한국기초과학지원연구원 - FPGA 기반의 FT-ICR MS Data Station 개발

Author(s):
김승용 선임기술원 - 한국기초과학지원연구원 질량분석기개발팀

Industry:
Energy/Power

Products:
PXI/CompactPCI, FPGA Module

The Challenge:
Rymic 사에서 개발된 전압 출력 보드가 아래의 그림 1과 같이 오작동 신호의 출력으로 인해, 전체 FT-ICR MS 운용에 어려움을 겪게 되었다.

The Solution:
본 FPGA 기반의 FT-ICR MS(Mass Spectrometer) Data Station은 질량분석기 내로 주입된 이온의 이동과 측정을 위한 전자 장치들의 정밀한 신호 제어, 고속 및 고해상도의 데이터를 획득할 수 있다. FPGA 보드를 이용하여 통합 제어 보드를 설계 및 구현하여 기존 아날로그 출력 신호의 불안정성을 개선하였고, 개발 비용 및 시간을 단축 할 수 있었다.

2007 버추얼 인스트루먼트 고객솔루션 콘테스트 2등

개발 배경
실험자가 이온의 질량 측정을 목표로 FT-ICR MS 실험을 위한 이벤트 프로그램을 이용하여 제어 하였다. 이벤트 프로그램에 의해 생성된 2개의 이벤트 신호(전압 신호, TTL신호) 중, V전압 신호는 Rymic 사에서 개발된 보드에 의해 출력되고, TTL 신호는 Spincore에서 개발된 보드를 통해서 출력되도록 시스템이 구성되어 있었다. 하지만, Rymic 사에서 개발된 전압 출력 보드가 아래의 그림 1과 같이 오작동 신호의 출력으로 인해, 전체 FT-ICR MS 운용에 어려움을 겪게 되었다.

그림 1. Rymic 보드의 이상 제어 신호

이와 같은 상황에서 FPGA 보드를 이용하여 전압 신호만을 위한 안정된 보드뿐만 아니라, TTL 신호 출력 기능을 가지는 통합 신호 제어 보드를 개발하여, 전압 신호의 안정성과 FT-ICR MS 통합 제어 신호 보드를 개발하게 되었다.

NI 솔루션이 채택된 이유
최적의 성능과 안정성
시스템 통합 용이
개발 시간 단축
비용 절감
쉬운 개발 환경

본론

하드웨어

그림 2. 전체 FT-ICR MS 제어 시스템

그림 3은 하드웨어 아키텍처로 1번은 Spincore와 Rymic 보드 기반의 Data Station (변경 전), 2번은 FPGA 기반의 Data Station(변경 후), 3번은 Data Station에 의해 제어 되는 FT-ICR MS 장비의 간략화 된 모습을 보여준다. 그림의 3번은 다양한 물질의 이온화된 질량을 측정하는 부분이다.

그림 3. FT-ICR Data Station의 하드웨어 아키텍처

그림 4는 사용자가 정의한 신호 이벤트를 통합 신호 제어 칩에 의해 아날로그와 TTL 신호가 동기화돼 출력되어, FT-ICR MS 장비 전체를 제어하는 모습을 보여준다. 사용자는 이온의 질량을 측정하기 위한 이벤트 프로그램을 작성하여, FPGA 신호 제어 칩에 다운로드하고, FPGA는 이벤트 신호를 주어진 이벤트 시간만큼 신호를 출력하여, 이온의 질량 측정을 위한 장비를 제어하게 된다.

그림 4. FPGA 기반의 시스템 흐름도

소프트웨어
그림 5와 같이 FPGA 보드 제어를 위해 Host VI와 FPGA VI를 구성하였고, FPGA 보드는 Host VI를 DLL로 구현하여 메인 제어 프로그램과 통합되어 구현하였다. 참고로, 메인 제어 소프트웨어는 VC++로 구현되었다.

그림 5. FT-ICR 제어 소프트웨어 및 FPGA 보드 제어를 위한
Host VI와 FPGA VI 프로그램

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점
1. 개발 기간 및 개발 비용 절감, 용이한 시스템 통합
기존 두 보드의 총 비용은 $6500이지만, FPGA 보드는 $3900으로 비용을 절감할 수 있었고, 기존 두 보드는 다른 프로그래밍 환경을 제공하여 개발 기간이 수개월 걸렸지만, FPGA 를 이용한 신호 제어 보드는 LabVIEW로 프로그래밍 할 수 있는 환경이 제공되어 3주 만에 개발을 할 수 있었다. 또한, FPGA 프로그래밍은 LabVIEW로 이용하였고, 메인 프로그램은 타 프로그래밍 언어인 Visual C++로 구현하였지만, 두 프로그램을 쉽게 통합 할 수 있었다.

2. 아날로그 제어 신호의 정밀도 향상
아래 그림과 같이 FPGA의 전압의 Rising Time이 기존 시스템보다 약 2배 빠른 Rising Time으로 동작됨을 확인할 수 있었다. 이로써, 이온 측정을 위한 제어 정밀도를 높일 수 있는 계기가 되었다.

그림 6. FPGA 보드의 Voltage Rising Time


그림 7. 기존 보드의 Voltage Rising Time

기존에 개발된 Data Station은 두 신호(TTL, 전압)를 이용해서 FT-ICR MS를 제어할 수 있도록 다양한 제어 보드를 조합하는 방식의 복잡한 구조를 통해서 이온의 질량을 측정해 왔다. 그러나, FPGA 기반의 Data Station은 프로그래밍의 편리성과 유연성 및 정밀한 제어를 제공하는 FPGA의 장점을 유지하면서 기존에 사용한 NI PXI 시스템과 완벽히 통합된 시스템으로서, 앞으로 안정화된 FT-ICR MS 차세대 신호 제어 보드가 될 전망이다.

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