Development and integration of the NA64-DTC automation controller for the CERN "DESY Table'' motorized platform

Este artículo informa sobre el diseño, la construcción y la puesta en marcha exitosa del NA64-DTC, un controlador de automatización remota basado en ESP32 que permite el control no invasivo y optoaislado de la plataforma motorizada "DESY Table" del CERN a través de HTTP, facilitando así la operación remota y reduciendo la intervención manual para diversos experimentos.

Lo esencial

Imagina que te encuentras en un laboratorio masivo y de alta tecnología donde los científicos disparan haces de partículas diminutas contra diversos objetivos para estudiar los componentes básicos del universo. Para hacer esto, utilizan una mesa motorizada gigante y de uso pesado llamada "Mesa DESY". Piensa en esta mesa como una versión de alta precisión e industrial de un deslizador de cámara o un soporte de telescopio. Puede desplazar detectores pesados (que son como cámaras gigantes y sensibles) hacia la izquierda, la derecha, arriba y abajo con una precisión extrema.

Sin embargo, había un problema: para mover esta mesa, un humano tenía que estar parado justo al lado de ella, presionar botones en un panel de control físico y observar una pequeña pantalla digital para ver dónde se encontraba. Si los científicos querían mover la mesa mientras el haz de partículas estaba activo, tenían que dejar su sala de control segura, caminar hacia el área ruidosa y peligrosa del haz, manipular los botones y luego regresar. Era lento, manual e interrumpía el flujo del experimento.

La Solución: El "Control Remoto" para la Mesa
Los autores de este artículo construyeron un pequeño y astuto dispositivo llamado NA64-DTC. Puedes pensar en este dispositivo como un "titiritero digital" o una "mano fantasma" que se sienta junto al panel de control de la mesa.

Así es como funciona, usando analogías simples:

• La "Mano Fantasma" (Aislamiento Óptico): El dispositivo no toca realmente los botones ni corta ningún cable. En su lugar, utiliza "optoisoladores". Imagina estos como dedos de rayos de luz invisibles. Cuando la computadora quiere presionar el botón "Mover a la Derecha", el dispositivo emite un destello de luz diminuto que engaña al panel de control de la mesa, haciéndole creer que un dedo humano acaba de presionar el botón. Esto permite a los científicos controlar la mesa desde sus computadoras sin haber tocado nunca el hardware original ni haber invalidado las garantías.
• El "Cerebro" (Chip ESP32): El corazón del dispositivo es un pequeño chip con conexión Wi-Fi (el ESP32-C3), muy económico. Es como el cerebro de un dispositivo doméstico inteligente. Se conecta a la red Wi-Fi del laboratorio, tal como tu teléfono se conecta a Internet.
• Los "Ojos" (Encoders): La mesa tiene motores que giran para mover la plataforma. El dispositivo tiene "ojos" (sensores) que observan los motores girar y cuentan los pulsos, como un podómetro contando pasos. Esto le dice a la computadora exactamente dónde está la mesa, con una precisión de una fracción de milímetro.
• El "Control Remoto" (Interfaz Web): Una vez conectado, los científicos pueden abrir una página web en su laptop o teléfono. Esta página se ve como un tablero sencillo con botones para "Izquierda", "Derecha", "Arriba" y "Abajo". Pueden escribir una distancia (por ejemplo, "mover 5 milímetros a la derecha") y presionar enter. Entonces, la "Mano Fantasma" presiona los botones automáticamente.

Cómo lo Construyeron
El equipo diseñó una pequeña placa de circuito que se conecta directamente a la parte trasera del panel de control de la mesa.

1. Sin Cirugía: No tuvieron que abrir la mesa ni recablear nada. Simplemente conectaron este nuevo dispositivo a un puerto libre en la parte trasera del panel existente.
2. Energía: Funciona con el mismo cable de alimentación que alimenta el panel de control de la mesa, por lo que no se necesitaron baterías adicionales ni cables de alimentación extra.
3. Seguridad: Si se presiona el botón rojo de "Parada de Emergencia" original, el dispositivo lo sabe instantáneamente y detiene el movimiento. También cuenta con su propio "botón de pánico" de software en caso de que la conexión Wi-Fi se vuelva extraña.

Los Resultados
El equipo probó este dispositivo en el CERN (el famoso laboratorio de física de partículas) en 2026.

• Funcionó: Lograron mover la mesa pesada de forma remota mientras los haces de partículas estaban en funcionamiento.
• Fue Preciso: La mesa se movió exactamente a donde la computadora le indicó, con un margen de error de menos de medio milímetro (aproximadamente el grosor de una tarjeta de crédito).
• Fue Confiable: Se mantuvo conectado al Wi-Fi y no falló, incluso durante experimentos prolongados.

Por qué esto es Importante
Antes de esto, mover la mesa requería la presencia física de un humano. Ahora, los científicos pueden automatizar el movimiento. Pueden escribir un guion (script) para mover la mesa en un patrón específico, o simplemente hacer clic en un botón desde su oficina. Esto ahorra tiempo, reduce la necesidad de que las personas entren en áreas de haz peligrosas y hace que los experimentos funcionen de manera más fluida.

El artículo concluye que, aunque construyeron esto para un experimento específico (NA64), el diseño es tan simple y genérico que cualquier otro experimento en el CERN que utilice este mismo tipo de mesa podría usarlo también. Es como convertir un coche manual en uno automático, pero sin cambiar el motor.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Desarrollo e Integración del Controlador de Automatización NA64-DTC

Planteamiento del Problema
La "Mesa DESY" es una plataforma motorizada ampliamente utilizada en las instalaciones experimentales de las Áreas Este y Norte del CERN para el posicionamiento preciso de detectores y objetivos, particularmente en configuraciones de blanco fijo que involucran calorímetros electromagnéticos y hadrónicos. Aunque es capaz de manejar cargas de hasta 103 kg con un rango de excursión de ±500 mm, la plataforma depende de un panel de control manual para su operación. Esto requiere la intervención física frecuente de los operadores para ajustar las configuraciones, y los datos de posición solo están disponibles mediante pantallas locales. Esta dependencia manual limita la eficiencia de las actividades de haz y evita la integración fluida en los sistemas de control remoto automatizados requeridos por los experimentos modernos.

Metodología
Para abordar estas limitaciones, los autores desarrollaron el NA64-DTC (Controlador de la Mesa DESY), un dispositivo de automatización remota diseñado para interactuar de manera no invasiva con el hardware existente de la Mesa DESY. La metodología se centra en tres etapas principales de desarrollo:

1. Diseño Arquitectónico: El controlador se conecta al conector de "duplicación de interruptores" 28BSM de la parte posterior de la Mesa DESY. Esta interfaz permite al dispositivo emular pulsaciones de botones y leer señales de codificadores sin modificar la electrónica de control original. El sistema está diseñado para alimentarse directamente de la fuente de alimentación de 24 V CC de la plataforma (consumiendo <10 W) y opera de forma inalámbrica a través de la red Wi-Fi del CERN.
2. Implementación de Hardware: El núcleo del dispositivo es un Sistema en Módulo (SoM) ESP32-C3-WROOM-2, elegido por su bajo consumo de energía, Wi-Fi integrado y huella compacta. El hardware utiliza ocho optoacopladores de doble canal MOCD223M para interconectar de forma segura el microcontrolador de bajo voltaje con las señales del panel de control de alto voltaje (24 V). Esta configuración emula los botones direccionales (Izquierda/Derecha, Arriba/Abajo, Ir) y monitorea el circuito de parada de emergencia. Un fototransistor con aislamiento óptico lee las salidas del codificador incremental (canales A y B) de ambos ejes del motor para determinar la posición. El diseño incluye una PCB personalizada de 2 capas con un conector IDC de 20 pines para acoplarse directamente al cable de cinta de la plataforma, minimizando el estrés mecánico.
3. Desarrollo de Firmware y Software: El firmware se ejecuta en FreeRTOS, implementando una aplicación multihilo que gestiona las interrupciones GPIO para la decodificación de codificador de cuadratura (decodificación por software ×4) y gestiona la lógica de control del motor. La seguridad se garantiza mediante mecanismos tanto de hardware (monitoreo del E-Stop físico) como de software. El dispositivo expone una API REST a través de un servidor HTTP embebido en el puerto 80.
   • Interfaces de Usuario: Se desarrollaron dos interfaces: una interfaz web ligera basada en navegador para la interacción directa del operador y un SoftIOC de EPICS personalizado para la integración en el subsistema de control lento de NA64. La implementación de EPIC incluye Variables de Proceso (PVs) para la lectura de posición, comandos de movimiento, límites de viaje de software y lógica de parada de emergencia.

Contribuciones Clave

• Integración No Invasiva: La solución logra el control remoto total y la automatización sin alterar el panel de control original de la Mesa DESY ni requerir fuentes de alimentación externas.
• Operación de Doble Modo: El sistema permite la operación simultánea manual y automatizada; el panel original sigue siendo funcional para las anulaciones manuales mientras el controlador está conectado.
• Interfaz Estandarizada: Al utilizar una API REST genérica basada en HTTP, el dispositivo está diseñado para ser agnóstico al experimento, lo que permite su integración en varios sistemas de control más allá de la implementación específica de EPICS utilizada para NA64.
• Lógica de Seguridad: El sistema incorpora robustas funciones de seguridad, incluyendo el monitoreo del E-Stop por hardware, la aserción del E-Stop por software, la detección de bloqueo del motor y los límites de viaje de software configurables.

Resultados
El NA64-DTC fue comisionado con éxito durante las corridas experimentales NA64 de 2026 en las líneas de haz PS T9 y SPS H4.

• Rendimiento: Las pruebas confirmaron una comunicación Wi-Fi estable y un seguimiento de posición correcto basado en el codificador. El sistema logró una precisión de posicionamiento de 0.2 a 0.4 mm en todo el rango de movimiento, consistente con la configuración nominal del motor y el factor de escala de 400 cuentas/mm derivado de los codificadores de 100 PPR y la decodificación del firmware.
• Éxito Operativo: El dispositivo se utilizó rutinariamente para mover el detector ECAL para la calibración y alineación con la dirección del haz. Manejó con éxito un comportamiento de hardware no documentado donde los ejes de movimiento estaban invertidos, lo cual fue corregido mediante una actualización de firmware.
• Fiabilidad: El sistema demostró un comportamiento robusto durante periodos prolongados de uso continuo, incluyendo el manejo fiable de las condiciones de parada de emergencia y la detección de fallos del codificador.

Significancia
El artículo sostiene que el NA64-DTC proporciona una solución práctica para reducir la intervención manual durante las actividades de haz en el CERN, mejorando así la eficiencia operativa. Aunque fue concebido inicialmente para el experimento NA64, los autores enfatizan que la naturaleza genérica del hardware y la interfaz basada en HTTP hacen que la solución sea aplicable a cualquier experimento del CERN que utilice la plataforma de la Mesa DESY. El trabajo demuestra que las plataformas motorizadas heredadas pueden modernizarse eficazmente para la operación remota y automatizada sin necesidad de modificaciones de hardware invasivas o infraestructura de alimentación externa. Todos los archivos de diseño, esquemáticos y fuentes de firmware se han puesto a disposición pública para facilitar su adopción por otros experimentos.