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On-demand motion trajectory generation for the CERN beam wire-scanner controller FPGA

Le CERN utilise des scanners dans ces accélérateurs de particules pour mesurer la position des faisceaux de particules. Ces scanners, appelés Beam Wire-Scanner, sont composés d'un moteur auquel est accroché un fil très fin. En se déplaçant rapidement au travers du faisceau, ce fil interagit avec celui-ci et produit des particules secondaires qui sont ensuite détectées par un scintillateur. La taille transversale et la position du faisceau sont alors déterminées. Le fil étant fragile, les mouvements doivent être doux pour ne pas le casser.

Plusieurs vitesses d'interaction avec le faisceau et distances de déplacement parcourues sont utilisées pour les mesures. Différents systèmes sont également utilisés, changeant les paramètres liés au courant électrique nécessaire du moteur.

Les trajectoires, de type S-Curve, suivies par les moteurs, sont générées en avances dans des tables de valeur qui sont ensuite compilées avec le projet. Ce processus demande beaucoup de ressource du circuit logique programmable limitant le nombre de trajectoires et de système pouvant être contrôlé par un seul binaire. Le projet doit également être compilé et déployé pour chaque changement dans une trajectoire.

Ce projet répond à cette problématique en proposant une solution permettant de calculer les trajectoires directement sur le contrôleur du moteur. Cette solution offre la possibilité de paramétrer les trajectoires à la volée et sans limitation avec un seul binaire, simplifiant ainsi la maintenance et l'utilisation des systèmes.

Pour cela, l'algorithme de génération a été optimisé et implémenté avec le langage de description matériel VHDL.

Un banc de test automatique permettant de valider la description a également été développé. Des vérifications supplémentaires ont été ajoutées lors du calcul des trajectoires pour garantir de ne pas dépasser des limites physiques pouvant abîmer le système.

Le résultat final est fonctionnel et pourra être intégré dans le projet global de ces scanners.