Имеющаяся система регистрации во многом ограничивает возможности мессбауэровского эксперимента. Помимо производительности сюда следует отнести и отсутствие необходимой гибкости и универсальности. Построение гибкой и открытой системы даёт возможность оперативного изменения её конфигурации для нужд эксперимента, кроме того, открытость позволяет развивать и дополнять систему, что является одним из главных принципов при разработке современной экспериментальной техники.

Независимо от способа построения системы регистрации в её структуру входят счётный блок, производящий подсчёт импульсов с детектора γ-излучения, и непосредственно блок накопления.

Счётный блок – производит подсчёт приходящих со спектрометрической линейки импульсов и выдачу их в блок накопления. Он входит в любую систему регистрации и его схема может быть везде одинаковой. Он может быть реализован как стандартный модуль. Другое дело блок накопления. Так как его создание вызывает не мало затрат (как в инженерном так и в экономическом плане) необходимо заранее ясно представлять все требования к нему. Здесь имеется несколько подходов. Их различия заключены в степени использования ресурсов компьютера.

Простейший вариант системы накопления реализован с использованием только ЭВМ, которая в данном случае выполняет функции и накопления и хранения. Такую систему принято называть одноуровневой (рис.2.2а).

Одноуровневая система требует для своего создания минимальных аппаратурных затрат. Здесь промежуточное накопление как таковое отсутствует. Данные сразу передаются в компьютер. Очевидно, что компьютер должен быть способен постоянно (каждые 16 микросекунд) принимать информацию со счетного блока. В такой системе компьютер постоянно занят операциями сбора и накопления и другое его использование вряд ли возможно. Кроме того, под вопрос ставится возможность реализации многоканальных систем.

Более эффективной с точки зрения использования временных ресурсов ЭВМ является двухуровневая модель систем накопления. Здесь возможны два варианта построения таких систем: с использованием микроконтроллера или без него (рис.2.2б).

При использовании блока промежуточного хранения электронная часть берет на себя лишь функции сбора и промежуточного хранения данных, а накопления осуществляется в ЭВМ. Промежуточное хранение данных необходимо, как для упрощения обмена данными с компьютером (используя одно прерывание можно передать весь блок информации, собранный за рабочий цикл), так и для более эффективного использования времени компьютера, и его ресурсов [4]. Несмотря на снижение степени загруженности компьютера, его постоянное присутствие в тракте регистрации всёже необходимо.

Другой вариант подразумевает использование, в качестве второго уровня системы накопления, блока промежуточного накопления с применением микроконтроллера. Такое построение требует от микроконтроллера повышенного быстродействия и достаточно большого объема памяти внешнего ОЗУ. В этом случае всю систему можно рассматривать как одноуровневую по отношению к микроконтроллеру. В зависимости от быстродействия микроконтроллера его применение может быть не ограничено только задачами накопления данных: на него могут быть возложены функции управления некоторыми узлами системы регистрации.

Оптимальным способом исполнения одно- и двухуровневых систем можно считать их изготовление в виде встраиваемых плат расширения (адаптеров). Такие системы могут с успехом применятся в одноканальных системах накопления. Допустимо построение и многоканальных систем с небольшим числом трактов в пределах аппаратных возможностей компьютера или микроконтроллера. Однако не все требования, предъявляемые к многоканальным системам накопления, могут быть при этом удовлетворены.

Полноценная многоканальная система накопления с возможностями автономной работы может быть реализована в виде трёхуровневой системы, которая предполагает использование блока промежуточного накопления на первом уровне, с целью снизить требования к быстродействию управляющего микроконтроллера, имеющего статус звена второго уровня. На верхнем (третьем) уровне находится компьютер. Развивая трехуровневую модель, на основе тех же модулей, можно построить многоканальную систему [4]. Снятие повышенных скоростных требований к микроконтроллеру с помощью блока промежуточного хранения данных позволяет реализовать одновременное накопление с нескольких измерительных трактов (рис.2.2в).

Такую систему удобно построить в виде набора самостоятельных модулей (модульная концепция), в этом случае появляется возможность создания системы накопления любой конфигурации. В таких системах компьютер может использоваться только для хранения спектрометрических данных на энергонезависимых носителях и выдачи команд управления для микроконтроллера. Связь с удалённым компьютером может быть организована по последовательному каналу передачи данных (RS-232, RS-485 и др.).

2.2 Особенности создания систем накопления для многомерной мессбауэровской спектрометрии

Принцип модуляции и трансформации энергетического спектра резонансного излучения в нескольких точках схемы эксперимента достигается введением нескольких механически не связанных, но электрически синхронизованных модуляторов и регистрацией спектров в одной или нескольких точках этой схемы [3].

Использование различных гамма-оптических схем многомерной мессбауэровской спектрометрии или нескольких каналов регистрации в пределах одной схемы даёт возможность получать систему мессбауэровских спектров от одного исследуемого образца.

Последовательное снятие нескольких спектров, в сложных гамма-оптических схемах, приводит к значительному увеличению времени проведения эксперимента.

Таким образом, в многомерной мессбауэровской спектрометрии в целях поднятия эффективности экспериментов существует необходимость создания системы накопления с возможностью одновременного сбора данных от нескольких синхронизованных трактов регистрации (рис.2.2г).

Свойства многомерности и многоканальности должны существовать одновременно, т.е. конструкция многоканальной системы накопления должна удовлетворять требованиям многомерных задач эксперимента.

2.3.Применение микроконтроллеров

Микроконтроллеры в системах накопления применяются, как правило, в качестве промежуточных уровней накопления, с дополнительными функциями управления.

Несмотря на непрерывное развитие и появление всё новых 16- и 32-разрядных микроконтроллеров и микропроцессоров, наибольшая доля мирового микропроцессорного рынка остаётся за 8-разрядными устройствами. Среди всех 8-разрядных микроконтроллеров семейство 8051 является несомненным лидером по количеству разновидностей числу компаний выпускающих его модификации (на сегодняшний день их существует более 200) [5].

Основные элементы базовой архитектуры MSC-51:

-                     8-разрядное арифметико-логическое устройство на основе аккумуляторной архитектуры;

-                     4 банка регистров, по 8 в каждом;

-                     встроенная память программ 4 Кбайт;

-                     внутреннее ОЗУ объёмом 128 байт;

-                     булевый процессор;

-                     два 16-разрядных таймера (счётчика);

-                     контроллер последовательного канала передачи данных;

-                     контроллер обработки прерываний с 2 уровнями приоритетов;

-                     четыре 8-разрядных порта ввода-вывода, два из которых используются в качестве шины адреса/данных для доступа к внешней памяти программ и данных [5].

Основными направлениями развития являются: увеличение быстродействия (повышение тактовой частоты и переработка архитектуры ядра), снижение напряжения питания и потребления, увеличение объёма ОЗУ и FLASH-памяти на кристалле с возможностью внутрисхемного программирования, введение в состав периферии микроконтроллера CAN- и USB-интерфейсов. Микроконтроллеры с каналом SPI обеспечивают возможность внутрисхемного программирования FLASH-памяти.

Таким образом, параметры прелагаемых сегодня на рынке клонов микроконтроллера семейства MSC-51 существенно отличают их от базовой конфигурации. Максимальная тактовая частота кристаллов достигает 40 МГц, объём памяти программ 16 Кбайт, оперативной памяти – 1024 байт и более [5].

Полная аппаратная и программная совместимость многих выпускаемых микроконтроллеров 51-й серии позволяет проводить модернизацию устройств на их основе простой заменой кристалла другим с более подходящими характеристиками.

2.4 Использование современных электронно-модульных систем

Универсальная многоканальная система накопления должна иметь возможность быстрой и лёгкой модернизации и конфигурирования для любых экспериментальных задач. Таким требованиям будет удовлетворять система, построенная по модульному принципу.

Перевод классической структуры мессбауэровского спектрометра на базу современных стандартов построения электронно-модульных систем заставляет обратить внимание на возможность использования микро-PC.

Принцип микро-PC подразумевает использование малогабаритных высокопроизводительных процессорных плат и встраиваемых модулей других устройств с большой степенью надёжности. Это делает микро-PC незаменимым для применения в условиях требующих безотказной работы систем управления различными процессами как в промышленности, так и в сфере научных исследований.

С позиции мессбауэровской спектрометрии главным фактором в пользу применения микро-PC является большое время проведения эксперимента (до нескольких суток, а то и недель) когда потеря данных вследствие сбоя системы управления заставляет возвращаться к моменту последнего сохранения данных. В таких условиях необходимо постоянное присутствие лаборанта-оператора. Кроме того, повтор накопления влечёт затягивание эксперимента и дальнейший сбой графика анализа образцов в лаборатории, что неприемлемо при использовании дорогостоящих короткоживущих изотопов. Другими словами необходимо добиться максимальной надёжности работы системы при минимальном участии оператора. Необходимо также иметь возможность создания модульной системы с достаточным потенциалом для наращивания и усовершенствования спектрометра, например в целях построения многоканальных систем с несколькими трактами регистрации.

Архитектура IBM РС и лежащая в ее основе шина ISA являются в настоящее время безусловным стандартом в промышленности. Изделия MicroPC представляют собой идеальное сочетание полной (в том числе и конструктивной) совместимости с этой шиной и малого размера плат, обеспечивающего высокие механические характеристики системы и легкое встраивание изделий MicroPC в любое оборудование. Почти всю разработку и отладку программного обеспечения можно производить на обычном персональном компьютере, установив в него платы ввода вывода MicroPC, а затем переносить готовое программное обеспечение в контроллер, где в ПЗУ уже находится ядро операционной системы DOS 6.22. При этом можно использовать практически любое программное обеспечение и средства разработки (например MS-DOS, Microsoft Windows NT/95/98, QNX, Linux и др.), работающие на стандартной IBM PC платформе, или специальные инструментальные пакеты и библиотеки

В качестве микропроцессоров используются микросхемы фирм Intel (i80286, i80386, i80486, Intel Pentium), AMD (am5x86) и др.

Все платы вставляются в крейт к системной магистрали ISA. Крейт содержит блок питания. Наличие шины ISA простота и удобства её протоколов позволяют разрабатывать необходимые модули для нужд эксперимента. В этом случае весь электронный блок мессбауэровского спектрометра (система регистрации и система управления доплеровской модуляции) может быть реализован в виде плат расширения. Модульность позволяет свободно конфигурировать систему под определённую задачу, что значительно расширяет экспериментальные возможности (рис.2.3).

Стоит отметить что, применение микро-PC даёт возможность отказаться от использования лабораторного персонального компьютера непосредственно в сборе данных. В этом случае ему может быть отведена роль файл-сервера.

Все элементы на стандартных платах микро-PC выполнены по КМОП-технологии и имеют низкую потребляемую мощность. Таким образом, платы MicroPC не требуют принудительного воздушного охлаждения. Для питания необходим единственный источник напряжения 5 В.

2.5 Разработка устройств сопряжения для магистрали ISA

Магистраль ISA была разработана специально для персональных компьютеров типа IBM PC AT (начиная с процессора i80286) и относится к демультиплексированным (то есть имеющим раздельные шины данных и адреса) 16-разрядным системным магистралям среднего быстродействия [6]. Обмен осуществляется 8- или 16-разрядными данными. На магистрали реализован раздельный доступ к памяти компьютера и к устройствам ввода-вывода (для этого имеются специальные сигналы). Максимальный объём адресуемой памяти составляет 16 Мбайт (24 адресные линии). Максимальное адресное пространство для устройств ввода-вывода – 64 Кбайт (16 адресных линий), хотя практически все выпускаемые платы расширения используют только 10 адресных линий (1 Кбайт). Магистраль поддерживает регенерацию динамической памяти, радиальные прерывания и прямой доступ к памяти. Допускается также захват магистрали.

Разъём магистрали ISA разделён на две части, что позволяет уменьшать размеры 8-разрядных плат расширения. Назначение контактов разъёма ISA в виде таблицы представлено в ПРИЛОЖЕНИИ 1.

В режиме программного обмена информацией на магистрали ISA выполняется четыре типа циклов:

-                     цикл записи в память;

-                     цикл чтения из памяти;

-                     цикл записи в устройство ввода-вывода

-                     цикл чтения из устройства ввода-вывода.

Циклы различаются используемыми сигналами и протоколами обмена, поэтому при проектировании аппаратуры для сопряжения с ISA необходимо учитывать временные диаграммы используемых циклов обмена. Другими словами должна быть реализована информационная совместимость.

Помимо циклов программного обмена на магистрали ISA могут выполняться также циклы прямого доступа к памяти. Так как на магистрали имеются раздельные стробы чтения и записи для устройств ввода-вывода и для памяти, пересылка данных в режиме ПДП производится за один машинный цикл. То есть если данные необходимо переслать из устройства ввода-вывода в память, то одновременно производится чтение данных из устройства ввода-вывода (по сигналу –IOR) и их запись в память (по сигналу –SMEMW).

При проектировании устройств сопряжения для ISA надо учитывать также электрические характеристики сигналов. Стандарт магистрали определяет требования к входным токам приёмников и источников сигналов каждой из плат расширения. Не соблюдение этих требований может нарушить функционирование компьютера.

Выходные каскады передатчиков магистральных сигналов должны выдавать ток низкого уровня не меньше 24 мА, а ток высокого уровня – не меньше 3 мА. Входные каскады приёмников магистральных сигналов должны потреблять входной ток низкого уровня не больше 0,8 мА, а входной ток высокого уровня – не больше 0,04 мА.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10