Модуль накопления для задач многомерной мессбауэровской спектрометрии

Министерство образования Российской Федерации

Уральский государственный технический университет

Кафедра экспериментальной физики

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

МОДУЛЬ НАКОПЛЕНИЯ ДЛЯ ЗАДАЧ МНОГОМЕРНОЙ МЕССБАУЭРОВСКОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ

Руководитель

к.ф-м.н., с.н.с. О.Б. Мильдер

Студент

Фт–635 К.В. Ивановских

СОДЕРЖАНИЕ

РЕФЕРАТ

ВВЕДЕНИЕ

1. МЕССБАУЭРОВСКАЯ СПЕКТРОМЕТРИЯ

1.1 Эффект Мессбауэра

1.2 Мессбауэровский спектрометр

1.3 Многомерная параметрическая мессбауэровская спектрометрия

2. МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ НАКОПЛЕНИЯ

2.1 Системы сбора и накопления информации

2.2 Особенности создания систем накопления для многомерной мессбауэровской спектрометрии

2.3.Применение микроконтроллеров

2.4 Использование современных электронно-модульных систем

2.5 Разработка устройств сопряжения для магистрали ISA

2.6 Обмен данными с компьютером

3. РАЗРАБОТКА ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ НА БАЗЕ ПЛИС

3.1 Современные и перспективные ИС со сложными программируемыми структурами

3.2 Методы и средства проектирования устройств с программируемой логикой

3.3 САПР MAX+PLUS II

4. ПОИСК СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

5. РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ

5.1 Разработка проекта на базе ПЛИС

5.1.1 Реализация основного алгоритма

5.1.2 Связь с внешними устройствами 5.2 Разработка принципиальной схемы модуля накопления

5.3 Блок-схема программного алгоритма

6. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ

6.1 Характеристика рабочего места

6.2 Безопасность труда

6.2.1 Радиационная безопасность

6.2.2 Электробезопасность

6.2.3.Защита от шума

6.2.4 Защита от электростатического поля

6.3 Условия труда в лаборатории

6.3.1 Микроклимат помещения

6.3.2 Освещенность рабочего места

6.3.3 Эргономика рабочего места

6.4 Экологичность рабочего места

6.4.1 Состояние воздушного бассейна

6.4.2 Радиационная обстановка

6.4.3 Поверхностные воды

6.4.4 Промышленные и бытовые отходы 6.4.5 Анализ возможных чрезвычайных ситуаций

6.5 Пожарная безопасность

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЯ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка содержит 103 листа, 20 рисунков, 5 таблиц, 7 приложений, 26 библиографических источника.

Проведён анализ основных требований к системам накопления, а также дополнительных, предъявляемых с позиции многомерной мессбауэровской спектрометрии. Рассмотрены различные способы построения систем накопления. Решён вопрос объединения свойств многоканальности и многомерности.

Разработан модуль накопления приспособленный для круга задач многомерной мессбауэровской спектрометрии. Модуль выполняет подсчёт входных импульсов от двух синхронизованных спектрометрических линеек, накопление и хранение 24 бит данных в 4096 каналах (ячейках памяти) для каждой линейки.

Модуль содержит два входных блока, состоящих в свою очередь из счётного блока и схемы промежуточного накопления. Входные блоки образуют систему накопления первого байта спектрометрических данных. Накопление 2-го и 3-го байта информации происходит с использованием программных средств микроконтроллера.

Интерфейс модуля накопления выполнен в стандарте ISA, поэтому он может применяться как плата расширения для систем класса MicroPC или любого персонального компьютера содержащего разъёмы магистрали ISA. Дополнительным внешним интерфейсом является последовательный канал передачи данных микроконтроллера.

Для распределения потоков данных в схеме используется буферное ОЗУ, доступное со стороны системы накопления первого байта, микроконтроллера и 8-разрядной шины ISA в режиме разделяемой памяти. Таким образом задатчик магистрали ISA (например процессор) при доступе к буферному ОЗУ рассматривает её как свою собственную.

Основные функции схемотехнического алгоритма, в том числе интерфейсный блок реализованы в репрограммируемой ПЛИС EPM7256S фирмы Altera. Дизайн ПЛИС разработан средствами специализированной САПР MAX+PLUS II. Проведено тестирование проекта.

Разработанный модуль предназначен для накопления мессбауэровских спектров, а также для снятия амплитудных спектров.

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

БМК	базовый матричный кристалл
БОЗУ	буферное оперативное запоминающее устройство
ИС	интегральная схема
ПДП	прямой доступ к памяти
ПЛИС	программируемая логическая интегральная схема
СОЗУ	системное оперативное запоминающее устройство
CPLD	complex programmable logic device (программируемые коммутируемые блоки)
EEPROM	electrically erasable programmable read-only memory (электронно-перепрограммируемая постоянная память)
EPROM	erasable programmable read-only memory(стираемая программируемая постоянная память)
FPGA	field programmable gate array (программируемая пользователем вентильная матрица)
ISA	Industry-Standard Architecture
PLD	programmable logic device (программируемое логическое устройство)
SPI	serial peripheral interface (протокол последовательного периферийного интерфейса)

ВВЕДЕНИЕ

Открытый Мессбауэром (Mössbauer) в 1958 году эффект резонансного излучения и поглощения гамма-квантов предоставил физикам качественно новый метод спектрометрии, который нашёл широкое применение в различных областях науки и техники. Наиболее успешное использование этого метода связано с исследованием сверхтонкой структуры ядра.

Развитие спектрометрических методов движется по пути увеличения чувствительности, разрешающей способности, повышения точности восстановления формы спектральной линии и расширения информативности.

Одним из самых перспективных направлений развития метода ядерного гамма-резонанса, является многомерная мессбауэровская спектрометрия. В рамках этого направления, путём синтеза различных гамма-оптических схем, предоставляется возможность проводить динамические эксперименты и получать систему мессбауэровских спектров от одного исследуемого образца, таким образом устанавливая более полную картину изучаемого процесса. В основе метода лежит принцип модуляции и трансформации энергетического спектра и регистрация резонансного излучения в нескольких точках гамма-оптической схемы.

На сегодняшний день сложилась ситуация, когда развитие методологии многомерной мессбауэровской спектрометрии опережает темпы разработки аппаратуры необходимой для этого метода. В конечном итоге отсутствие соответствующей экспериментальной базы, или её неполноценность тормозит многие исследовательские начинания.

В данном контексте неудовлетворёнными остаются многие требования, предъявляемые к системам накопления спектрометрической информации. Здесь особенно остро стоит вопрос о создании многоканальных систем, использование которых позволяет значительно поднять эффективность проведения мессбауэровских экспериментов. Не менее важными являются требования универсальности и гибкости.

Изложенная проблема весьма актуальна для лаборатории мессбауэровской спектрометрии кафедры экспериментальной физики УГТУ, где поставлена программа комплексного переоснащения и модернизации.

Цель данной работы – проектирование модуля накопления адаптированного для решения задач многомерной мессбауэровской спектрометрии.

1. МЕССБАУЭРОВСКАЯ СПЕКТРОМЕТРИЯ   1.1 Эффект Мессбауэра

Эффект Мессбауэра – явление излучения, поглощения и рассеяния гамма–квантов ядрами без передачи энергии внутренним степеням свободы системы, которую образуют атомные ядра [1].

В 1957 г. Мессбауэру (Mössbauer) удалось впервые наблюдать эффект резонансного поглощения гамма–квантов на линиях естественной ширины, не смещенных за счет отдачи и не уширенных за счет теплового движения. Это открытие, отмеченное Нобелевской премией по физике в 1961 г., дало исследователям чрезвычайно прецизионный резонансный метод регистрации изменений энергии ядерных переходов с разрешающей способностью порядка 10^–12–10^–15 [1] и привело к созданию нового физического метода изучения конденсированного состояния вещества – мессбауэровской спектрометрии. Впервые оказалось возможным изучение сверхтонкой структуры ядерных уровней, а также влияния электрических, магнитных и гравитационных воздействий на энергию гамма–квантов.

1.2 Мессбауэровский спектрометр

Эффект Мессбауэра дает возможность наблюдать явление ядерного резонанса, которое характеризуется рекордно узким энергетическим распределением. Основная физическая информация заключена в форме резонансной линии, ее особенностях и положении. Для получения этих данных используется метод энергетического сканирования (развертка спектра). Сканирование может осуществляться несколькими способами. Наиболее удобным и простым является способ модуляции энергии резонансного гамма излучения, основанный на эффекте Доплера.

Экспериментальная установка, предназначенная для регистрации интенсивности ядерного гамма–резонансного поглощения и рассеяния, в зависимости от скорости относительного движения в системе источник – анализатор получила название “мессбауэровский спектрометр”.

Функциональная блок-схема спектрометра традиционной конструкции, на основе которой выпускаются все серийно выпускаемые приборы, представлена на рисунке 1.1.

Конструктивно спектрометр состоит из двух частей: аналитического и электронного блоков [2].

Аналитический блок состоит из основания, на котором смонтированы доплеровский модулятор, узел гамма–резонансной пары и криостат.

Электронный блок спектрометра выполняет функции управления системой доплеровской модуляции, регистрации гамма–излучения, накопления данных. Электронный блок состоит из двух систем:

-  системы регистрации гамма–излучения;

-  системы доплеровской модуляции.

Источнику S (или поглотителю А), закрепленному на доплеровском модуляторе DM, сообщается периодическая линейно–изменяющаяся скорость. Блок управления модулятором 1 обеспечивает отработку заданного закона движения и формирует сигналы запуска системы накопления 3 в режиме многоканального пересчета. Движение источника S создает сдвиг энергии резонансного излучения, что вызывает изменение интенсивности гамма–излучения пропущенного или рассеянного поглотителем A и регистрируемого детектором D. Сигналы с детектора D усиливаются, селектируются по амплитуде в спектрометрическом тракте 2 и отправляются в выбранную ячейку памяти системы накопления 3. Накопление происходит в режиме последовательного многоканального пересчёта. Однозначное соответствие скорости движения номеру канала накопления обеспечивается синхронизацией рабочего периода движения с циклом переключения ячеек памяти, отведенных на накопление.

  1.3 Многомерная параметрическая мессбауэровская спектрометрия

Традиционная схема регистрации ограничена по своим возможностям. Она не позволяет использовать многие методические достижения эффекта Мессбауэра. Основные способы увеличения чувствительности: использование резонансного детектора (содержащего вещество-конвертор), резонансно-поглощающего фильтра. При всей привлекательности обоих способов сужения спектральной линии для них характерен общий недостаток – возникает необходимость подбора веществ, удовлетворяющим определённым условиям резонансного взаимодействия. Это привело к тому, что до настоящего времени только для изотопа ¹¹⁹Sn подобраны резонансные пары в качестве конвертора и фильтра [3].

Для расширения возможностей мессбауэровской спектрометрии в работе [3] предложен новый метод – многомерная параметрическая мессбауэровская спектрометрия, в основе которого лежит принцип модуляции и трансформации энергетического спектра резонансного излучения в нескольких точках гамма-оптической схемы эксперимента. Это достигается введением в схему нескольких резонансных преобразователей, установленных на механически не связанных, но электрически синхронизованных модуляторах, и регистрации спектров в одной или нескольких точках этой схемы. При этом конкретный вид преобразования спектральной линии представляет собой параметр, а количество независимых резонансных преобразователей или детекторов – размерность гамма-оптической схемы.

Многомерная параметрическая мессбауэровская спектрометрия вводит новое качество в процесс измерения, предоставляя возможность проводить динамические эксперименты, получать систему мессбауэровских спектров от одного исследуемого образца и, таким образом устанавливать более полную картину изучаемого процесса. Кроме того, развитие получили способы компенсации энергетического сдвига, использование которых позволяет расширить применение принципа резонансного преобразования для любого мессбауэровского изотопа.

Совместное применение различных гамма-оптических схем многомерной параметрической мессбауэровской спектрометрии позволяет получать в оптимальных условиях дополнительное увеличение чувствительности, разрешающей способности и информативности метода [3].

 
2. МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ НАКОПЛЕНИЯ   2.1 Системы сбора и накопления информации

Сбор, накопление и хранение мессбауэровских спектров выполняет специальная система накопления информации. Особенностью построения систем накопления для нужд мессбауэровской спектрометрии является необходимость накопления большого объёма данных, в условиях длительного времени проведения эксперимента.

Система накопления мессбауэровского спектрометра традиционного типа должна осуществлять сбор и накопление данных в 4096 каналов с разрядностью данных не менее 24 (для набора необходимой статистики результата). Стоит отметить, что далеко не все существующие спектрометры и не все задачи мессбауэровской спектрометрии требуют такого объёма накопления.

Естественным движением в развитии систем накопления (систем регистрации) является их ориентация на работу в тесной связке с ЭВМ. Такой подход позволяет строить автоматизированные системы сбора данных под управлением ЭВМ с использованием средств программной обработки информации.

За время существования мессбауэровской спектрометрии системы накопления и обработки информации прошли путь развития от многоканальных анализаторов до многоуровневых систем [3].

В настоящее время наиболее важным требованием к построению систем регистрации является возможность создания многоканальных систем сбора данных, то есть состоящих из нескольких трактов регистрации. Такое требование диктуется возрастающими задачами, встающими перед мессбауэровской спектрометрией, решить которые средствами существующих одноканальных систем невозможно (рис.2.1).

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.