\documentclass[a4paper,12pt,twoside]{article} \usepackage[latin1]{inputenc} \usepackage{ngerman} \usepackage{graphicx} \usepackage{subfigure} \usepackage{a4wide} \usepackage{esvect} \usepackage{pstricks} \usepackage{pst-plot} \usepackage{pstricks-add} \usepackage{multicol,epsf} \usepackage{ae,aecompl} \usepackage{helvet} \usepackage[latin1]{inputenc} \usepackage{amsmath} \usepackage{amssymb} \usepackage{bm} \usepackage{bbm} \usepackage{ifthen} \usepackage[mathcal]{euscript} \usepackage{listings} \usepackage[T1]{fontenc} \usepackage{hyperref} \definecolor{linkcolor}{rgb}{0,0,0} \hypersetup{colorlinks=true, breaklinks=true, linkcolor=linkcolor, menucolor=linkcolor, urlcolor=linkcolor, citecolor=linkcolor, bookmarksopen=true, bookmarksnumbered=false} \numberwithin{equation}{section} \numberwithin{figure}{section} \pagestyle{headings} \begin{document} \newcommand{\diff}[2][\#]{ \ensuremath{ \, \ifthenelse{\equal{#1}{\#}}{ \mathrm{d} #2 }{ \frac{\mathrm{d} #1}{\mathrm{d} #2} } \, } } \newcommand{\pdiff}[2][\#]{ \ensuremath{ \, \ifthenelse{\equal{#1}{\#}}{ \partial_#2 }{ \frac{\partial #1}{\partial #2} } \, } } \newcommand{\re}{ R \! \hspace{1mm} \! e } \newcommand{\st}{ S \! \hspace{1mm} \! t } \newcommand{\nz}{\\ \hline}%Für Zeilenumbruch in Tabellen \newcommand{\dn}{\textup{d}} \newcommand{\chem}[3]{^\textup{#1}_\textup{#2}\textup{#3}} %Eingabe chemischer Elemente \newcommand{\kursiv}[1] {\itshape{#1}\upshape} %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Titelseite % %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% \normalsize \rule{0mm}{0,4cm} \thispagestyle{empty} \begin{figure}[htbp] \centering \includegraphics[width=0.3\textwidth]{UniGoe.png} \label{UniGoe} \end{figure} \normalsize \begin{center} \Huge {\bf Verbesserung der Kamiokanne} \end{center} \normalsize \vspace{5mm} \centerline{\epsfysize=2cm \hfill {\bf Elektronik-Praktikum} \hfill \epsfxsize=2cm} \centerline{\epsfysize=2cm \hfill der II. und III. Physik an der \hfill \epsfxsize=2cm} \centerline{\epsfysize=2cm \hfill Georg-August-Universität Göttingen \hfill \epsfxsize=2cm} \vspace{10mm} \begin{center} 16. Oktober 2008 \end{center} \vspace{7mm} \begin{center} \begin{tabular}{rl} \rule{5cm}{0mm} & \rule{5,5cm}{0mm} \\ {\it Praktikanten } \ \ & {\bf Johannes Dörr} \\ & \href{mailto:mail@johannesdoerr.de} {mail@johannesdoerr.de} \\ & \rule{1,0cm}{0mm} \\ & {\bf Christian Geisler} \\ & \href{mailto:chr.geisler@gmx.de} {chr.geisler@gmx.de} \\ & \rule{1,0cm}{0mm} \\ & {\bf Christopher Perschke} \\ & \href{mailto:Poerschi@gmx.net} {Poerschi@gmx.net} \\ & \rule{1,0cm}{0mm} \\ & {\bf Jan Schumann-Bischoff} \\ & \href{mailto:jansb.stud@googlemail.com} {jansb.stud@googlemail.com} \\ \rule{5cm}{0mm} & \rule{5,5cm}{0mm} \\ {\it Praktikumszeit } \ \ & 29.09. -- 10.10.2008 \\ \rule{5cm}{0mm} & \rule{5,5cm}{0mm} \\ {\it Betreuer } \ \ & Fabian Kohn \\ \rule{5cm}{0mm} & \rule{5,5cm}{0mm} \\ \end{tabular} \end{center} \newpage %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Inhaltsverzeichnis % %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% \tableofcontents \newpage %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % (Dokument) % %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%% \section{Einleitung} %%%%%%%%%%%%%%%%%%%% Die \textit{Kamio-Kanne} ist ein Myonen-Detektor. Die Apparatur besteht im Wesentlichen aus zwei Einheiten (Skizze s. Abb. \ref{fig:skizze}). In der einen Einheit (Kaffekanne mit erster Verstärkerstufe; in der Skizze linker Rahmen) wird bei einem detektierten Myon ein elektrischer Puls an die zweite Einheit (im Folgenden \textit{Messbox} genannt; in der Skizze gepunkteter Rahmen) gesendet, welche diesen aufbereitet und für einen Computer erfassbar macht. Mit einer Auswertungssoftware kann dann z.B. die Detektionsrate bestimmt werden. \begin{figure}[htp] \centering \includegraphics[width=0.8\textwidth]{schema_PMT.pdf} \caption{Skizze des Detektors mit Messbox} \label{fig:skizze} \end{figure} Die genauere Funktionsweise der einzelnen Komponenten der beiden Einheiten wird später erklärt. Leider weist die Elektronik noch diverse Probleme auf, welche von uns genauer erkannt und Lösungen erarbeitet werden sollten. Auch dazu später mehr. \section{Funktionsweise des Detektors} Die eigentliche Detektion eines Myons findet in einer mit Wasser gefüllten Kaffee-Kanne statt. Diese Kanne ist lichtdicht abgeschlossen, sodass Photonen von externen Lichtquellen (Sonne, Raumlicht, etc.) nicht fälschlicherweise als Myon detektiert werden können. Myonen hingegen können die Kanne ungehindert durchdringen. Bei den Myonen, welche von uns detektiert werden sollen, handelt es sich um kosmische Myonen. Deren Geschwindigkeit ist beim durchdringen des Wassers in der Kanne größer als die Lichtgeschindigkeit im Wasser. Aufgrund der einfachen Ladung des Myons (entweder positiv oder negativ) und des \textit{Tscherenkov}-Effekts wird ein sehr intensitätsschwacher Lichtblitz erzeugt (die genaue Physik hinter diesem Effekt soll hier nicht weiter vertieft werden). Bei jedem Blitz in der Kanne soll ein elektrischer Puls an die Messbox gesendet werden. Dazu wird der Lichtblitz durch einen Photomultiplier (s. Abb. \ref{fig:photomultiplier}) verstärkt. \begin{figure}[htp] \centering \includegraphics[width=0.8\textwidth]{photomultiplier.png} \caption{Der Photomultiplier} \label{fig:photomultiplier} \end{figure} Die Photokathodenschicht befindet sich im Inneren der Kanne. Trift ein Blitz auf diese, so wird aufgrund des Photoeffekts ein oder mehrere Elektronen herausgelöst. Aufgrund der an der Kathodenschicht und den Dynoden über Widerstände angelegte Hochspannung (etwa 1.5kV) entsteht zwischen diesen ein starkes elektisches Feld. Ein aus der Kathodenschicht herausgelöstes Elektron wird dadurch zu der ersten Dynode hin beschleunigt. Aufgrund der geringen Austrittsarbeit des Dynodenmaterials werden beim Aufprall des Elektrons mehrere Elektronen freigesetzt. Diese werden dann zur nächsten Dynode beschleunigt und setzten wiederum jeweils mehrere Elektronen frei. So entsteht an der letzten Dynode ein Lawine von mehreren millionen Elektronen, welche letztendlich über den Widerstand $R_\mathrm{a}$ als kleiner Strom abfließen. An dem Widerstand fällt dann eine Spannung von ca. 5mV--30mV ab. Die Pulslänge beträgt etwa 30ns. Dies kann über einen BNC-Ausgang an der Kanne abgegriffen werden (Abb. \ref{fig:puls_bnc_kanne} zeigt ein Oszilloskopbild eines solchen Pulses). \begin{figure}[htp] \centering \includegraphics[width=0.7\textwidth]{puls_bnc_kanne.png} \caption{Oszilloskopbild eines Pulses am Ausgang des Photomultipliers} \label{fig:puls_bnc_kanne} \end{figure} Dieses Signal des Photomultipliers wird in einer Verstärkerstufe, welche sich direkt über dem Multiplier befindet auf ca. 300mV differenziell verstärkt und über 2 Adern eines 5 poliges Kabels an die Messbox weiter gegeben. Zwei weitere Adern stellen eine für den Betrieb dieser Verstärkung benötigte Spannung von 8V bereit. Durch die differenzielle Übertragung kann ein in dem Kabel entstandenes Rauschen herausgefiltert werden. \section{Die Messbox als Blackbox} Die Messbox wird mit ca. 12V Spannung versorgt. An ihr können zwei Kannen angeschlossen werden, welche entweder separat oder für Koinzidenzmessungen verwendet werden. Für jede Kanne gibt es ein Drehpotentiometer, an dem die Empfindlichkeit eingestellt werden kann. Es wird eingestellt, ab welcher Spannung ein Puls aus der Kanne als Myon detektiert wird. Bei jeder Detektion blinkt eine kleine LED an der Box auf. An einer weiteren BNC-Buchse an der Box liegen 5V an. Bei einer Detektion fällt diese Spannung auf 0V ab. Somit ist dieses Signal TTL kompatibel. Des weiteren befindet sich an der Box ein LPT-Port, über den ein Computer angeschlossen werden kann. \section{Probleme} Wie in der Einleitung bereits erwähnt, gibt es mehrere Probleme mit der Elektronik in der Messbox. Diese galt es zu untersuchen und, wenn möglich, zu beheben: \begin{enumerate} \item Schwankung der Versorgungsspannung ändert Empfindlichkeit der Messung. \item LED blinkt nicht, wenn PC angeschlossen ist. \item Hoher Versorgungsstrom, wenn PC angeschlossen ist. \item Drehen der Potis und Berühren des Gehäuses mit Schraubenzieher führt zu diversen Problemen. \item Nachteile des LPT-Ports könnten durch USB Unterstützung umgangen werden. \end{enumerate} %%%%%%%%%%%%%%%%%% \section{Lösungen} %%%%%%%%%%%%%%%%%% Die im letzten Abschnitt gestellten Aufgaben konnten zum Teil gelöst werden. Herangehensweise und Resultate werden auf den folgenden Seiten vorgestellt. \subsection{Analyse des PMT} \subsubsection{Verhalten bei steigendender Lichtintensität} Um zu verstehen, an welchen Stellen Signale besser verarbeitet werden sollen, wurde zunächst das Verhalten des PMT bzgl. der Verstärkung von Lichtsignalen qualititav untersucht. Hierfür wurde eine LED-Leiste mit drei separat ansteuerbaren LEDs in die Kanne eingeführt und außen an den Funktionsgenerator (Rechtecksignal) angeschlossen (Abb. \ref{schaltbild_diodenleiste}). Über diese Anordnung konnte ein definierter Lichtimpuls mit einer Intensität bestimmt durch die Anzahl der zugeschalteten LEDs erzeugt werden (Abb. \ref{diodenleiste}). \begin{figure}[!ht] \begin{center} \includegraphics[width=4cm]{diodenleiste.pdf} \caption{Schaltplan der Diodenleiste} \label{schaltbild_diodenleiste} \end{center} \end{figure} \begin{figure}[!ht] \begin{center} \includegraphics[width=8cm]{diode.pdf} \caption{Spannungen der vorverstärkten Eingangssignale $S_+ -S_-$ bei verschiedenen LEDs (Fehler sind die Messgerätefehler)} \label{diodenleiste} \end{center} \end{figure} \subsubsection{Grundrauschen} Es zeigte sich aber, dass die genaue Analyse der Verstärkung bzgl. der Lichtintensität nicht so wichtig war, wie die Bestimmung der Größenordnung der erwarteten Spannungen bzw. ab wann ein Signal (also ein Myon) überhaupt registriert werden kann. \\ Die Höhe des Grundrauschens wurde mittels Cursor-Abschätzung im "`Peak-to-Peak"' des Oszilloskops ermittelt. Hierbei war die Kanne nicht mit Wasser gefüllt, da so keine Lichtblitze durch Myonen oder andere Teilchen entstehen können. Die Messung ergab für den Pegel des Grundrauschens die in Tabelle 1 dargestellten Werte. \begin{table} \begin{center} \begin{tabular}[!ht]{|c|c|}\hline $S_+$ & $S_-$\nz $22.4\,\pm\,0.1$ mV & $22.4\,\pm\,0.1$ mV\nz \end{tabular} \caption{Rauschpegel auf den Kanälen $S_+$ und $S_-$}\label{tab_rauschen} \end{center} \end{table} \subsection{Spannungsversorgung} Die schwerwiegenste Fehlfunktion des Steuergeräts der Kamiokanne war die starke Kopplung der Vergleichsspannung (Threshold) mit der Versorgungsspannung. Die Vergleichs\-spannung wird mit der Signalspannung aus der Kanne verglichen und ist entscheidend für die Registrierung eines Signals. Da mit der Messaparatur auch Langzeitmessungen vorgenommen werden sollen, sind Versorgungsschwankungen nicht zu vermeiden, diese verfälschen dann jedoch die Empfindlichkeit der Messung. Um das Problem zu lösen, wurde als erstes die Spannungsversorgung des Gerätes untersucht und dann spezieller auf die Schwankung des Threshold eingegangen. \subsubsection{Spannungsversorgung der Teilbereiche} In Abb. \ref{schema_Spannung} ist schematisch die Spannungsversorgungversorgung zu den einzelnen Teilkomponenten der Schaltung zu sehen. Die Komponenten sind: \begin{itemize} \item Verstärkereinheit des PMT (V1 PMT) \item Analoge Verstärkereinheit V2 \item Digitalteil + LPT \item Threshold \end{itemize} \begin{figure}[!ht] \begin{center} \includegraphics[width=8cm]{schemaPMT_Vcc.pdf} \caption{Schematische Darstellung der Spannungsversorgungen zu den verschiedenen Komponenten: Verstärkerteil des PMT, Analogteil, Digitalteil und Threshold} \label{schema_Spannung} \end{center} \end{figure} Aufgrund der Messung der verschiedenen Spannungen bei unterschiedlicher Versorgungsspannung ist erkennbar geworden, dass die Versorgungsspannung von V1 und V2 erst sehr spät bei $\approx 11.6$ V) in den Arbeitsbereich der Spannungssabilisatoren kommen (Abb.\ref{spannung_global}). Die Messung erfolgte ohne Last -- mit Last würden sich die Kurven weiter nach rechts verschieben und es wird erkennbar, dass Spannungsschwankungen der Versorgung Einfluss auf die die beiden Teilbereiche haben. \begin{figure}[!ht] \begin{center} \includegraphics[width=8cm]{vcc_messung_all_lines.pdf} \caption{Verhalten der Teilspannungen im Gerät ohne Last. Es ist zu sehen, dass die Digitalteilversorgung konsant verläuft, die anderen jedoch erst ab 12V -- bei Last verschieben sich die Kurven weiter nach rechts} \label{spannung_global} \end{center} \end{figure} \subsubsection{Stabilisierung des Threshold} Aus dem Schaltplan und den Messungen (Abb. \ref{threshold}) ist ersichtlich, dass die Vergleichs\-spannung von der Versorgungsspannung des Analogteils abgezweigt wird. Auch hier zeigt sich wieder, dass bei zu geringer Versorgungsspannung (vorgegeben waren 12V) die Spannungsstabilisatoren noch nicht im Arbeitsbereich sind. Die Lösung liegt folglich in der Erhöhung der Versorgungsspannung. Nachdem mit Elektroniker Volker Ebrecht die Schaltung durchgesprochen wurde und keine Bedenken für eine Überbeanspruchung der Bauteile aufkamen, soll die Kamiokanne nun mit \textbf{14 V} Versorgungsspannung betrieben werden. Dies gewährleistet, dass alle Baugruppen mit stabilen Spannungen arbeiten -- insbesondere der Threshold. \begin{figure}[!ht] \begin{center} \includegraphics[width=8cm]{vcc_messung_lines.pdf} \caption{Threshold-Spannung als Funktion der Analogteil-Spannung (ohne Last) } \label{threshold} \end{center} \end{figure} \subsection{Untersuchung des LPT-Anschlusses} Beim Betreiben der LPT- Schnittstelle zwischen Kamiokanne und Rechner traten folgende Probleme auf: \begin{itemize} \item Hoher Stromverbrauch des LPT-Teils, wenn PC angeschlossen ist \item Optische Signal (grüne LED) funktioniert nicht, wenn PC angeschlossen ist \end{itemize} Zur Behebung des hohen Stromverbrauchs wurde das LPT-Kabel aufgeschnitten und in jeder Ader des Kabels der Strom einzeln vermessen. Die hohen Ströme konnten gemessen werden, diese traten allerdings willkürlich auf. Der Grund für die hohen Ströme konnte nicht geklärt werden. Mit der Absicht, eine neue \textbf{USB-Schnittstelle} einzurichten, erübrigte sich dann aber auch jede weitere Untersuchung. Das Versagen der grünen LED ist ebenfalls auf die LPT-Schnittstelle zurückzuführen gewesen. Wie eben beschrieben, sollte dieses Problem nicht mehr mit USB auftreten. \subsection{Nachbau des Analogteils (V2)} \subsubsection{Analyse des Analogteils} Für den Neubau des Steuergeräts sollten auch alte Elemente der vorhanden Schaltung übernommen werden. Aus diesem Grund wurde auch der Analogteil der Schaltung untersucht. Der Analogteil beinhaltet einen Verstärker, der das differentielle Signal um den Faktor 2 verstärkt und dann zu einem Komparator leitet, wo das Signal mit der Thresholdspannung abgeglichen wird und in ein TTL-Signal umgewandelt wird. Anschließend wird das TTL-Signal verlängert (\glqq gelatcht\grqq). Dass diese Schaltung sehr gut funtioniert ist in Abb. \ref{oszi_analog} gezeigt. \begin{figure}[!ht] \begin{center} \includegraphics[width=12cm]{oszi_analogteil.pdf} \caption{Vergleich der Spannung: Mitte (gelb) unverstärktes Signal des PMT; Oben (blau) durch V2 verstärktes Signal; Unten(grün) TTL-Signal. Es ist eine sehr gute Signalverarbeitung zu erkennen} \label{oszi_analog} \end{center} \end{figure} Das gelbe Signal in der Mitte ist das unverstärkte Ausgangssignal, das direkt am PMT abgegriffen wurde. Das obere, blaue Signal ist das durch V2 verstärkte, das zum Komparator geht und dort in ein gestrecktes TTL-Signal umgewandelt wird (unten, grün). Die analoge Verstärkung erfolgt dabei ohne Zeitversatz. Das TTL-Signal ist verlängert worden, und kann nun mit einem PC verarbeutet werden \subsubsection{Neue Bauteile} Die Schaltplan des Analogteils konnte nicht 1:1 umgesetzt werden. Grund hierfür ist, dass der Operationsverstärker für V2 nicht mehr bestellt werden kann. Als Ersatz wurde ein neuer Baustein verwendet, der allerdings eine andere Samplingrate (vorher: 270MHz, jetzt 80MHz) aufweist. Um zu gewährleisten, dass dieser dennoch die Anforderungen erfüllt, wurde mit dem Funktionsgenerator ein Rechteckimpuls erzeugt, dessen Breite im Bereich der zu erwartenden Pulszeitlänge (100ns) liegt. Dieser wurde vom Verstärker um den Faktor 2 wie gewünscht verstärkt (Abb. \ref{neues_bauteil_1}). Die Schwingungen können durch weitere Kondensatoren ausgebessert werden. In Abbildung \ref{neues_bauteil_2} ist noch einmal die Messung der Verstärkung aufgetragen. \begin{figure}[!ht] \begin{center} \includegraphics[width=10cm]{v2_rechteck.pdf} \caption{Rechtecksignal und verstärktes Signal mit neuen Verstärker. Trotz geringerer Samplingrate von 80MHz wird das Eingangssignal gut verarbeitet.} \label{neues_bauteil_1} \end{center} \end{figure} \begin{figure}[!ht] \begin{center} \includegraphics[width=10cm]{v2_rechteck_normal.pdf} \caption{Verstärkung eines Rechtecksignals um Faktor 2 mit neuem Aufbau} \label{neues_bauteil_2} \end{center} \end{figure} %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% \subsection{Ein neuer Digitalteil} %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% Durch die vorangehenden Untersuchungen ist klar geworden, dass der analoge Teil der Elektronik zuverl"assig arbeitet und die Spannungspulse des Photomultipliers genau dann ein TTL-low ausl"osen, wenn die Pulsh"ohe die Referenzspannung "ubersteigt. Die im Vorwege aufgeworfenen Probleme und Verbesserungsvorschl"age werden aus diesem Grund durch eine grundlegende Neugestaltung der digitalen Verarbeitung in Angriff genommen. \subsection{Anforderungen} Die Anforgerungen an solch einen Digitalteil ergeben sich zum einen aus dem Einsatzfeld des Experiments in Schulen und Universit"aten und zum anderen aus der zu messenden Physik. So fordert man von der Schaltung, dass Sie an einem standard PC betrieben werden kann, wie er auch in Schulen vorhanden ist. Dieses beschr"ankt somit beispielsweise auch die zur Verf"ugung stehenden Schnittstellen und fordert platformunabhängigkeig der Treiber und Software. Auch das Preisschild an dieser Schaltung sollte den Gasammtpreis des Experiments nicht merklich erh"ohen. Desweiteren ist es aus elektronischer Sicht sinnvoll, die Versorgung von digitaler und analoger Elektronik zu trennen. Was die zu messende Physik angeht, so beschr"anken wir uns in diesem Projekt ausschlie"slich auf die Ratenmessung, die am einfachsten zu implementieren ist. Die Anforderungen an den Z"ahler sind somit, dass er TTL-Pulse mit einer l"ange von circa 300ns und einer mittleren Frequenz von 1Hz z"ahlen kann. Die Erweiterbarkeit wird jedoch bei der Wahl des Schnittstellenkonzepts bedacht. \subsection{Konzept} Aus den oben genannten Gr"unden besitzt der neue Digitalteil eine USB Schnittstelle, um mit dem Messrechner zu kommunizieren. Die Schaltung besteht aus einzelnen Modulen, die unterschiedliche Aufgaben "ubernehmen und mittels des I2C-Protokolls kommunizieren. Die Schaltung, welche im Rahmen des Projektpraktikums realisiert wurde, besteht aus einem Z"ahlerbaustein (Phillips PCF8583), der TTL-Pulse mit maximal 1 MHz z"ahlen kann und einen 6-stelligen Z"ahlspeicher bestizt. Der Z"ahler wird mittels eines "`I2C-nach-USB"'-Adapters gesteuert. Dieser Adapter kann sehr kosteng"unstig durch einen Mikrocontroller realisiert werden. Wir griffen auf das Open Source/Hardware Projekt von Till Harbaum \cite{Tiny} zur"uck, in dem er den auf einem Atmel ATtiny45 basierenden I2C-Tiny-USB Adapter vorstellt. \subsection{Betrieb} Bei der Programmierung des Mikrocontrollers ist darauf zu achten, dass die Fusebits korrekt gesetzt werden. Speziell die CKSEL Bits, welche dem Controller vorgeben, welche Clock er nutzen soll, m"ussen auf "`1,1,1,1"' gesetzt werden. Desweiteren ist das RSTDISBL Bit zu aktivieren, da der Reset-Pin in der Schaltund als normaler I/O ben"otigt wird. Treiber f"ur den Betrieb des Adapters unter Windows, MacOs und Linux k"onnen ebenso unter \cite{Tiny} gefunden werden oder sind im Fall von Linux schon Teil des Standard-Kernels. Durch den entsprechenden Treiber wird dem Betriebssystem ein neuer I2C-Adapter zur Verf"ugung gestellt. Dadurch ist es m"oglich, die Schnittstelle mit jeder I2C-Host-Applikation zu verwenden. Wir verwendeten zur Kommunikation mit der Schnittstelle das Linux-Kernel-Modul "`i2c-tiny-usb"'. Nach dem Anschliessen des Adapters wird automatisch ein neues I2C-Device registriert. Mittels der Applikationen "`i2cset"' und "`i2cget"' des "`i2c-tools"'-Pakets kann nun auf den Z"ahlerchip geschrieben bzw. von ihm gelesen werden. Ein einfaches Script, das den Z"ahler initialisiert und ihn anschliessend alle 0.1s ausließt, ist im Anhang zu finden. \subsection{I2C-Bus} \begin{figure}[htbp] \centering \subfigure[Lesen]{\includegraphics[width=0.48\textwidth]{read.png}} \subfigure[Schreiben]{\includegraphics[width=0.48\textwidth]{write.png}} \caption{Datentransfer beim I2C-Bus} \label{fig:I2C} \end{figure} Bei dem I2C-Protokoll handelt es sich um einen Standard, welcher von Phillips vor mehr als 20 Jahren entwickelt wurde. Es ist ein serieller low level Bus mit einer maximalen Datenrate von 3.4 MBit/s, der Integrierte Schaltkreise (ICs) ortsnah verbinden soll. Wie die meisten seriellen Schnittstellen besitzt er zwei Leitungen, die Datenleitung und die Taktleitung. Datentransporte werden ausschließlich von einem Master ausgel"ost und beendet. Hierzu erzeugt der Master eine Startbedingung auf den beiden Leitungen, sendet dann eine 7-Bit-Adresse und setzt im 8ten Bit die auszuf"uhrende Aktion fest (schreiben(0)/lesen(1)). Nur ein Slave, dessen Adresse mit der gesendeten Adresse "ubereinstimmt, "`h"ort"' dem Master weiter zu. War das 8te Bit nach der Startbedingung eine 0 (schreiben), so sendet der Master weiter W"orter, die der Slave verarbeitet und sie beispielsweise in seine Register schreibt. Ist das 8te Bit eine 1 (lesen), so verstummt der Master und der Slave sendet W"orter, beispielsweise den Inhalt seiner Register. Der Slave h"ort erst auf zu senden, wenn der Master die Stopbedingung setzt. Eine genaue Erkl"arung der Funktion des Busses und der Kommunikation mit den ICs kann in \cite{BDM} nachgeschlagen oder dem Datenblatt des I2C-ICs entnommen werden. %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% \section{Zusammenfassung} %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% Im Rahmen des Projektes konnten wir einige Probleme lösen, an anderen Stellen blieb uns jedoch nicht genügend Zeit, um die Arbeiten vollständig abzuschließen. \\ Messungenauigkeiten, die durch die ungewollte, aber bisher vorhandene Abhängigkeit der Threshold-Spannung von der Versorgungsspannung verursacht wurden, lassen sich einfach dadurch verhindern, dass die Versorgungsspannung auf 14V statt bisherigen 12V gewählt wird. Der Spannungsregler ist dann optimal ausgesteuert und erfüllt seine Aufgabe zuverlässig, wie unsere Messungen ergeben haben. Der Nachbau des als weiterhin einsetzbar erachteten Analogteils konnte leider aus Zeitgründen nicht vollendet werden. Die Schaltung wurde zwar aufgebaut, jedoch stünde ein Debugging noch aus. Bedingt hierdurch konnten wir nicht überprüfen, ob die verwendeten neuen Chips auch für eine Lebensdauermessung schnell genug sind. Während des Praktikums haben wir uns jedoch sowieso zunächst auf die Ratenmessung beschränkt. Der neue Digitalteil funktioniert einwandfrei: Die Anbindung an Linux ist sehr leicht, da die Treiber bereits im Kernel enthalten sind. Von dort kann die Schaltung direkt mit I2C-Daten angesteuert werden. Daraus resultiert auch eine gute Erweiterbarkeit. Weitere I2C-Chips können angeschlossen und direkt von der Host-Software angesprochen werden. Ein Umprogrammieren des Mikrocontrollers ist somit nicht nötig. Ein weiterer Vorteil des neuen Digitalteils ist, dass seine Stromversorgung über den USB-Port erfolgt. Waren bisher zwei Stromversorgungsanschlüsse vorhanden, wobei der zweite den Analogteil versorgte, um von diesem Strörungen, verursacht durch die digitalen Signale, fernzuhalten, fällt dadurch der erste weg. Und obwohl wir nur vermuten können, dass es sich bei der fehlerhaften LED-Funktionalität um ein Erdungsproblem handelte, können wir nun zumindest sagen, dass das Problem beim neuen Digitalteil nicht mehr auftritt. %%%%%%%%%%%%%%%%%% \section{Ausblick} %%%%%%%%%%%%%%%%%% Die nicht fertiggestellten Projekteile beziehen sich zum einen wie bereits angesprochen auf den Analogteil, der noch nicht funktionstüchtig ist. Zum anderen ist das Installieren weiter\-er Zählerbausteine nötig, um einen zweiten Kanal zu realisieren, mit dem dann auch realisiert durch weitere Elektronik eine Koinzidenzmessung möglich ist, um den Messbereich auf eine Richtung einzuschränken. Eine selbstständige Kalibrierung, konkret eine automatische Einstellung der Threshold-Spannung mit Hilfe eines D/A-Wandlers wäre ebenso denkbar. Durch die Speicherung des Zählerstands auf der Elektronik könnte man die Schaltung auch dahingehend weiterentwickeln, sie von einem Computer unabhängig zu machen und so Messungen über längere Zeiträume und an entlegenderen Orten unproblematischer zu gestalten. Der PC wäre dann nur zur Auswertung nötig. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Entwicklung einer komfortablen Steuerungs- bzw. Auswertungssoftware, da wir uns bisher nur mit einem Shell-Skript beholfen haben. Um sowohl automatisierte Messdurchgänge an der Uni als auch anschauliche Versuche beispielsweise in Schulen zu gewährleisten, könnte man über zwei Modi nachdenken, die für die jeweilige Zielgruppe optimiert sind. Nach der Fertigstellung der Elektronik käme das Erstellen eines Ätzlayouts, um einen kompakteren und weniger fehleranfälligen Aufbau zu ermöglichen. Die Erdungsprobleme, die durch das Metallgehäuse auftraten, ließen sich durch den Einsatz eines Kunststoffgehäuses verhindern. \clearpage \newpage \begin{thebibliography}{99} \bibitem[BDM]{BDM} B. Becker, R. Drechsler, P. Molitor: Technische Informatik, Pearson Studium 2005 \bibitem[Tiny]{Tiny} T. Harbaum: i2c-tiny-usb {\it http://www.harbaum.org/till/i2c\_tiny\_usb/index.shtml} \end{thebibliography} \appendix \section{Code ''myonmonitor''} \lstset{language=Java} \begin{lstlisting} #!/bin/sh echo Initialisiere Chip auf ultimate countig mode; now! i2cset -y 0 0x50 0x00 0x20 # den Controllregister # auf "Zaehlen" stellen i2cset -y 0 0x50 0x03 0x00 # die Zahlenspeicherregister # 0x03,0x02,0x01 nullen i2cset -y 0 0x50 0x02 0x00 i2cset -y 0 0x50 0x01 0x00 watch -n 0.25 /root/myonmonitor_loop \end{lstlisting} \section{Code ''myonmonitor\_loop''} \lstset{language=Java} \begin{lstlisting} #!/bin/sh echo Myon-Monitor i2cget -y 0 0x50 0x03 # die Register 0x03- 0x01 ausgeben i2cget -y 0 0x50 0x02 i2cget -y 0 0x50 0x01 \end{lstlisting} \end{document}