Zdalne wstrzykiwanie usterek lasera podczas pandemii | Księga główna

Ten krótki post opisuje niektóre ulepszenia stacji laserowej, które wprowadziliśmy, aby móc zdalnie przeprowadzać nasze eksperymenty.

Problemy z konfiguracją

Nasza platforma do wstrzykiwania uszkodzeń lasera składa się z mikroskopu używanego do skupiania źródła lasera na testowanym urządzeniu. Jest wyposażony w kamerę na podczerwień do obserwacji wewnętrznej architektury docelowego chipa i dostosowania kształtu wiązki laserowej. Na szczęście jest wyposażony w zmotoryzowaną scenę, która umożliwia przesuwanie wiązki laserowej po chipie z naszej niestandardowej aplikacji. Wszystkie narzędzia, które opracowaliśmy, działają w systemie operacyjnym Linux, dlatego można z nich korzystać przez połączenie SSH, pod warunkiem, że masz dobre połączenie z Internetem. Napotkaliśmy pewne problemy z opóźnieniami związane z obrazem na żywo z kamery mikroskopu, które szybko rozwiązaliśmy, włączając opcję kompresji SSH (-C), która nie jest domyślnie włączona i znacznie zmniejsza wymaganą przepustowość przesyłania strumieniowego. Niemniej jednak w tamtym czasie niektóre elementy nadal wymagały interwencji in situ:

• Sterowanie źródłem światła kamery: dedykowane urządzenie dostarcza światło podczerwone do oświetlenia chipa w celu wizualizacji kamery.
• Otwieranie lub zamykanie mechanicznej przesłony aparatu: ta przesłona jest częścią mikroskopu i musi być zamknięta podczas korzystania z lasera.
• Zmiana obiektywu mikroskopu: 4 różne obiektywy optyczne są zamontowane na mechanicznej obrotowej wieżyczce i umożliwiają różne powiększenia mikroskopu.

Poniżej szczegółowo opisano, w jaki sposób dostosowaliśmy nasze stanowisko testowe do zdalnego sterowania migawką i źródłem światła. W szczególności zależało nam na ograniczeniu kosztów tych adaptacji i jak najszybszym udostępnieniu ich.

Sterowanie źródłem światła

Krzemowe podłoże półprzewodników jest półprzezroczyste dla światła podczerwonego, dzięki czemu kamera na podczerwień umożliwia obserwację wewnętrznej struktury obwodów. Aby obserwacja była możliwa, obwód musi być oświetlony źródłem światła podczerwonego. Nasz mikroskop laserowy został dostarczony z dedykowanym wyposażeniem źródła światła, a Hayashi LA-150CE, który ma wyłącznik zasilania i pokrętło do regulacji natężenia światła, jak pokazano poniżej. Kiedy rozpoczyna się kampania testów laserowych, zwykle wyłączamy źródło światła, ponieważ może ono zakłócać działanie komponentów, zwłaszcza gdy próbki są rozcieńczone.

Przyglądając się tylnej ściance sprzętu, znaleźliśmy „zdalny” włącznik i dostępne było zewnętrzne złącze. Zrozumieliśmy, że to źródło światła oferuje możliwość zdalnego sterowania przez jakieś złącze z minionego tysiąclecia. Niewiele dokumentacji można znaleźć w Internecie, ale zidentyfikowaliśmy w katalogu Hayashi, że istnieje Jednostka sterująca LAN kompatybilne z tym źródłem światła. Jednak ten produkt jest wycofany. Również łączność LAN nie jest zbyt wygodna. W tym samym katalogu znaleźliśmy specyfikację złącza źródła światła. Chociaż nie jest to zbyt szczegółowe, wystarczyło to wypróbować.

Pinout zdalnego sterowania z katalogu produktów Hayashi:

Ten interfejs zapewnia dwie główne interesujące funkcje:

• Cyfrowe piny 1 i 8 mogą być używane do włączania i wyłączania lampy poprzez ich zwarcie lub nie. Pin 8 jest w rzeczywistości masą, więc tylko pin 1 jest naprawdę istotny.
• Pin analogowy 2 steruje natężeniem światła za pomocą sygnału w zakresie od 0 V (natężenie minimalne) do 5 V (natężenie maksymalne). Gdy włączony jest tryb zdalny, potencjometr na przednim panelu jest pomijany, a intensywność światła jest bezpośrednio kontrolowana przez ten pin.

Postanowiliśmy zbudować od podstaw własną Pilot zdalnego sterowania Hayashi przy użyciu następujących części:

• mikrokontroler STM32 do obsługi wbudowanego kodu aplikacji,
• Konwerter USB-to-szeregowy FT232 umożliwiający sterowanie donglem z USB,
• AD5621B Konwerter cyfrowo-analogowy do generowania sygnału analogowego od 0 do 5 V w celu kontrolowania natężenia światła.

Zaprojektowaliśmy PCB za pomocą KiCad. Szczerze mówiąc, ten projekt może być nieco przewymiarowany: mikrokontroler jest za duży na obecne potrzeby, a FT232 można usunąć, ponieważ urządzenia STM32 mają już możliwości USB, kosztem czasu tworzenia oprogramowania. Naszym celem było uczynienie go szybkim i brudnym oraz ponowne wykorzystanie niektórych z naszych już zaprojektowanych schematów.

Dla zabawy i ponieważ uważamy, że jest to bardzo obiecujący język, opracowaliśmy oprogramowanie układowe mikrokontrolera w Rust.

W końcu zaprojektowaliśmy prostą plastikową obudowę za pomocą FreeCADi wydrukowałem go za pomocą Rzeźbiarz.

Nieoczekiwanie najtrudniejszą częścią tego projektu była identyfikacja złącza (nr referencyjny 5710140 firmy Amphenol dla strony męskiej), a także jego zakup, ponieważ jest przestarzały i nie jest już sprzedawany przez wielu dostawców. Wyszukiwarka dostawców części Ośmiornik może pomóc.

Wszystkie schematy i pliki projektowe są dostępne na naszej stronie Repozytorium GitHub.

Sterowanie migawką aparatu

W mikroskopie wiązka lasera i kamera dzielą tę samą ścieżkę optyczną. Kiedy laser strzela, część światła odbija się od krzemu i trafia w aparat. Aby zapobiec uszkodzeniu czujnika, które w dłuższej perspektywie może skutkować martwymi pikselami, można zamknąć mechaniczną migawkę optyczną przed aparatem. Migawka jest ręczna i wymaga niewielkiej lub żadnej siły do ​​​​uruchomienia.

Aby umożliwić zdalne sterowanie, kupiliśmy mały silnik krokowy i Sterownik silnika krokowego TIC T834 firmy Polulu. Opracowaliśmy i wydrukowaliśmy w 3D koła zębate oraz korpus do zamontowania na mikroskopie, aby przesuwać przesłonę wraz z silnikiem.

TIC T834 wymaga źródła zasilania, aby dostarczyć energię do silnika, ale ponieważ nasz silnik nie pobiera dużo prądu, zwarliśmy zasilacz USB T834, aby zasilić również silnik. Sterowniki TIC są bardzo łatwe w konfiguracji i obsłudze, są dobrze udokumentowane, a sterowanie silnikiem za pomocą naszych narzędzi programowych zajęło nam bardzo mało czasu. Opracowaliśmy małą klasę kontrolera w Pythonie, teraz zintegrowaną z naszym etapy biblioteka.

Sterowniki silników krokowych muszą określać aktualną pozycję silnika, gdy jest on włączony. Odbywa się to za pomocą procedury inicjalizacji, w której silnik będzie się obracał, dopóki przełącznik kontaktowy nie poinformuje sterownika, że ​​silnik znajduje się w pozycji zerowej. Użyliśmy prostego przełącznika podłączonego bezpośrednio do T834, który ma wbudowaną tę funkcję.

Część ciała 3D, którą wydrukowaliśmy, nie była zbyt dokładna, a dwa koła zębate nie działały poprawnie za pierwszym razem. Używając ciepła, mogliśmy lekko zgiąć plastikową część, aby skorygować szczelinę między zębatkami. Po kilku poprawkach udało nam się idealnie zdalnie otwierać i zamykać migawkę aparatu!

Projekt mechaniczny jest dostępny na naszej stronie Repozytorium GitHub.

Końcowe przemyślenia

Integracja sterowania źródłem światła i migawką aparatu pozwoliła nam na zdalne przeprowadzenie wielu kampanii testowania lasera. Jest to również wygodniejsze niż wcześniej, ponieważ zamykanie migawki i wyłączanie światła może teraz odbywać się automatycznie po włączeniu lasera, podczas gdy wcześniej wymagało fizycznej interwencji człowieka i można było o tym łatwo zapomnieć.

Jeśli chodzi o sterowanie wieżyczką celów, istnieją już wieżyczki zmotoryzowane, ale niestety są one dość drogie, a ich wymiana może być trudna. Na chwilę obecną nie znaleźliśmy żadnego prostego i taniego rozwiązania. Obracanie wieżyczki za pomocą zewnętrznego silnika jest trudne, zwłaszcza że jest sprężyna, która blokuje wieżyczkę w miejscu, gdy obiektyw jest wyrównany z mikroskopem. Również waga, jaką możemy dodać do sceny zmotoryzowanej, jest ograniczona. Na razie jest to jeszcze kwestia otwarta, ale nie przeszkadza to w pracy zdalnej, ograniczamy się tylko do wybranego powiększenia.

Wreszcie wymiana próbki, gdy jest zepsuta, nadal wymaga dostępu do laboratorium. Na szczęście nie zdarza się to zbyt często. W końcu możemy multipleksować wiele obwodów na jednej płycie rozszerzeń, abyśmy mogli spalić kilka urządzeń, zanim konieczna będzie fizyczna wymiana, ale nie opracowaliśmy takiego rozwiązania.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoAiStream. Analiza danych Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• Wybijanie przyszłości w Adryenn Ashley. Dostęp tutaj.
• Kupuj i sprzedawaj akcje spółek PRE-IPO z PREIPO®. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://www.ledger.com/blog/laser-improvements