PYRAME :
la DAQ dans tous ses états

PYRAME est une suite logi­cielle dédiée à l’in­for­ma­tique online, dévelop­pée au Lab­o­ra­toire Lep­rince-Ringuet (LLR, CNRS/École poly­tech­nique) . Elle per­met de con­fig­ur­er et de pilot­er les équipements élec­tron­iques qui instru­mentent les pro­to­types de détecteurs de particules.

Et aus­si d’ac­quérir leurs don­nées et de les traiter en temps réel. La stratégie de Pyra­me est de tou­jours favoris­er l’évo­lu­tiv­ité et la sou­p­lesse d’u­til­i­sa­tion, mais sans sac­ri­fi­er la péren­nité et la sta­bil­ité du sys­tème. La moti­va­tion pour un tel développe­ment provient d’un manque dans l’of­fre de tels frame­works ayant toutes ces car­ac­téris­tiques.

L’of­fre s’ar­tic­u­lait alors autour de deux pôles, l’un for­mé par les logi­ciels très sou­ples comme Lab­view avec l’in­con­vénient d’une faible péren­nité, due aux change­ments très fréquents de ver­sion et à la pro­gram­ma­tion graphique, l’autre, for­mé de logi­ciels très puis­sants, dédiés aux grands détecteurs comme ceux du Cern, per­for­mants et offrant de nom­breuses fonc­tion­nal­ités mais peu adapt­a­bles aux con­di­tions expéri­men­tales. PYRAME est une ten­ta­tive de syn­thèse de ces deux approches, gar­dant le meilleur des deux pôles.

Elle s’ap­puie sur une brique de base, nom­mé le mod­ule de com­mande. Celui-ci reçoit des com­man­des sur la base d’un pro­to­cole spé­ci­fique (basé sur XML et TCP) et les exé­cute dans une machine virtuelle. Cette étape de vir­tu­al­i­sa­tion per­met de con­fin­er l’exé­cu­tion, et de pro­pos­er de nom­breux lan­gages aux développeurs de nou­veaux mod­ules (Python, C, C++, Lua, R, Shell). Le mod­ule de com­mande est haute­ment opti­misé pour offrir une latence min­i­male à l’exé­cu­tion (de l’or­dre de 40 micro-sec­on­des en C jusqu’à 120 micro-sec­on­des pour le Shell). Il four­nit égale­ment un envi­ron­nement sécurisé de stock­age des paramètres pour les com­man­des, pou­vant être syn­chro­nisé en temps-réel avec le mod­ule de configuration.

Les mod­ules sont inter­con­nec­tés via Inter­net, ce qui leur per­met de pilot­er des sys­tèmes arbi­traire­ment com­plex­es, et éventuelle­ment dis­per­sés géo­graphique­ment. On peut les pilot­er glob­ale­ment à tra­vers des inter­faces graphiques ou des scripts pour les com­porte­ments les plus complexes.

Le cœur du frame­work est con­sti­tué d’un grand nom­bre de mod­ules per­me­t­tant de pilot­er des appareils stan­dards sur nos bancs de test :

- Ali­men­ta­tions haute et basse ten­sion (Agi­lent, CAEN, Hameg…),
- Généra­teurs de sig­naux (Agi­lent),
- Moteurs et platines de déplace­ment (New­port, Thor­labs),
- Sta­tions de test sous pointe (Sig­na­tone),
- Oscil­lo­scopes numériques (Lecroy),
- Gauss­mètres (Lakeshore),
- Mul­ti­mètres (Keith­ley),
- Pom­pes à vides,
- Son­des de tem­péra­ture et de pression.

Et bien sûr, les com­posants spé­ci­fiques de détec­tion de par­tic­ules (cir­cuits inté­grés) et en par­ti­c­uli­er ceux qui sont dévelop­pés par le lab­o­ra­toire Omega (Organ­i­sa­tion de micro-élec­tron­ique générale avancée, CNRS/École polytechnique).

Un sys­tème tel que Pyra­me est fréquem­ment util­isé au sein d’une expéri­ence con­join­te­ment avec d’autres logi­ciels de pilotage. C’est pourquoi PYRAME est facile à inter­fac­er avec de nom­breux lan­gages (C,C++,Python, R), et sys­tèmes (Tan­go, OPC-UA, XDAQ), ce qui facilite son inté­gra­tion. Son mod­ule de com­mande est égale­ment suff­isam­ment sim­ple pour pou­voir être embar­qué directe­ment dans de l’élec­tron­ique. On peut ain­si utilis­er toute carte à base de processeurs ARM (type Rasp­ber­ry-Pi) ou même des cartes plus légères comme les Arduinos, grâce à une librairie dédiée.

Afin de faciliter la con­fig­u­ra­tion lorsque les sys­tèmes sont com­plex­es, PYRAME four­nit un mod­ule spé­ci­fique de con­fig­u­ra­tion cen­tral­isée. Celui-ci per­met à par­tir d’un sim­ple fichi­er XML de dis­tribuer la con­fig­u­ra­tion à tous les mod­ules en fonc­tion de leurs besoins opéra­tionnels. Il est égale­ment syn­chro­nisé avec les mod­ules pour réper­cuter en temps réel les mod­i­fi­ca­tions de con­fig­u­ra­tion demandées par l’u­til­isa­teur. Lors de chaque prise de don­nées, un copie de ce fichi­er est effec­tuée, per­me­t­tant de con­naitre avec pré­ci­sion les con­di­tions expéri­men­tales correspondantes.

Une autre fonc­tion­nal­ité intéres­sante de PYRAME est sa chaîne d’ac­qui­si­tion, per­me­t­tant de récolter et de stock­er des don­nées avec un débit max­i­mum de 4Gb/s. Elle est basée sur un sys­tème de plu­g­ins, qui per­met d’ac­quérir des don­nées sur des sup­ports très divers (bus série ou par­al­lèle, réseaux, cap­teurs…). L’u­til­i­sa­tion de ces dif­férents sup­ports n’est pas exclu­sive, ren­dant ain­si la chaîne véri­ta­ble­ment mul­ti­mé­dia et multiformat.

Les don­nées col­lec­tées sont ensuite dis­tribuées par un bus logi­ciel, selon plusieurs modal­ités. Tout d’abord un stock­age sur disque et une dis­tri­b­u­tion par mémoires partagées pour per­me­t­tre un traite­ment local à haut débit, puis une dis­tri­b­u­tion par réseau pour effectuer des traite­ments dis­tants si nécessaire.

Un sys­tème de décodeurs en ligne per­met égale­ment de trans­former les don­nées brutes en don­nées struc­turées et de les met­tre à dis­po­si­tion de tout pro­gramme de traite­ment via un mécan­isme appelé dis­patch­er. Celui-ci per­met de dis­tribuer ces don­nées au rythme des pro­grammes de traite­ment, sans risque d’en­gorge­ment de la chaîne par un mécan­isme de sub-sam­pling. Les pro­grammes de traite­ment peu­vent égale­ment dis­tribuer leurs résul­tats via ce mécan­isme per­me­t­tant ain­si de for­mer de véri­ta­ble chaînes de traite­ment des don­nées (pipeline).

Le sys­tème PYRAME est util­isé sur de nom­breux bancs de test au LLR et dans ses lab­o­ra­toires parte­naires. En par­ti­c­uli­er, il est util­isé de manière exclu­sive pour tous les développe­ments du SiW-Ecal, le pro­to­type de calorimètre élec­tro­mag­né­tique dévelop­pé au LLR pour le futur col­li­sion­neur linéaire (ILC). Pour ce pro­to­type, une DAQ générique (chaîne d’ac­qui­si­tion for­mée de cartes élec­tron­iques) a été développée.

Pour ce pro­to­type, de nom­breux pro­grammes de mon­i­tor­ing (basés sur le mécan­isme de dis­patch­er) ont été conçus. Ils per­me­t­tent de sur­veiller la qual­ité des don­nées et de recon­stru­ire les traces de par­tic­ules en temps réel et même en faire un ajuste­ment (fit).

PYRAME a été déployé dans le cadre de  l’ex­péri­ence WAGASCI au Japon dont le but est de quan­ti­fi­er avec pré­ci­sion l’in­ter­ac­tion des neu­tri­nos avec plusieurs types de noy­aux atom­iques. Le sys­tème est instal­lé au J‑PARC à Tokaï au Japon. Il a été conçu en col­lab­o­ra­tion avec le LLR  sur la base de la DAQ générique et de Pyrame.

Le pre­mier test en fais­ceau sur l’ex­péri­ence WAGASCI a eu lieu en octo­bre 2017 et le sys­tème a fonc­tion­né par­faite­ment, illus­trant le suc­cès de notre stratégie basée sur l’évolutivité.

Trois images du détecteur WASCASI, de la DAQ pilotée par PYRAME et des résul­tats de mesures.

PYRAME est mis à dis­po­si­tion de la com­mu­nauté sous une licence libre (LGPL). Les sources sont disponibles ain­si qu’une doc­u­men­ta­tion tech­nique com­plète sur le site web dédié : Pyra­me

Con­tact : Frédéric Mag­ni­ette (LLR)