SEI-Tagung-2023 Studiengruppe..Elektronische..Instrumentierung

17 Apr 2023, 00:00 → 19 Apr 2023, 23:59 Europe/Berlin

Anja Kreuziger (GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH), Matthias Balzer, Peter Goettlicher (DESY), Thomas bretz (GSI)

	SEI-Tagung 2023		Version: 29-Januar 2023
	Jährliche Tagung der Studiengruppe
	ELEKTRONISCHE
	INSTRUMENTIERUNG
	der Helmholtz-Zentren
	17.-19.April 2023   am   KIT - Karlsruher Institut für Technologie    in Karlsruhe (Innenstadt)

Die Tagung wird im Hybrid-Modus (ZOOM+Präsenz) geplant.  
- Es wird eine Technik zur Teilnahme per Video-Zuschaltung ermöglicht (ZOOM).  
Vortragen, Zuhören und Diskutieren wird in beiden Modi möglich sein.

Für kleiner Diskussionen in Pausen werden ZOOM-Räume aufgesetzt, die aber nur auf aktuelle Anfragen zugeordnet werden und Spontanität und ad-hoc Diskussionen sind bei Kaffee einfacher.  

 

Inhalt, Organisation und Ziel der Tagung sind:

Elektronik,     Datennahme   und   Prozesssteuerung
Tagung der Helmholtz-Zentren,         offen für andere
Vernetzen, Präsentieren, Diskutieren, voneinander Lernen

WWW-Seite der Tagung: https://indico.desy.de/indico/e/SEI_2023

Hierüber ist die Anmeldung zur Teilnahme, zum Vortragen und Ausstellen möglich.

Anmeldung:

Bitte auch anmelden, wenn man nur ONLINE teilnehmen will.
Anmeldung als Teilnehmer/in	bitte bis 30.März 2023
Anmeldung Vortrag/Ausstellung	bitte bis 20.März 2023

 

Jährliches Treffen:  
Einmal jährlich treffen sich  
Entwickler für Elektronik, Datennahme und Prozesssteuerung  
an den Helmholtz-Zentren und an anderen Institutionen mit Nähe zur Forschung.  
Das Ziel ist der Austausch über ihre Aktivitäten durch Vorträge, Präsentationen und Diskussion.  
Das Wissen über die Aktivitäten der anderen und persönliche Kontakte fördern die Zusammenarbeit.  
Siehe auch die Homepage der SEI.  

Die Zielgruppe  
sind Wissenschaftler/innen, Ingenieur/e/innen und Techniker/innen.

Es sind einmalig Teilnehmende ebenso willkommen wie regelmäßig Teilnehmende.

Es sind Teilnehmende der Forschungszentren, Universitäten und der Industrie willkommen.  

Thematik:  
Es soll ein breites Spektrum zu Elektronik, Datennahme und Prozesssteuerung abgedeckt werden  
Themen können sein:  
- Konzeptentwicklungen und Algorithmen  
- Schaltungsumsetzungen,  
- ASIC - Entwicklungen;  
- Programmierbare Logik  
- Hard- und Softwarewerkzeuge,  
- Programmierungen und  
- Techniken der Praxis.  

Vorträge und Ausstellung  
An allen Tagen werden Vorträge der Teilnehmer stattfinden und am Dienstagvormittag ist Zeit und Raum für Kontakt zu Firmen bei einer mehrstündigen Ausstellung forschungsrelevanter Produkte.  

Besichtigung 
Eine Exkursion zu einer Forschungsanlage auf dem KIT-Campus soll den Teilnehmenden zeigen, wie Datennahme- und Messaufbauten vor Ort realisiert werden.   

 

Veranstaltungsort

KIT
vom 17.-19. April 2023
Karlsruhe (Innenstadt)
Beginn ca. 13:00 und Ende ca. 14:00

Der Link für die ONLINE Teilnahme wird den Angemeldeten später noch genannt.

 

 

Arbeitstreffen  
Im Anschluss wird noch ein Arbeitstreffen geplant. Als Thema wurde gewählt:  
         Analog -- ASIC's und PCB's . Rein analog und gemischt mit digital-Schaltungen  
Dieses wird bis Mittwoch 17:00 dauern.  
Es wird organisiert von ????? und ????? ,  

Die Teilnehmer/innen sollen kleine, kurze Problem- oder Lösungsansätze vorstellen.  
Es soll viel Raum zu Gespräch bleiben. - Details werden noch beschrieben.  
Das Arbeitstreffen lebt von den Beiträgen und der Offenheit der Teilnehmer. Damit hier offen diskutiert werden kann, und nicht alles perfekt ausgereift präsentiert werden muss, werden die Vorträge nicht veröffentlicht, sondern nur als zusammenfassender Bericht den Proceedings der SEI-Tagung angehängt.  
Es wäre aber auch schön zu dieser Thematik schon während der SEI-Tagung ausführlichere Vorträge zu hören, da vielleicht Mitarbeiter/innen, die an diesen Themen arbeiten, speziell diesmal anreisen.  

Weitere Informationen  
Hier finden Sie Informationen des Gastgebers:  
           WWW-Seiten des KIT  
Hier ist ein Link zur Homepage der SEI-Studiengruppe  
Wenn Sie mehr zum Inhalt der Tagungsserie wissen wollen, empfehle ich einen Blick in die Proceedings der letzten Tagungen. Hier finden Sie die ONLINE-Version: https://sei.desy.de/sites2009/site_sei/content/e108213/e301743/SEI_2019_Color.pdf  

Kontakt:  
Inhaltliche Organisation: Dr. Peter Göttlicher

DESY Deutsches Elektronen-Synchrotron
Notkestraße 85
22607 Hamburg
Tel: 040/89983226

 Lokale Organisation: Mathias Balzer

KIT - Karlsruher Institut für Technologie
IPE - Institut für Prozessdatenverarbeitung und Elektronik
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen
Tel: +49 721 608-25696

  E-Mail: peter.goettlicher@desy.de , bitte mit dem Stichwort SEI im Betreff  
 

Monday 17 April

Eroeffnung

1 Eroeffnung

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Speaker: Peter Goettlicher (FE (FEB Analog Electronik))

10_Eroeffnung_2023.pptx

2 Forschung am KIT

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Speaker: Marc Weber (KIT)

SEI-Tagung-17April2023_v3.pdf

3 Lokale Informationen

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Speaker: Matthias Balzer

Lokale Informationen 2023-04B.pptx

ASIC und anderes kleines Feines: ASICs und anderes kleines Feines

4 OpenSource-Veröffentlichung am Beispiel des Echell-Layout-Programms

Veröffentlichung eines Hilfsprogramms zur Erstellung von Layouts für planare konkave Beugungsgitter für die Integration auf siliziumphotonischen Chips als OpenSource, so dass das kennzahlenrelevant ist.

Speaker: Marc Schneider (Karlsruher Institut für Technologie)

20230417_SEI-Tagung_Schneider_OpenSource_v1.pptx

5 Development of a High-rate HV-CMOS Detector for Real-time Monitoring of a Medical Ion-beam

Radiotherapy is an important method in treatment of tumors. The most commonly used radiotherapy is X-ray and gamma radiation. More recently, irradiation with heavy ionized particles – such as protons and carbon ions – have been introduced clinically. The source of these particles is a particle accelerator. In contrast to X-ray and gamma radiation, ions and protons depose energy close to the end of their path, in a small tissue volume (Bragg-peak). By adjusting the beam direction and particle energy, it can be achieved that the largest portion of energy is delivered to the tumor and the healthy tissue in front and behind is less affected.

The present beam monitors are made of gas-filled ionization and multi-wire projection chambers (MWPC) that provide dose, position, and spot size information. We are developing a replacement detector system based on HV-CMOS technology. This technology promises to not only match the current beam monitoring system, but also significantly improve some key parameters: better spatial resolution, smaller integration time, 2-dimensional depiction of the beam spot and operational in a wider beam parameter range. However, the biggest advantage of a solid-state detector over MWPCs is the magnetic field tolerance. A simultaneous operation of magnetic resonance imaging and ion- irradiation allows for aiming at moving tumors deep inside the human body while sparing sensitive organs, like lung, colon or heart.

HV-CMOS is the right choice of technology, since standard monolithic active pixel sensors (MAPS) are not radiation tolerant enough to survive months or even years of continuous in-beam operation, while hybrid detectors exceed the material budget and are inhomogeneous affecting the beam (bumps). We have designed four pixel chips. The design of the latest version - HitPix2b - is about to be finalized.
HitPix2b and all predecessors have in common a frame based readout and the ability to calculate the projection of the beam profile on-chip. The sensors have been successfully tested at the Heidelberg Ion-Beam Therapy Center (HIT) in a medical beam, in the magnetic field of an MRI-machine, and in a micro ion-beam in Zagreb, Croatia.

The next step is the construction of a multi-chip detector demonstrator.

Speaker: Felix Ehrler (KIT)

MT2022_MedicalIonBeam_Ehrler_v2.pptx

SEI2023_MedicalIonBeam_Ehrler_v2.pdf

15:35 Austausch-Kaffee-Tee-Mo-I

Schnelle DAQ - FPGA

6 PCB-level modularity exemplified by the Serenity-S1 ATCA board

In the context of the back-end processing system for the CMS Phase-2 upgrade, the Serenity-S1 has been designed as a common data processing blade for various sub-detector systems with a single FPGA configuration in the ATCA form factor.

The Serenity-S1 and Serenity-D1 are the production cards of the Serenity family. Both boards will use a common service area that provides the infrastructure needed to fulfill the ATCA requirements and the slow control of the board through a Xilinx KRIA System-on-Module. In the payload area of the Serenity-S1, which is close to submission, a single FPGA and several optical links are located. As an evolution, the Serenity-D1 will have two FPGAs with their corresponding optical links.

This presentation focuses on the fragmentation of the board and the use of modularity to facilitate the design process from Serenity-S1 to Serenity-D1 and the future development of other ATCA systems. Furthermore, some advice is given on how to design for modularity in the electronic design automation (EDA) tools Altium and KiCAD.

Speaker: Torben Mehner

2023_04_17_SEI_PCB-level Modularity Serenity-S1.pdf

7 Modulare Zeiterfassung für einen Myonendetektor

Vorgestellt wird ein modulares und skalierbares System zur Erfassung von Events, die durch Myonen ausgelöst werden.
Im System kommen mehrere FPGA- und Mikrocontroller zum Einsatz.
Ziel ist eine Realisierung von über 300 Kanälen und eine Zeitauflösung von 10 ns.

Speaker: Bert Lange (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf)

Vortrag_Myonendetektor_SEI_Bert_Lange.pdf

8 Full-scale readout electronics for the ECHo experiment

In this talk the full-scale readout electronics for the ECHo experiment is presented. The readout concept has successfully been demonstrated with evaluation boards in the past. The firmware has recently been ported to the final system consisting of a custom FPGA board, a converter board and an analog frontend for operation in the frequency range between 4 and 8 GHz.

Speaker: Timo Muscheid

ECHo_Electronics.pdf

9 Baugruppenfertigung an der GSI in Darmstadt

An der GSI fertigt die Abteilung Experimentelektronik verschiedene Baugruppen beginnend beim Schaltungsdesign bis zur Serienproduktion.
Der Vortrag gibt einen Einblick in die Fertigungskette. Aufgezeigt werden die bestehenden Ressourcen der Fertigung. Angefangen von der Entwicklung der Baugruppen, der Beschaffung der Produktionsware bis hin zur Fertigung sowie deren Inbetriebnahme. Aktuell laufen versuche die Bestückung von SMD Bauteilen in der Größe 01005 umzusetzen.

Speaker: Marco Biljan (GSI)

Gemeinsames Abendessen -- Mo (Selbstbezahlen)

Tuesday 18 April

System-Resultate: Systeme - Resultate

10 First imaging results with the new generation of the KIT 3D Ultrasound Tomography device

Ultrasound Tomography (USCT) is an emerging technology for early breast cancer detection. At the Institute for Data Processing and Electronics of Karlsruhe Institute of Technology we recently developed and realized a new generation of a full 3D USCT device with a pseudo-randomly sampled hemispherical aperture. In this talk we summarize the concept, provide and overview on hardware components and show first imaging results with phantoms and first volunteer images.

Speaker: Torsten Hopp (Karlsruhe Institute of Technology)

talk_SEI_USCTIII_final.pptx

Kontrolle - Bewegung

11 New Motion Control Solutions

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Speaker: Mr Paul Cullen (Maccon GmbH)

Maccon_Company_Presentation_SEI_Karlsruhe_V3 Short Version (1).pptx

12 Antriebsapplikationen kraftgeführter Systeme

Im DRESDYN-Projekt am HZDR werden verschiedene Antriebsapplikationen realisiert. Folgende Schwerpunkte werden in diesem Vortrag beleuchtet:
- kraftschlüssiges Arretieren großer Lasten (Nennkräfte bis 2500 kN)
- Lastausgleich beim Positionieren mit Antrieben in Master-Slave-Anordnung

Speaker: Jakob Kaiser (Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf)

Antriebsapplikationen_v2.pdf

Foto

Ausstellung

13 Kniel Power Supplies

Kniel Stromversorgungen für die Messtechnik und die Automatisierung.
Gerade im Bereich der Forschung und Entwicklung können wir mit kundenspezifischen Modifikationen, wie Anpassung der Ausgangsspannung oder einer Modifikation der Mechanik punkten.
Selbst maßgeschneiderte Stromversorgungen, passend zu Ihrer Anwendung sind bei uns möglich.

Eine persönliche Beratung sowie Betreuung ist uns wichtig!

Speaker: Christoph Vief (Kniel System-Electronic GmbH)

14 Power Supplies and Crates for Physics

Presentation of WIENER and ISEG Low and High Voltage Power Supplies and WIENER Crates to be used in Experiments and Machine Instrumentation.

Speaker: Thomas Berner (WIENER Power Electronics GmbH)

Austausch -- Kaffee, Tee, Di-I: Austausch -- Kaffee, Tee

Exkursion -- KIT Nord, Energiehaeuser, naeheres kommt noch: KIT-Nord : Energy Lab 2.0, https://www.elab2.kit.edu/

Abendessen Di (selbstbazahlend): Abendessen Di (slebstbezahlen)

Wednesday 19 April

Messen und Steuern in Systemen - I: Messen und Steuern in Systemen I

15 A Low-Latency Feedback System for Control of Horizontal Betatron Oscillations of an Electron Beam

This presentation will give an overview of the latest results achieved using the novel Xilinx Versal platform together with the KAPTURE detector system for the implementation of low-latency feedback loops at the Karlsruhe Research Accelerator (KARA) at KIT. The case study of the damping of horizontal betatron oscillations will be discussed, with an in-depth discussion of the hardware implementation, the main challenges, and future perspectives.

Speaker: Luca Scomparin (KIT IPE)

[20230319]_horizontal_feedback.pdf

16 Clock synchronization for a multidevice data acquisition system of a ground penetrating radar

As part of the climate research, controlled environment facilities are deepening the knowledge of highly heterogeneous dynamic ecosystems centered around plants.
In the context of climate change, it becomes even more important to study the impact of climate conditions on crops under realistic conditions using large scale laboratories.
We develop a high resolution multi-channel ground penetrating radar (GPR) for a cylindrical lysimeter that is 1 m wide and 1.5 m tall. The GPR data is used to reconstruct a tomographic image of the soil and root system.
The GPR design, production and commissioning is performed by the Central Institute of Engineering, Electronics and Analytics - Electronic Systems (ZEA-2) of the Forschungszentrum Juelich in Germany.
The system is designed with 39 data acquisition (DAQ) units, one unit controls 64 radio frequency antennas and internally called the Baseboard (BAB), and a Master Module (MAM) used to concentrate the data and control the BABs.
Prerequisite for a precise tomogram is an accurate synchronization of all data acquisition components and low-jitter clocking.
Each BAB is equipped with the necessary clocking distribution, a Xilinx RFSoC providing the DAC and ADCs, and a separate antenna multiplexing FPGA.
The layout of the lysimeter is such that the MAM is connected to 13 BABs arranged in a ring on the lowest layer, and each of these is connected to two additional BABs surrounding higher layers of the lysimeter.
This combination of a star and chain topography provides a challenge for the clock synchronization and is discussed in this talk.
The analysis of the first verification data is shown and the DAQ roadmap is outlined.

Speaker: Dr Ilja Bekman (Forschungszentrum Jülich - ZEA-2)

2023_SEI_Karlsruhe_Bekman_ZEA-2_GPR_DAQ_CLK_v3.pdf

17 Eine kurze Geschichte der FPGA und SPS basierten Steuerungs- und Messsysteme der Experimente und Photonbeamlines beim European XFEL

Mit über 2500 Motoren, viele Hundert Pumpen, Ventile, Steuerausgänge und Sensoren gehört das SPS basierte Steuerungssystem mit zu den größten Anlagen innerhalb des European XFEL. Um die große Menge an Systemen und Verkabelungen während des Baues der Anlage zu bewältigen, wurden Standardisierungen und modulare Konzepte sowohl auf der Hardware als auch auf der SPS Softwareseite entwickelt und umgesetzt. Neben der Steuerung und Messung im Kiloherzbereich der SPS, gibt es auch eine breite Anwendung von FPGA basierten Hochgeschwindigkeitsdatenerfassungs- und Synchronisierungssystemen - überwiegend im MicroTCA.4 Standard, die neben der Erfassung von bis zu 10 GSPS analogen Messignalen auch eine Vorverarbeitung übernehmen.
In diesem Vortrag möchte ich einen kurzen Überblick über die entwickelten und umgesetzten Konzepte, Lösungen und Technologien geben und gerne mit anderen Teilnehmern und Instituten in Kontakt treten, die vielleicht ähnliche Herausforderungen gemeistert haben und an einem Erfahrungsaustausch interessiert sind.

Speaker: Dr Patrick Gessler (European XFEL)

2023-04-19 Eine kurze Geschichte der FPGA und SPS basierten Steuerungs- und Messsysteme der Experimente und Photonbeamlines beim European XFEL.pdf

18 IOT - Dezentrale Sensoren und Aktoren zentral verwaltet

Unser Vortrag führt das Themenfeld weiter aus, welches wir bereits mit der Mess-Boje bei der letzten Tagung vorgetragen hatten. In der Boje kommunizierten die Sensoren/Aktoren vornehmlich über den CAN-Bus, diesmal ist es direkt das (W)LAN.

Aus mehreren Beweggründen haben vermehrt entsprechende Prozessoren bei uns Einzug gehalten z.B. für Raumüberwachung, Energiemonitoring und vieles mehr. Neben eigener Hardware lässt sich wegen der Verbreitung auch Kauf-Hardware mit "neuem Leben" füllen und im Forschungsumfeld nutzen.

Ziel des Vortrags sind Beispiele von Sensoren und Aktoren mit Controllern der Firma Espressif, die mit den Systemen ESPHome und Tasmota ihren Einsatz auf dem Campus verrichten, oder von Außenstellen über sichere Verbindungen mit dem Zentrum kommunizieren (Wireguard auf Embedded Linux Routern).

Wir möchten dabei einen Einblick in die Echtzeitdatenübertragung, die übergeordnete Verwaltung mit Esphome/Homeassistant und die erweiterte Visualisierung mit Grafana geben, die wir als Gesamtlösung als ganz elegant ansehen.

Schlagworte: FreeRTOS, Arduino, C++, esphome, Tasmota, MQTT, Wireguard, EmbeddedLinux, HomeAssistant, InfluxDB, Grafana

Speakers: Christian Jacobsen, Joern Plewka (Hereon, Technikum, Elektronik- und Softwareentwicklung)

IOT.pdf

Austausch -- Kaffee, Tee: Austausch -- Kaffee, Tee Mi-I

Messen-Steuern in Systemen - II

19 Transformer-based federated learning for secure short-term load forecasting in smart grids

Electricity load forecasting is an essential task within smart grids to assist demand and supply balance. While advanced deep learning models require large amounts of high-resolution data for accurate short-term load predictions, fine-grained load profiles can expose users' electricity consumption behaviors, which raises privacy and security concerns. One solution to improve data privacy is federated learning, where models are trained locally on private data, and only the trained model parameters are merged and updated on a global server. Therefore, this paper presents a novel transformer-based machine learning model for short-term electricity load prediction based on federated learning. Further, we compare our forecasting performance to other state-of-the-art Long-Short-Term-Memery models and convolutional neural networks based on a dataset from a german university campus. Results show that transformer-based forecasting is a promising alternative to state-of-the-art models within federated learning.

Speaker: Jonas Sievers (Institute for Data Processing and Electronics (IPE), Karlsruhe Institute of Technology (KIT))

23_04_19_Sievers_SEI_Tagung.pdf

23_04_19_Sievers_SEI_Tagung.pptx

20 Farewell to LabVIEW - It's been a good time

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Speaker: Holger Brand (GSI Helmholtzzentrum Für Schwerionenforschung GmbH)

Farewell LabVIEW at SEI.pdf

Datenmanagement

21 HDF5 und Metadaten als Einsatz im DESY FH-Bereich am Beispiel von ALPS IIc

Um Daten-Analysen von externen und zukünftigen Forschern, welche keinen Zugriff auf das interne Kontrollsystem DOOCS haben um Messwerte auszulesen, zu ermöglichen, werden die Mess- und Kontrolldaten aus dem Kontrollsystem extrahiert und im HDF5 Dateiformat mit angehängten Metadaten in dem dCache Speicherbereich abgelegt. Durch diesen Vorgang werden die Daten von dem Kontrollsystem entkoppelt und können u.a. auf dem NAF Computersystem analysiert werden.

In dem Vortrag werden die Begriffe wie HDF5, MetaDaten, NAF und dCache an Hand von Beispielen erläutert.

Speaker: Sven Karstensen (FTX (FTX Fachgruppe AST))

2023.04.19 SEI Tagung Karslruhe.pdf

2023.04.19 SEI Tagung Karslruhe.pptx

22 Messdatenmanagement am Projekt DRESDYN

Am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf wird aktuell mit DRESDYN eine Großversuchsanlage für Präzessionsexperimente aufgebaut. Der Vortrag informiert über Probleme und Lösungen bei der Erfassung, Übertragung, Verarbeitung und Archivierung der Mess- und Maschinendaten der Versuchsanlage mithilfe von Multicast und HDF5.

Speaker: Markus Meyer (HZDR)

2023_sei_dresdyn-datenmanagement.pdf

2023_sei_dresdyn-datenmanagement.pptx

23 Abschluss

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Speaker: Peter Goettlicher (FE (FEB Analog Electronik))

SEI_Abschluss.pptx

Arbeitstreffen zu "Analog -- ASIC's und PCB's . Rein analog und gemischt mit digital-Schaltungen" Nicht Teil der Tagung, dient dem Austausch.: " "