1  

Grenzgenial – Speed of Light 

V 0.00  3 November 2011 

Markus Friedl  markus.friedl@oeaw.ac.at 

Institute of High Energy Physics (HEPHY) of the Austrian Academy of Sciences   www.hephy.at  

 

2  

General Description 

“Grenzgenial“ is a German word which cannot easily be translated. A rather straight attempt would 

result in something like “borderline ingenious”. This was the title of an exhibition to visualize borders 

of all kind, and  this was our contribution  to visualize  the  speed of  light  limit  involving  the LHC.  In 

particular, the speed converges towards c even though the energy scale rises quickly. This nonlinear 

behavior is demonstrated in an intuitive way by this exhibit. 

Grenzgenial  –  Speed  of  Light  is  a  desktop  object which  can  easily  be  transported  in  a  car.  The 

dimensions are given below. The object has an IEC connector on the rear and  is operated by mains 

power (<50W). A standard switching PC power supply is used, so it can normally operate in all areas 

worldwide. 

 

The user interaction is quite simple: A single rotating knob controls the status. 

After power‐on or after a timeout period of approximately one minute, the object is in sleep mode. 

Red LEDs around the knob pulsate in order to attract the viewer. Once the knob is touched, energy 

and speed are displayed (starting from zero), and the beam rotation in the LHC is indicated by buried 

LEDs. Moreover, a sound  is played with a  frequency depending on the present energy. The energy 

can be ramped up to 7TeV, the maximum energy of the LHC protons.  In certain regions, additional 

panels  in the center  light up to  indicate a comparison. As  it  is  impossible to follow the LHC proton 

circulation by eye already at low energies, another circle of LEDs arranged around the globe show the 

speed if the LHC was as big as the earth. 

   

% cElektronvolt (eV)

Geschwindigkeitder Protonen im LHC

Energieeines Protons im LHC

Etwa so schnell muss eine Rakete fliegen, um die Erde verlassen zu können 11 km pro Sekunde!

–

D i e H e l i o s -R a u m s o n d e n s i n d z i r k a s o schnell nichts, was der Mensch je gebaut hat, ist schneller!

–

U n g e f ä h r s o schnell bewegt s i c h u n s e r e M i l c h s t r a ß e durchs Univer-sum.

Fast so schnell wie das Licht! Die Geschwindigkeit steigt nun kaum noch, aber die Energie nimmt weiter zu.

Volle Energie des LHC! Ein Proto-ne ns t ra hl ha t nun die Wucht von über tausend r e n n e n d e n Elefanten!

Die Energie steigt am Anfang langsam, dann immer schneller, wenn Du am Regler drehst.So schnell würden die Protonen die Erde umkreisen.

km/h

Lichtgeschwindigkeit c = 299 792 458 m/s = 1 079 252 848.8 km/h

1 eV 1.60 10 J = 0.000 000 000 000 000 000 16 Joule

keV

Millionen

eV

Tausend

MeV

Milliarden

GeVTeV

Beschleunige Protonen im LHC!

638

mm

336 mm466 mm

Weight: approx. 20kg

Min

imum

rea

r si

de d

ista

nce

to w

all:

5cm

(ca

ble,

ven

tilat

ion)

Rubber feet. Loudspeaker is integrated in the base plate.

3  

Electronics 

Schematics, PCB layouts, assembly schemes, bills of material and a full set of Gerber files are given in 

order to produce the PCB boards and assemble them. The LHC panel is composed of 2 layers, while 

the front panel (main PCB) needs 4. Sizes and layer buildup are given in the zipped Gerber archives. 

Please take care of the height of LEDs particularly on the front panel (see section “Graphics and post‐

processing” for details). The PIC16F84 must be placed on a socket  in order to be programmed by a 

PIC programmer and inserted into the PCB thereafter. 

A few components need to be placed outside of the PCBs:  

A standard ATX power supply (can be old, low power) is screwed onto the rear wall 

An audio amplifier with an inductor (for power), a potentiometer and a damping resistor can 

either be placed on the rear wall or on the base plate (see schematics for wiring scheme); the 

audio signal is provided on a LEMO connector on the main PCB. 

A speaker is placed on the base plate 

The optical encoder is attached by a cable 

A special serial cable (D‐Sub‐9 to IDC‐10) is necessary for initial flash memory programming 

(see section “Firmware”) 

Moreover, power and data cables are required between the two PCBs and the power cable for the 

backlit panel (12V) is also attached to the main PCB. 

   

4  

Firmware  

Once the main board is ready, the firmware can be uploaded. The process described here does not 

require the LHC board nor any external parts except for the power supply. 

The firmware is divided into two parts: An Altera FPGA handles all the real‐time issues such as PWM, 

LED orbits and sound generation, while the PIC microcontroller takes care of the higher‐level control. 

Moreover, an 8 MBit flash memory is included on the main PCB which contains all the data for the 

LED displays depending on the knob setting. This memory must also be programmed over a serial 

interface. 

The Altera firmware is provided as a schematics drawing and as a POF file. In order to program the 

Altera onboard (using only the POF file), a ByteBlaster or USB‐Blaster device is needed. The board 

must be powered when programming. Please note that the connector on the main board is possibly 

smaller than the standard ByteBlaster plug, but the pinout is the same. Thus, a 1:1 adapter may be 

required. 

In a second stage, the PIC16F84 needs to be programmed using a PIC programmer. Just the HEX file 

is sufficient for that, although the full sources are provided as well. 

Finally, the flash memory on the main PCB needs to be programmed. This requires a Windows PC 

with a serial interface (so far, we always used Windows XP, as Win 7 did not work well) to be 

connected to the powered main board. A flat cable onto which a female D‐Sub‐9 connector on one 

end and a female IDC‐10 connector on the other end are pressed (with matching pins 1) can be used 

to establish the connection between PC and the main board (only RD, TD and GND are used; see 

schematics for details). 

The software to load the flash is written in LabWindows/CVI 8.1 by National Instruments, but an 

installer package is provided for users which do not have this software installed. If you have, just 

unpack the source archive which also includes the EXE file and run it. Otherwise, the flash program is 

installed along with the required run‐time libraries. 

When starting the software, you are asked to enter the serial port number. Then, this panel pops up.  

 

First, load the CSV table provided using the leftmost button and the file selection dialog. Then, you 

may click “Read Version” and “Read ID” in order to test if the serial connection works. The present 

PIC firmware version should read 08 and the ID number is provided by the flash memory. 

Once the connection is verified, hit “Unprotect”, “Erase Chip” (takes a few seconds if successful) and 

“Download Sequence” (takes roughly one hour). The progress is indicated on the screen. In total, 

2048 lines will be programmed. If the process is interrupted, it needs to be started from the 

beginning.   

5  

Mechanics 

The  frame  of  the  exhibit  is  produced  from  off‐the‐shelf  profile  bars. We  used  the  Bosch‐Rexroth 

30x30 mm2 series, but similar objects are also offered from other companies. Our design relies on a 

notch width of 8mm  in  the profiles  at  several  locations;  thus  some  alterations  are needed  if  this 

differs. 

Mechanical drawings are provided, specifying  the parts needed  for assembly of  the  frame and  the 

panels to cover the sides: In the rear, a massive plastic plate (8mm thick) is used with an opening for 

the power supply. The side panels are made from twin‐wall sheets and the bottom plate  is a metal 

matrix sheet, because a speaker is internally attached and it is also used as an air inlet. 

The top part (showing and aerial view of the LHC) uses a commercial backlight display in A3 format. 

Its name is “SlimLight classic (LED)” and it comes in various different builds. We use the model with 

rectangular edges (not rounded) and a frame width of 33mm. The depth of the frame is 27mm. We 

purchased the frame at the Austrian company www.tiedemann.at , but it seems to be available with 

many other vendors as well. Moreover, we ordered a  second plastic  foil  (normally put above  the 

printed sheet; Tiedemann part no. EFCL‐A3) so that we can put this foil on both sides of the printed 

sheet (this improves the optical appearance of the buried LEDs). We also ordered additional pieces 

of  the  same  special acrylic plastic  (it contains  some additives  that make  it homogeneously bright) 

that is used in the backlight display to be used for the comparison regions arranged in the center of 

the display. The size of those pieces is 80x46x8 mm3; and five pieces are needed. The only thing we 

did not need  (and  that  is usually part of  the delivery)  is  the power  supply – we power  the whole 

exhibit using a commercial PC power supply. 

Part  numbers,  quantities  and  lengths  of  the  Bosch‐Rexroth  profiles  are  given  in  the mechanical 

drawings.  Screws,  mounting  material  and  plastic  covers  are  not  listed  explicitly,  but  should  be 

ordered as well  (see photo on  first page  for some details). Moreover,  it  is highly recommended  to 

attach rubber feet to the base of the frame (also available from Bosch‐Rexroth). Depending on the 

volume  of  the  speaker,  it may  cause  vibration  and movement  of  the  whole  exhibit. Moreover, 

scratches on the table can be avoided by rubber feet. 

The knob (see drawing) for user interaction is glued into a pin (see drawing) which resides in a roller 

bearing, part no. NKXZ7 from Misumi, www.misumi.de . That bearing is attached to the small plate 

(see drawing) and the pin  is eventually fixed with a circlip. The rotary optical encoder part (Bourns 

EM14A0D‐C24 L064N) is attached to the pin using a small piece of semi‐flexible silicone tube. Please 

have a look at the drawings to see how to assemble those parts. 

A  drawing  is  provided  for  the  milling  and  drilling  scheme  of  the  front  panel;  moreover,  the 

coordinates of the LEDs are given  in a Excel spreadsheets for both panels.  In case of the LHC aerial 

view, the holes are made into the acrylic plate of the backlit frame. A drawing shows the offset of the 

PCB behind the panel to its frame. That PCB is attached to the acrylic glass by sticking the LEDs into 

the holes. In the final assembly, some rubber foam can be put between the PCB and the rear wall to 

gently press the PCB against the acrylic glass. 

   

6  

Graphics and post‐processing 

The two panels are shown here together with the names of the print quality files (300dpi). The front 

panel is also available as an editable CorelDraw X4 file (requires the Myriad Pro font family). 

lhcpanel.pdf  frontpanel_graphics_en.pdf 420 x 297 mm2  424 x 264 mm2 

Two  panels  need  to  be  printed.  As  they  are  both  illuminated  from  the  back  side,  it  requires  a 

backlight foil as offered by print shops. We used an Austrian company, www.digitaldruck.at , for this. 

The product chosen is called “Backlight per m² Spezialfolie ultrahochauflösend” (ultra‐highres special 

backlight  foil):  http://www.digitaldruck.at/produkte/grossbildtechnik/backlight/back/folie  (costs 

about 30€ for both panels, arranged on a single sheet and cut by yourself). 

The LHC aerial will be put in the backlit A3 frame as is. 

The front panel sheet, however, requires some 

additional treatment. First, a hole needs to be 

cut in the center of the red area in order to put 

the  knob  axis  through.  Secondly,  the  white 

areas for LEDs behind the acrylic glass need to 

be  made  transparent.  Those  areas  are 

indicated in the picture to the right. 

We used a soft cloth moistened by “Solvent 50” 

(normally used to remove sticky  labels; Farnell 

part  no.  1328070),  a  terpene mixture  that washes  away  the white  base  cover  on  the  otherwise 

transparent  backlight  foil,  but  does  not  attack  the  printed  colors.  As  production  techniques may 

differ, we cannot guarantee the same result with other vendors of backlight foil or cleaner. 

In order to increase the brightness of the non‐lit parts of the panel, it is recommended to spray the 

aluminum plate underneath  the  front panel with white  color – except  for  the  counter  sunk holes 

around  the  knob.  These  have  120°  openings  in  order  to make  brighter  lights  and  should  remain 

metallic.  Thus,  cover  that  area  (shown  in  grey  in  the  picture  below)  with masking  tape  before 

spraying. 

Finally,  thin  red  and  blue  foil  shall  be  put  over  the  openings  for  the  7  segment  LED  displays  to 

improve the contrast. This foil can be obtained at stationery shops (we found suitable colors with a 

pack of assorted transparent envelopes). The picture below shows the areas for blue and red foils. 

keV

Millions

eV

Thousands

MeV

Billions

GeVTeV

7  

 

A cross‐section of the front panel assembly is shown below. It consists of (outside to inside) a 

transparent acrylic glass panel (3mm thick), the backlight foil, the aluminum plate mentioned above 

(3mm) and the assembled PCB with the special acrylic glass in the centered part. 

 

The special acrylic glass pieces  (80x46 mm2, 8mm  thick) are wrapped with self‐adhesive aluminum 

tape on three sides (except for the side of the white LEDs which are bent by 90° to light up the acrylic 

glass). Moreover, the back side (which resides on the PCB) is also covered with the foil. The first 10 

mm next to the LED do not give homogeneous light and thus are covered under the aluminum plate.  

Sockets are recommended for the 7 segment LED displays to bring them closer to the backlight foil. 

The LEDs should also be mounted in such way that they reach the correct height (11mm above PCB). 

Cover this area when spraying white paint

Tape blue and red foils to enhance contrast of 7 segment LED displays

3.0

0 m

m

3.0

0 m

m

8.00

mm

Square LED(5 x 5mm) Bent white LED

Single Digit LED (Display) on socket (9.6 x 13 mm)

Display field 63 x 37 mm(usable for picture + text)

67.00 mm

80.00 mm

10.00 mm

41.

00

mm

Aluminum

Acrylic glass

Special Acrylic Glass*

* wrapped with self-adhesive Aluminum tape on sides (except where LEDs are)and on back to increase brigthness

Backlight foil

Blue or red foil above LED digits(attached with tape to aluminum sheet)