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FPGA を用いた小型宇宙重力波検出器 　　　　　　　　　　　　　　　　 　　 (SWIM mu ) のデジタル信号処理系

FPGA を用いた小型宇宙重力波検出器 　　　　　　　　　　　　　　　　 　　 (SWIM mu ) のデジタル信号処理系. 東京大学大学院理学系研究科物理学専攻　 石徹白晃治. 重力波研究交流会、 2008 年 4 月 4 日. はじめに. SWIM mn 開発が一段落 (SpC2 のプログラム開発、かみ合わせ試験、環境試験が残る ) SWIM mn ： FPGA によるデジタル信号処理 DPF ：共通バスとして SpW 通信を採用 　　 　 ⇒ FPGA による信号処理、 IF が必要. 目的： データ取得、デジタル制御.

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FPGA を用いた小型宇宙重力波検出器 　　　　　　　　　　　　　　　　 　　 (SWIM mu ) のデジタル信号処理系

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Presentation Transcript

  1. FPGAを用いた小型宇宙重力波検出器 　　　　　　　　　　　　　　　　 　　 (SWIMmu)のデジタル信号処理系 東京大学大学院理学系研究科物理学専攻　 石徹白晃治 重力波研究交流会、2008年4月4日

  2. はじめに SWIMmn開発が一段落 (SpC2のプログラム開発、かみ合わせ試験、環境試験が残る) SWIMmn：FPGAによるデジタル信号処理 DPF：共通バスとしてSpW通信を採用 　　 　 ⇒ FPGAによる信号処理、IFが必要 目的：データ取得、デジタル制御 目的：将来計画へ向けた知識・経験の伝達 内容：FPGAによるSWIMmn デジタル信号処理系

  3. 目次 • SWIMとSWIMmnの概要 • FPGA? • SWIMmnのデジタル信号処理系 • SWIMmnのデータ取得系 • SWIMmnのデジタル制御 • 特性評価 • まとめ

  4. 目次 • SWIMとSWIMmnの概要 • FPGA? • SWIMmnのデジタル信号処理系 • SWIMmnのデータ取得系 • SWIMmnのデジタル制御 • 特性評価 • まとめ

  5. SWIM の目的と概要 2008年度打ち上げ GOSAT のピギーバック 小型実証衛星 SDS-1 高度670km 太陽同期軌道 サイズ： 70×70×60 cm、 重量： 約100kg 小型衛星 SDS-1 SpaceWire Interface demonstration Module(SWIM) 構成 ： SpaceCube II ・ センサ部(重力波検出器SWIMmn・MHIモジュール) 目的 ： 新しい宇宙機用通信規格「SpaceWire」の実証 → ローコスト・高速・高信頼性・柔軟なネットワークトポロジー・高いスケーラビリティ 　　をもつ宇宙機用シリアル通信規格　　NeXTやMMO、小型衛星標準バスで採用予定

  6. 目的・特徴 地上のレーザー干渉計に比べ感度は悪い(h~10-7/Hz1/2＠1Hz) が、宇宙空間で重力波探査を行う世界初の検出器となる 衛星の振動環境を高精度で測定できる DPF に向け、衛星製作・打ち上げの経験と実績を蓄積 DECIGO Pathfinder のさらに前のステップ SWIMmnの概要 構成要素 • 浮上マスモジュール(ねじれ型重力波検出器) • × 2セット(互いに直交する方向) • アナログエレクトロニクス部 • デジタルエレクトロニクス部(FPGA搭載ボード) Proof Mass 浮上マスモジュール SpaceCube II と SpaceWire を通じ接続 同時に、SpaceWire の開発にも成果をフィードバックし協力している

  7. SWIMmnの現状 SpW アンテナモジュール (マス・センサ・コイル) SpaceCubeII試験品 デジタルエレキ アナログエレキ 地上試験用SpC II でプログラム開発中 FM同等品 テスト完了・ FM品製作中 FM品完成・ 動作試験完了 FM品完成・ 制御試験完了 現状 SpaceWire 速度 ～1Mbps を確保 結合しての動作確認完了 衛星との 噛み合わせ試験 今後 全体での環境試験(熱真空・振動試験)に入る

  8. SWIMmnの信号フロー User側信号処理のキーポイント：FPGA

  9. 目次 • SWIMとSWIMmnの概要 • FPGA? • SWIMmnのデジタル信号処理系 • SWIMmnのデータ取得系 • SWIMmnのデジタル制御 • 特性評価 • まとめ

  10. FPGA？ Field Programmable Gate Array • 内部論理を再構築可能なLSI 使用例 • 携帯電話 • 自動車 • GRAPE (重力相互作用の計算機) 開発会社 • Xilinx, Altera (Actel) 価格例 気球実験、飛行機実験データ取得用 約5,000円 SWIMmnのFM品 約300万円

  11. FPGAの背景 1980年代、大規模論理LSIの設計 ASIC・・GateArray方式：設計の自由度が大きい 　　　　多数のトランジスタを持つ汎用シリコンウェハから 　　　　　　　ユーザーの設計に従ったメタル配線工程 を行う。 PLD・・・PLA方式：論理が書き換え可能 　　　　規則的に配列・接続されたAND-ORゲートに、 　　　　　　　 論理式を積和形式に変換させて実装。 FPGA： GateArrayの設計の自由度、PLAの論理書き換え可能性を持つ ユーザーが設計した論理・配線情報をSRAM型記録素子に送ることで実現 Complex PLD：小さなPLDを結合

  12. FPGAのアーキテクチャ Logic Cell:FPGAの回路規模を表す単位 (構成要素　LUT １個、FF１個) LUTの例

  13. FPGAの優位性 vs ASIC • 設計から実装までの容易 • 少数での製造コスト • 内部論理の再構築が可能 vs DSP • ハード的な高速演算が可能 vs アナログ回路 • 相互補完的

  14. FPGAのプログラム HDL: Hardware Description Language • Verilog HDL：現Cadence社が開発 • VHDL (Very High Speed Integrated Circuit HDL) ：米国国防総省の提唱 RTL (Register Transfer Level)での記述 　⇒ CADツールによる自動的にロジック回路を生成 CやMatlabのみからロジック回路生成可能 (有料ソフト)

  15. HDLの例 (論理積) libraryIEEE; useIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; entity test is PORT( A : instd_logic; B : instd_logic; C : outstd_logic );end test; architecture Behavioral of test is begin C <= A and B; end Behavioral; ライブラリ宣言 エンティティ宣言 (外部IF定義) アーキテクチャ宣言 (内部動作の定義)

  16. RTLの例 (論理積)

  17. 合成された回路 (論理積)

  18. 動作検証 (論理積)

  19. 実際の配線図

  20. VHDL 演算子による加算回路 例：C <= A + B (A,B,Cは符号無しの3bit) 合成回路結果： 同時桁上げ式加算回路 論理演算子から 直列、並列型の 加算回路も作れる

  21. 目次 • SWIMとSWIMmnの概要 • FPGA? • SWIMmnのデジタル信号処理系 • SWIMmnのデータ取得系 • SWIMmnのデジタル制御 • 特性評価 • まとめ

  22. SWIMmnの信号フロー

  23. 境界条件：ExtBus規格

  24. FPGAの仕事 UserFPGAの仕事 データ取得 、TAMのデジタル制御 それに付属した詳細な機能 　ダウンサンプリング、Busステートマシーン、HKデータ生成 ADC,DAC,MUXのコントロール、 LEDのon/off、信号対角化 User側が設計、作成 SpWFPGAの仕事 SpW IP、デジタルボード管理 三菱重工が作成 気球実験、飛行機実験で使用したボードではシマフジ電機

  25. SWIMmnの信号処理系

  26. SWIMmnFPGA Xilinx XQVR600 (UserFPGA, SpwFPGA) SWIMデジタルボード UserFPGAの開発、試験＠東大 　⇒ 論理合成、試験＠MHI 　　⇒ 実機試験＠東大 SWIM ADCボード SWIM DACボード

  27. 目次 • SWIMとSWIMmnの概要 • FPGA? • SWIMmnのデジタル信号処理系 • SWIMmnのデータ取得系 • SWIMmnのデジタル制御 • 特性評価 • まとめ

  28. ③ ② SWIMmnのデータ取得 ① SCIIがUserRegisterの DAQ開始RegisterをOn ② UserFPGAがSRAMに 　フレームデータを書き込む ③ SCIIがSRAMから 　フレームデータを読み込む ①

  29. 連続データ取得試験 SpCから連続 データ取得成功 (2008/3) SpCIIプログラム 開発中 (穀山くん)

  30. 目次 • SWIMとSWIMmnの概要 • FPGA? • SWIMmnのデジタル信号処理系 • SWIMmnのデータ取得系 • SWIMmnのデジタル制御 • 特性評価 • まとめ

  31. SWIMmn 制御ループ

  32. SWIMmn 制御ループ ADCボード 50mm MUX PS x6 PSm x6 ADC 変位センサー (PS) 捩れ型回転子 発光強度モニター(PSm) EN x4 Digital signals x2 IC型加速度計、ジャイロ DAC コイル=磁石型 アクチュエータ FPGA DACボード

  33. UserFPGAの信号処理 Decorder 128kHz,16bit,2signals ⇒ 2.15kHz,16bit,16signals Filter 4PS signals ⇒ Yaw,Z Error signals ⇒ Yaw,Z Feedback signals by PD fitlters ⇒ Signal injection ⇒ Coil Feedback signals CoilController 2’s complement ⇒ Offset binary

  34. Decorder 465us (~2.15kHz) 77us PS LEDは間欠点灯 例:PS1 LEDの点灯タイミング PS1 PS2 PS signlas 　← 4点平均 　 ← PS LED on/off引き算 EN signals ← 6点加算/8 PS3 PS4 PS5 PS6 EN1 EN2

  35. Filter 制限：加算+零点シフトのみで構成 対角化 PDフィルター 対角化

  36. Filter ゲイン 周波数 [Hz]

  37. Filter 伝達関数測定のためFB信号の矩形波を注入可能

  38. デジタル制御試験 SWIMmn:地上で制御できない ネオジム磁石 磁石で鉛直方向にDC的な力を付加 Torsion Antenna Module FM品の制御成功 (2007/12)

  39. 目次 • SWIMとSWIMmnの概要 • FPGA? • SWIMmnのデジタル信号処理系 • SWIMmnのデータ取得系 • SWIMmnのデジタル制御 • 特性評価 • まとめ

  40. 試験の様子 DAC ボード TAM ADC ボード デジタル ボード SpaceCube

  41. 力学的特性 回転方向 鉛直方向

  42. オープンループ伝達関数 回転方向 鉛直方向

  43. エラー信号 鉛直方向 回転方向 4x10-8 [m/Hz1/2]@1Hz 10-8 [m/Hz1/2]@1Hz

  44. 目次 • SWIMとSWIMmnの概要 • FPGA? • SWIMmnのデジタル信号処理系 • SWIMmnのデータ取得系 • SWIMmnのデジタル制御 • 特性評価 • まとめ

  45. まとめ SWIMmn:FPGAによるデジタル信号処理 目的：浮上質量のデジタル制御、データ取得 実機試験に成功 ⇒ 現状：取得データからFM品特性評価 軌道上で特性評価が可能であることを確認 SWIM現状 SWIMmn:FM品をフレームに実装 (4/3@イデア) FM品の振動試験 (4/4＠明星電気) SpCII :NECで振動試験⇒4/6,7にSWIMmnに合流 　　４月中旬 熱真空試験@JAXA-ISAS

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