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

Dit artikel rapporteert over het ontwerp, de constructie en de succesvolle inbedrijfstelling van de NA64-DTC, een op ESP32 gebaseerde remote automatisatiecontroller die niet-invasieve, optisch geïsoleerde aansturing van het gemotoriseerde platform van de CERN "DESY Table" via HTTP mogelijk maakt, waardoor remote bediening wordt gefaciliteerd en handmatige interventie voor diverse experimenten wordt verminderd.

De kern

Stel je voor dat je in een enorme, hoogtechnologische laboratoriumomgeving bent waar wetenschappers bundels van minuscule deeltjes op diverse doelwitten afschieten om de bouwstenen van het universum te bestuderen. Om dit te doen, gebruiken ze een gigantische, zware, gemotoriseerde tafel genaamd de "DESY-tafel." Denk aan deze tafel als een hoogwaardige, industriële versie van een camera-slider of een telescoopmontage. Deze kan zware detectoren (die lijken op gigantische, gevoelige camera's) met extreme precisie naar links, rechts, boven en beneden bewegen.

Echter, er was een probleem: om de tafel te bewegen, moest een mens direct naast de tafel staan, knoppen op een fysiek bedieningspaneel indrukken en naar een klein digitaal scherm kijken om te zien waar de tafel zich bevond. Als de wetenschappers de tafel wilden verplaatsen terwijl de deeltjesbundel actief was, moesten ze de veilige controlekamer verlaten, naar het lawaaierige, gevaarlijke gebied met de bundel lopen, aan de knoppen frunniken en weer teruglopen naar de kamer. Dit was traag, handmatig en onderbrak de flow van het experiment.

De Oplossing: De "Afstandsbediening" voor de Tafel
De auteurs van dit artikel hebben een slim apparaatje gebouwd genaamd de NA64-DTC. Je kunt dit apparaat beschouwen als een "digitale poppenspeler" of een "geestachtige hand" die naast het bedieningspaneel van de tafel zit.

Zo werkt het, met behulp van eenvoudige analogieën:

• De "Geestachtige Hand" (Opto-isolatie): Het apparaat raakt de knoppen niet echt aan en snijdt ook geen draden door. In plaats daarvan gebruikt het "opto-isolatoren". Stel je deze voor als onzichtbare lichtstralen-vingers. Wanneer de computer de opdracht krijgt om op de knop "Naar rechts bewegen" te drukken, laat het apparaat een klein lichtje flitsen dat het bedieningspaneel van de tafel fopt door te laten denken dat een menselijke vinger zojuist op de knop heeft gedrukt. Hierdoor kunnen de wetenschappers de tafel vanuit hun computers aansturen zonder ooit de originele hardware aan te raken of de garantie te verbreken.
• Het "Brein" (ESP32-chip): Het hart van het apparaat is een kleine, goedkope, Wi-Fi-geactiveerde computerchip (de ESP32-C3). Het is als het brein van een smart-home apparaat. Het maakt verbinding met het Wi-Fi-netwerk van het lab, net zoals jouw telefoon verbinding maakt met het internet.
• De "Ogen" (Encoders): De tafel heeft motoren die draaien om het platform te verplaatsen. Het apparaat heeft "ogen" (sensoren) die de draaiende motoren observeren en het aantal pulsen tellen, vergelijkbaar met een stappenteller die stappen telt. Dit vertelt de computer precies waar de tafel zich bevindt, tot op een fractie van een millimeter nauwkeurig.
• De "Afstandsbediening" (Webinterface): Zodra de verbinding tot stand is gebracht, kunnen wetenschappers een webpagina openen op hun laptop of telefoon. Deze pagina ziet eruit als een eenvoudig dashboard met knoppen voor "Links", "Rechts", "Omhoog" en "Omlaag". Ze kunnen een afstand invoeren (bijv. "beweeg 5 millimeter naar rechts") en op enter drukken. De "Geestachtige Hand" drukt vervolgens automatisch op de knoppen.

Hoe ze het hebben gebouwd
Het team heeft een kleine printplaat ontworpen die direct in de achterkant van het bedieningspaneel van de tafel wordt geplugd.

1. Geen chirurgie: Ze hoefden de tafel niet open te maken of de bedrading aan te passen. Ze plugden dit nieuwe apparaat simpelweg in een vrije poort aan de achterkant van het bestaande paneel.
2. Voeding: Het werkt op dezelfde voedingskabel als het bedieningspaneel van de tafel, dus er waren geen extra batterijen of stroomkabels nodig.
3. Veiligheid: Als de grote rode "Noodstop"-knop op het originele paneel wordt ingedrukt, weet het apparaat dit onmiddellijk en stopt de beweging. Het heeft ook een eigen softwarematige "paniekknop" voor het geval de Wi-Fi-verbinding onregelmatig wordt.

De Resultaten
Het team heeft dit apparaat getest bij CERN (het beroemde deeltjesfysica-laboratorium) in 2026.

• Het werkte: Ze hebben de zware tafel succesvol op afstand verplaatst terwijl de deeltjesbundels actief waren.
• Het was accuraat: De tafel bewoog exact naar de plek waar de computer het voor aangaf, met een foutmarge van minder dan een halve millimeter (ongeveer de dikte van een creditcard).
• Het was betrouwbaar: Het bleef verbonden met de Wi-Fi en crashte niet, zelfs niet tijdens langdurige experimenten.

Waarom dit belangrijk is
Voorheen vereiste het verplaatsen van de tafel de fysieke aanwezigheid van een mens. Nu kunnen de wetenschappers de beweging automatiseren. Ze kunnen een script schrijven om de tafel in een specifiek patroon te laten bewegen, of gewoon op een knop klikken vanuit hun kantoor. Het bespaart tijd, vermindert de noodzaak voor mensen om gevaarlijke gebieden met deeltjesbundels te betreden, en zorgt ervoor dat de experimenten soepeler verlopen.

Het artikel concludeert dat hoewel ze dit voor één specifief experiment (NA64) hebben gebouwd, het ontwerp zo eenvoudig en generiek is dat elk ander experiment bij CERN dat met hetzelfde type tafel werkt, dit ook kan gebruiken. Het is alsof je een handgeschakelde auto verandert in een automaat, zonder de motor te veranderen.

Technische samenvatting

Technische Samenvatting: Ontwikkeling en Integratie van de NA64-DTC Automatisatiecontroller

Probleemstelling
De "DESY Table" is een gemotoriseerd platform dat veel wordt gebruikt bij de experimentele installaties in de East-Area en North-Area van CERN voor de nauwkeurige positionering van detectoren en targets, met name in fixed-target configuraties met elektromagnetische en hadronische calorimeters. Hoewel het platform lasten tot 103 kg kan dragen met een excursiebereik van ±500 mm, vertrouwt het op een handmatig bedieningspaneel voor de werking. Dit vereist frequente fysieke interventie door operators om configuraties aan te passen, waarbij positiegegevens alleen via lokale displays beschikbaar zijn. Deze handmatige afhankelijkheid beperkt de efficiëntie van beam-activiteiten en verhindert naadloze integratie in geautomatiseerde, op afstand bestuurbare systemen die vereist zijn voor moderne experimenten.

Methodologie
Om deze beperkingen aan te pakken, hebben de auteurs de NA64-DTC (DESY Table Controller) ontwikkeld, een remote automatisatieapparaat dat ontworpen is om niet-invasief te koppelen met de bestaande DESY Table-hardware. De methodologie richt zich op drie primaire ontwikkelingsfasen:

1. Architecturaal Ontwerp: De controller sluit aan op de achterzijde van de DESY Table via de 28BSM "switches duplicatie" connector. Deze interface stelt het apparaat in staat om druk op knoppen te emuleren en encoder-signalen uit te lezen zonder de originele elektronica aan te passen. Het systeem is ontworpen om direct gevoed te worden door de 24 V DC-voeding van het platform (verbruik <10 W) en werkt draadloos via het CERN Wi-Fi-netwerk.
2. Hardware Implementatie: De kern van het apparaat is een ESP32-C3-WROOM-2 System-on-Module (SoM), gekozen vanwege het lage stroomverbruik, de ingebouwde Wi-Fi en het compacte formaat. De hardware maakt gebruik van acht MOCD223M dual-channel opto-isolatoren om de laagspanningsmicrocontroller veilig te koppelen aan de hoogspanningssignalen (24 V) van het bedieningspaneel. Deze opstelling emuleert directionele knoppen (Links/Rechts, Omhoog/Omlaag, Start) en monitort de noodstopcircuit. Een optisch geïsoleerde fototransistor leest de incrementele encoder-outputs (A- en B-kanalen) van beide motorassen uit om de positie te bepalen. Het ontwerp bevat een op maat gemaakte 2-laags PCB met een 20-pins IDC-connector om direct aan te sluiten op de lintkabel van het platform, wat mechanische spanning minimaliseert.
3. Firmware en Software Ontwikkeling: De firmware draait op FreeRTOS en implementeert een multi-threaded applicatie die GPIO-interrupts afhandelt voor quadrature encoder-decodering (softwarematige ×4 decodering) en de motorbesturingslogica beheert. Veiligheid wordt afgedwongen via zowel hardware (monitoren van de fysieke E-Stop) als softwaremechanismen. Het apparaat legt een REST API bloot via een embedded HTTP-server op poort 80.
   • Gebruikersinterfaces: Er zijn twee interfaces ontwikkeld: een lichtgewicht, browsergebaseerde Web UI voor directe interactie door de operator en een aangepaste EPICS SoftIOC voor integratie in de NA64 slow-control subsystem. De EPICS-implementatie bevat Process Variables (PV's) voor positie-terugkoppeling, bewegingscommando's, zachte reislimieten en noodstoplogica.

Belangrijkste Bijdragen

• Niet-Invasieve Integratie: De oplossing bereikt volledige remote controle en automatisatie zonder de originele DESY Table bedieningspanel aan te passen of externe stroombronnen te vereisen.
• Dual-Mode Operatie: Het systeem maakt gelijktijdige handmatige en geautomatiseerde operatie mogelijk; het originele paneel blijft functioneel voor handmatige overbruggingen terwijl de controller is aangesloten.
• Gestandaardiseerde Interface: Door een generieke HTTP-gebaseerde REST API te gebruiken, is het apparaat experiment-agnostisch ontworpen, waardoor het kan worden geïntegreerd in diverse controlesystemen buiten de specifieke EPICS-implementatie die voor NA64 wordt gebruikt.
• Veiligheidslogica: Het systeem bevat robuuste veiligheidsfuncties, waaronder hardware E-Stop monitoring, softwarematige E-Stop assertie, motor blokkade detectie en configureerbare zachte reislimieten.

Resultaten
De NA64-DTC werd succesvol in gebruik genomen tijdens de 2026 NA64 experimentele runs bij de PS T9 en SPS H4 beamlines.

• Prestaties: Tests bevestigden stabiele Wi-Fi-communicatie en correcte encoder-gebaseerde positie tracking. Het systeem bereikte een positioneringsnauwkeurigheid van 0,2 tot 0,4 mm over het volledige bewegingsbereik, consistent met de nominale motorconfiguratie en de 400 counts/mm schaling afgeleid van de 100 PPR encoders en firmware-decodering.
• Operationeel Succes: Het apparaat werd routinematig gebruikt om de ECAL-detector te bewegen voor kalibratie en uitlijning met de straalrichting. Het handelde succesvol een niet-gedocumenteerd hardwaregedrag af waarbij de bewegingsassen waren omgekeerd, wat gecorrigeerd werd via een firmware-update.
• Betrouwbaarheid: Het systeem vertoonde robuust gedrag tijdens langdurig continu gebruik, inclusclusief betrouwbare afhandeling van noodstopcondities en encoderfoutdetectie.

Betekenis
Het artikel stelt dat de NA64-DTC een praktische oplossing biedt voor het verminderen van handmatige interventie tijdens beam-activiteiten bij CERN, waardoor de operationele efficiëntie wordt verbeterd. Hoewel het aanvankelijk werd geconcipieerd voor het NA64-experiment, benadrukken de auteurs dat de generieke aard van de hardware en de HTTP-gebaseerde interface de oplossing toepasbaar maken voor elk CERN-experiment dat gebruikmaakt van het DESY Table-platform. Het werk demonstreert dat legacy gemotoriseerde platforms effectief gemoderniseerd kunnen worden voor remote en geautomatiseerde operatie zonder invasieve hardwaremodificaties of externe stroominfrastructuur nodig te hebben. Alle ontwerpbestanden, schema's en firmware-bronnen zijn publiekelijk beschikbaar gesteld om adoptie door andere experimenten te vergemakkelijken.