Master's Thesis

Scanning system controller

Final Thesis 8.24 MB Appendix 1.55 MB

Author of thesis: Bc. Jakub Šimík

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Vojtěch Dvořák, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Lukáš Fujcik, Ph.D.

Abstract:

This thesis presents a basic analysis of the operation of a scanning electron microscope, its selected components and a custom implementation of UDP/IPv4 communication over a 10 Gb/s ethernet interface. Based on this analysis, an FPGA device architecture is designed that is capable of controlling the scanning of the electron microscope while simultaneously acquiring image data, processing them and transmitting them to a PC in real time. First a simplified prototype is developed and tested through simulations, then it is used to control a real electron microscope. Subsequently, a full version based on the proposed architecture is created and tested through simulations. Finally, a demonstration implementation for a selected FPGA is carried out.

Keywords:

FPGA, 10 Gb/s Ethernet, SEM, sample rate conversion, XGMII

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student seznámil státní zkušební komisi s řešením své diplomové práce a zodpověděl otázky a připomínky oponenta. Dále odpověděl na otázky komise: Jaká byla motivace této práce? Student objasnil, co bylo jeho nápad a co diskutoval s kolegy. Student dále popsal, kdy bude hotová plná verze. Má smysl měnit použité FPGA za jiné v elektronovém mikroskopu? Student objasnil důvod změny FPGA. Jak je na tom konkurence? Student odpověděl, že zajímavě, objasnil, z čeho vychází a porovnal konkurenční řešení.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Microelectronics (MPC-MEL)

Composition of Committee

doc. Ing. Lukáš Fujcik, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Vilém Kledrowetz, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Ivan Szendiuch, CSc. (člen)
doc. Ing. Jaroslav Kováč, Ph.D. (člen)
Ing. Břetislav Mikel, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jaroslav Boušek, CSc. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Vojtěch Dvořák, Ph.D.

Student Bc. Jakub Šimík vypracoval diplomovou práci s názvem Řízení rastrovacího systému. V práci se zabývá návrhem digitální části pro rozmítání svazku elektronového mikroskopu a následného odeslání naměřených dat do počítače skrze rozhraní Ethernet.
V teoretické části práce je čtenář nejprve seznámen s elektronovým mikroskopem a popsán způsob rozmítání elektronového svazku a následně je stručně představeno rozhraní 10Gb/s Ethernetu. Praktická část práce se zabývá popisem architektury zařízení, představením jeho dílčích částí a testování prototypu zařízení. Pro otestování návrhu student zvolil cestu realizace zjednodušeného prototypu, který byl postaven na zařízení, jež student realizoval ve své bakalářské práci. Tento zjednodušený prototyp umožnil demonstrovat funkčnost rozmítání svazku při různých konfiguracích a také správné vzorkování a odesílání dat, ovšem jen po pomalejší lince 1Gb/s Ethernetu. Funkce, které nebylo možné ověřit na zjednodušeném prototypu pak byly ověřeny pomocí simulací.
Po formální stránce mám k práci jen několik málo připomínek. Text práce je místy méně čtivý a názvy některých kapitol, které popisují funkční bloky, neodpovídají názvům použitým v přehledových obrázcích. Student pracoval samostatně, po celý semestr pravidelně docházel na konzultace a prezentoval dosažené výsledky.
Zadání práce považuji za zcela splněné a vzhledem k drobným formálním nedostatkům navrhuji hodnocení A/96 bodů. Points proposed by supervisor: 96

Grade proposed by supervisor: A

Předložená diplomová práce se zabývá návrhem řídicího systému pro rastrovací elektronový mikroskop (SEM) realizovaného v programovatelném hradlovém poli FPGA. Součástí řešení je generování vychylovacích signálů elektronového svazku, akvizice a zpracování obrazových dat z více kanálů a jejich přenos do počítače prostřednictvím rozhraní Ethernet. Pro komunikaci s nadřazeným systémem je využito rozhraní SPI, zatímco obrazová data jsou přenášena pomocí protokolů UDP/IPv4 po rozhraní 10Gb Ethernetu.

Práce má celkově 83 stran včetně příloh a je rozdělena do sedmi kapitol. Úvodní kapitoly se věnují rozboru principu funkce rastrovacího elektronového mikroskopu a použitých komunikačních rozhraní. Na základě provedeného teoretického rozboru je následně navržena architektura zařízení implementovaného v FPGA. Další části práce popisují postup implementace, vytvoření funkčního prototypu zařízení, jeho ověření simulacemi i praktickými experimenty na reálném elektronovém mikroskopu. V závěru je představena plná verze systému podporující přenos více obrazových kanálů prostřednictvím 10Gb Ethernetu a její implementace do cílového FPGA.

Odborná úroveň diplomové práce je velmi dobrá. Student řeší poměrně komplexní problematiku kombinující návrh FPGA systémů, vysokorychlostní ethernetovou komunikaci a řízení rastrovacího elektronového mikroskopu. Po technické stránce oceňuji zejména realizaci funkčního prototypu a jeho ověření na reálném SEM. Plná verze zařízení byla ověřena pouze simulacemi, což lze považovat za drobný nedostatek práce.

Logická struktura práce je přehledná a jednotlivé kapitoly na sebe vhodně navazují. Formální stránka práce je na dobré úrovni s minimem překlepů a stylistických nedostatků. Grafické zpracování obrázků a blokových schémat je dostatečně přehledné. Drobnou výtku mám k sazbě dokumentu, kdy se v nachází obrázek a jeho popisek na různých stranách (str. 48-49).

Předložená diplomová práce odpovídá zadání v plném rozsahu. Přes drobné výtky hodnotím práci stupněm A/96 bodů. Topics for thesis defence:
  1. Jaká je skutečná maximální datová propustnost navrženého systému po započtení režie Ethernet, IPv4 a UDP protokolů?
  2. Jaký vliv má nastavení převzorkování na výsledný poměr signál/šum a dobu pořízení snímku?
Points proposed by reviewer: 96

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová