Update for X-Ray Beam Profile Monitor – Motherboard and Firmware

Abstract

The purpose of this thesis was to update the motherboard and the firmware of the X-ray beam profile monitor and to do the needed testing. The work was done for the Instrumental Development Laboratory in University of Hawaii at Manoa. When the device is complete it will be placed to the Belle II detector located in KEK's (The High Energy Accelerator Research Organization) laboratory at Tsukuba, Japan. This is a part of SuperKEKB upgrade, which will bring the world's highest luminosity (8x1035 cm-2s-1) for the KEK's particle accelerator.

The monitoring device includes the motherboard, 128 amplifiers, eight daughter cards and a firmware board for transferring the data. The motherboard needed some updates and those were done using the circuit board design software called PADS. Amplifiers were tested using the network analyzer and oscilloscope. The existing firmware was not fully functional and because the firmware board was changed also the FPGA (Field Programmable Gate Array) was altered and this caused compatibility problems. These modifications were done using Xilinx ISE.

While working with the device testing, noise signal was discovered. This signal needs further testing. Changes that need to be done for the device will be done according to the test results. As a result of this thesis the motherboard was updated successfully as well as many testing and firmware updates were made.

Tämän opinnäytetyön tarkoituksena oli päivittää röntgensäteilynkuvantamislaitteen emolevy, firmware sekä tehdä tarvittavat testaukset. Työ tehtiin Havaijin Manoan yliopiston tuotekehityslaboratoriolle. Laite sijoitetaan valmistuttuaan Japanin Tsukubaan KEK:n (The High Energy Accelerator Research Organization) laboratoriossa sijaitsevaan Belle II -detektoriin. Tämä on osa SuperKEKB-hiukkaskiihdyttimen päivitystä, joka tuo KEK:n kiihdyttimelle maailman suurimman luminositeetin (8 x 1035 cm-2s-1).

Kuvantamislaitteeseen kuuluu emolevy, 128 vahvistinkorttia, kahdeksan tytärkorttia sekä firmware-alusta datan siirtoa varten. Emolevyn tarvitsemat päivitykset tehtiin PADS-piirilevyn suunnittelu ohjelmistolla. Vahvistimien testaukset suoritettiin käyttämällä verkkopiirianalysaattoria sekä oskilloskooppia. Olemassa oleva firmware ei ollut täysin toimiva, ja firmware-alustan vaihdon seurauksena vaihtui myös alustan FPGA-piiri (ohjelmoitava digitaalinen mikropiiri), mistä seurasi yhteensopivuusogelmia. Nämä muutokset tehtiin Xilinx ISE -ohjelmistolla.

Laitteiston testauksen yhteydessä havaittiin häiriösignaali, jonka poistaminen vaatii lisätestausta. Laitteistolle tullaan tekemään tarvittavat muutokset testitulosten perusteella. Lopputuloksena emolevy päivitettiin onnistuneesti, tehtiin useita testauksia laitteistolle sekä päivityksiä firmwareen.