Ferninjektion von Laserfehlern während einer Pandemie | Hauptbuch

Ferninjektion von Laserfehlern während einer Pandemie | Hauptbuch

Zeitstempel: 16. Mai 2023 12:27 Uhr
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In diesem kurzen Beitrag werden einige Verbesserungen der Laserstation beschrieben, die wir vorgenommen haben, um unsere Experimente aus der Ferne durchführen zu können.

Setup-Probleme

Unsere Laser-Fehlerinjektionsplattform besteht aus einem Mikroskop, mit dem eine Laserquelle auf ein zu testendes Gerät fokussiert wird. Es ist mit einer Infrarotkamera ausgestattet, um die interne Architektur des Zielchips zu beobachten und die Form des Laserstrahls anzupassen. Glücklicherweise ist es mit einem motorisierten Tisch ausgestattet, der es ermöglicht, den Laserstrahl über unsere kundenspezifische Softwareanwendung über den Chip zu bewegen. Alle von uns entwickelten Tools laufen auf dem Linux-Betriebssystem und können daher über eine SSH-Verbindung verwendet werden, sofern Sie über eine gute Internetverbindung verfügen. Wir hatten einige Latenzprobleme im Zusammenhang mit dem Livebild der Mikroskopkamera, die wir schnell gelöst haben, indem wir die SSH-Komprimierungsoption aktiviert haben (-C), was standardmäßig nicht aktiviert ist und die erforderliche Streaming-Bandbreite erheblich reduziert. Dennoch erforderten einige Elemente zu diesem Zeitpunkt noch ein Vor-Ort-Eingreifen:

  • Steuerung der Kameralichtquelle: Eine spezielle Ausrüstung liefert Infrarotlicht, um den Chip für die Kameravisualisierung zu beleuchten.
  • Öffnen oder Schließen des mechanischen Kameraverschlusses: Dieser Verschluss ist Teil des Mikroskops und muss bei Verwendung des Lasers geschlossen sein.
  • Wechsel des Mikroskopobjektivs: 4 verschiedene optische Objektive sind auf einem mechanischen Drehrevolver montiert und ermöglichen unterschiedliche Mikroskopvergrößerungen.

Nachfolgend wird detailliert beschrieben, wie wir unseren Prüfstand angepasst haben, um den Verschluss und die Lichtquelle fernzusteuern. Insbesondere wollten wir die Kosten dieser Anpassungen begrenzen und sie so schnell wie möglich verfügbar machen.

Steuerung der Lichtquelle

Das Siliziumsubstrat von Halbleitern ist für Infrarotlicht halbtransparent, und mit einer Infrarotkamera ist es daher möglich, die innere Struktur von Schaltkreisen zu beobachten. Um die Beobachtung zu ermöglichen, muss der Stromkreis mit einer Infrarotlichtquelle beleuchtet werden. Unser Lasermikroskop wurde mit einer speziellen Lichtquellenausrüstung geliefert, a Hayashi LA-150CE, das über einen Netzschalter und einen Knopf zum Einstellen der Lichtintensität verfügt, wie unten abgebildet. Wenn eine Lasertestkampagne gestartet wird, schalten wir normalerweise die Lichtquelle aus, da sie die Komponenten beeinträchtigen kann, insbesondere wenn Proben verdünnt werden.

Als wir auf die Rückseite des Geräts schauten, stellten wir fest, dass ein „Remote“-Schalter und ein externer Anschluss vorhanden waren. Wir haben verstanden, dass diese Lichtquelle über einen Anschluss aus dem vergangenen Jahrtausend eine Fernbedienungsmöglichkeit bietet. Im Internet ist nur wenig Dokumentation zu finden, aber wir haben in einem Hayashi-Katalog festgestellt, dass es eine gibt LAN-Steuereinheit kompatibel mit dieser Lichtquelle. Dieses Produkt wird jedoch nicht mehr hergestellt. Außerdem ist die LAN-Konnektivität nicht sehr praktisch. Im selben Katalog fanden wir die Spezifikation für den Stecker der Lichtquelle. Obwohl es nicht sehr detailliert ist, hat es gereicht, es auszuprobieren.

Pinbelegung der Fernbedienung aus dem Hayashi-Produktkatalog:

Diese Schnittstelle bietet zwei interessante Hauptfunktionen:

  • Die digitalen Pins 1 und 8 können zum Ein- und Ausschalten der Lampe verwendet werden, indem sie kurzgeschlossen werden oder nicht. Pin 8 ist eigentlich die Masse, daher ist nur Pin 1 wirklich relevant.
  • Der analoge Pin 2 steuert die Lichtintensität mit einem Signal im Bereich von 0 V (minimale Intensität) bis 5 V (maximale Intensität). Wenn der Remote-Modus aktiviert ist, wird das Potentiometer auf der Vorderseite umgangen und die Lichtintensität wird direkt über diesen Pin gesteuert.

Wir beschlossen, unser eigenes Haus von Grund auf zu bauen Hayashi Lichtfernbedienung unter Verwendung folgender Teile:

  • Ein STM32-Mikrocontroller zum Hosten des eingebetteten Anwendungscodes,
  • Ein FT232 USB-zu-Seriell-Konverter zur Steuerung des Dongles über USB,
  • Ein AD5621B Digital-Analog-Wandler für die 0- bis 5-V-Analogsignalerzeugung zur Steuerung der Lichtintensität.

Wir haben die Leiterplatte mit entworfen KiCad. Um ehrlich zu sein, könnte dieses Design etwas überdimensioniert sein: Der Mikrocontroller ist zu groß für den aktuellen Bedarf und der FT232 könnte entfernt werden, da STM32-Geräte bereits über USB-Fähigkeiten verfügen, was zu Kosten der Softwareentwicklungszeit führt. Unser Ziel war es, es schnell und einfach zu machen und einige unserer bereits entworfenen Schaltpläne wiederzuverwenden.

Aus Spaß und weil wir glauben, dass dies eine sehr vielversprechende Sprache ist, haben wir die Mikrocontroller-Firmware in Rust entwickelt.

Schließlich haben wir ein einfaches Kunststoffgehäuse entworfen FreeCAD, und druckte es mit aus Sculpteo.

Unerwarteterweise bestand der schwierigste Teil dieses Projekts darin, den Stecker zu identifizieren (Referenz 5710140 von Amphenol für die männliche Seite) und ihn auch zu kaufen, da er veraltet ist und von vielen Lieferanten nicht mehr verkauft wird. Die Teilelieferanten-Suchmaschine Oktopart kann helfen.

Alle Schaltpläne und Designdateien sind auf unserer Website verfügbar GitHub-Repository.

Platine und Gehäuse
Steuern des Kameraverschlusses

Im Mikroskop teilen sich Laserstrahl und Kamera den gleichen Strahlengang. Wenn der Laser schießt, wird ein Teil des Lichts vom Silizium reflektiert und trifft auf die Kamera. Um Sensorschäden vorzubeugen, die langfristig zu toten Pixeln führen können, kann ein optisch-mechanischer Verschluss vor der Kamera geschlossen werden. Der Verschluss ist manuell und erfordert zum Betätigen nur wenig bis gar keinen Kraftaufwand.

Um eine Fernbedienung zu ermöglichen, haben wir einen kleinen Schrittmotor und einen gekauft TIC T834 Schrittmotorsteuerung von Polulu. Wir haben 3D-Zahnräder und einen Körper entwickelt und gedruckt, die am Mikroskop montiert werden, um den Verschluss mit dem Motor zu bewegen.

Der TIC T834 benötigt eine Stromquelle, um den Motor mit Energie zu versorgen. Da unser Motor jedoch nicht viel Strom verbraucht, haben wir die USB-Stromversorgung des T834 kurzgeschlossen, um auch den Motor mit Strom zu versorgen. TIC-Controller sind sehr einfach einzurichten und zu verwenden, sie sind gut dokumentiert und wir haben sehr wenig Zeit benötigt, um den Motor über unsere Softwaretools zu steuern. Wir haben eine kleine Controller-Klasse in Python entwickelt, die jetzt in unsere integriert ist pystages Bibliothek.

Schrittmotorsteuerungen müssen beim Einschalten die aktuelle Motorposition ermitteln. Dies erfolgt mit einem Initialisierungsvorgang, bei dem der Motor so lange dreht, bis ein Kontaktschalter der Steuerung mitteilt, dass sich der Motor in der Nullposition befindet. Wir haben einen einfachen Schalter verwendet, der direkt an den T834 angeschlossen ist und über diese integrierte Funktion verfügt.

Das von uns gedruckte 3D-Körperteil war nicht sehr genau und die beiden Zahnräder funktionierten beim ersten Mal nicht richtig. Durch Hitze konnten wir das Kunststoffteil leicht biegen, um den Spalt zwischen den Zahnrädern zu korrigieren. Nach ein paar Anpassungen konnten wir den Kameraverschluss aus der Ferne perfekt öffnen und schließen!

Verschluss in Aktion

Mechanisches Design finden Sie bei uns GitHub-Repository.

Abschließende Gedanken

Durch die Integration der Steuerung der Lichtquelle und des Kameraverschlusses konnten wir viele Lasertestkampagnen aus der Ferne durchführen. Es ist auch komfortabler als zuvor, da das Schließen des Verschlusses und das Ausschalten des Lichts jetzt automatisch beim Einschalten des Lasers erfolgen kann, während zuvor ein menschlicher Eingriff erforderlich war und man leicht vergessen konnte.

Was die Steuerung des Zielturms angeht, gibt es bereits motorisierte Türme, aber leider sind diese ziemlich teuer und es kann schwierig sein, sie auszutauschen. Im Moment haben wir keine einfache und kostengünstige Lösung gefunden. Das Drehen des Revolvers mit einem externen Motor ist schwierig, insbesondere weil eine Feder vorhanden ist, die den Revolver in seiner Position arretiert, wenn das Objektiv auf das Mikroskop ausgerichtet ist. Außerdem ist das Gewicht, das wir zur motorisierten Bühne hinzufügen können, begrenzt. Dies ist im Moment noch ein offenes Thema, aber es verhindert nicht das Arbeiten aus der Ferne, wir sind lediglich auf eine ausgewählte Vergrößerung beschränkt.

Schließlich erfordert der Austausch der Probe, wenn sie kaputt ist, immer noch den Zugang zum Labor. Zum Glück passiert es nicht allzu oft. Möglicherweise werden wir möglicherweise viele Schaltkreise auf einer einzigen Tochterplatine multiplexen, sodass wir ein paar Geräte durchbrennen können, bevor ein physischer Austausch erforderlich ist. Eine solche Lösung haben wir jedoch nicht entwickelt.

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