モジュラークレートエレクトロニクス

モジュラー クレート エレクトロニクスは、粒子検出器のトリガー エレクトロニクスとデータ取得によく使用される一般的なタイプのエレクトロニクスおよびサポート インフラストラクチャです。このタイプのエレクトロニクスは、すべての電子経路がモジュール前面のロジック ブロックを接続する個別の物理ケーブルによって作成されるため、このような検出器でよく使用されます。これにより、実験の準備中に回路を非常に迅速に (数日または数週間で) 設計、構築、テスト、および展開できます。その後、実験が完了したら、モジュールをすべて取り外して再び使用できます。

クレートは、前面に開口部があり、ユーザー側を向いた状態で電子機器ラックに取り付けられるボックス (シャーシ) です。クレートの上部と下部には、開いた (ユーザー側) 端からクレート後端まで伸びるレールがあります。クレート後端には、モジュールを接続する電源コネクタとデータ コネクタがあります。電子機器モジュールは、レールに沿ってクレートに差し込まれ、背面の電源/データ コネクタに差し込まれます。モジュールのフェースプレートには、他のモジュールとやり取りするために使用される信号コネクタ、コントロール、およびライトがあります。

一部のモジュールはバックプレーン コネクタから電力を供給し、すべてのデータ入力と出力をフロント プレート上に配置します。その他のモジュールは、バックプレーンとの間で入力や制御を行ったり、バックプレーンから動作を制御したりします。一部のタイプのモジュールには内部にアクティブ回路があり、小型コンピュータのように動作します。その他のモジュールはまったくステートフルではなく、単なる単一コンポーネントです。

素粒子物理学の実験で使用されるモジュール式クレート電子システムにはさまざまな種類があります。

クレートエレクトロニクスの最初の規格はRenatranであり、それ自体は1964年に発行されたEsone規格から派生したものです。 ^[1]この規格は主にフランスの原子力研究で使用されていました。

Renatran システムは、最大 8 個のシングル幅または最大 4 個のダブル幅プラグイン ユニットを収容できる 5U ラック クレートで構成され、バックプレーンは複数の電源レール、およびモジュール間、およびラックとプリンタやコンピュータなどの外部機器間のシリアル通信とパラレル通信を供給します。各プラグイン ユニットには、前面にダイヤル、インジケータ、コネクタがあり、背面にはバックプレーンに接続するための 1 つのネジ留め式 24 ピン コネクタ (Souriau 8196-17、現在は製造されていません) がありました。一部のユニットには、背面に追加のコネクタがあり、より永続的なインストールのために前面パネルから 2 倍にされていたり、カウント モジュールのデイジー チェーン接続やレベル コンパレータの相互リンクなどの特定の目的のための追加ポートがあったりしました。プラグイン ユニットは通常、クロック信号の送信、信号極性の反転、信号の減衰または増幅などの単一のタスクを実行します。

最もシンプルで、最も初期のクレート モジュール標準の 1 つがNIM (Nuclear Instrumentation Module)標準です。NIM クレートはバックプレーンに電源があるだけで、データ バスやデータ コネクタはありません。NIM バックプレーン コネクタは、クレート内のソケットに個々のピンを不規則に配置したものです。NIM モジュールは通常、前面に複数の単一ロジック ブロックがあり、前面パネルには入力と出力の両方があります。典型的な NIM モジュールは、たとえば、前面パネルに 4 つのディスクリミネータ、または 3 つの AND ゲートです。NIM モジュールは、背面にデータ コネクタがないため、 ホット スワップが可能です。

その後のクレート標準は、Computer Automated Measurement and Control（CAMAC）です。^[2] CAMACモジュールはNIMモジュールよりもはるかに薄いです。CAMACモジュールのバックプレーンコネクタはカードエッジコネクタです。プラグイン時にコネクタの位置がずれる可能性があるため、CAMACモジュールはホットスワップ可能ではありません。CAMACバックプレーンには、クレートコントローラがモジュール内のレジスタの値を設定する（構成用）ため、およびレジスタの値を読み取る（データ取得用）ためのシグナリングプロトコルが含まれています。バックプレーンに沿ったデータ通信が遅いため、FASTBUSが発明されると、CAMACモジュールは主に、コンピュータで構成する必要があるモジュールに使用され、データ取得には使用されなくなりました。

FASTBUS ^[3]は、高速並列データ取得用に他の 2 つより後に開発されたクレート/モジュール規格です。^[4] FASTBUS モジュールは、個々のコンポーネントではなく、前面に多数の入力コネクタを備えたデータ収集モジュールである傾向があり、保存されたデータはバックプレーンで読み出されます。 FASTBUS モジュールの背面にあるコネクタは、モジュール上の 2 つの並列ピン ソケットと、バックプレーンから突き出ているピンです。 FASTBUS クレートの主なコネクタは、モジュールの下部 2/3 をカバーします。バックプレーンの背面へのパススルー ピンで構成される上部コネクタもあり、これにより、カスタム モジュールをそこに差し込むことができます。

FASTBUS モジュールは他のタイプのクレート モジュールよりもはるかに高いため、クレートもそれに応じて高くなります。

FASTBUS バックプレーンは完全なデータ バスであり、どのモジュールもバスのマスターとしてネゴシエートしてデータを送受信できます。

VME (VMEbus) は、もともと Motorola 68000 シリーズ プロセッサ用の拡張バスを提供するために設計されたバスですが、モジュール エレクトロニクス クレート標準にもなりました。VME の最初のエディションは、モジュールにピン ソケット、バックプレーンにピンがあり、幅が 3 ピンです。後のエディションでは、物理的標準によりコネクタが拡張され、接地用のエッジに 2 列のピン/ソケットが追加されました。

VME は主にコンピュータ バスとして設計されているため、そのモジュールは主にモジュール式電子機器ではなく、データ収集モジュールです。

PCI eXtensions for Instrumentation ( PXI ) は、現在使用されているいくつかのモジュール式電子計測プラットフォームの 1 つです。これらのプラットフォームは、電子テスト機器、自動化システム、およびモジュール式実験装置を構築するための基盤として使用されます。

Advanced Telecom Computing Architecture は、クレート用のオープン スタンダードです。電源とデータ バスに加えて、管理インフラストラクチャも定義します。これにより、さまざまなメンテナンス タスクをリモートで実行できます。この標準は、PICMGコンソーシアムによって管理されています。 ^{[5] AdvancedTCA クレートで使用されるカードの要件は、} Advanced Mezzanine Cards (AMC) と呼ばれ、独自の標準で個別に指定されています。^[6]

MicroTCAはAdvancedTCAをベースにしたオープンなモジュール規格ですが、フォームファクタが小さくなっています。当初は通信アプリケーション向けに開発されましたが、軍事、航空宇宙、科学用途向けのモジュールを開発するなど、当初の目的を超えて成長しました。^{[7] AdvancedTCAと同様に、} AMCを 使用しているため、カードはこれら2つの間で交換可能です。

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