Session: 3C Selbstoptimierende Scanpfad-Regelung für Modulare Laser Scanning Mikroskopie

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1 Session: 3C Selbstoptimierende Scanpfad-Regelung für Modulare Laser Scanning Mikroskopie LaVision BioTec GmbH / CITEC Uni Bielefeld, AG Kognitronik & Sensorik 10. Oktober 2017 Lemgo

2 Agenda Abschlusspräsentation Einführung Zielsetzung Ergebnisse Resümee und Ausblick Human Lungth it s OWL Clustermanagement GmbH

3 Einführung Spezialmikroskope Life Science 44 Beschäftigte 8 Mio. Umsatz Trendsetter Erstes kommerzielles OPO-2P-Mikroskop (2005) Erstes kommerzielles Light Sheet Mikroskop (2009) Erster Cloud Scanner (2012) Erstes Horizontal-2P-Mikroskop (2014) Internationale Forschungseinrichtungen 250+ Kunden (Yale, Stanford, MPI s, ) Immunologie, Neurologie, Entw.-Biologie internationale Veröffentlichungen mit LaVision BioTec Mikroskopen it s OWL Clustermanagement GmbH

4 Einführung 8 Stunden Entwicklung eines Zebrafisch-Embryos, Horizontal-2P-Mikroskop [Eigentum von Nadine Peyriéras, Director BioEmergences, Gif-sur-Yvette, France] it s OWL Clustermanagement GmbH

5 Einführung Calcium Imaging in Mice [Eigentum von Prof. Herms and Petar Marinkovic, LMU Munich] it s OWL Clustermanagement GmbH

6 Einführung Vorstellung des Transfergebers Exzellenzcluster Kognitive Interaktionstechnologie & Institut für Kognition und Robotik Interaktive Intelligente Systeme Mensch-Maschine Interaktion Maschinelles Lernen Mitarbeiter > 280 Wissenschaftler AG Kognitronik und Sensorik Hardware und Software für eingebettete Systeme Ressourceneffiziente Mikroelektronik Anwendungsorientierte Systemintegration it s OWL Clustermanagement GmbH

7 Image Generation -intern/extern AXI-Stream Aurora-Status Configuration IP AXI-Lite (16A32D) Interconnect (AXI-Crossbar V.2.1) Einführung Motivation/ Ausgangssituation für das Transferprojekt Mixed-Signal FPGA Modul Verstärker für Photosensoren 2 Kanäle 250 MSPS ADC 2,5 GB/s serielles Interface Anschluss mittels HDMI-Kabel Kompetenz der AG Kognitronik rund um programmierbare Logik Unkomplizierte Zusammenarbeit Räumliche Nähe FPGA IOs FPGA IOs IP SPI (Quad V.3.2) -ADC S ADC-Stream AXI-Lite BX.M5 S IP JESD204B (V.4.0) - 4Byte Stream -ADC DPMT-Modul AXI-Lite BX.M6 Data Generation -z.b. Offset Data Pixel Counter Data Adjustment -ex. Bitshift Protocol Formatting IP AXI Stream Data FIFO (V.1.1) IP IIC (V.3.2) -PLL S AXI-Lite BX.M3 S FPGA IOs AXI-Lite BX.M2 AXI-Stream Trigger IP SPI (Quad V.3.2) -DAC S GPIO AXI-Lite BX.M4 IP Aurora 8B/10B (V.10.3) - 4Byte Stream Protokoll Interconnect (AXI-Stream Data Width Converter V1.1), M (AXI-MMtS V1.1), (AXI_Protocol Converter V.2.0), (AXI-ClockConverter V2.1) TRIGGER_IO -PixelCLK,Trig1,Trig2 FPGA IOs FPGA-IOs Aurora Status Interface-Configuration Auto-Konfiguration (Modultyp-spezifisch) FPGA-IOs Flash Configuratuin S AXI-Lite AXI-Lite BX.M1 AXI-Lite BX.M0 S Konfiguration CLK MGMT (IP Clocking Wizard V.5.1) FPGA-IOs ADC-ICore DAC-ICore PLL-ICore DPMT-MCore Modul-ICore Xilinx-IPs FPGA IOs Transfergeber hilft beim Überwinden der Komplexität moderner PGL it s OWL Clustermanagement GmbH

8 Agenda Abschlusspräsentation Einführung Zielsetzung Ergebnisse Resümee und Ausblick Human Lungth it s OWL Clustermanagement GmbH

9 Zielsetzung Spiegel mit motorischem Antrieb Bis ca. 2,5 khz xy Galvo Scanner Resonant Mirror Herstellerspezifische Elektronik Bewegungsartefakte Alterungseffekte it s OWL Clustermanagement GmbH

10 Zielsetzung P7 P8 P23 P4 P5P6 P24P1 P3 P2 xy Galvo Scanner Resonant Mirror Television Modes (ROI) Multi ROI Targeted Path Multi Point it s OWL Clustermanagement GmbH

11 Zielsetzung xy Galvo A DAC 20kHz Position A ADC 100kHz xy Galvo A DAC 20kHz Position A ADC 100kHz FPGA basierte Steuerung Resonant Mirror A DAC 20kHz Intelligente Steuerung für Scanner Controller für verschiedene Scanner im gleichzeitigen Betrieb konsistentes Timing über alle Scanner Herstellerunabhängig Möglichkeiten der Selbstoptimierung im FPGA Selbstlernender PID Fuzzy Logic Kompensation der mechanischen Alterung Kompensation Erwärmung it s OWL Clustermanagement GmbH

12 Zielsetzung Synchronität Bisherige Abtastung Galvo Synchronisation erlaubt genaueres zuordnen von Detektordaten zur Probe» Höhere Genauigkeit Laser Detektor Höhere Abtastraten erst durch Synchronität und Regelung sinnvoll Zellen der Probe it s OWL Clustermanagement GmbH

13 Zielsetzung Synchronität SeScan Abtastung Gavlo Synchronisation erlaubt genaueres zuordnen von Detektordaten zur Probe» Höhere Genauigkeit Laser Detektor Höhere Abtastraten erst durch Synchronität und Regelung sinnvoll Zellen der Probe it s OWL Clustermanagement GmbH

14 Vorgehensweise Konzepterstellung durch LaVision BioTec Diskussion mit der AG Kognitronik Schaltungsentwurf der AG Kognitronik Review der Schaltung bei LaVision BioTec Entflechtung und Realisierung bei der AG Kognitronik Review der Entflechtung bei Lavision BioTec Übergabe des Designs an LaVision BioTec it s OWL Clustermanagement GmbH

15 Vorgehensweise xy Galvo Position xy Galvo Position Resonant Mirror GP Usage Spare Single Ended GPIO A A A A A A DAC 20kHz ADC 100kHz DAC 20kHz ADC 100kHz DAC 20kHz DAC 20kHz ZYNQ LVDS LVDS 16 Trigger Signale PxlClk Line Frame Blank Spare Features: Rekonfiguration Übermittlung von Scanparametern Baseboard Konzept durch LaVision BioTec it s OWL Clustermanagement GmbH

16 Vorgehensweise Diskussion mit der AG Kognitronik it s OWL Clustermanagement GmbH

17 Vorgehensweise Review der Schaltung bei LaVision BioTec it s OWL Clustermanagement GmbH

18 Agenda Abschlusspräsentation Einführung Zielsetzung Ergebnisse Resümee und Ausblick Human Lungth it s OWL Clustermanagement GmbH

19 Ergebnisse Trigger Fabric - Hardware Mixed-Signal FPGA Modul Interfacing der ADC/DACs 4x Galvo Scanner 2x Resonant Scanner Synchronisation der Achsen mit dem Pixeltakt Optimale Scanpfad Berechnung Firmware-Upload (Rekonfiguration) im Betrieb möglich it s OWL Clustermanagement GmbH

20 Agenda Abschlusspräsentation Einführung Zielsetzung Ergebnisse Resümee und Ausblick Human Lungth it s OWL Clustermanagement GmbH

21 Resümee und Ausblick Resümee Fertiges PCB-Design unserer Steuerung Know How über Design-In von Zynq Bausteinen konnte übertragen werden Es wird eine Basistechnologie geschaffen, die uns unabhängig von Zulieferern macht Ausblick Trotzdem noch ein langer Weg bis zum Produkt Integration Programmierbare Logik ARM Controller (Applikationsebene) PC Anbindung in unsere Imspector -Software it s OWL Clustermanagement GmbH

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!