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

Questo articolo riporta la progettazione, la costruzione e la riuscita messa in servizio del NA64-DTC, un controllore di automazione remota basato su ESP32 che consente il controllo non invasivo e optoisolato della piattaforma motorizzata "DESY Table" del CERN tramite HTTP, facilitando così l'operatività remota e riducendo l'intervento manuale per vari esperimenti.

L'essenziale

Immagina di trovarti in un enorme laboratorio hi-tech dove gli scienziati sparano fasci di minuscole particelle contro vari bersagli per studiare i mattoni fondamentali dell'universo. Per farlo, utilizzano un enorme e pesante tavolo motorizzato chiamato "Tavolo DESY." Pensa a questo tavolo come a una versione ad alta precisione e industriale di uno slider per fotocamera o di una montatura per telescopio. Può far scorrere pesanti rilevatori (che sono come enormi telecamere sensibilissime) a sinistra, destra, su e giù con estrema precisione.

Tuttavia, c'era un problema: per muovere il tavolo, un essere umano doveva stare proprio accanto ad esso, premere pulsanti su un pannello di controllo fisico e osservare un piccolo schermo digitale per vedere dove si trovasse. Se gli scienziati volevano muovere il tavolo mentre il fascio di particelle era attivo, dovevano lasciare la loro sala di controllo sicura, camminare verso l'area del fascio, rumorosa e pericolosa, smanettare con i pulsanti e poi tornare indietro. Era un processo lento, manuale e che interrompeva il flusso dell'esperimento.

La Soluzione: Il "Telecomando" per il Tavolo
Gli autori di questo articolo hanno costruito un piccolo e ingegnoso dispositivo chiamato NA64-DTC. Puoi pensare a questo dispositivo come a un "burattinaio digitale" o a una "mano fantasma" che siede accanto al pannello di controllo del tavolo.

Ecco come funziona, usando semplici analogie:

• La "Mano Fantasma" (Opto-isolamento): Il dispositivo non tocca realmente i pulsanti né taglia alcun cavo. Invece, utilizza degli "opti-isolatori". Immaginali come delle dita fatte di raggi di luce invisibili. Quando il computer vuole premere il pulsante "Muovi a Destra", il dispositivo emette un piccolo lampo di luce che inganna il pannello di controllo del tavolo, facendogli credere che un dito umano abbia appena premuto il pulsante. Questo permette agli scienziati di controllare il tavolo dai loro computer senza mai toccare l'hardware originale o invalidare le garanzie.
• Il "Cervello" (Chip ESP32): Il cuore del dispositivo è un piccolo e poco costoso chip con connessione Wi-Fi (l'ESP32-C3). È come il cervello di un dispositivo per la smart home. Si connette alla rete Wi-Fi del laboratorio, proprio come il tuo telefono si connette a internet.
• Gli "Occhi" (Encoder): Il tavolo ha dei motori che ruotano per muovere la piattaforma. Il dispositivo ha degli "occhi" (sensori) che osservano la rotazione dei motori e contano gli impulsi, come un pedometro che conta i passi. Questo dice al computer esattamente dove si trova il tavolo, con una precisione di una frazione di millimetro.
• Il "Telecomando" (Interfaccia Web): Una volta connessi, gli scienziati possono aprire una pagina web sul loro laptop o sul loro telefono. Questa pagina appare come una semplice dashboard con pulsanti per "Sinistra", "Destra", "Su" e "Giù". Possono digitare una distanza (ad esempio, "muovi di 5 millimetri a destra") e premere invio. La "Mano Fantasma" preme i pulsanti automaticamente.

Come lo hanno costruito
Il team ha progettato una piccola scheda circuitale che si inserisce direttamente nel retro del pannello di controllo del tavolo.

1. Nessuna Chirurgia: Non hanno dovuto aprire il tavolo o ricollegare i fili. Hanno solo collegato questo nuovo dispositivo a una porta libera sul retro del pannello esistente.
2. Alimentazione: Funziona con lo stesso cavo di alimentazione che alimenta il pannello di controllo del tavolo, quindi non sono stati necessari batterie extra o cavi di alimentazione aggiuntivi.
3. Sicurezza: Se viene premuto il grande pulsante rosso di "Emergenza" sul pannello originale, il dispositivo lo sa istantaneamente e ferma il movimento. Ha anche un proprio pulsante di "panico" software nel caso in cui la connessione Wi-Fi doveso diventare instabile.

I Risultati
Il team ha testato questo dispositivo al CERN (il famoso laboratorio di fisica delle particelle) nel 2026.

• Ha Funzionato: Hanno spostato con successo il pesante tavolo da remoto mentre i fasci di particelle erano in funzione.
• È Stato Accurato: Il tavolo si è spostato esattamente dove indicato dal computer, con un margine di errore inferiore a mezzo millimetro (circa lo spessore di una carta di credito).
• È Stato Affidabile: È rimasto connesso al Wi-Fi e non si è mai bloccato, anche durante esperimenti prolungati.

Perché Questo è Importante
Prima di questo, muovere il tavolo richiedeva la presenza fisica di un essere umano. Ora, gli scienziati possono automatizzare il movimento. Possono scrivere uno script per muovere il tavolo secondo un pattern specifico, o semplicemente cliccare un pulsante dal loro ufficio. Questo fa risparmiare tempo, riduce la necessità per le persone di entrare in aree pericolose con fasci di particelle e rende gli esperimenti più fluidi.

L'articolo conclude che, sebbene abbiano costruito questo dispositivo per un esperimento specifico (NA64), il design è così semplice e generico che qualsiasi altro esperimento al CERN che utilizzi questo stesso tipo di tavolo potrebbe usarlo. È come trasformare un'auto manuale in un'automatica, ma senza cambiare il motore.

Sommario tecnico

Sintesi Tecnica: Sviluppo e Integrazione del Controllore di Automazione NA64-DTC

Definizione del Problema
Il "DESY Table" è una piattaforma motorizzata ampiamente utilizzata nelle installazioni sperimentali dell'Area Est e dell'Area Nord del CERN per il posizionamento preciso di rivelatori e bersagli, in particolare in configurazioni a bersaglio fisso che coinvolgono calorimetri elettromagnetici e adronici. Sebbene sia in grado di gestire carichi fino a 103 kg con un intervallo di escursione di ±500 mm, la piattaforma si affida a un pannello di controllo manuale per il funzionamento. Ciò richiede frequenti interventi fisici da parte degli operatori per regolare le configurazioni, con dati di posizione disponibili solo tramite display locali. Questa dipendenza dal controllo manuale limita l'efficienza delle attività del fascio e impedisce l'integrazione fluida nei sistemi di controllo remoto automatizzati richiesti dai moderni esperimenti.

Metodologia
Per affrontare queste limitazioni, gli autori hanno sviluppato il NA64-DTC (DESY Table Controller), un dispositivo di automazione remota progettato per interfacciarsi in modo non invasivo con l'hardware esistente del DESY Table. La metodologia si concentra su tre fasi principali di sviluppo:

1. Progettazione Architetturale: Il controllore si collega al connettore di "duplicazione degli switch" 28BSM posteriore del DESY Table. Questa interfaccia consente al dispositivo di emulare la pressione dei pulsanti e leggere i segnali dell'encoder senza modificare l'elettronica di controllo originale. Il sistema è progettato per essere alimentato direttamente dall'alimentazione a 24 V DC della piattaforma (consumando <10 W) e opera via Wi-Fi attraverso la rete CERN.
2. Implementazione Hardware: Il cuore del dispositivo è un System-on-Module (SoM) ESP32-C3-WROOM-2, scelto per il basso consumo energetico, il Wi-Fi integrato e l'ingombro compatto. L'hardware utilizza otto optoisolatori a doppio canale MOCD223M per interfacciare in sicurezza il microcontrollore a bassa tensione con i segnali del pannello di controllo ad alta tensione (24 V). Questa configurazione emula i pulsanti direzionali (Sinistra/Destra, Su/Giù, Vai) e monitora il circuito di arresto di emergenza. Un fototransistor con isolamento ottico legge le uscite dell'encoder incrementale (canali A e B) di entrambi gli assi del motore per determinare la posizione. Il design include un PCB personalizzato a 2 strati con un connettore IDC a 20 pin per accoppiarsi direttamente con il cavo a nastro della piattaforma, minimizzando lo stress meccanico.
3. Sviluppo Firmware e Software: Il firmware esegue FreeRTOS, implementando un'applicazione multi-thread che gestisce gli interrupt GPIO per la decodifica dell'encoder a quadratura (decodifica software ×4) e gestisce la logica di controllo del motore. La sicurezza è garantita sia tramite meccanismi hardware (monitoraggio dell'E-Stop fisico) che software. Il dispositivo espone un'API REST tramite un server HTTP integrato sulla porta 80.
   • Interfacce Utente: Sono state sviluppate due interfacce: una Web UI leggera, basata su browser, per l'interazione diretta dell'operatore, e una custom EPICS SoftIOC per l'integrazione nel sottosistema di slow-control di NA64. L'implementazione EPICS include Process Variables (PV) per la lettura della posizione, comandi di movimento, limiti di corsa software e logica di arresto di emergenza.

Contributi Chiave

• Integrazione Non Invasiva: La soluzione permette il pieno controllo remoto e l'automazione senza alterare il pannello di controllo originale del DESY Table o richiedere fonti di alimentazione esterne.
• Operatività Dual-Mode: Il sistema consente il funzionamento simultaneo manuale e automatizzato; il pannello originale rimane funzionale per i bypass manuali mentre il controllore è collegato.
• Interfaccia Standardizzata: Utilizzando un'API REST generica basata su HTTP, il dispositivo è progettato per essere indipendente dall'esperimento, consentendo l'integrazione in vari sistemi di controllo oltre alla specifica implementazione EPICS utilizzata per NA64.
• Logica di Sicurezza: Il sistema incorpora robuste funzioni di sicurezza, inclusi il monitoraggio dell'E-Stop hardware, l'asserzione dell'E-Stop software, il rilevamento dello stallo del motore e i limiti di corsa soft configurabili.

Risultati
Il NA64-DTC è stato commissionato con successo durante le corse sperimentali NA64 2026 presso le linee di fascio PS T9 e SPS H4.

• Prestazioni: I test hanno confermato una comunicazione Wi-Fi stabile e un corretto tracciamento della posizione basato sull'encoder. Il sistema ha raggiunto una precisione di posizionamento compresa tra 0,2 e 0,4 mm nell'intero intervallo di movimento, coerentemente con la configurazione nominale del motore e il fattore di scala di 400 conteggi/mm derivato dagli encoder da 100 PPR e dalla decodifica del firmware.
• Successo Operativo: Il dispositivo è stato regolarmente utilizzato per spostare il rivelatore ECAL per la calibrazione e l'allineamento con la direzione del fascio. Ha gestito con successo un comportamento hardware non documentato in cui gli assi di movimento erano invertiti, problema risolto tramite un aggiornamento del firmware.
• Affidabilità: Il sistema ha dimostrato un comportamento robusto durante periodi prolungati di uso continuo, inclusa la gestione affidabile delle condizioni di arresto di emergenza e del rilevamento di errori dell'encoder.

Significatività
L'articolo sostiene che il NA64-DTC fornisca una soluzione pratica per ridurre l'intervento manuale durante le attività del fascio al CERN, migliorando così l'efficienza operativa. Sebbene inizialmente concepito per l'esperimento NA64, gli autori sottolineano che la natura generica dell'hardware e l'interfaccia basata su HTTP rendono la soluzione applicabile a qualsiasi esperimento del CERN che utilizzi la piattaforma DESY Table. Il lavoro dimostra che le piattaforme motorizzate legacy possono essere efficacemente modernizzate per l'operatività remota e automatizzata senza la necessità di modifiche hardware invasive o infrastrutture di alimentazione esterne. Tutti i file di progettazione, gli schemi e le sorgenti del firmware sono stati resi pubblici per facilitarne l'adozione da parte di altri esperimenti.