赤井隆一 京都大学理学部理学科 ２０１３年度 卒業研究P6発表会

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1 赤井隆一 京都大学理学部理学科 ２０１３年度 卒業研究P6発表会
マイコンを用いたXRPIX制御 p1:P6赤井隆一です。私はマイコン、マイクロコントローラを使った ＸＲＰＩＸの制御について研究を行いました。 赤井隆一 京都大学理学部理学科 ２０１３年度　卒業研究P6発表会

2 実験の目的 FPGAを使用せず、マイコンでXRPIXに制御信号を入力しX線信号データを取得する。
信号を入力、Ｘ線信号データを取得すること、が目標です。

3 XRPIX 京大がKEK（高エネルギー加速器研究機構）と共同で設計開発したX線天文学用SOIPIX
各ピクセルにトリガー回路と読み出し回路を搭載したシリコンアクティブピクセルセンサー 反同時係数法を用いることにより、非Ｘ線バックグラウンド(NXB)の大幅な除去が可能 p3：まずＸＲＰＩＸについて紹介します。ＸＲＰＩＸは京大がKEKと共同で設計開発 した次世代Ｘ線天文学用のＳＯＩＰＩＸの名前です。ＳＯＩＰＩＸについてはすぐあとで 触れますが、簡単に言うとＸ線を検出するピクセル縦横にたくさん並べることで Ｘ線天体を撮像できるＣＭＯＳイメージセンサーということになります。 ＸＲＰＩＸの特徴として、Ｘ線観測衛星で使われているＣＣＤと比べて 時間分解能に優れるという特徴があります。たとえばSuzaku衛星に搭載されて いるＣＣＤ（ＸＩＳ）で1024*1024ピクセル読み出すのに6.7ｓかかるのに 対し、ＸＲＰＩＸは各ピクセル毎にトリガー回路と読み出し回路を取り付け、 イベントのあったピクセルだけを読み出すことで時間分解能は1pixelの読み出し 時間である~10μs程度にまで向上します。 もう一つの大きな特徴として、トリガー回路を使って素子の周りを囲む シールドカウンターと反同時計数法を行うことにより、求めるＸ線天体以外からの 宇宙線によるイベント（ＮＸＢ）を除外し、NXBが支配的になる10KeV以上の 領域でもバックグラウンドを減らし、40KeVにまで観測領域を広げることが 可能になります。

4 SOIPIXとは SOI(Silicon-On-Insulator)技術を利用し比抵抗の異なるSiレイヤーを一体化
上部のSiレイヤーをSOI-CMOS回路、下部のSiレイヤーをセンサーとして利用 従来型のCMOSセンサーに比べ、回路部が高速で省電力、放射線耐性に優れる。 p4:SOIPIXについて説明します。ＳＯＩＰＩＸではＳＯＩ技術というシリコンの 結晶の上に酸化シリコンからなる絶縁層を作り、その上にまた別のシリコンの 層を重ねる技術を利用し、比抵抗の違うシリコンの層を一体化、 上部のシリコンに電荷読み出し用のＣＭＯＳ回路、下部のＳｉを放射線を受ける センサーとして利用しています。 一枚のＳｉ基板にＣＭＯＳ回路を作る従来型のバルクＣＭＯＳ回路と 放射線用のＳｉを機械的に接続した従来のＣＭＯＳ検出機よりも回路が高速で 省電力、また放射線耐性に優れるという特徴があります。

5 今回用いた素子の仕様 実験で用いた素子はXRPIX1b-CZ-100µm XRPIX1b-CZ-100µm仕様 ピクセルサイズ
30 µm x 30 µm フォーマット 32 x 32 pixel センサー層厚 100 µm センサー層の比抵抗 0.7 kΩ cm p5:今回実験に使った素子はXRPIX1b-CZ-100μm,仕様としては（表）となります。

6 信号の流れ 通常、XRPIX1bの制御にはFPGA(Field Programmable Gate Array)を用いる。
イーサネット用変換 信号 p6:通常このＸＲＰＩＸの制御にはＦＰＧＡというチップを使います。 その場合、素子を乗せるSUBボードとそれに接続するSEABASボードと呼ばれるボードを使い 図のような構成になります。 この場合、（図の信号の流れを説明） 素子 UserFPGA SiTCP FPGA イーサネット出力端子 SUBボード ADC SEABASボード

7 FPGA ・ユーザーがハードウェア記述言語を用いて設計を書き込む事で、構成を変更可能な集積回路。 ・ハードウェア記述言語にはVHDL,Verilog HDL等がある。

8 マイクロコントローラ（マイコン） コンピュータの動作に必要な主要部品を一つのチップに実装したもの。
あらかじめプログラムを書き込んでおくことで、独立した電子機器の制御が可能。 今回の実験ではAtmel AVR マイクロコントローラを搭載したArduino UNOを使用 p8:マイコンとはマイクロコントローラの略で、コンピュータの動作に・・・ あらかじめ・・・ 今回の実験では・・・というボードを使用します。

9 Arduino UNO 主な入出力端子 ・14本のデジタル入出力ピン …5V(HIGH),0V(LOW)を出力可能 ・６本のアナログ入力ピン
…5Vまたは1.1Vを基準電圧として1024段階で電圧を測定可能 今回は1.1Vを基準として使用 （１単位1.1mv） ・ＵＳＢポート …ＰＣとの通信、マイコンへのプログラム書き込みに使用 Arduino unoの主な入出力端子として、まず図の上側に１４本のデジタル入出力ピンがあり、これらはhighと設定すれば5Vを出力,LOWと設定で0Vにできます。 次に電圧読み取りのための入力ピンとして６本のアナログ入力ピンがあります。５Ｖ

10 Arduino IDE(統合開発環境） C言語風の構文
作成したプログラムはgccによってコンパイルされhexファイルに変換後マイコンに書き込まれる p10:画像はマイコンに書き込むプログラムを作成するための統合開発環境Arduino IDEです。 プログラムはＣ言語をベースとした構文で作り、作成したプログラムはマイコンへのアップロード を選択すると、gccによってコンパイルされ、hexファイルに変換後マイコンに書き込まれます。

11 マイコン使用例 周囲の明るさに応じてon/offするLED 光を当てると抵抗の減少するＣｄＳセルを光センサーとして利用
ＣｄＳセルの抵抗の変化によりマイコンアナログ入力ピンにかかる電圧が変化 　　　　　　　　　　　　　　　↓ 入力電圧がしきい値以下になるとＬＥＤ回路に電圧を出力させる p11：マイコンの使用例として、最初にマイコン使用の練習として作成した 周囲の明るさに応じてon/offを切り替える装置を紹介します。

12 実際の回路 p12:実際に組んだ回路の写真です。これがLED、これがCdSセルです。このＣｄＳセル
いいます。

13 ソルダーレス・ブレッドボード 抵抗等の部品とジャンプワイアを差し込む事で簡単に回路を構成、組み換えができる試作用基板
図中のライン方向の穴は内部で電気的に接続している

14 マイコンのプログラミング 光センサーのためのマイコンのプログラムです。まずセットアプでピンモード１３番アウトプットとして１３番ピンを出力に設定。 次に、ヴォイドループという関数ですが、マイコンはこのヴォイドループ内のプログラムを繰り返し実行します。 ここではアナログリード関数（これは入力ピンから電圧を読み取る関数です。）を使ってiという変数に読み込んだ電圧を代入。 次にif文を使って、電圧が500（１０２４が５Ｖです）以下だと１３番ピンに電圧を出力してＬＥＤを点灯、 ５００以上の場合は電圧を０ＶにしてＬＥＤを消灯、という処理をさせています。 送信がおわたらこのディレイ関数で一秒停止です。

15 ＰＣ側の受信データ（電圧値） 値を見てしきい値を設定 すれば完成 Arduino IDE付属のシリアルモニタ
（画像説明）マイコンの使い方に関しては以上です。 Arduino IDE付属のシリアルモニタ

16 XRPIX１bからの信号の読み出し 読み出しに使用する６つの信号の入出力場所 ＡＯＵＴ
読み出しに使用する６つの信号です。ＡＯＵＴは素子からの信号を読み取る端子、ほかの５つはマイコンから制御信号を入力する端子です。

17 ・各ピクセルの読み出し回路 RST_PD_VRST… VSENSノードをリセット電圧に設定
RST_CDS_VRST…　N02をリセット電圧に設定 STORE…　オンにしている間、Sampleキャパシタに信号が積分される EN_X_DEC32ROW…　ピクセルの位置指定（行）を有効にする EN_X_DEC32COL…　ピクセルの位置指定（列）を有効にする

18 Ｘ線入射後電圧読み出し手順 1.NSENSとN02をリセット電圧に固定 2.RST_PD_VRSTをオフ
3.RST_CDS_VRSTをオフ（露光開始,露光時間1ms） 4.N03の電圧(V_SIG+V_N2S+V_SF2）をアンプを通しAOUTから読み出す それぞれの信号の入力手順です、まず・・・

19 リセット電圧読み出し Ｘ線入射後電圧ーリセット電圧 ＝V_SIG+(V_N2S-V_N2R) 1.NSENSとN02をリセット電圧に固定
2.RST_PD_VRSTをオフ 3.RST_CDS_VRSTをオフ 4.N03の電圧(V_N2R+V_SF2）をアンプを通しAOUTから読み出す Ｘ線入射後電圧ーリセット電圧 　＝V_SIG+(V_N2S-V_N2R) 信号 ノイズ

20 配線の様子 マイコンからSUBボードへ５つの信号を出力 SUBボードのAOUT（アナログ信号出力)をマイコンのアナログ入力ピンに接続
間のブレッドボードは電圧調整の為の分圧回路

21 信号のタイミング 信号読み出し＋リセットで１フレームの説明 1ms リセット 読み出し 100μs 露光期間 Ｘ線電圧 読み出し 100μs

22 信号の波形 マイコンのアナログ入力ピンを使って各電圧を読み出し、差を計算してPCへ送信する X線入射後電圧 信号電圧値 リセット電圧
100μs マイコンで各電圧を読み差を計算し、USBで数値をPCへ送る。 マイコンのアナログ入力ピンを使って各電圧を読み出し、差を計算してPCへ送信する

23 PC側のデータの記録方法 Processingによるシリアル通信記録プログラム

24 1pixel[RA0,CA0]のペデスタル （遮光状態での出力）

25 蓋を開けて光を遮ってみる

26 まとめ １ピクセルに固定しての信号読み出し成功 複数ピクセルを読むための課題として ・マイコンの電圧読み出し時間１００μs
　今回露光時間1msの設定で1フレーム1.4ms。 １０００ピクセル読む場合1フレーム約400msになってしまう。 まとめ