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

本文报告了 NA64-DTC 的设计、构建及成功调试情况，该设备是一种基于 ESP32 的远程自动化控制器，能够通过 HTTP 实现对 CERN “DESY Table” 电机平台的非侵入式、光电隔离控制，从而促进远程操作并减少各类实验中的人工干预。

要点

想象一下，你置身于一个巨大的、高科技的实验室中，科学家们正对着各种目标发射微小粒子的束流，以研究构成宇宙的基石。为了实现这一目标，他们使用了一个巨大的、重型的电动工作台——“DESY工作台”。你可以把这张桌子想象成高精度工业级相机滑轨或望远镜底座的高级版本。它可以极其精确地控制沉重的探测器（这些探测器就像巨大的、灵敏的照相机）向左、向右、向上和向下移动。

然而，这里有一个问题：要移动这张桌子，必须有人站在它旁边，按下物理控制面板上的按钮，并盯着一个小型的数字屏幕来观察它的位置。如果科学家们想在粒子束活跃期间移动工作台，他们就必须离开安全的控制室，走到嘈激且危险的束流区域，摆弄那些按钮，然后再走回来。这既缓慢又费力，而且会中断实验的流程。

解决方案：“远程控制”工作台
该论文的作者们设计了一个巧妙的小装置，称为 NA64-DTC。你可以将这个装置看作是一个**“数字木偶师”或“幽灵之手”**，它静静地守在工作台的控制面板旁。

以下是它的工作原理，使用了简单的类比：

• “幽灵之手”（光电隔离）： 该装置并不会实际接触按钮或切断任何线路。相反，它使用了“光电隔离器”。想象一下，这些就像是隐形的“光束手指”。当计算机想要按下“向右移动”按钮时，该装置会闪烁一道微光，从而“欺骗”工作台的控制面板，让它误以为有一个人的手指刚刚按下了按钮。这使得科学家可以从他们的电脑上控制工作台，而无需触碰原始硬件，也无需破坏任何保修条款。
• “大脑”（ESP32 芯片）： 该装置的核心是一个小型、廉价且具备 Wi-Fi 功能的计算机芯片（ESP32-C3）。它就像智能家居设备的“大脑”一样。它会连接到实验室的 Wi-Fi 网络，就像你的手机连接互联网一样。
• “眼睛”（编码器）： 工作台有电机驱动旋转来移动平台。该装置拥有“眼睛”（传感器）来观察电机的旋转并计数脉冲，就像计步器统计步数一样。这能告诉计算机工作台的确切位置，精确度可达微米级。
• “远程控制”（Web 界面）： 连接成功后，科学家可以在笔记本电脑或手机上打开一个网页。这个页面看起来就像一个简单的仪表盘，上面有“左”、“右”、“上”、“下”等按钮。他们可以输入一段距离（例如，“向右移动 5 毫米”）并按下回车键。随后，“幽灵之手”就会自动按下按钮。

他们是如何制造的
团队设计了一个小型电路板，可以直接插在工作台控制面板的背面。

1. 无需“手术”： 他们没有拆开工作台或重新布线。他们只是将这个新装置插入了现有面板背面的一个备用端口。
2. 供电： 它使用与工作台控制面板相同的电源线供电，因此不需要额外的电池或电源线。
3. 安全性： 如果原始面板上的红色“紧急停止”按钮被按下，该装置会立即感知并停止移动。此外，它还拥有自己的软件“紧急按钮”，以防 Wi-Fi 连接出现异常。

实验结果
团队于 2026 年在欧洲核子研究中心（CERN，著名的粒子物理实验室）测试了该装置。

• 运行成功： 他们成功实现了在粒子束运行期间远程移动沉重的工作台。
• 精度极高： 工作台完全按照计算机指令移动，误差范围小于 0.5 毫米（大约只有一张信用卡那么厚）。
• 表现可靠： 即使在长时间的实验过程中，它也能保持 Wi-Fi 连接且不会崩溃。

为什么这很重要
在此之前，移动工作台需要人员亲临现场。现在，科学家们可以实现自动化移动。他们可以编写脚本让工作台按照特定的模式移动，或者只需在办公室点击一下按钮即可。这节省了时间，减少了人员进入危险束流区域的需求，并让实验运行得更加顺畅。

论文结论指出，虽然他们是为特定的 NA64 实验制造了这个装置，但其设计非常简单且通用，因此任何在 CERN 使用同类型工作台的其他实验都可以使用它。这就像是将一辆手动挡汽车变成了自动挡汽车，但并没有更换引擎。

技术摘要

技术摘要：NA64-DTC 自动化控制器的开发与集成

问题陈述
“DESY Table”是一款广泛应用于 CERN 东区（East-Area）和北区（North-Area）实验装置的电动平台，用于精确定位探测器和靶标，特别是在涉及电磁和强子量热仪的固定靶配置中。虽然该平台能够处理高达 103 kg 的负载，并具有 ±500 mm 的行程范围，但其操作依赖于手动控制面板。这导致操作人员需要频繁进行物理干预以调整配置，且位置数据仅可通过本地显示器获取。这种对人工操作的依赖限制了束流活动的效率，并阻碍了现代实验所需的无缝集成到自动化、远程控制系统中的能力。

方法论
为了解决这些局限性，作者开发了 NA64-DTC（DESY Table 控制器），这是一种远程自动化设备，旨在以非侵入式的方式与现有的 DESY Table 硬件进行接口连接。该方法侧重于三个主要开发阶段：

1. 架构设计： 控制器连接到 DESY Table 后部的 28BSM “开关复制”（switches duplication）连接器。该接口允许设备模拟按键按下动作并读取编码器信号，而无需修改原始控制电子设备。系统设计为直接从平台的 24 V DC 电源供电（功耗 <10 W），并通过 CERN Wi-Fi 网络进行无线运行。
2. 硬件实现： 设备的核心是 ESP32-C3-WROOM-2 系统级模块（SoM），选择该模块是因为其低功耗、内置 Wi-Fi 以及紧凑的尺寸。硬件利用八个 MOCD223M 双通道光电隔离器，安全地将低压微控制器与高压（24 V）控制面板信号进行接口连接。该设置模拟了方向按钮（左/右、上/下、启动）并监测紧急停止（E-Stop）电路。通过光电隔离的光敏三极管读取来自两个电机轴的增量编码器输出（A 通道和 B 通道），以确定位置。设计包含一个定制的 2 层 PCB，配备 20 引脚 IDC 连接器，可直接与平台的排线对接，从而最大限度地减少机械应力。
3. 固件与软件开发： 固件运行在 FreeRTOS 上，实现了一个多线程应用程序，用于处理用于正交编码解码（基于软件的 ×4 解码）的 GPIO 中断，并管理电机控制逻辑。安全性通过硬件（监测物理 E-Stop）和软件机制共同保障。设备通过嵌入在 80 端口上的 HTTP 服务器提供 REST API。
   • 用户界面： 开发了两种界面：一种是轻量级的、基于浏览器的 Web UI，用于直接的操作员交互；另一种是专用的 EPICS SoftIOC，用于集成到 NA64 慢控制子系统中。EPIC 实现包含了用于位置回读、运动指令、软行程限制和紧急停止逻辑的过程变量（PV）。

核心贡献

• 非侵入式集成： 该方案实现了完整的远程控制和自动化，且无需更改原始 DESY Table 控制面板或需要外部电源。
• 双模式运行： 系统允许同时进行手动和自动化操作；当控制器连接时，原始面板仍可进行手动覆盖操作。
• 标准化接口： 通过使用通用的基于 HTTP 的 REST API，该设备被设计为与实验无关，使其能够集成到除用于 NA64 的特定 EPIC 实现之外的各种控制系统中。
• 安全逻辑： 系统包含了稳健的安全特性，包括硬件 E-Stop 监测、软件 E-Stop 断言、电机堵转检测以及可配置的软行程限制。

结果
NA64-DTC 在 2026 年 NA64 PS T9 和 SPS H4 束流实验运行期间成功完成了调试。

• 性能： 测试确认了稳定的 Wi-Fi 通信和正确的基于编码器的位置追踪。系统在整个运动范围内实现了 0.2 至 0.4 mm 的定位精度，这与 100 PPR 编码器及固件解码得出的 400 counts/mm 比例因子一致，符合名义电机配置。
• 运行成功： 该设备被常规用于移动 ECAL 探测器，以进行校准并使其与束流方向对齐。它成功处理了一个未记录的硬件行为，即运动轴反转的问题，该问题已通过固件更新得到修正。
• 可靠性： 系统在长时间连续使用期间表现出稳健的行为，包括可靠地处理紧急停止条件和编码器故障检测。

意义
论文声称，NA64-DTC 提供了一种实用的解决方案，旨在减少 CERN 束流活动期间的人工干预，从而提高操作效率。虽然最初是为 NA64 实验设计的，但作者强调，其通用的硬件性质和基于 HTTP 的接口使得该方案适用于任何使用 DESY Table 平台的 CERN 实验。这项工作证明了可以通过无需侵入性硬件修改或外部电源基础设施的方式，有效地使传统的电动平台实现现代化，从而支持远程和自动化操作。所有设计文件、原理图和固件源码均已公开，以促进其他实验的采用。