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

Este artigo relata o projeto, a construção e o comissionamento bem-sucedido do NA64-DTC, um controlador de automação remota baseado em ESP32 que permite o controle não invasivo e optoacoplado da plataforma motorizada "DESY Table" do CERN via HTTP, facilitando, desta forma, a operação remota e reduzindo a intervenção manual para diversos experimentos.

O essencial

Imagine que você está em um laboratório de alta tecnologia, enorme, onde cientistas disparam feixes de partículas minúsculas contra vários alvos para estudar os blocos de construção do universo. Para fazer isso, eles usam uma mesa motorizada gigante e robusta chamada "Mesa DESY". Pense nesta mesa como uma versão de alta precisão e industrial de um trilho de câmera ou de uma montagem de telescópio. Ela pode deslizar detectores pesados (que são como câmeras gigantes e sensíveis) para a esquerda, direita, cima e baixo com extrema precisão.

No entanto, havia um problema: para mover essa mesa, um humano tinha que ficar parado bem ao lado dela, pressionar botões em um painel de controle físico e observar uma pequena tela digital para ver onde ela estava. Se os cientistas quisessem mover a mesa enquanto o feixe de partículas estivesse ativo, eles tinham que sair de sua sala de controle segura, caminhar até a área barulhenta e perigosa do feixe, mexer nos botódos e depois caminhar de volta. Era lento, manual e interrompia o fluxo do experimento.

A Solução: O "Controle Remoto" para a Mesa
Os autores deste artigo construíram um pequeno dispositivo inteligente chamado NA64-DTC. Você pode pensar neste dispositivo como um "mestre de marionetes digital" ou uma "mão fantasma" que fica ao lado do painel de controle da mesa.

Veja como ele funciona, usando analogias simples:

• A "Mão Fantasma" (Opto-Isolamento): O dispositivo não toca de fato nos botões ou corta nenhum fio. Em vez disso, ele usa "opto-isoladores". Imagine estes como dedos de feixes de luz invisíveis. Quando o computador quer pressionar o botão "Mover para a Direita", o dispositivo emite um flash de luz minúsculo que engana o painel de controle da mesa, fazendo-a pensar que um dedo humano acabou de pressionar o botão. Isso permite que os cientistas controlem a mesa de seus computadores sem nunca tocar no hardware original ou violar garantias.
• O "Cérebro" (Chip ESP32): O coração do dispositivo é um chip de computador pequeno, barato e com conexão Wi-Fi (o ESP32-C3). É como o cérebro de um dispositivo de casa inteligente. Ele se conecta à rede Wi-Fi do laboratório, assim como o seu telefone se conecta à internet.
• Os "Olhos" (Encoders): A mesa possui motores que giram para mover a plataforma. O dispositivo possui "olhos" (sensores) que observam os motores girarem e contam os pulsos, como um podômetro contando passos. Isso diz ao computador exatamente onde a mesa está, com precisência de frações de milímetro.
• O "Controle Remoto" (Interface Web): Uma vez conectado, os cientistas podem abrir uma página web em seu laptop ou celular. Esta página se parece com um painel simples com botões para "Esquerda", "Direita", "Cima" e "Baixo". Eles podem digitar uma distância (ex: "mover 5 milímetros para a direita") e apertar enter. A "Mão Fantasma" então pressiona os botões automaticamente.

Como Eles Construíram Isso
A equipe projetou uma pequena placa de circuito que se conecta diretamente à parte traseira do painel de controle da mesa.

1. Sem Cirurgia: Eles não tiveram que abrir a mesa ou refazer a fiação. Eles apenas conectaram este novo dispositivo em uma porta sobressalente na parte de trás do painel existente.
2. Energia: Ele funciona com o mesmo cabo de energia que alimenta o painel de controle da mesa, portanto, nenhum cabo ou bateria extra foi necessário.
3. Segurança: Se o botão vermelho de "Parada de Emergência" original for pressionado, o dispositivo sabe instantaneamente e para o movimento. Ele também possui seu próprio botão de "pânico" de software, caso a conexão Wi-Fi fique estranha.

Os Resultados
A equipe testou este dispositivo no CERN (o famoso laboratório de física de partículas) em 2026.

• Funcionou: Eles conseguiram mover a mesa pesada remotamente enquanto os feixes de partículas estavam operando.
• Foi Preciso: A mesa moveu-se exatamente para onde o computador mandou, com uma margem de erro de menos de meio milímetro (aproximadamente a espessura de um cartão de crédito).
• Foi Confiável: O dispositivo manteve-se conectado ao Wi-Fi e não travou, mesmo durante experimentos longos.

Por Que Isso Importa
Antes disso, mover a mesa exigia a presença física de um humano. Agora, os cientistas podem automatizar o movimento. Eles podem escrever um script para mover a mesa em um padrão específico, ou apenas clicar em um botão de seus escritórios. Isso economiza tempo, reduz a necessidade de pessoas entrarem em áreas perigosas de feixe e faz com que os experimentos ocorram de forma mais fluida.

O artigo conclui que, embora tenham construído isso para um experimento específico (NA64), o design é tão simples e genérico que qualquer outro experimento no CERN que utilize este mesmo tipo de mesa poderia utilizá-lo também. É como transformar um carro manual em um automático, mas sem mudar o motor.

Resumo técnico

Resumo Técnico: Desenvolvimento e Integração do Controlador de Automação NA64-DTC

Definição do Problema
A "Mesa DESY" é uma plataforma motorizada amplamente utilizada nas instalações experimentais das Áreas Leste e Norte do CERN para o posicionamento preciso de detectores e alvos, particularmente em configurações de alvo fixo envolvendo calorímetros eletromagnéticos e hadrônicos. Embora seja capaz de suportar cargas de até 103 kg com um intervalo de excursão de ±500 mm, a plataforma depende de um painel de controle manual para operação. Isso exige intervenções físicas frequentes por parte dos operadores para ajustar as configurações, com os dados de posição disponíveis apenas via displays locais. Essa dependência manual limita a eficiência das atividades de feixe e impede a integração perfeita em sistemas de controle remoto automatizados, necessários para experimentos modernos.

Metodologia
Para abordar essas limitações, os autores desenvolveram o NA64-DTC (DESY Table Controller), um dispositivo de automação remota projetado para interagir de forma não invasiva com o hardware existente da Mesa DESY. A metodologia foca em três estáções principais de desenvolvimento:

1. Design Arquitetônico: O controlador conecta-se ao conector de "duplicação de interruptores" 28BSM traseiro da Mesa DESY. Esta interface permite que o dispositivo emule pressões de botões e leia sinais de encoder sem modificar a eletrônica de controle original. O sistema é projetado para ser alimentado diretamente pela fonte de alimentação de 24 V DC da própria plataforma (consumindo <10 W) e opera sem fio através da rede Wi-Fi do CERN.
2. Implementação de Hardware: O núcleo do dispositivo é um System-on-Module (SoM) ESP32-C3-WROOM-2, escolhido por seu baixo consumo de energia, Wi-Fi integrado e pegada compacta. O hardware utiliza oito opto-isoladores de canal duplo MOCD223M para interagir com segurança entre o microcontrolador de baixa tensão e os sinais do painel de controle de alta tensão (24 V). Esta configuração emula botões direcionais (Esquerda/Direita, Cima/Baixo, Ir) e monitora o circuito de parada de emergência. Um fototransistor com isolamento óptico lê as saídas do encoder incremental (canais A e B) de ambos os eixos do motor para determinar a posição. O design inclui uma PCB personalizada de 2 camadas com um conector IDC de 20 pinos para acoplar-se diretamente ao cabo de fita da plataforma, minimizando o estresse mecânico.
3. Desenvolvimento de Firmware e Software: O firmware executa o FreeRTOS, implementando uma aplicação multithread que lida com interrupções de GPIO para decodificação de encoder de quadratura (decodificação por software ×4) e gerencia a lógica de controle do motor. A segurança é garantida através de mecanismos tanto de hardware (monitoramento do E-Stop físico) quanto de software. O dispositivo expõe uma API REST via um servidor HTTP embarcado na porta 80.
   • Interfaces de Usuário: Duas interfaces foram desenvolvidas: uma UI Web leve, baseada em navegador, para interação direta do operador, e um EPICS SoftIOC customizado para integração no subsistema de controle lento do NA64. A implementação EPICS inclui Variáveis de Processo (PVs) para leitura de posição, comandos de movimento, limites de curso de software e lógica de parada de emergência.

Principais Contribuições

• Integração Não Invasiva: A solução alcança controle remoto total e automação sem alterar o painel de controle original da Mesa DESY ou exigir fontes de alimentação externas.
• Operação de Modo Duplo: O sistema permite a operação simultânea manual e automatizada; o painel original permanece funcional para sobreposições manuais enquanto o controlador está conectado.
• Interface Padronizada: Ao utilizar uma API REST genérica baseada em HTTP, o dispositivo é projetado para ser agnóstico ao experimento, permitindo a integração em vários sistemas de controle além da implementação específica de EPICS usada para o NA64.
• Lógica de Segurança: O sistema incorpora recursos de segurança robustos, incluindo monitoramento de E-Stop de hardware, asserção de E-Stop de software, detecção de travamento do motor e limites de curso de software configuráveis.

Resultos
O NA64-DTC foi comissionado com sucesso durante as corridas experimentais de 2026 nos feixes PS T9 e SPS H4.

• Desempenho: Testes confirmaram comunicação Wi-Fi estável e rastreamento de posição correto baseado em encoder. O sistema alcançou uma precisão de posicionamento de 0,2 a 0,4 mm em todo o intervalo de movimento, consistente com a configuração nominal do motor e o fator de escala de 400 contagens/mm derivado dos encoders de 100 PPR e a decodificação do firmware.
• Sucesso Operacional: O dispositivo foi usado rotineiramente para mover o detector ECAL para calibração e alinhamento com a direção do feixe. Ele lidou com sucesso com um comportamento de hardware não documentado onde os eixos de movimento estavam invertidos, o que foi corrigido via atualização de firmware.
• Confiabilidade: O sistema demonstrou comportamento robusto durante períodos prolongados de uso contínuo, incluindo o tratamento confiável de condições de parada de emergência e detecção de falhas de encoder.

Significância
O artigo afirma que o NA64-DTC fornece uma solução prática para reduzir a intervenção manual durante as atividades de feixe no CERN, melhorando assim a eficiência operacional. Embora inicialmente concebido para o experimento NA64, os autores enfatizam que a natureza genérica do hardware e a interface baseada em HTTP tornam a solução aplicável a qualquer experimento do CERN que utilize a plataforma Mesa DESY. O trabalho demonstra que plataformas motorizadas legadas podem ser efetivamente modernizadas para operação remota e automatizada sem a necessidade de modificações invasivas de hardware ou infraestrutura de energia externa. Todos os arquivos de design, esquemáticos e fontes de firmware foram disponibilizados publicamente para facilitar a adoção por outros experimentos.