Модуль накопления для задач многомерной мессбауэровской спектрометрии

-  Модуль производит подсчёт входных импульсов, накопление 24-разрядных данных в 4096 каналов и обеспечивает их хранение.

5.1 Разработка проекта на базе ПЛИС

Как уже отмечалось, центральной и наиболее трудоёмкой частью разработки является проектирование ПЛИС. На кристалл размещены практически все функциональные блоки модуля накопления, за исключением микроконтроллера и элементов оперативной памяти.

За основу принята серия MAX7000S фирмы Altera – это ПЛИС класса CPLD с возможностью внутрисистемного программирования, и не требующих внешней памяти конфигурации.

Микросхемы семейства MAX7000 характеризуются высокими параметрами быстродействия: максимальная глобальная тактовая частота не ниже 125 МГц. Матрица соединений имеет непрерывную структуру, что позволяет реализовать время задержки распространения сигнала до 5 нс.

Разработка кристалла ПЛИС осуществлялась в системе проектирования MAX+PLUS II – до последнего времени единственной САПР для большинства ПЛИС фирмы Altera.

Дизайн проекта выполнен в виде иерархической структуры файлов созданных в графическом редакторе системы MAX+PLUS II (рис.5.2). Для тестирования, как отдельных узлов, так и всего проекта использовался сигнальный редактор.

Файлом верхнего уровня (файлом проекта) является файл Sistema.gdf. Этот файл обрабатывается компилятором. Он содержит логику проекта и выполнен в виде иерархической структуры. Структурное разделение в целом соответствует функциональному.

Блок схема отражает наличие лишь наиболее значимых частей (файлов) проекта. Так, например, в схеме часто используются элементы задержки, составленные из соответствующих примитивов MAX+PLUS II. Кроме того, при составлении схем применялись модули параметризованных функций, поставляемые фирмой Altera.

Основные функции работы модуля накопления реализованы в блоке Kern. Он содержит в себе операционный блок (Operator) в котором, совместно с внешними, относительно ПЛИС, элементами ОЗУ выполняется алгоритм накопления первого байта данных. Кроме того, блок Kern включает в себя схему выработки адреса ячеек ОЗУ (Adr), работающую в режиме последовательного пересчёта.

Сопряжение модуля накопления с магистралью ISA производится интерфейсным блоком (файл Interfase), содержащим дешифраторы линий адреса, узел выработки прерываний и регистры доступные в пространстве адресов устройств ввода-вывода компьютера.

Узел Direct используется для выработки сигналов управления доступом к буферному ОЗУ со стороны внешних устройств согласно, установленного микроконтроллером, режима работы, а также для выполнения некоторых интерфейсных функций.

На схеме присутствует несколько регистров доступных со стороны микроконтроллера и необходимых для управления. Для их адресации выделено три линии порта микроконтроллера (всего 8 адресов). Роль селектора адреса выполняет элемент AS.

5.1.1 Реализация основного алгоритма

Входные блоки модуля накопления выполняют накопление и промежуточное хранение данных первого (младшего) байта. Основными структурными элементами здесь являются счётные блоки, блоки суммирования, и накопительные ОЗУ. Адресация ячеек ОЗУ происходит синхронно канальным импульсам системы регистрации. Накопление происходит непрерывно в каждом цикле регистрации. Число каналов накопления может быть задано. В соответствии с алгоритмом программы микроконтроллера периодически (один раз за несколько циклов регистрации) должна происходить быстрая автоматическая трансляция данных одного из накопительных ОЗУ в буферное ОЗУ.

Описанный механизм реализуется в блоке Kern совместно с внешними микросхемами ОЗУ. В соответствующем схемном файле Kern.gdf объединены счётные блоки, блоки суммирования, адресный блок и необходимые схемы управления.

Для реализации счётного блока с минимальными значениями параметра мёртвого времени на канал используется схема, состоящая из двух буферных счётчиков. Переключение потока входных импульсов между счётчиками производится управляющим триггером синхронно канальным импульсам системы регистрации (рис.5.3).

В то время, когда один из счетчиков находится в режиме счета приходящих на его вход импульсов, данные со второго счетчика через регистр и далее через мультиплексор поступают в последующее устройство обработки информации. Таким образом, мертвое время на канал сокращается до значения равного времени переключения триггерной ячейки внутри ПЛИС. Быстродействие счетчиков характеризуется собственным значением мертвого времени, которое определяет время нечувствительности счетчика, возникающее после регистрации им входного импульса. Параметр регистровой (триггерной) задержки в ПЛИС серии MAX7000S не превышает 2 нс. Это позволяет говорить о том, что предельная входная загрузка может с многократным запасом превышать 107 имп./с.

Счётный блок реализован файлом Count.gdf в графическом редакторе системы MAX+PLUS II. При составлении схемы использованы параметризованные модули (LPM) счётчиков и регистров, а также другие примитивы для комбинационных и последовательных участков схемы. Схемный файл Count.gdf находится в ПРИЛОЖЕНИИ 2.

Суммирование выходных данных счётных блоков с данными ОЗУ выполняется в блоке и одноимённом файле Operator. На рисунке 5.4 представлена функциональная схема сложения данных для одного тракта регистрации. В Operator структурно входит два счётных блока, данные с которых, поступают на входы параметризованных модулей сумматоров. На второй вход сумматоров поступают данные ОЗУ, предварительно зафиксированные в регистрах. Фиксация в регистрах необходима для разделения во времени двунаправленных шин данных внешних микросхем ОЗУ.

Управление регистрами осуществляется от внешнего блока Clocking. Кроме указанных элементов на схеме присутствует логика управления и схема перевода выходов сумматоров в третье (высокоимпедансное) состояние.

Полный вариант схемы в виде файла Operator.gdf представлен в ПРИЛОЖЕНИИ 2.

Выборка ячеек внешних микросхем ОЗУ производится адресным блоком, построенным в схемном файле Adr.gdf. Значение адреса генерируется 12-ти разрядным адресным счётчиком на вход, которого подаются, в зависимости от режима работы, канальные импульсы (в процессе накопления) либо тактовые импульсы с частотой 400 кГц (в режиме быстрой автоматической трансляции данных в буферное ОЗУ). Сброс адресного счетчика происходит по приходу стартового импульса схемы регистрации или по приходу сигнала Hold со стороны триггерного блока Trig. Сигнал Hold устанавливается в начале нерабочего режима системы регистрации в том случае, если микроконтроллер программно установил флаг запроса трансляции данных первого байта в буферное ОЗУ (рис.5.5)

Адресный счёт начинается с 000h. Последним на шину выдаётся пороговый адрес. Далее вырабатывается строб окончания счёта Endcount поступающий на вход триггерного блока. Значение порога для адресного счетчика может быть установлено микроконтроллером. Для этого используются дешифратор значений порогового адреса с входами установки P0 и P1. По умолчанию пороговым является адрес 4095 (FFFh), для нужд эксперимента программно могут быть установлены значения 2047 (7FFh), 1023 (3FF) и 511 (1FF).

Схемный файл адресного блока Adr.gdf находится в ПРИЛОЖЕНИИ 2.

В процессе автоматической трансляции данных в младшие 12 разрядов 13-ти разрядной шины адреса буферного ОЗУ подключается шина адреса накопительных ОЗУ. Сигнал Selram устанавливаемый микроконтроллером и формируемый триггерной схемой Trig определяет выбор микросхем ОЗУ1 или ОЗУ2 для передачи их данных в конце текущего цикла регистрации. Этот же сигнал подаётся на 13-й (старший) разряд шины адреса буферного ОЗУ. Таким образом происходит разделение пространства памяти буферного ОЗУ на два банка, каждый из которых предназначен для временного хранения данных ОЗУ1 и ОЗУ2.

Триггерная схема (файл Trig.gdf) выполняет роль набора регистров управления элементами блока Kern со стороны микроконтроллера. Схема построена из набора D-триггеров и дополнительных примитивов MAX+PLUS II. Непосредственно микроконтроллером устанавливаются сигналы P0, P1 и Selram. Управляющий сигнал Hold устанавливается через определённое время задержки в ответ на сигнал Endcount адресного блока и осуществляет перевод блока Kern и других вышестоящих узлов в режим работы с буферной памятью. Задержка необходима для завершения последней операции записи-чтения ячеек накопительных ОЗУ с пороговым адресом. Функция задержки реализована с использованием четырёхразрядного счётчика, тактируемого внешним сигналом Read.

Файл Trig.gdf графического редактора системы MAX+PLUS II находится в ПРИЛОЖЕНИИ 2.

Корректная работа с микросхемами быстрой статической оперативной памяти невозможна без стогового соблюдения протоколов обмена в соответствии с технической документацией.

Наиболее важным параметром статических ОЗУ является время выборки. Оно характеризует максимальную частоту операций чтения или записи. Современные микросхемы памяти имеют время выборки порядка 30 – 100 нс, что удовлетворяет требованиям проекта. Данный параметр является качественной характеристикой, но наряду с ним существуют и другие параметры, которые необходимо учитывать разработчику при проектировании систем использующих оперативную память. В частности к ним относятся:

-  минимальное время удержания активного уровня сигнала CS (выбор кристалла);

-  минимальное время удержания активного уровня сигнала WE (разрешение записи) в режиме записи данных;

-  минимальное время удержания активного уровня сигнала ОЕ (разрешение выходов) в режиме чтения данных

-  минимальное время подачи управляющего сигнала записи с момента установления данных в режиме записи

-  минимальное время удержания данных на входах ОЗУ после снятия управляющего сигнала записи в режиме записи

-  минимальное время подачи управляющего сигнала чтения с момента установления адреса в режиме чтения и др.

Помимо непосредственного соблюдения протокола обмена синхронных ОЗУ в модуле накопления, нужно учесть и другие особенности их применения. Наличие двунаправленной шины данных между блоками суммирования и микросхемами ОЗУ (рис.4.2) заставляет обратить особое внимание на необходимость правильного разделения во времени потоков данных. Речь идёт о недопустимости одновременного (даже кратковременного) наличия на разделяемой шине данных, двух источников сигналов. То есть между сигналами разрешающими выход данных со стороны двух присутствующих на шине устройств, работающих в режиме непрерывного обмена, должен быть определённый временной интервал.

Всего модуль накопления должен содержать 4 элемента ОЗУ: буферное ОЗУ объёмом 8 Кбайт, системное ОЗУ объёмом 32 Кбайт и два элемента ОЗУ для накопления данных первого байта (ОЗУ1 и ОЗУ2) с объёмом 4 Кбайт каждая. Выработка управляющих сигналов «чтение», «запись» для накопительных ОЗУ в режимах накопления и автоматической трансляции данных, а также сигнала «запись» для буферного ОЗУ в режиме трансляции, происходит в схеме тактирования Clocking (схемный файл Clocking.gdf).

Схема (блок) тактирования производит выдачу управляющих сигналов в соответствии с алгоритмом «чтение-модификация-запись» (рис.4.3) Для соблюдения требуемого протокола обмена, учитывающего все параметры, в схеме организована специальная сетка тактирования с использованием четырёхразрядного счётчика. Определённые выходные значения интерпретируются аналитической схемой как маркерные точки для своевременной установки или снятия сигналов OE, WE, CS микросхем накопительной памяти и сигнал WrBRAM микросхемы буферной памяти. Генератор управляющих стробов выдаёт указанные сигналы синхронно импульсам Canal или Read в соответствии с состоянием сигнала Hold, формируемого триггерной схемой. Помимо перечисленных сигналов блок тактирования генерирует строб приёма данных ClkRG для регистров операторного блока Operator. Положительный фронт сигнала ClkRG соответствует времени появления действительных данных на выходах накопительных ОЗУ.

Тактовый, меандровый сигнал с частотой 20 МГц подаётся на счётчик от внешнего, относительно ПЛИС генератора. В режиме накопления сигнал тактирования дополнительно проходит через делитель частоты на 5, выполненный на базе четырёхразрядного счётчика из набора макрофункций системыMAX+PLUS II.

Принцип работы блока тактирования отражён на функциональной схеме (рис.5.6).

Схемный файл блока тактирования Clocking.gdf находится в ПРИЛОЖЕНИИ 2.

Тестирование блока проведено в сигнальном редакторе системы MAX+PLUS II. В качестве входных тестовых векторов введены сигналы: сlk (сигнал тактирования частотой 20 МГц), сanal (канальные импульсы системы регистрации), read (сигнал тактирования режима быстрой трансляции) и hold (сигнал перевода в режим быстрой трансляции).

В режиме накопления блок тактирования генерирует сигналы управления eo (enable output) и write синхронно импульсам сanal, в режиме быстрой трансляции дополнительно генерируется сигнал записи буферного ОЗУ wrBRAM синхронно импульсам read. Результаты тестирования обоих режимов приведены на рисунке 5.7. Временные интервалы на диаграмме указаны в микросекундах.

Адресный блок вырабатывает значение адреса ячеек накопительного ОЗУ по отрицательному фронту импульса canal или read в зависимости от режима работы. Сигналы разрешения выходов формируются не ранее 120 нс. Выдача сигнала защёлкивания (чтения) данных в обоих случаях происходит не ранее чем через 200 нс после импульса ео. Послестояние данных при операциях записи ОЗУ составляет не менее 19 нс. Такие временные параметры призваны обеспечить устойчивую работу модуля накопления.

В режиме быстрой трансляции необходимо проводить запись нулевых байтов в ячейки накопительного ОЗУ, данные которых, уже перенесены в буферное ОЗУ.

За время нерабочего режима системы регистрации может быть произведена трансляция данных только одной из микросхем накопительного ОЗУ (в соответствии со значением сигнала Selram). При этом незанятое накопительное ОЗУ должно находится в режиме хранения данных.

Таким образом, необходимо обеспечить раздельную выдачу команд управления (EO, WR) для каждого накопительного ОЗУ.

Функции разделения команд, а также дополнительные функции выдачи сигналов обнуления на формирователи шин данных накопительных ОЗУ реализованы в блоке формирования Form. Соответствующий схемный файл Form.gdf графического редактора MAX+PLUS II находится в приложении 2.

Помимо рассмотренных устройств, в блоке Kern присутствуют дополнительные элементы, не включённые ни в один внутриструктурный файл этого блока. К ним относятся схема формирователя шины данных для буферного ОЗУ, управляемая сигналами hold и Selram, и триггер разрешения счёта импульсов от внешних трактов регистрации.

Триггер разрешения счёта должен использоваться для работы модуля в режиме снятия амплитудных спектров, для запуска счёта на очередном этапе сканирования.

Файл Kern.gdf графического редактора системы MAX+PLUS II находится в приложении 2.

5.1.2 Связь с внешними устройствами

Наличие буферной памяти, как средства взаимодействия нескольких источников и приёмников данных, требует построения соответствующей системы управления разделяемым ресурсом. Основным устройством управления на схеме модуля накопления является микроконтроллер. Выполняя программу накопления данных, он должен постоянно отслеживать и задавать режимы использования буферного ОЗУ. Всего предполагается 3 режима использования БОЗУ:

-  запись-чтение данных со стороны микроконтроллера;

-  запись-чтение данных со стороны магистрали ISA;

-  запись данных из системы накопления первого байта.

Кроме контроля режимов работы БОЗУ микроконтроллер должен осуществлять конфигурирование и управление схемой, используя:

-  триггер разрешения счёта входных импульсов;

-  триггер флага трансляции данных в БОЗУ ( используемый для запуска сигнала hold в ближайшем нерабочем режиме системы регистрации);

-  триггер выбора банка данных в пространстве БОЗУ;

-  триггеры установки порогового адреса.

Алгоритм работы модуля накопления позволяет организовать попарную адресацию триггеров.

Для функций управления предполагается использовать один 8-битный порт микроконтроллера. В этом случае удобно построить двухразрядную шину данных и трёхразрядную шину адреса. Один бит порта необходимо использовать для стробирования данных.

Элементы входящие в систему управления реализованы в ПЛИС.

Обработка адресных линий микроконтроллера производится адресным селектором, выполненным в виде файла Asmc.gdf. По приходу положительного фронта тактирующего сигнала «с» микроконтроллера на выходах селектора формируются стробы защёлкивания данных с линий Dmc0 и Dmc1 для соответствующих пар триггеров. Распределение адресов устройств представлено в таблице 2.

Таблица 2 Распределение адресов регистров управления

Адресный селектор выполнен в виде дешифратора. Схемный файл Asmc.gdf находится в ПРИЛОЖЕНИИ 2. Блок выдачи сигналов управления буферного ОЗУ (управляющий блок) выполнен в файле Direct.gdf. Блок выполняет мультиплексирование входящих сигнальных линий чтения и записи со стороны внешних устройств, исходя из состояния триггеров управления режимом использования БОЗУ (см. таблицу 2). Непосредственно триггеры установки режимов и мультиплексоры сигналов расположены во внутренней структуре в виде блока Muxrg.gdf. Помимо сигналов управления БОЗУ, управляющий блок генерирует сигналы разрешения выходов внешних двунаправленных шинных формирователей, обеспечивающих связь БОЗУ с микроконтроллером, а также с 8-битной шиной данных магистрали ISA. Те же сигналы используются для подключения внешних адресных линий заведённых через ПЛИС, к шине адреса БОЗУ (рис.5.9).

Схемные файлы Direct.gdf и Muxrg.gdf находятся в ПРИЛОЖЕНИИ.

Доступ к буферному ОЗУ со стороны магистрали ISA осуществляется по принципу разделяемой памяти. То есть ячейки буферного ОЗУ находятся в некотором поле адресов памяти компьютера. Для осуществления доступа требуется обработка всех 20 адресных линий шины ISA. 12 младших линий непосредственно адресуют ячейки БОЗУ, другие 8 используются для установки пространства памяти.

Интерфейсный блок Interfase выполняет обработку адресных линий и вырабатывает сигнал AdrE разрешения доступа к БОЗУ, поступающий на вход блока управления Direct.

Для осуществления быстрой связи между микроконтроллером и компьютером в интерфейсном блоке предусмотрено две пары триггеров. Триггера могут выполнять роль флагов, например, для выставления запроса на передачу накопленных данных в компьютер.

Для селектирования адресов пространства памяти, и триггеров расположенных в поле устройств ввода-вывода интерфейсный блок содержит схему дешифрации линий адреса Selectisa. Здесь можно задать селектируемые адреса путём добавления (удаления) примитивов логического отрицания NOT на входах соответствующих линий (см. файл Selectisa.gdf в ПРИЛОЖЕНИИ 2).

Микроконтроллер может инициализировать прерывание в компьютере установив специальный триггер в интерфейсном блоке. Обращение к буферному ОЗУ со стороны магистрали ISA расценивается, как реакция на прерывание и триггер сбрасывается.

Схемный файл Interfase.gdf находится в ПРИЛОЖЕНИИ 2.

Тактирование блока Kern осуществляется сигналами read и clk. Меандровый сигнал clk частотой 20 МГц поступает от внешнего кварцевого генератора на вход глобального тактового сигнала GCLK1 ПЛИС. Для получения меандрового сигнала read с частотой 400 кГц, на базе шестиразрядного счётчика и вспомогательной комбинационной схемы, построен делитель частоты Divisor. Его схема в виде файла Divisor.gdf представлена в ПРИЛОЖЕНИИ 2.

Структура, составленная из блоков Kern, Asmc, Direct, Interfase, Divisor и других элементов представляет собой единый проектный файл Sistema.gdf. Этот файл обрабатывается компилятором MAX+PLUS II, который создаёт загрузочный код для программирования ПЛИС. Проект Sistema может быть размещён на одном кристалле ПЛИС EPM7256SRC208-7 с логической ёмкостью 5000 эквивалентных вентилей. Из 256 макроячеек микросхемы использовано 251, что составляет 98% ёмкости.

5.2 Разработка принципиальной схемы модуля накопления

В модуле накопления используется 8-битный микроконтроллер AT89c51 содержащий 4 Кб FLASH-памяти программ, 128 байт ОЗУ и содержащий 32 программируемые линии ввода-вывода. Линии ввода-вывода объединены в четыре 8-разрядных двунаправленных порта, два из которых используются в качестве шины адреса/данных для доступа к внешней памяти программ и данных. Один из портов имеет дополнительные функции (последовательный порт, входы внешних прерываний, входы счётчиков, выходы стробирующих сигналов записи-чтения во внешнюю память данных).

Использование внешней памяти программ не предполагается.

Накопление и хранение данных производится во внешней памяти данных объёмом 32 Кбайт. Для адресации необходимо 15 линий адреса. При обращении к внешнему ОЗУ младшие 8 разрядов адреса выдаются через порт P0, старшие 7 разрядов через порт Р2. Операции чтения-записи данных стробируются сигналами RD и WR микроконтроллера. Для мультиплексирования порта Р0 используется регистр фиксирующий адрес по спаду сигнала ALE. Регистр КР1533ИР23 производит запись по положительному фронту тактирующего сигнала, поэтому сигнал ALE инвертирован в ПЛИС.

Восьмой бит порта Р2 используется для обращения к буферному ОЗУ. При установке линии в лог.0 микроконтроллер обращается к БОЗУ, как к собственной памяти программ (естественно, что БОЗУ должно находится в режиме доступа микроконтроллера). Адресация происходит 12-ю младшими линиями адреса. На вход 13-го бита адреса с ПЛИС подаётся сигнал SelBANC, равный сигналу SelRAM, который устанавливается микроконтроллером (см. таблицу 1). Таким же образом задаётся 13-й бит адреса во всех других режимах использования БОЗУ.

Для управления внешними регистрами используется порт Р1. Два бита данных Dmc0 и Dmc1 выдаётся по линиям Р1.0 и Р1.1 (соответственно нулевой и первый бит порта). Трёхбитный адрес – по линиям Р1.2, Р1.3, Р1.4. Стробирование данных происходит положительным фронтом на линии Р1.5.

Направление передачи данных для шинных формирователей КР1533АП6, используемых для доступа к шине данных буферного ОЗУ со стороны микроконтроллера и магистрали ISA (рис. Ф), логическим уровнем на линии Р1.6 (1 – чтение данных БОЗУ, 0 – запись данных из БОЗУ).

На входы Р3.4, Р3.5 таймеров/счётчиков Т0 и Т1 микроконтроллера подаются соответственно сигналы Start и 7 функционального блока мессбауэровского спектрометра. На линию Р3.2 входа внешних прерываний INT0 подаётся сигнал INT интерфейсного блока выполненного внутри ПЛИС.

Модуль накопления имеет четыре ОЗУ: два ОЗУ объёмом 4 Кбайт в системе накопления первого байта, буферное ОЗУ объёмом 8 Кбайт и системное ОЗУ (внешняя память данных) микроконтроллера объёмом 32 Кбайт. Микросхемы ОЗУ с организацией 4Кх8 серийно не производятся, поэтому вместо них использованы более доступные – 8Кх8. Для корректной работы схемы модуля накопления достаточно оперативной памяти с временем выборки 100 нс.

Шины адреса и данных накопительных ОЗУ, шина адреса буферного ОЗУ, а также сигналы управления подключаются непосредственно к ПЛИС, где происходит установка их задатчика в зависимости от выбранного режима.

Для тактирования ПЛИС использована микросхема-кварц Z544-47, частотой 20 МГц.

Передача данных последовательного порта микроконтроллера происходит по средствам интерфейса обмена RS-232C. Для нормального приёма уровень передаваемых сигналов должен составлять не менее ±10 В. Применение дискретных элементов для построения приемопередатчика нежелательно и наиболее удобным является использование специализированных интерфейсных интегральных схем. Широкая гамма таких кристаллов выпускается фирмой Analog Devices. Они содержат преобразователь напряжения +5 В в напряжение +10 В, инвертор (преобразующий напряжение +10 В в –10 В) и собственно преобразователи уровня сигналов последовательного интерфейса. Для данного проекта использована микросхема ADM232A.

Перечень элементов принципиальной схемы приводится в ПРИЛОЖЕНИИ 4, характеристики – в ПРИЛОЖЕНИЯХ 5,6 и 7.

5.3 Блок-схема программного алгоритма

Микроконтроллер в схеме модуля накопления выполняет следующие основные функции:

-  обеспечивает накопление и хранение в системном ОЗУ мессбауэровских спектров в виде 24-разрядных массивов данных;

-  контролирует режим доступа к буферному ОЗУ;

-  задаёт рабочие параметры модуля накопления;

-  обеспечивает режим амплитудного анализа во взаимосвязи с управляющей системой.

Перед началом выполнения основной программы накопления микроконтроллер должен выполнить процедуру инициализации – произвести подготовку системы. Во-первых, необходимо обнулить ячейки памяти данных, и буферного ОЗУ, состояние которых является неопределенным после включения питания. Во-вторых, задать пороговый адрес (число каналов накопления). В-третьих, выдать команду разрешения счёта входных импульсов для счётных блоков в системе накопления первого байта.

Накопление спектрометрических данных должно осуществляться путём реализации алгоритма сложения массивов накопленных в системе накопления первого байта, и переданных в буферное ОЗУ, с данными, хранящимися и накапливаемыми в системном ОЗУ микроконтроллера. Трансляцию (передачу) данных накопленных в системе накопления первого (младшего) байта в буферное ОЗУ инициирует микроконтроллер путём установки флага hold. Выбор накопительного ОЗУ (1 или 2) для передачи осуществляется установкой сигнала Selram (см. таблицу 2). При высоких параметрах загрузки порядка 106 имп./с передачу данных первого байта в буферное ОЗУ необходимо производить в конце каждого десятого цикла регистрации.

Согласно установленной периодичности, либо по запросу данных со стороны задатчика шины ISA (при выставлении соответствующего флага или сигнала прерывания), микроконтроллер должен предоставить накопленные данные используя буферное ОЗУ, доступное задатчику ISA в режиме разделяемой памяти.

Блок-схема алгоритма программы микроконтроллера приводится в ПРИЛОЖЕНИИ 3.

6.1 Характеристика рабочего места

В процессе дипломного проектирования была осуществлена разработка принципиальной схемы автономной системы накопления мессбауэровскго спектрометра. Работы, проводимые в помещении лаборатории мессбауэровской спектрометрии связаны с измерением гамма-резонансных спектров пропускания исследуемых веществ в твердом состоянии, содержащих стабильные нуклиды железо-57 и олово-119 в диапазоне температур 4,2K-1200K с использованием стационарно установленной Мессбауэровской лаборатории типа NE-255. Применяются источники гамма-излучения закрытого типа на радионуклидах кобальт-57 и олово-119М. При проектировании системы накопления использовался персональный компьютер.

В процессе проведения работ присутствуют следующие вредные и опасные факторы:

-  ионизирующее излучение;

-  повышенное напряжение электрического тока;

-  воздействие электромагнитного излучения;

-  воздействие шума;

-  электростатические поля.

6.2 Безопасность труда

6.2.1 Радиационная безопасность

Работы, проводимые в помещении лаборатории мессбауэровской спектрометрии, классифицируются как: "Дозиметрические и радиометрические измерения радиоактивных веществ и ионизирующих излучений, а также градуировка дозиметрической и радиометрической аппаратуры".

В помещении лаборатории мессбауэровской спектрометрии проводятся работы только с радиоактивными источниками ионизирующих излучений закрытого типа. В комнате имеется два рабочих места со стационарным расположением ИИИ. Помещение отвечает всем еобходимым требованиям [23]. Рабочие места оборудованы радиационной защитой. Выход пучков излучений направлен в землю или в помещения без постороннего присутствия людей.

Радиоактивные изотопы являются источниками ионизирующих излучений с энергиями достигающими единиц МэВ, поэтому работа с ними представляет серьезную биологическую опасность. При использовании радиоактивных источников рентгеновского и гамма-излучения исключается возможность радиоактивного загрязнения помещений и попадания радиоактивных веществ в организм человека. Опасность представляет только внешние облучение.

Максимальная мощность дозы при измерениях и испытаниях не превышает 5 мЗв/год, что удовлетворяет дозовым пределам для персонала группы А (НРБ 99 [23]).

Радионуклидные источники хранятся в сейфах типа СН12 в защитных переносных контейнерах типа КТ. Сейфы опечатываются ответственным за хранение изотопов. На дверях комнат, сейфах, переносных и защитных контейнерах, узлах установок, куда загружаются источники, должны быть установлены знаки радиационной опасности. В лаборатории мессбауэровской спектрометрии используются только закрытые источники.

При работах с закрытыми радионуклидными источниками в соответствие с НРБ–99 [23] должны соблюдаться следующие общие требования:

-  исключен доступ посторонних лиц;

-  обеспечена сохранность источника;

-  направлять излучение предпочтительно в сторону земли или в сторону, где отсутствуют люди;

-  ограничивать длительность пребывания людей вблизи источника;

-  применять подвижные заграждения и защитные экраны;

-  вывешивать плакаты, предупреждающие о радиационной опасности, видимые с расстояния не менее 3м.

Радиационный контроль в лаборатории осуществляется за следующими параметрами:

-  мощность дозы гамма-излучения;

-  содержание аэрозолей;

-  величина загрязненности помещения.

Таблица 3 Контрольные значения для используемых изотопов.

КО- критический орган;

ДСА- допустимое содержание радионуклида в КО;

ПДП- допустимое годовое поступление через органы дыхания;

ДКА- допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны;

МЗА- минимально значимая активность на рабочем месте.

На рабочем месте оператора ПК источником ионизирующего излучения является электронно-лучевая трубка монитора.

Электронно–лучевая трубка дисплея создает поле низкоэнергетического излучения. При эксплуатации монитор компьютера излучает мягкое рентгеновское излучение. Опасность этого вида излучения связана с его способностью проникать в тело человека на глубину 1-2 см и поражать поверхностный кожный покров. Измерения показывают, что на расстоянии 2 см от экрана его интенсивность составляет не более 30 мкР/ч и убывает с расстоянием. Это означает, что при длительной работе дистанция между оператором и дисплеем должна быть не менее 30 см. В этом случае уровень излучения на рабочем месте не превышает фоновых значений (НРБ 99 [23]). При таких полях средств защиты не требуется.. Кроме того, для защиты от излучения необходимо следовать следующим рекомендациям:

-  применять наиболее современные видеоадаптеры с высоким разрешением и частотой обновления экрана не ниже 70-72 Гц;

-  применять мониторы соответствующие международному стандарту безопасности MPR II, а также ТСО-92, TCO-95 и TCO-99.

Спектр излучения компьютерного монитора включает в себя рентгеновскую, ультрафиолетовую и инфракрасную области, а также широкий диапазон электромагнитных волн других частот. Опасность этих видов излучения считается в настоящее время пренебрежимо малой, так как эти излучения практически полностью поглощаются веществом экрана монитора.

6.2.2 Электробезопасность

С точки зрения опасности поражения человека электрическим током лаборатория мессбауэровской спектрометрии относится к помещениям с повышенной опасностью [14], так как характеризуется возможностью одновременного прикосновения к корпусу оборудования и заземленной металлической конструкции.

В соответствии с правилами электробезопасности в рабочем помещении должен осуществляться постоянный контроль состояния электропроводки, предохранительных щитов, шнуров, с помощью которых включаются в электросеть компьютеры, осветительные приборы, другие электроприборы.

Электрические установки, к которым относится практически все экспериментальное оборудование лаборатории, представляют для человека большую потенциальную опасность. Поражение электрическим током может произойти при неправильной эксплуатации оборудования, при проведении ремонтных или профилактических работ. Специфическая опасность электроустановок – токоведущие проводники, корпуса стоек KAMAK, персональных компьютеров и прочего оборудования, оказавшегося под напряжением в результате повреждения (пробоя) изоляции, не подают каких-либо сигналов, поэтому возможность поражения током носит характер скрытой угрозы.

Электропитание большей части аппаратуры обеспечивается от сети переменного тока напряжением 220 В, питание детекторов осуществляется напряжением до 2000 В.

Причины поражения электрическим током: случайное прикосновение или приближение на опасное расстояние к токоведущим частям, находящимися под напряжением; появление напряжения на металлических конструктивных частях электрооборудования; появление напряжения на отключенных токоведущих частях, на которых работают люди, вследствие ошибочного включения; возникновение «шагового» напряжения на поверхности земли в результате замыкания провода на землю.

При прохождении через тело человека ток оказывает термическое, биологическое и электролитическое действия.

Все виды воздействия электрического тока относят к двум типам:

-  Электрические травмы – это чётко выраженные местные повреждения тканей организма, вызванные воздействием электрического тока. Различают следующие электрические травмы, электрические знаки, металлизация кожи и механические повреждения.

-  Электрический удар – возбуждение живых тканей организма проходящим через него электрическим током, сопровождающееся непроизвольным судорожным сокращением мышц.

Различают три степени электрических ударов: судорожное сокращение мышц с потерей сознания, потеря сознания и нарушение сердечной деятельности или (и) дыхания, клиническая смерть.

При эксплуатации ПК, необходимо соблюдать такие требования:

-  все узлы одного персонального компьютера и подключенное к нему периферийное оборудование должны питаться от одной фазы электросети;

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5