Razionalizzazione del sistema integrato hw/sw della camera TIRCAM2 per la definizione di un nuovo sistema per la camera AMICA Technical Report v. 2.0.1 Prepared Verified Authorized Date G. Di Rico M. Ragni L. Corcione M. Dolci O. Straniero M. Dolci March 200 1) Definizione dell Hardware della camera AMICA a partire dall Hardware della camera Tircam 2 (Digitalizzazione del segnale raccolto) a) La strategia di acquisizione e digitalizzazione del segnale proveniente dalla camera distribuito sui 16 canali di uscita del rivelatore è basata attualmente sull uso di 3 schede DSP PC della Innovative DSP, inserite all interno di un rack su bus ISA. Ogni scheda DSP PC ospita 2 schede ACQ, capaci ognuna di convertire da analogico a digitale 3 canali. b) Lo sviluppo attuale su bus PCI e su prodotti aggiornati richiede, seguendo una filosofia di compatibilità con l architettura esistente, l uso di 3 schede DSP M, basate sull uso del processore DSP Texas Instuments TMS320C a 60 MHz. Hanno la possibilità di ospitare 2 moduli omnibus ognuna, e sono dotate di 2 porte esterne COMM con comunicazione a 20 Mbyte/sec. La digitalizzazione del segnale può essere operata da moduli Omnibus AD1. Ogni modulo AD1 è provvisto di convertitori analogico digitali a 1 bit a 10 MHz che lavorano in parallelo, digitalizzando quindi canali contemporaneamente. Perciò con l uso di moduli Omnibus si ha la
digitalizzazione di tutti e 16 i canali. Ogni modulo AD1 è fornito di un convertitore digitale analogico per produrre un eventuale segnale di uscita verso lo strumento. In questa configurazione 2 schede M sono atte ad ospitare ognuna 2 moduli AD1 e raccogliere quindi il segnale digitalizzato, mentre una terza scheda M ha il solo compito di produrre i segnali di fase per il funzionamento della camera oltre che produrre i segnali di comando per la ruota porta filtri. c) Una prima alternativa a questa configurazione è l uso di un solo modulo omnibus capace di acquisire 16 canali contemporaneamente grazie ad un multiplexer analogico sui segnali di ingresso. Il modulo A16D2 campiona a 16 bit ad una frequenza massima di 200 KHz, e fornisce 2 uscite indipendenti da digitale ad analogico per la produzione di segnali di controllo. d) Alternativa drastica è l uso di schede stand-alone: la Innovative Integration fornisce 2 schede stand-alone: - la SBC6x è capace di 1GFLPS, monta un processore DSP della Texas Instruments TMS320C6201 in virgola fissa a 200 MHz o un TMS320C6701 in virgola mobile a 160 MHz. Ogni scheda è capace di alloggiare 2 moduli OMNIBUS. Sono dotati di Mbit di memoria Flash sulla quale bruciare il programma che viene caricato all avvio, ed è interfacciabile con un PC tramite porta USB. - La SBC 6711 è capace di 900 MFLOPS, monta un processore DSP della Texas Instruments TMS320C6711 in virgola mobile, è capace di alloggiare 2 moduli OMNIBUS ed offre una comunicazione con l esterno di 12 Mbit/sec tramite porta USB 1.1. Le dimensioni sono di 3U Di seguito vengono riportate le immagini schematizzanti le varie opportunità che si hanno. Nella schematizzazione a blocchi non è stato tenuto conto della soluzione discussa per la movimentazione dello specchio M2, che sarà esposta a parte. Viene riportata per ora l attuale connessione diretta tra computer e movimentazione di M2 con un segnale di controllo analogico.
Dewar Opzione I Attualmente in uso chopp er Filter wheel Step motor trigger Detector Pre-amplifier 16 channels Pc rack Power supply ISA Bus PCI Bus Biases & clocks Ethernet digital clocks Acq # 1 3 Acq # 2 3 Acq # 3 3 Acq # 3 Acq # 6 3 Acq # 6 3 PC #1 PC #2 PC #3 VGA Dis k PC CPU Pentium 200 MHz RS 232 to telescope Dewar Opzione II Aggiornament o su Bus PCI chopp er Filter wheel Step motor trigger Detector Pre-amplifier 16 channels Pc rack Power supply PCI Bus Biases & clocks Ethernet digital clocks AD1 # 1 AD1 # 2 AD1 # 3 AD1 # M #1 M #2 M #3 VGA Dis k PC CPU Pentium? RS 232 to telescope
Dewar Opzione III Aggiornamen to su Bus PCI e acquisizione mux chopp er Filter wheel Step motor trigger Detector Pre-amplifier 16 channels Pc rack Power supply Biases & clocks digital clocks A16D 2 16 PC CPU Pentium? PCI Bus M #1 M #2 Ethernet VGA Dis k RS 232 to telescope Opzione IV, 1 Stand alone con 1 modulo mux PC chopp er Filter wheel Step motor chi le dà le temporizzazioni??? Dewar Detector SBC6x Pre-amplifier 16 channels Stand alone A16D2 16 USB interface
Dewar Opzione IV, 2 2 Stand alone con AD1 chopper Filter wheel Detector Pre-amplifier 16 channels Step motor chi le dà le temporizzazioni??? SBC6x Stand alone AD1 #1 AD1 #2 PC USB interface SBC6x Stand alone AD1 #3 AD1 #3 USB interface 2) Descrizione del software esistente (procedure d uso) Il software attuale della camera Tircam 2 è scritto in linguaggio Visual C++, ed è specificatamente ottimizzato per il collegamento seriale con il telescopio TIRGO del Gornergrat e per il collegamento diretto per la movimentazione del secondario del telescopio stesso. Allo start up il programma carica i codici di funzionamento sulle schede DSP e sulle Omnibus ACQ ; la cartella DSP control dà un raffronto dell avvenuto caricamento del codice, e offre la possibilità di resettare e ricaricare il codice in caso di schede inchiodate.
figura SW01 cartella DSP control Si ha quindi a disposizione l interfaccia principale del programma, nella quale possiamo definire la strategia dell osservazione:
Figura SW02 Tircam Interface Nel riquadro Measure Modes è possibile spuntare il modo osservativo desiderato: - Staring: prende una singola immagine del target puntato - Beam Switched: con movimenti del telescopio si punta alternativamente al centro dell array la sorgente ed il cielo, al fine di sottrarre il cielo all immagine della sorgente. - Chopping: si compie una ripresa della sorgente e del cielo alternativamente grazie al movimento dello specchio secondario, al fine di sottrarre il cielo dal segnale della sorgente.
- Nodding: una combinazione di Beam Switched e Chopping, il telescopio viene mosso e di conseguenza il secondario, così che viene puntata comunque la sorgente ma con porzioni dello specchio diverse. - Dithering (non riportato in questa old version del programma): la sorgente viene inquadrata in 3 o 5 punti dell array diversi grazie al movimento del telescopio. Ognuna delle 3 o 5 riprese sull array della sorgente è chopperata. - Il campo Throw (N S ed W E) definisce l ampiezza dello spostamento del telescopio nelle sequenze di Beam Switched, Nodding e Dithering. Ulteriori campi nella nuova versione definiscono quanto punti di Dithering considerare e con quale strategia di spostamento del telescopio. Nel riquadro Measure Parameters è possibile definire la strategia di controllo delle temporizzazioni dell acquisizione. I parametri che vengono inseriti nei campi di questo riquadro dipendono anche dai valori della folder Fine Tuning della cartella Setting (Vedi Figura SW06) - Integration Time: è la durata totale dell integrazione, ottenuta come co-adding dei valori digitalizzati dai dispositivi campionatori ACQ di ogni Frame elementare. Il coadding dei singoli Frame è eseguito dai dispositivi DSP stessi. Questo campo esegue un controllo sul valore digitato, in quanto deve essere un multiplo intero del Frame Time, ovvero del tempo fondamentale di ogni singola esposizione. - Refresh Time: è la durata totale dopo la quale un risultato (anche parziale) viene prodotto. L integration Time è quindi un multiplo intero del Refresh Time. Per tutta la durata di un Refresh Time i frame vengono co-addizionati a produrre un risultato. Scaduto il Refresh Time il contatore del co-adding viene azzerato e ricomincia l addizione dei segnali presi. Allo scadere dell Integration Time tutti i risultati parziali di Refresh Time vengono presi ed addizionati per ottenere il risultato finale. Anche in questo caso si svolge un controllo sul valore digitato per mantenere le relazioni di molteplicità. - Frame Time: è la durata elementare di ogni singola esposizione dell array. Non è un valore selezionabile in questa finestra, poiché dipende dalla scelta del singolo tempo di acquisizione di un pixel, settabile nella folder Fine Tuning (Vedi Figura SW06). Il tempo riportato in questo campo non è altro che 102 volte il tempo del singolo pixel. (bisogna compiere 102 letture successive per leggere un singolo frame, in quanto l array è composto da 128 x 128 pixel che vengono letti tramite 16 uscite). - Chopper Frequency: è la frequenza alla quale oscilla lo specchio secondario. Anche in questo caso viene svolto un controllo sul valore: ad ogni posizione dello specchio devono corrispondere un numero intero di Frame Time, così che ad ogni posizione stabile dello specchio viene fatto un co-adding di un numero intero di immagini. - Sequence: è il numero di sequenze osservative da compiere con la stessa strategia. - Current Filter: è un campo di controllo che dipende dalla scelta del filtro nell apposita folder posta sotto Setting > Filter (Vedi Figura SW05)
- Target: è un campo settabile o di controllo conseguente alla definizione del campo Object nella folder posta sotto Setting > File Saving. Consente di specificare il nome dell oggetto puntato per la scrittura del file fits dell osservazione. - Ad ogni variazione dei parametri dei campi di questo riquadro è necessario premere il tasto Apply in modo che il programma ricalcola i giusti valori rispettando la proporzionalità tra le grandezze, scegliendo i valori corretti il più possibile vicini a quelli digitati dall utente. Nel riquadro Data Ready From tutti gli ACQ sono monitorati, ed il circoletto viene spuntato dal programma stesso una volta che i dati, raggiunto il tempo massimo di co-adding di una singola immagine (conseguente alla scelta dell Integration Time o del Refresh Time), sono pronti ad essere scaricati dagli ACQ al computer host. Il riquadro Utilities fornisce la possibilità di attivare funzionalità accessorie come la possibilità di salvare i file in formato fits (Vedi Figura SW0), di attivare la guida telescopio e la comunicazione col telescopio. Nei riquadri grafici viene visualizzato il risultato dell acquisizione: nel riquadro Integrated viene visualizzato il risultato ultimo dell osservazione, alla fine del tempo stabilito dal campo Integration Time. Nel riquadro Rough Image può essere visualizzata un immagine a scelta tra quelle elencate nel menù del riquadro Display on Rough : - Rough Frame: viene visualizzata l immagine grezza alla fine di ogni sequenza di coadding (ad esempio allo scadere di un Refresh Time) - Integrated Frame: l immagine finita. - Star Frame: nelle sequenze di chopping o in ogni modalità che prevede la presenza di 2 immagini da sommare separatamente (stella e cielo) ed eventualmente sottrarre nell immagine finita (nella Integrated), si può scegliere di visualizzare solo quella riguardante la stella senza considerare quella del cielo. - Sky Frame: identica alla precedente solamente che è la seconda immagine coaddizionata che viene visualizzata, quella che in teoria non punta esattamente la sorgente. I riquadri grafici implementano anche la visualizzazione di alcune statistiche di base: max, min, media e deviazione standard. L unità di misura usata per fornire i dati statistici è settabile dal menù Units in ADU, millivolt o elettroni. La statistica viene computata all interno della regione della figura delimitata da due rettangoli concentrici: questi rettangoli possono venire trascinati ed eventualmente modificati in dimensioni tramite mouse, e le statistiche vengono computate all interno del rettangolo più grande ma all esterno di quello più piccolo. In questo modo è possibile analizzare la statistica intorno ad una sorgente, centrando il rettangolo interno sulla sorgente e
quello esterno nella regione circostante la sorgente stessa. In questo modo viene analizzata la statistica intorno alla sorgente escludendo la sorgente stessa. Nel programma è integrato un analizzatore di PSF: esso compare automaticamente allo start-up, ed è richiamabile dal menù View > Show PSF. Figura SW03 PSF profile La PSF in unità ADU viene prodotta centrata nel cento del rettangolo trascinabile nella Intergated Image del riquadro grafico della Tircam Interface, e viene generato il profilo orizzontale e verticale scorrendo l array per 21 pixel a partire dal centro in alto basso e sx dx. Molte delle funzionalità di base fondamentali all osservazione sono integrate della folder Setting, automaticamente richiamata allo start-up del programma, ma eventualmente richiamabile dal menù View > Setting > Show. Essa è composta di varie cartelle:
Figura SW0 - Setting > File Saving Nel caso in cui sia attivata la modalità di salvataggio file dal Tircam Interface, in questa cartella è possibile decidere il nome dell oggetto (se non fatto da Tircam Interface), il nome del file (il campo viene automaticamente riempito nel digitare il nome dell oggetto) ed il percorso, ed eventuali commenti da inserire nell header del file fits. È inoltre definibile se si vuole il salvataggio della sola immagine finale o di ogni immagine ad intervalli di refresh.
Figura SW05 - Setting > Filter Nella cartella Setting > Filter è possibile scegliere il filtro. Il motore viene attivato appena si spunta con un click del mouse uno dei circoletti del menù. Il reset delle posizioni si ottiene clickando su HOME, dopo di che sono implementati i numeri dei passi dello step motor per raggiungere la corretta posizione della ruota porta filtri. Il numero di passi è alterabile dall utente nel caso si voglia qualche modifica. Figura SW06 Setting > Fine Tuning
Nella cartella Setting > Fine Tuning sono racchiusi parametri fondamentali della gestione dell array durante l esposizione. Il parametro fondamentale, non settabile da Tircam Interface, è il tempo di pixel; Pixel Time è la durata fondamentale dell esposizione di un singolo pixel, misurata in microsecondi, settato in modo da non saturare la dinamica del pixel stesso. Gli altri parametri sono di controllo, direttamente interfacciati con il menù Measure Parameters della Tircam interface: - Total Frame risulta essere il numero di frame della durata di (Pixel Time * 102) ognuno che vengono addizionati per comporre l immagine finale, ovvero è (Integration Time/(Pixel Time * 102)) - Quick Frame è il numero di frame che compongono una immagine di Refresh, ovvero il numero di frame che vengono addizionati prima di arrivare ad un refresh. - Frame Time: corrisponde semplicemente a (Pixel Time * 102), ovvero quanto dura una singola esposizione elementare, leggendo l array (128 * 128) con 16 canali. - Chopper Frame: è il numero di frame che vengono presi e co-addizionati in ogni posizione stabile dello specchio secondario nella modalità chopping: il programma calcola, in base alla frequenza di chopping, quanti frame entrano nel tempo in cui il secondario è fermo, e approssima ad un numero intero di frame per ogni tempo di posizione stabile del secondario (e quindi aggiusta in modo fine la frequenza di chopping nella Tircam Interface) Figura SW07 Setting > Telescope COMM Nella cartella Setting > Telescope COMM si possono settare parametri per il movimento diretto del telescopio, in 2 modalità: - MADR: movimento relativo; il telescopio viene mosso in Ascensione Retta e Declinazione a partire dalle coordinate in cui si trova attualmente
- MADA: movimento assoluto; il telescopio riceve un comando di movimento verso coordinate assolute indipendentemente dal punto in cui si trova attualmente. In questa cartella è anche possibile definire il fuoco del telescopio agendo, tramite valore del campo FOCUS, sul motorino dello specchio secondario. Figura SW08 Setting > Ch Statistics Nella folder Statistic > Ch Statistics è possibile avere una lettura diretta del valore che viene riportato su ogni canale acquisito, in modo da controllare eventuali disuniformità sui canali od anche il raggiungimento di livelli di saturazione.