Près de Genève, le Cern gère le Grand collisionneur d'hadrons (LHC), situé à une centaine de mètres sous terre, pour des recherches expérimentales dans le domaine de la physique des hautes énergies. Le collisionneur opère sur une paire d'anneaux d'accélérateurs de particules qui possèdent des intersections sur quatre sites d'expérimentation. Les particules entrent ainsi en collision dans des directions opposées l'une de l'autre et créent des signatures qui indiquent la présence de particules de durées de vie courtes. Pour collecter ces signatures et ainsi prouver la présence de ces particules, les données générées doivent être enregistrées de façon fiable. La surveillance du fonctionnement correct du LHC est accomplie par le système d'informations de signal analogique ouvert, appelé OASIS (pour Open Analogue Signal Information System ). Il capte des signaux de contrôle pertinents provenant de divers endroits pour s'assurer que le système fonctionne comme prévu.

Le système OASIS utilise une série de numériseurs pour acquérir les signaux et les envoyer aux utilisateurs via Ethernet. Ces appareils étant particulièrement coûteux, il ne peut y avoir un numériseur distinct pour chaque signal à surveiller. Un système de commutation est donc utilisé pour permettre à OASIS de sélectionner les signaux à afficher parmi la grande variété de signaux disponibles. Historiquement, ce système de commutation était basé sur le formatVXI et, plus récemment, sur des systèmes en CompactPCI (cPCI).

Un Nouveau Système De Commutation Pour OASIS

Dans le cadre de la mise à niveau biennale du système, le Cern a fermé le collisionneur à partir de février 2013 pour mettre à niveau tous les systèmes, y compris OASIS. Dans chacun des quatre sites d'expérimentations du LHC, jusqu'à 16 signaux sélectionnés parmi 104 capteurs doivent être mis à disposition pour la numérisation. Les signaux analogiques ont un contenufré-quentiel de plusieurs mégahertz et il est fort probable qu'il y ait des différences considérables de niveau dans les différentes positions de surveillance. Cela ajoute des contraintes importantes sur la bande passante requise et la diaphonie admissible entre canaux. Si des signaux provenant de sources de haut niveau et de faible niveau sont requis en même temps sur différents canaux, les signaux de haut niveau pourraient perturber les signaux de faible niveau. Le contrôle à distance est une autre condition essentielle pour le système de commutation.

Cette matrice de commutation est basée sur un châssis qui dispose d'un système de bus analogique dédié. Le dispositif est entièrement configurable, les modules peuvent être installés et désinstallés arbitrairement. Le firmware du contrôleur LXI reconnaîtra la configuration et modifiera la taille de la matrice disponible pour la faire correspondre au nombre de modules installés.

Une matrice de commutation avec une taille de 104x16 était donc nécessaire et devait fournir une excellente diaphonie et proposer une bande passante de plusieurs dizaines de mégahertz. La taille de la matrice n'aurait pu être implémentée à l'aide de produits standard conventionnels. Qui plus est, le coût de la nouvelle matrice devait être largement inférieur à celui d'une solution dans laquelle un numériseur serait placé sur chaque signal analogique. De fait, il est rapidement apparu que la structure modulaire fixe du PCI ne se prêtait pas en elle-même à ce genre de système de commutation.Le même constat fut observé pour les standards cPCI et PXI.

Le LXI Comme Bus Fond De Panier De La Plate-forme

Pour s'adapter aux exigences de cette application complexe, Pickering Interfaces a donc conçu une solution basée sur le LXI. Pour implémenter une matrice de haute performance de ce type, il fallait d'abord déterminer le facteur de forme du système de commutation final. Rapidement, il a été démontré qu'aucun des produits existant ne satisferait aux exigences de taille et de coût qui doivent rester raisonnables. Une approche modulaire était nécessaire pour que la taille du système de la matrice soit évolutive car, en divers endroits, différentes tailles de matrice étaient requises: un site nécessitait par exemple une matrice de 64x16, alors qu'un autre exigeait un format 104x16. Il ne faut pas omettre non plus que les systèmes puissent un jour aussi avoir leurs exigences modifiées si le nombre de capteurs venait à changer à l'ave-nir,avec pour conséquence une modification du nombre de canaux.Tous ces éléments mis bout à bout suggéraient qu'une approche modulaire, évolutive et propriétaire serait nécessaire pour s'adapter facilement à la taille de la matrice. C'est précisément cela qui a porté le choix sur la plate-forme LXI car elle procure un large degré de liberté quant au dimensionnement de cette matrice. Le contrôle par LXI signifie également que les utilisateurs peuvent avoir accès à l'état de la matrice sur leur réseau sans avoir recours à un quelconque contrôleur intermédiaire pour accéder au serveur web du produit LXI –et ce, de la même manière que les utilisateurs internet accèdent à des sites web. Sachant qu'un autotest sur les systèmes PXI et LXI (appelés BIRST) avait été mis en place, le Cern a demandé ce genre de test automatique pour le nouveau système de commutation. Idéalement, le test devait être capable de fonctionner avec les entrées et les sorties connectées à une source/charge non ali-mentée. En outre, le Cern souhaitait pouvoir démarrer et exécuter l'autotest à distance.

Une Matrice Large Bande Modulaire Hautement Flexible

Pickering Interfaces a donc proposé la matrice modulaire large bande 65-110 comme solution pour le Cern. Cette matrice de commutation est basée sur un châssis qui dispose d'un système de bus analogique dédié. Dans le châssis, un ensemble de cartes peut être installé. La paire de cartes la plus à gauche fournit les 16 (Y) connexions d'accès requises pour les numériseurs. Les cartes restantes (X) fournissent les entrées pour les signaux analogiques, avec 8 signaux par module. Le nombre de cartes (X) peut passer d'une seule (8 connexions par carte) jusqu'à 13 (104 connexions), permettant ainsi à l'utilisateur de créer une matrice de n'importe quelle taille dans les limites du châssis. Le fait de ne pas installer la seconde carte (Y) permet de créer un système de 8 bus au lieu de 16 (voir figure 1) .

Le dispositif est entièrement configu-rable, les modules pouvant être installés et désinstallés arbitrairement. Le firmware du contrôleur LXI reconnaî-tra la configuration et modifiera la taille de la matrice disponible pour la faire correspondre au nombre de modules installés. L'interface logicielle basée sur le Web permet un contrôle sans driver de la matrice par tout utilisateur autorisé ayant accès à l'ossature du réseau Ethernet. La matrice modulaire peut être configurée pour s'adapter à la demande de l'application et selon les besoins. Les cartes de la série 65-110 et le système de bus analogique aussi fournissent de très bonnes performances RF et une faible diaphonie, nettement supérieure aux exigences fixées par le Cern. La bande passante RF dans une configuration typique est au-dessus de 300MHz, largement influencée par la nécessité d'un faible niveau de diaphonie.

L'avantage Du LXI : Une Intelligence Locale

Les modules communiquent en interne vers le contrôleur LXI via une interface PCI Express (PCIe). Le contrôleur LXI « rend virtuel» l'ensemble comme une seule matrice, ce qui facilite la tâche de l'utilisateur pour programmer la matrice. Le contrôleur LXI masque la complexité du système de commutation à l'utilisateur. En effet, la matrice apparaît comme une seule entité pour l'utilisateur et non pas comme un ensemble de modules séparés. Cette architecture utilise un bus analogique placé sous les modules plutôt qu'au fond du châssis, ce qui est normalement le cas avec les systèmes modulaires. Dans une matrice, il est logique d'avoir les lignes des signaux X etY perpendiculaires pour améliorer la diaphonie et l'isolation. C'est l'une des caractéristiques principales du LXI: il n'y a aucune contrainte particulière sur la taille des modules ou le placement d'un bus analogique (voir figure 2) .

Un Autotest Intégré

La matrice 65-110 comporte une fonction d'autotest qui vérifie tous les chemins des signaux pour les relais défaillants (fermé, ouvert ou haute résistance). L'architecture utilise des signaux de faible niveau afin que les périphériques connectés n'aient pas besoin d'être déconnectés pour exécuter le test. L'autotest peut être lancé via l'interface web conforme à la norme LXI sans recourir à un programme externe de contrôle. L'utilisateur peut être situé à plusieurs kilomètres de la matrice de commutation: il suffit juste de lancer le test via le serveur web. Le contrôleur embarqué LXI exécute le test et les résultats peuvent être lus sur l'interface web ou envoyés à l'utilisateur sous forme de fichier (voir figure 3) .

Pour le Cern, la solution a été convaincante. Les équipes du LHC pourront tirer pleinement parti des fonctionnalités LXI du 65110 dans le cadre du système OASIS lors de leurs prochaines séries d'expériences en cours d'exécution sur des énergies d'hadrons toujours plus élevées. Grâce à son concept très flexible, la nouvelle matrice de commutation est également adaptée pour de nombreuses autres applications. Elle permet aux utilisateurs de créer des matrices à large bande passante qui peuvent être adaptées aux besoins évolutifs de leur utilisation, minimisant l'investissement initial requis et permettant des mises à jour faciles lorsque le dimensionnement du dispositif pendra de l'ampleur.