwendung von Standardprodukten zu lösen. Leistungsziele und Budgetgrenzen mussten eingehalten werden.

Darüber hinaus sollten Kosten für die das Schaltsystem spürbar niedriger sein, als die Kosten für separate Digitizer zu jedem analogen Signal. PCI in einem Industrierechner war die bevorzugte Plattform, aber es stellte sich schnell heraus, dass sich die starre modulare Struktur des PCI-Busses nicht für diese Art Schaltsystem geeignet war. Dasselbe galt für cPCI und PXI.

Um eine Hochleistungsmatrix dieses Typs zu realisieren, war es nötig, den Formfaktor der endgültigen Lösung für das Schaltsystem zu ermitteln. Dabei zeigte sich, dass keine bekannten Systeme in Frage kamen. Ein modularer Ansatz war erforderlich, um die Größe der Matrix skalierbar zu gestalten, da unterschiedliche Standorte unterschiedliche Matrixgrößen erforderten: ein Standort 64 x 16, ein anderer 104 x 16.

Die Systemanforderungen konnten sich auch im Lauf der Zeit ändern, wenn sich die Anzahl der Sensoren änderte und mehr oder weniger Kanäle dazu kamen. Alles deutete darauf hin, dass ein proprietärer, skalierbarer, modularer Ansatz erforderlich war, um die Matrixgröße ohne Weiteres anpassen zu können. Pickering Interfaces wählte LXI, die Plattform, die hinsichtlich Baugröße erhebliche Freiheiten bot.

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