Design and implementation of a new Controller for CERN's sub-ppm stable Current source

This work describes the design and development of the controller of the CERN DCTT Calibrator (CDC), a critical component in the power converter controls system in CERN’s facilities. The CDC is responsible for providing an accurate and reliable current that can be used to calibrate current sensors or other devices. The development of the controller of such an instrument is described in the following pages, following a hardware upgrade that was carried out in the recent past. The research begins with an introduction to CERN and the LHC, setting the stage for understanding the significance of the CDC within this context. The thesis then explores the CDC’s working principles, its recent upgrade, and the control system requirements for its operation. Special attention is given to the explanation of the working principle of DCCTs (Direct-Current Current Transformers) and the stringent calibration requirements they must meet. A key focus of the thesis is the hardware and software aspects of the CDC. It presents a comparative study of different system-on-chip (SoC) solutions, highlighting the adoption of the Zynq system and the use of FPGA (Field-Programmable Gate Array) technology. The thesis also addresses the application of Continuous Integration/Continuous Deployment (CI/CD) methodologies in FPGA development, leading to a leap in development efficiency and reliability. The software development section describes the Petalinux operating system and the development of the Python application and user-space drivers. Lastly, the thesis presents application and performance testing methodologies, including continuous integration and deployment strategies, to ensure the CDC’s robustness and reliability. The performance assessment section provides an overview on the challenging metrological validation of the instrument’s performance and the results of the tests carried out.

Questo lavoro descrive la progettazione e lo sviluppo del controller CERN DCCT Calibrator (CDC), un componente cruciale nel sistema di controllo dei convertitori di potenza nell’infrastruttura del CERN. Il CDC è responsabile della fornitura di una corrente di riferimento precisa e affidabile che può essere utilizzata per calibrare sensori di corrente e altri dispositivi. Le seguenti pagine descrivono lo sviluppo del controller di tale strumento, a seguito di un aggiornamento hardware che è stato effettuato di recente. La ricerca inizia con un’introduzione al CERN e al LHC, preparando il terreno per comprendere l’importanza del CDC in questo contesto. La tesi esplora quindi i principi di funzionamento del CDC, il suo recente aggiornamento e i requisiti del sistema di controllo per il suo funzionamento. Particolare attenzione viene dedicata alla spiegazione del principio di funzionamento dei DCCT (Trasformatori di Corrente a Corrente Diretta) e ai rigorosi requisiti di calibrazione che devono soddisfare. Un focus chiave della tesi è sugli aspetti hardware e software del CDC. Presenta uno studio comparativo di diverse soluzioni system-on-chip (SoC), risultato nell’adozione del sistema Zynq e l’uso della tecnologia FPGA (Field-Programmable Gate Array). La tesi affronta anche l’applicazione delle metodologie di Continuous Integration/Continuous Deployment (CI/CD) nello sviluppo FPGA, portando a un salto in termini di efficienza e affidabilità dello sviluppo. La sezione dello sviluppo software descrive il sistema operativo Petalinux e lo sviluppo dell’applicazione Python e dei driver in user-space. Infine, la tesi presenta metodologie di test di applicazione e di performance, inclusi strategie di integrazione e distribuzione continue, per garantire la robustezza e l’affidabilità del CDC. La sezione di valutazione delle performance fornisce una panoramica sulla sfida della validazione metrologica delle prestazioni dello strumento e sui risultati dei test effettuati.