Έγχυση απομακρυσμένων σφαλμάτων λέιζερ κατά τη διάρκεια πανδημίας

Αναδημοσίευση από τον Πλάτωνα

Ακολουθούν: 0

Αυτή η σύντομη ανάρτηση περιγράφει ορισμένες βελτιώσεις σταθμών λέιζερ που κάναμε για να μπορούμε να εκτελούμε τα πειράματά μας από απόσταση.

Προβλήματα εγκατάστασης

Η πλατφόρμα έγχυσης σφάλματος λέιζερ είναι κατασκευασμένη από μικροσκόπιο που χρησιμοποιείται για την εστίαση μιας πηγής λέιζερ σε μια συσκευή υπό δοκιμή. Είναι εξοπλισμένο με κάμερα υπερύθρων για να παρατηρεί την εσωτερική αρχιτεκτονική του στοχευόμενου τσιπ και να προσαρμόζει το σχήμα της δέσμης λέιζερ. Ευτυχώς, είναι εξοπλισμένο με ένα μηχανοκίνητο στάδιο που επιτρέπει τη μετακίνηση της δέσμης λέιζερ κατά μήκος του τσιπ από την προσαρμοσμένη εφαρμογή λογισμικού μας. Όλα τα εργαλεία που αναπτύξαμε τρέχουν στο λειτουργικό σύστημα Linux και επομένως είναι δυνατή η χρήση τους μέσω σύνδεσης SSH, με την προϋπόθεση ότι έχετε καλή σύνδεση στο διαδίκτυο. Αντιμετωπίσαμε ορισμένα προβλήματα λανθάνοντος χρόνου που αφορούσαν τη ζωντανή εικόνα της κάμερας μικροσκοπίου, τα οποία επιλύσαμε γρήγορα ενεργοποιώντας την επιλογή συμπίεσης SSH (-C) το οποίο δεν είναι ενεργοποιημένο από προεπιλογή και μειώνει σημαντικά το απαιτούμενο εύρος ζώνης ροής. Ωστόσο, εκείνη τη στιγμή ορισμένα στοιχεία εξακολουθούσαν να απαιτούν επιτόπια παρέμβαση:

Έλεγχος της πηγής φωτός της κάμερας: ένας αποκλειστικός εξοπλισμός παρέχει υπέρυθρο φως για να φωτίζει το τσιπ για οπτικοποίηση της κάμερας.
Άνοιγμα ή κλείσιμο του μηχανικού κλείστρου της κάμερας: αυτό το κλείστρο είναι μέρος του μικροσκοπίου και πρέπει να κλείνει όταν χρησιμοποιείτε το λέιζερ.
Αλλαγή του αντικειμενικού μικροσκοπίου: 4 διαφορετικοί οπτικοί αντικειμενικοί φακοί είναι τοποθετημένοι σε έναν μηχανικό περιστρεφόμενο πυργίσκο και επιτρέπουν διαφορετικές μεγεθύνσεις μικροσκοπίου.

Παρακάτω περιγράφεται λεπτομερώς πώς προσαρμόσαμε τον πάγκο δοκιμών μας για τον απομακρυσμένο έλεγχο του κλείστρου και της πηγής φωτός. Ειδικότερα, θέλαμε να περιορίσουμε το κόστος αυτών των προσαρμογών και να το καταστήσουμε διαθέσιμο το συντομότερο δυνατό.

Έλεγχος της πηγής φωτός

Το υπόστρωμα πυριτίου των ημιαγωγών είναι ημιδιαφανές στο υπέρυθρο φως, και με μια κάμερα υπερύθρων, είναι επομένως δυνατό να παρατηρηθεί η εσωτερική δομή των κυκλωμάτων. Για να καταστεί δυνατή η παρατήρηση, το κύκλωμα πρέπει να φωτίζεται με πηγή υπέρυθρου φωτός. Το μικροσκόπιο λέιζερ μας στάλθηκε με ειδικό εξοπλισμό πηγής φωτός, α Hayashi LA-150CE, το οποίο διαθέτει διακόπτη λειτουργίας και πόμολο για τη ρύθμιση της έντασης του φωτός, όπως απεικονίζεται παρακάτω. Όταν ξεκινά μια εκστρατεία δοκιμών λέιζερ, συνήθως απενεργοποιούμε την πηγή φωτός, καθώς μπορεί να επηρεάσει τα εξαρτήματα, ειδικά όταν τα δείγματα αραιώνονται.

Κοιτάζοντας το πίσω μέρος του εξοπλισμού, βρήκαμε έναν "απομακρυσμένο" διακόπτη και έναν εξωτερικό σύνδεσμο. Καταλάβαμε ότι αυτή η πηγή φωτός προσφέρει δυνατότητα τηλεχειρισμού μέσω κάποιας σύνδεσης περασμένης χιλιετίας. Λίγη τεκμηρίωση μπορεί να βρεθεί στον Ιστό, αλλά εντοπίσαμε σε έναν κατάλογο Hayashi ότι υπάρχει Μονάδα ελέγχου LAN συμβατό με αυτή την πηγή φωτός. Ωστόσο, αυτό το προϊόν διακόπτεται. Επίσης, η συνδεσιμότητα LAN δεν είναι πολύ βολική. Στον ίδιο κατάλογο, βρήκαμε τις προδιαγραφές για το βύσμα της πηγής φωτός. Αν και δεν είναι πολύ λεπτομερές, ήταν αρκετό να το δοκιμάσετε.

Τηλεχειριστήριο pinout από τον κατάλογο προϊόντων Hayashi:

Αυτή η διεπαφή παρέχει δύο βασικά ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά:

Οι ψηφιακοί ακροδέκτες 1 και 8 μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση της λάμπας βραχυκυκλώνοντάς τους ή όχι. Η ακίδα 8 είναι στην πραγματικότητα το έδαφος, επομένως μόνο η ακίδα 1 είναι πραγματικά σχετική.
Η αναλογική ακίδα 2 ελέγχει την ένταση του φωτός με ένα σήμα που κυμαίνεται από 0 V (ελάχιστη ένταση) έως 5 V (μέγιστη ένταση). Όταν είναι ενεργοποιημένη η απομακρυσμένη λειτουργία, το ποτενσιόμετρο του μπροστινού πίνακα παρακάμπτεται και η ένταση του φωτός ελέγχεται άμεσα από αυτόν τον πείρο.

Αποφασίσαμε να φτιάξουμε από την αρχή το δικό μας Τηλεχειριστήριο Hayashi Light χρησιμοποιώντας τα ακόλουθα μέρη:

Ένας μικροελεγκτής STM32 που φιλοξενεί τον ενσωματωμένο κώδικα εφαρμογής,
Ένας μετατροπέας FT232 USB σε σειριακό που επιτρέπει τον έλεγχο του dongle από το USB,
Ένας μετατροπέας ψηφιακού σε αναλογικό AD5621B για την παραγωγή αναλογικού σήματος 0 έως 5 V για έλεγχο της έντασης φωτός.

Σχεδιάσαμε το PCB χρησιμοποιώντας KiCad. Για να είμαι ειλικρινής, αυτός ο σχεδιασμός μπορεί να είναι λίγο μεγάλος: ο μικροελεγκτής είναι πολύ μεγάλος για την τρέχουσα ανάγκη και το FT232 μπορεί να αφαιρεθεί καθώς οι συσκευές STM32 έχουν ήδη δυνατότητες USB, με κόστος το χρόνο ανάπτυξης λογισμικού. Στόχος μας ήταν να το κάνουμε γρήγορο και βρώμικο και να επαναχρησιμοποιήσουμε μερικά από τα ήδη σχεδιασμένα σχηματικά μας.

Για τη διασκέδαση, και επειδή πιστεύουμε ότι αυτή είναι μια πολλά υποσχόμενη γλώσσα, αναπτύξαμε το υλικολογισμικό του μικροελεγκτή στο Rust.

Τελικά σχεδιάσαμε ένα απλό πλαστικό περίβλημα χρησιμοποιώντας FreeCAD, και το εκτύπωσε με Σκαλτέο.

Απροσδόκητα, το πιο δύσκολο μέρος αυτού του έργου ήταν η αναγνώριση του συνδετήρα (αναφορά 5710140 από την Amphenol για την αρσενική πλευρά), καθώς και η αγορά του καθώς είναι ξεπερασμένο και δεν πωλείται πλέον από πολλούς προμηθευτές. Η μηχανή αναζήτησης προμηθευτών ανταλλακτικών Octopart μπορεί να βοηθήσει.

Όλα τα σχηματικά και τα αρχεία σχεδίασης είναι διαθέσιμα στο δικό μας Αποθετήριο GitHub.

Έλεγχος του κλείστρου της κάμερας

Στο μικροσκόπιο, η δέσμη λέιζερ και η κάμερα μοιράζονται την ίδια οπτική διαδρομή. Όταν το λέιζερ τραβάει, ένα κλάσμα του φωτός αντανακλάται από το πυρίτιο και θα χτυπήσει την κάμερα. Για να αποφευχθεί η ζημιά του αισθητήρα που μπορεί να οδηγήσει μακροπρόθεσμα σε νεκρά pixel, μπορεί να κλείσει ένα οπτικό μηχανικό κλείστρο μπροστά από την κάμερα. Το κλείστρο είναι χειροκίνητο και απαιτεί λίγη έως καθόλου δύναμη για να ενεργοποιηθεί.

Για να καταστεί δυνατός ο τηλεχειρισμός, αγοράσαμε ένα μικρό βηματικό κινητήρα και ένα Ελεγκτής βηματικού κινητήρα TIC T834 από την Polulu. Αναπτύξαμε και εκτυπώσαμε τρισδιάστατα γρανάζια και ένα σώμα που θα τοποθετηθεί στο μικροσκόπιο, για να μετακινήσουμε το κλείστρο με τον κινητήρα.

Το TIC T834 απαιτεί μια πηγή ρεύματος για την παροχή ενέργειας στον κινητήρα, αλλά καθώς ο κινητήρας μας δεν αντλεί πολύ ρεύμα, βραχυκυκλώσαμε το τροφοδοτικό USB του T834 για να τροφοδοτήσει και τον κινητήρα. Οι ελεγκτές TIC είναι πολύ εύκολοι στη ρύθμιση και τη χρήση, είναι καλά τεκμηριωμένοι και μας πήρε πολύ λίγο χρόνο για να ελέγξουμε τον κινητήρα από τα εργαλεία λογισμικού μας. Αναπτύξαμε μια μικροσκοπική κατηγορία ελεγκτών στην Python που είναι πλέον ενσωματωμένη στη δική μας πυστάδες βιβλιοθήκη.

Οι ελεγκτές βηματικού κινητήρα πρέπει να μάθουν την τρέχουσα θέση του κινητήρα όταν είναι ενεργοποιημένος. Αυτό γίνεται με μια διαδικασία αρχικοποίησης όπου ο κινητήρας θα περιστρέφεται έως ότου ένας διακόπτης επαφής πει στον ελεγκτή ότι ο κινητήρας βρίσκεται στη μηδενική θέση. Χρησιμοποιήσαμε έναν απλό διακόπτη απευθείας συνδεδεμένο με το T834 που έχει ενσωματωμένη αυτή τη δυνατότητα.

Το τρισδιάστατο μέρος του αμαξώματος που εκτυπώσαμε δεν ήταν πολύ ακριβές και τα δύο γρανάζια δεν λειτουργούσαν σωστά την πρώτη φορά. Χρησιμοποιώντας θερμότητα θα μπορούσαμε να λυγίσουμε ελαφρώς το πλαστικό μέρος για να διορθώσουμε το κενό μεταξύ των γραναζιών. Μετά από μερικές ρυθμίσεις, μπορέσαμε να ανοίξουμε και να κλείσουμε τέλεια το κλείστρο της κάμερας από απόσταση!

Κλείστρο σε δράση

Ο μηχανικός σχεδιασμός είναι διαθέσιμος σε εμάς Αποθετήριο GitHub.

Τελικές σκέψεις

Η ενσωμάτωση του ελέγχου της πηγής φωτός και του κλείστρου της κάμερας μας επέτρεψε να εκτελέσουμε πολλές καμπάνιες δοκιμών λέιζερ εξ αποστάσεως. Είναι επίσης πιο βολικό από πριν, καθώς το κλείσιμο του κλείστρου και το σβήσιμο του φωτός μπορούν πλέον να γίνονται αυτόματα όταν το λέιζερ είναι ενεργοποιημένο, ενώ προηγουμένως απαιτούσε ανθρώπινη φυσική παρέμβαση και μπορούσε εύκολα να ξεχαστεί.

Όσον αφορά τον έλεγχο του αντικειμενικού πυργίσκου, υπάρχουν ήδη μηχανοκίνητοι πυργίσκοι, αλλά δυστυχώς είναι αρκετά ακριβοί και μπορεί να είναι δύσκολο να αντικατασταθούν. Προς το παρόν, δεν βρήκαμε κάποια απλή και χαμηλού κόστους λύση. Η περιστροφή του πυργίσκου με έναν εξωτερικό κινητήρα είναι δύσκολη, ειδικά επειδή υπάρχει ένα ελατήριο που κλειδώνει τον πυργίσκο στη θέση του όταν ο αντικειμενικός στόχος είναι ευθυγραμμισμένος με το μικροσκόπιο. Επίσης, το βάρος που μπορούμε να προσθέσουμε στο μηχανοκίνητο στάδιο είναι περιορισμένο. Αυτό είναι ακόμα ένα ανοιχτό ζήτημα αυτή τη στιγμή, αλλά δεν εμποδίζει την απομακρυσμένη εργασία, απλώς περιοριζόμαστε σε μια επιλεγμένη μεγέθυνση.

Τέλος, η αντικατάσταση του δείγματος όταν είναι σπασμένο απαιτεί ακόμα πρόσβαση στο εργαστήριο. Ευτυχώς, δεν συμβαίνει πολύ συχνά. Μπορεί τελικά να πολυπλέξουμε πολλά κυκλώματα σε μία μόνο θυγατρική πλακέτα, ώστε να μπορούμε να κάψουμε μερικές συσκευές πριν χρειαστούμε φυσική αντικατάσταση, ωστόσο δεν αναπτύξαμε μια τέτοια λύση.