Experimental timing and control using microcontrollers

Dit artikel demonstreert dat de Raspberry Pi Pico-microcontroller een kosteneffectief en schaalbaar alternatief biedt voor complexe FPGA-systemen in experimentele fysica, met een timingresolutie van 7,5 ns en een minimale pulsduur van 37,5 ns.

De kern

Titel: De "Prawn" Tijdmeesters: Hoe een goedkope computerchip de complexe fysica-rekenmachine vervangt

Stel je voor dat je een heel groot, ingewikkeld orkest moet dirigeren. In de wereld van de moderne natuurkunde (zoals het bestuderen van atomen) zijn de experimenten dat orkest. Elke muzikant (een laser, een sensor, een schakelaar) moet op het exacte juiste moment een noot spelen. Als één muzikant zelfs maar een fractie van een seconde te vroeg of te laat is, is het hele concert een puinhoop.

Vroeger werd dit gedirigeerd door FPGA's. Dat zijn als het ware dure, superkrachtige dirigenten die alles tegelijk kunnen regelen. Ze zijn geweldig, maar ze zijn ook duur, zwaar en moeilijk te programmeren. Het is alsof je een Formule 1-auto huurt om naar de supermarkt te gaan: het kan, maar het is overkill en kost een fortuin.

De auteurs van dit artikel hebben een slim alternatief bedacht: ze gebruiken de Raspberry Pi Pico. Dit is een heel kleine, goedkope computerchip (zo groot als een postzegel) die je voor een paar euro in de winkel kunt kopen. Het is alsof je een slimme, goedkope fiets gebruikt in plaats van die dure Formule 1-auto.

Hier is hoe ze dat doen, vertaald in alledaagse termen:

1. De Twee Manieren om Tijd te Meten

De onderzoekers hebben twee speciale "apps" (firmware) gemaakt voor deze kleine chip, die ze Prawnblaster en PrawnDO noemen (de naam "Prawn" komt van het Australische geldbiljet met een garnalen-illustratie, een knipoog naar de goedkope prijs).

• De Prawnblaster (De Ritmische Trommelaar):
  Stel je voor dat je een drummer hebt die een ritme slaat. Soms wil je dat hij 5 keer snel slaat, dan 1 keer langzaam, en daarna 3 keer middelsnel.
  De Prawnblaster doet precies dit. Hij maakt een pseudoklok. In plaats van elke individuele slag te programmeren, zeg je gewoon: "Sla 5 keer snel, dan 1 keer langzaam."

  • Waarom is dit slim? Veel apparaten in een lab hebben een ritme nodig (zoals een camera die foto's maakt). Met deze methode hoef je niet duizenden instructies te geven, maar slechts een paar. Het bespaart tijd en geheugen.

• De PrawnDO (De Vrije Kunstenaar):
  Soms heb je geen ritme nodig, maar een heel specifiek, willekeurig signaal. Denk aan een stoplicht dat precies 0,3 seconden groen is, dan 0,1 seconden rood, en dan direct weer groen.
  De PrawnDO is hier voor. Hij kan elk willekeurig patroon maken, zolang je maar zegt: "Blijf 0,3 seconden aan, dan 0,1 seconden uit."

  • Het nadeel: Dit kost meer "instructies" (meer gedoe) dan de ritmische methode.

2. Het Samenwerken (De Grote Web)

Het echte genie zit in hoe ze deze twee samenwerken.
Stel je voor dat je een groot feest hebt. Je hebt één hoofddirigent (de Prawnblaster) die het ritme aangeeft. Maar je hebt ook 16 andere muzikanten die elk hun eigen solo moeten spelen op precies het juiste moment.
In plaats van 16 dure dirigenten aan te stellen, gebruiken ze één goedkope dirigent (Prawnblaster) die een signaal geeft aan 16 andere goedkope muzikanten (PrawnDO's).

• De Prawnblaster zegt: "Nu!"
• De PrawnDO's beginnen dan direct hun eigen complexe solo's.
• Omdat ze allemaal op hetzelfde moment starten (gesynchroniseerd door een gemeenschappelijke klok), is het resultaat perfect.

3. Waarom is dit zo snel?

Je zou denken: "Een goedkope chip is toch traag?" Nee, niet deze.
De chip heeft een speciale "snelle hand" genaamd PIO (Programmable Input/Output).

• Analogie: Stel je voor dat de hoofddirecteur (de processor) druk bezig is met e-mails beantwoorden. Hij heeft geen tijd om zelf de lichten aan en uit te doen.
• De PIO is een kleine, super-snelle robot die direct naast de lichten staat. Zodra de directeur een briefje geeft, doet de robot het werk direct, zonder de directeur te storen.
• Hierdoor kunnen ze schakelen in 7,5 nanoseconden. Dat is 7,5 miljardste van een seconde. Voor het menselijk oog is dat onzichtbaar, maar voor atomen is het als een eeuwigheid.

4. De Kosten en Schaalbaarheid

Dit is het mooiste deel.

• Een FPGA-systeem (de dure dirigent) kost misschien €2.000 tot €5.000.
• Een Raspberry Pi Pico-systeem (de Prawn) kost ongeveer €5 tot €10.
• Als je een heel groot experiment hebt met 100 schakelaars, kost een FPGA-oplossing tienduizenden euro's. Met de Prawn-oplossing koop je 100 van die kleine chips voor de prijs van één dure chip. Je kunt het systeem dus makkelijk uitbreiden, net als het toevoegen van meer blokken aan een legopack.

Conclusie

Deze paper laat zien dat je niet altijd de duurste, zwaarste apparatuur nodig hebt om de meest precieze wetenschappelijke experimenten te doen. Door slimme software te schrijven voor een goedkope, alledaagse computerchip, kunnen onderzoekers tijd meten en schakelen met een precisie die voorheen alleen met dure machines mogelijk was.

Het is alsof je ontdekt hebt dat je met een goedkope, slimme fiets net zo snel door de stad kunt komen als met een dure sportwagen, zolang je maar de juiste route (de software) kent. Voor de natuurkunde is dit een revolutie: meer vrijheid, minder kosten, en net zo'n perfecte timing.

Technische samenvatting

Titel: Experimentele timing en besturing met microcontrollers

Auteurs: Philip T. Starkey et al. (MIT, Universiteit van Maryland, DEVCOM Army Research Laboratory)
Datum: 26 juni 2024

---

1. Het Probleem

Moderne natuurkunde-experimenten, met name binnen de kwantuminformatiewetenschap en atomaire, moleculaire en optische (AMO) fysica, zijn afhankelijk van uiterst precieze, herhaalbare en herconfigureerbare timing. Deze timing wordt traditioneel verzorgd door digitale pulssequenties gegenereerd door Field-Programmable Gate Arrays (FPGA's).

Hoewel FPGA's uiterst flexibel en performant zijn, brengen ze aanzienlijke nadelen met zich mee voor grootschalige experimenten:

• Kosten en complexiteit: Ze zijn duur in aanschaf en stroomverbruik.
• Ontwikkelcomplexiteit: Programmeren vereist gespecialiseerde hardware-talen en vaak proprietaire softwarekits, wat de ontwikkelingstijd verlengt.
• Schalbaarheid: Het is moeilijk en kostbaar om deze systemen uit te breiden naar zeer grote systemen met veel kanalen.
• Overkill: Veel experimentele taken (zoals het genereren van eenvoudige pulssequenties) vereisen niet de volledige rekenkracht van een FPGA.

Er is behoefte aan een goedkopere, eenvoudigere en schaalbaar alternatief dat toch hoge timing-resoluties biedt.

2. Methodologie

De auteurs presenteren een oplossing gebaseerd op de Raspberry Pi Pico, een goedkope microcontroller met de RP2040-chip. Ze hebben twee specifieke firmware-implementaties ontwikkeld die elk een andere methode voor digitale pulsgeneratie hanteren, geoptimaliseerd voor de architectuur van de RP2040:

• Hardware-architectuur:

  • De RP2040 heeft een dual-core CPU (Cortex-M0+), waarbij één kern de communicatie met de hostcomputer verzorgt en de andere de pulsgeneratie beheert.
  • Gebruik van PIO (Programmable I/O) cores: Speciale hardware die direct GPIO-pins aanstuurt met deterministische timing, onafhankelijk van de hoofdprocessor.
  • Gebruik van DMA (Direct Memory Access): Voor snelle overdracht van instructies van het SRAM naar de PIO-kern zonder CPU-betrokkenheid.
  • Systeemklok tot 133 MHz, wat een timing-resolutie van 7,5 ns mogelijk maakt.

• Firmware 1: Prawnblaster (Pseudoklokken)

  • Doel: Genereren van sequenties met een vast aantal pulsen en variabele perioden (50/50 duty cycle).
  • Efficiëntie: Een instructie bestaat uit twee getallen: half-periode (duur van hoog/laag) en herhalingen. Dit maakt het mogelijk om lange reeksen identieke pulsen met één instructie te definiëren.
  • Toepassing: Ideaal voor sampling-klokken voor A/D- en D/A-converters of radiofrequentie-schakelaars.
  • Capaciteit: Tot 30.000 instructies, verdeeld over 4 onafhankelijke uitgangen.

• Firmware 2: PrawnDO (Willekeurige digitale pulsen)

  • Doel: Genereren van volledig willekeurige pulsen met volledige controle over hoog- en laagtijden (niet beperkt tot 50/50 duty cycle).
  • Efficiëntie: Gebruikt "run-length encoding". Elke instructie definieert de uitgangstoestand (bitmask voor 16 uitgangen) en de duur (in klokcycli).
  • Toepassing: Enkele trigger-evenementen, gating, of schakelcontroles.
  • Interne timing: In tegenstelling tot veel systemen die een externe trigger nodig hebben voor elke rand, gebruikt PrawnDO interne timing gebaseerd op een gemeenschappelijke klok, wat de instructie-omvang drastisch verkleint.

• Systeemintegratie:

  • De systemen worden aangestuurd via USB (CDC-interface) door een hostcomputer (vaak met de labscript-suite).
  • Prawnblasters kunnen PrawnDO's triggeren, waardoor een hiërarchisch netwerk van timing kan worden opgebouwd.

3. Belangrijkste Bijdragen

1. Ontwerp van Prawnblaster en PrawnDO: Twee gespecialiseerde firmwares die de beperkingen van microcontrollers omzetten in voordelen door het gebruik van PIO en DMA.
2. Hybride aanpak: Het combineren van efficiënte "pseudoklokken" voor repetitieve taken en "willekeurige pulsen" voor complexe gebeurtenissen binnen één schaalbaar systeem.
3. Open Source en Goedkoop: De oplossing is gebaseerd op de Raspberry Pi Pico (enkele dollars per stuk), in plaats van duizenden euro's voor FPGA-systemen. De broncode en binaries zijn beschikbaar via GitHub.
4. Schaalbaarheid: Het systeem maakt het mogelijk om tientallen microcontrollers te koppelen voor de prijs van één FPGA, waardoor grote experimenten met honderden kanalen haalbaar worden.

4. Resultaten

De auteurs hebben de prestaties van het systeem experimenteel geverifieerd:

• Timing-resolutie: Bereikt een resolutie van 7,5 ns (bij 133 MHz) of 10 ns (bij standaard 100 MHz).
• Minimale pulsduur: 37,5 ns (5 klokcycli bij 133 MHz) of 50 ns (bij 100 MHz).
• Instructie-efficiëntie:
  • Prawnblaster kan complexe sequenties met slechts drie instructies definiëren (bijv. 5 korte pulsen, 1 lange, 3 middellange).
  • PrawnDO vereist één instructie per statusverandering, maar door interne timing is dit veel efficiënter dan systemen die externe triggers per rand vereisen.
• Data-overdracht: Schrijfsnelheden van ongeveer 30 kbit/s voor ASCII-commands en tot 650 kbit/s voor bulk-binaire transfers. Het voltooien van het schrijven van het geheugen duurt slechts ~270 ms.
• Demonstratie: Figuur 5 in het artikel toont een gerealiseerde pulssequentie van 14 µs met een Prawnblaster en PrawnDO, waarbij de 50 ns minimale tijd tussen updates en de 10 ns resolutie duidelijk zichtbaar zijn.

5. Betekenis en Conclusie

Dit werk toont aan dat moderne microcontrollers, specifiek de RP2040, een krachtig en kosteneffectief alternatief zijn voor FPGA's in experimentele besturingssystemen.

• Toegang: Het democratiseert de toegang tot hoogwaardige timing-hardware voor onderzoeksgroepen met beperkte budgetten.
• Flexibiliteit: De software-gedefinieerde aard van de firmware maakt aanpassingen aan experimenten veel eenvoudiger dan het herschrijven van hardware-beschrijvingen voor FPGA's.
• Toekomstperspectief: Hoewel er beperkingen zijn (zoals de noodzaak van externe buffers voor 5V TTL-signaal en het managen van USB-verbindingen bij veel boards), biedt het systeem een solide basis voor schaalbare kwantumexperimenten. De auteurs wijzen ook op potentieel voor verbetering via flash-geheugengebruik en I2C/SPI-interconnectie voor nog grotere schaalbaarheid.

Samenvattend bieden de Prawnblaster en PrawnDO een hoge prestatie, lage kosten en hoge schaalbaarheid, waardoor ze een waardevolle toevoeging zijn aan de toolkit voor fysici die complexe timing-eisen hebben.