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

본 논문은 CERN의 "DESY Table" 전동 플랫폼을 HTTP를 통해 비침습적이고 광절연된 방식으로 제어할 수 있게 하여 다양한 실험의 원격 운용을 용이하게 하고 수동 개입을 줄여주는, ESP32 기반의 원격 자동화 컨트롤러인 NA64-DTC의 설계, 제작 및 성공적인 시운전에 대해 보고한다.

핵심

거대한 첨단 실험실에 있다고 상상해 보세요. 과학자들이 우주의 구성 요소를 연구하기 위해 다양한 표적에 미세한 입자 빔을 쏘고 있습니다. 이를 위해 그들은 **"DESY 테이블"**이라고 불리는 거대하고 튼튼한 전동 테이블을 사용합니다. 이 테이블은 마치 정밀한 산업용 카메라 슬라이더나 망원경 마운트와 같습니다. 이 테이블은 무거운 검출기(거대한 정밀 카메라와 같은 장치)를 좌, 우, 상, 하로 극도로 정확하게 움직일 수 있습니다.

하지만 한 가지 문제가 있었습니다. 이 테이블을 움직이려면 사람이 직접 옆에 서서 물리적인 제어 패널의 버튼을 누르고, 작은 디지털 화면을 통해 위치를 확인해야 했습니다. 만약 과학자들이 입자 빔이 작동하는 동안 테이블을 움직이고 싶다면, 안전한 제어실을 떠나 시끄럽고 위험한 빔 구역으로 걸어가 가서 버튼을 조작한 뒤 다시 돌아와야 했습니다. 이는 느리고 수동적이었으며, 실험의 흐름을 끊었습니다.

해결책: 테이블을 위한 "리모컨"
이 논문의 저자들은 NA64-DTC라고 불리는 영리한 작은 장치를 만들었습니다. 이 장치는 테이블의 제어 패널 옆에 위치하는 "디지털 꼭두각시 인형술사" 또는 **"유령 손"**이라고 생각하면 됩니다.

이 장치가 어떻게 작동하는지 쉬운 비유를 통해 설명하겠습니다:

• "유령 손" (광절연/Opto-Isolation): 이 장치는 실제로 버튼을 누르거나 전선을 자르지 않습니다. 대신 "옵토-아이솔레이터(광절연기)"를 사용합니다. 이것은 마치 보이지 않는 빛의 손가락과 같습니다. 컴퓨터가 "오른쪽으로 이동" 버튼을 눌러야 할 때, 장치는 아주 작은 빛을 번쩍여서 테이블의 제어 패널이 마치 인간의 손가락이 방금 버튼을 누른 것처럼 착각하게 만듭니다. 이를 통해 과학자들은 기존의 하드웨어를 건드리거나 보증을 깨뜨리지 않고도 컴퓨터로 테이블을 제어할 수 있습니다.
• "두뇌" (ESP32 칩): 이 장치의 핵심은 작고 저렴하며 Wi-Fi 기능이 있는 컴퓨터 칩(ESP32-C3)입니다. 이것은 스마트 홈 기기의 두뇌와 같습니다. 이 칩은 여러분의 스마트폰이 인터넷에 연결되는 것처럼 실험실의 Wi-Fi 네트워크에 연결됩니다.
• "눈" (엔코더): 테이블에는 플랫폼을 움직이기 위해 회전하는 모터가 있습니다. 이 장치는 모터가 회전하는 것을 관찰하고 펄스(신호)를 세는 "눈"(센서)을 가지고 있는데, 이는 마치 만보기가 걸음 수를 세는 것과 같습니다. 이를 통해 컴퓨터는 테이블이 정확히 어디에 있는지 밀리미터 미세 단위까지 파악합니다.
• "리모컨" (웹 인터페이스): 연결이 완료되면, 과학자들은 노트북이나 스마트폰으로 웹 페이지를 열 수 있습니다. 이 페이지는 "왼쪽", "오른-쪽", "위", "아래" 버튼이 있는 간단한 대시보드 형태입니다. 과학자들은 거리(예: "오른쪽으로 5밀리미터 이동")를 입력하고 엔터를 누를 수 있습니다. 그러면 "유령 손"이 자동으로 버튼을 누릅니다.

제작 과정
팀은 기존 테이블의 제어 패널 뒷면에 직접 꽂을 수 있는 작은 회로 기판을 설계했습니다.

1. 수술 불필요: 테이블을 분해하거나 배선을 새로 할 필요가 없었습니다. 그저 기존 패널 뒷면에 있는 여분의 포트에 이 새로운 장치를 꽂기만 하면 되었습니다.
2. 전원: 이 장치는 테이블의 제어 패널에 전원을 공급하는 것과 동일한 전원 케이블을 사용하여 작동하므로, 별도의 배터리나 전원 코드가 필요하지 않았습니다.
3. 안전: 만약 기존 패널의 커다란 빨간색 "비상 정지(Emergency Stop)" 버튼이 눌리면, 장치는 즉시 이를 인지하고 움직임을 멈춥니다. 또한 Wi-Fi 연결이 불안정해질 경우를 대비한 자체 소프트웨어 "패닉 버튼"도 갖추고 있습니다.

결과
팀은 2026년 CERN(유명한 입자 물리학 연구소)에서 이 장치를 테스트했습니다.

• 성공적인 작동: 그들은 입자 빔이 실행되는 동안에도 원격으로 무거운 테이블을 성공적으로 움직였습니다.
• 정확성: 테이블은 컴퓨터가 지시한 곳으로 정확히 이동했으며, 오차 범위는 0.5밀리미터 미만(신용카드 두께 정도)이었습니다.
• 신뢰성: 긴 실험 중에도 Wi-Fi 연결을 유지하며 끊김 없이 안정적으로 작동했습니다.

이것이 중요한 이유
이전에는 테이블을 움직이려면 반드시 사람이 물리적으로 현장에 있어야 했습니다. 이제 과학자들은 움직임을 자동화할 수 있습니다. 특정 패턴에 따라 테이블을 움직이도록 스크립트를 작성하거나, 사무실에서 버튼 하나만 클릭하면 됩니다. 이는 시간을 절약하고, 사람들이 위험한 빔 구역에 들어갈 필요를 줄여주며, 실험을 더 매끄럽게 진행할 수 있게 해줍니다.

논문은 이 장치가 하나의 특정 실험(NA64)을 위해 만들어졌지만, 설계가 매우 단순하고 범용적이어서 동일한 유형의 테이블을 사용하는 CERN의 다른 어떤 실험에서도 사용할 수 있다고 결론짓습니다. 이는 마치 수동 자동차를 엔진을 바꾸지 않고도 자동 자동차로 변환하는 것과 같습니다.

기술 요약

기술 요약: NA64-DTC 자동화 컨트롤러의 개발 및 통합

문제 정의
"DESY Table"은 전자기 및 강입자 칼로리미터를 포함하는 고정 표적 구성에서 검출기 및 표적의 정밀한 위치 조정을 위해 CERN의 East-Area 및 North-Area 실험 설비에서 널리 사용되는 전동 플랫폼입니다. 최대 103kg의 하중과 ±500mm의 이동 범위를 처리할 수 있는 능력을 갖추었으나, 이 플랫폼은 작동을 위해 수동 제어 패널에 의존하고 있습니다. 이는 운영자가 구성을 조정하기 위해 빈번한 물리적 개입을 필요로 하며, 위치 데이터는 로컬 디스플레이를 통해서만 확인할 수 있습니다. 이러한 수동 의존성은 빔 활동의 효율성을 제한하며, 현대적인 실험에 요구되는 원격 자동 제어 시스템으로의 원활한 통합을 방해합니다.

방법론
이러한 한계를 해결하기 위해 저자들은 기존의 DESY Table 하드웨어와 비침습적으로 인터페이스하도록 설계된 원격 자동화 장치인 NA64-DTC(DESY Table Controller)를 개발했습니다. 방법론은 세 가지 주요 개발 단계에 집중합니다:

1. 아키텍처 설계: 컨트롤러는 DESY Table의 후면 28BSM "스위치 복제(switches duplication)" 커넥터에 연결됩니다. 이 인터페이스를 통해 장치는 원래의 제어 전자 회로를 수정하지 않고도 버튼 누름을 에뮬레이션하고 엔코더 신호를 읽을 수 있습니다. 시스템은 플랫폼의 24V DC 전원에서 직접 전원을 공급받도록 설계되었으며(<10W 소비), CERN Wi-Fi 네트워크를 통해 무선으로 작동합니다.
2. 하드웨어 구현: 장치의 핵심은 저전력 소비, 내장 Wi-Fi, 컴팩트한 크기를 고려하여 선택된 ESP32-C3-WROOM-2 System-on-Module (SoM)입니다. 하드웨어는 저전압 마이크로컨트롤러와 고전압(24V) 제어 패널 신호 사이를 안전하게 인터페이스하기 위해 8개의 MOCD223M 듀얼 채널 옵토-아이솔레이터(opto-isolator)를 활용합니다. 이 설정은 방향 버튼(좌/우, 상/하, 이동)을 에뮬레이션하고 비상 정지(E-Stop) 회로를 모니터링합니다. 광학 절연된 포토트랜지스터는 두 모터 축의 증분 엔코더 출력(A 및 B 채널)을 읽습니다. 설계에는 플랫폼의 리본 케이블과 직접 결합하여 기계적 스트레스를 최소화하는 20핀 IDC 커넥터가 포함된 맞춤형 2층 PCB가 포함됩니다.
3. 펌웨어 및 소프트웨어 개발: 펌웨어는 FreeRTOS에서 실행되며, 쿼드러처 엔코더 디코딩을 위한 GPIO 인터럽트(소프트웨어 기반 ×4 디코딩)를 처리하고 모터 제어 로직을 관리하는 멀티 스레드 애플리케이션을 구현합니다. 안전은 하드웨어(물리적 E-Stop 모니터링)와 소프트웨어 메커니즘 모두를 통해 강제됩니다. 장치는 포트 80의 임베디드 HTTP 서버를 통해 REST API를 노출합니다.
   • 사용자 인터페이스: 두 가지 인터페이스가 개발되었습니다: 직접적인 운영자 상호작용을 위한 경량 브라우저 기반 Web UI와 NA64 슬로-컨트롤 서브시스템 통합을 위한 맞춤형 EPICS SoftIOC입니다. EPICS 구현에는 위치 피드백, 이동 명령, 소프트 트래블 리미트(soft travel limits) 및 비상 정지 로직을 위한 프로세스 변수(PV)가 포함됩니다.

주요 기여

• 비침습적 통합: 이 솔루션은 원래의 DESY Table 제어 패널을 변경하거나 외부 전원 소스를 요구하지 않고도 완전한 원격 제어 및 자동화를 달성합니다.
• 이중 모드 작동: 시스템은 컨트롤러가 연결된 상태에서도 원래의 패널이 수동 오버라이드를 위해 기능할 수 있도록 하여, 수동 및 자동 작동을 동시에 허용합니다.
• 표준화된 인터페이스: 제네릭한 HTTP 기반 REST API를 활용함으로써, 이 장치는 특정 NA64 EPICS 구현을 넘어 다양한 제어 시스템에 통합될 수 있도록 실험 불가지론적(experiment-agnostic)으로 설계되었습니다.
• 안전 로직: 시스템은 하드웨어 E-Stop 모니터링, 소프트웨어 E-Stop 어설션(assertion), 모터 스톨(stall) 감지 및 구성 가능한 소프트 트래블 리미트를 포함한 강력한 안전 기능을 통합합니다.

결과
NA64-DTC는 2026년 NA64 실험 실행 중 PS T9 및 SPS H4 빔라인에서 성공적으로 시운전되었습니다.

• 성능: 테스트를 통해 안정적인 Wi-Fi 통신과 엔코더 기반 위치 추적을 확인했습니다. 시스템은 100 PPR 엔코더와 펌웨어 디코딩에서 유도된 400 counts/mm 스케일링 인자와 일치하는 0.2 ~ 0.4 mm의 위치 정확도를 달로 달성했습니다.
• 운영 성공: 장치는 ECAL 검출기의 빔 방향 정렬 및 캘리브레이션을 위해 정기적으로 사용되었습니다. 또한 이동 축이 반전되어 있던 기록되지 않은 하드웨어 동작을 성공적으로 처리하였으며, 이는 펌웨어 업데이트를 통해 수정되었습니다.
• 신뢰성: 시스템은 비상 정지 조건 및 엔코더 결함 감지를 안정적으로 처리하며 장기간의 연속 사용 중에도 견고한 동작을 보여주었습니다.

의의
본 논문은 NA64-DTC가 CERN에서의 빔 활동 중 수동 개입을 줄이기 위한 실질적인 솔루션을 제공하여 운영 효율성을 높인다고 주장합니다. 초기에 NA64 실험을 위해 구상되었으나, 저자들은 하드웨어의 범용성과 HTTP 기반 인터페이스 덕분에 이 솔루션이 DESY Table 플랫폼을 사용하는 모든 CERN 실험에 적용 가능함을 강조합니다. 본 연구는 레거시 전동 플랫폼이 침습적인 하드웨어 수정이나 외부 전력 인프라 없이도 효과적으로 원격 및 자동 운영을 위해 현대화될 수 있음을 입증합니다. 다른 실험의 채택을 촉진하기 위해 모든 설계 파일, 회로도 및 펌웨어 소스는 공개되었습니다.