Модуль накопления для задач многомерной мессбауэровской спектрометрии

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.

В структуре любого устройства сопряжения можно выделить две части: интерфейсную и операционную (рис.2.4). Интерфейсная часть обеспечивает непосредственное сопряжение данного устройства с ISA, то есть обеспечивает необходимые параметры сигналов с соблюдением протокола обмена. Операционная часть несёт на себе функции, ради которых, собственно, и создавалось устройство сопряжение. Подходы к проектированию этих двух частей имеют принципиальные отличия.

Операционные части различных устройств могут быть самыми разнообразными в зависимости от решаемых задач. Интерфейсные части практически у всех устройств одинаковы или очень похожи между собой, так как интерфейсные функции жёстко определяются протоколом выбранного стандартного интерфейса (в данном случае ISA).

В соответствии с определением интерфейса, в число главных функций интерфейсной части входит обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости. Информационная совместимость предполагает точное выполнение протоколов обмена и правильное использование сигналов магистрали. Электрическая совместимость подразумевает согласование уровней входных, выходных и питающих напряжений и токов. Вопрос о конструктивной совместимости в основном касается конечного этапа разработки устройства – проектирования печатной платы и сводится к точному соблюдению всех размеров платы, разъёмов и крепёжных элементов.

К основным функциям интерфейсной части можно отнести:

- буферирование сигналов магистрали;

- селектирование или дешифрация линий адреса;

- выработка внутренних стробирующих сигналов.

Буферирование сигналов применяется для электрического согласования и выполняет две основные функции: электрическая развязка (для всех сигналов) и передача сигналов в нужном направлении (только для двунаправленных сигналов). Иногда с помощью буферирования реализуется также мультиплексирование сигналов [6].

Другой основной функцией интерфейсной части является селектирование и дешифрация адреса. Эту функцию выполняет узел, называемый селектором адреса, который должен выработать сигналы, соответствующие выставлению на шине адреса магистрали кода адреса, принадлежащего данному устройству, или одного из зоны адресов данного устройства. Важно, чтобы адреса проектируемого устройства не перекрывались с адресами, занятыми другими устройствами компьютера. В том случае если устройство сопряжения работает в адресном пространстве памяти селектор адрес должен обрабатывать 20 разрядов адресной шины (при полном объёме памяти до 1 Мбайт) или больше при бóльшем объёме памяти.

Выработка внутренних стробирующих сигналов должна происходить синхронно с магистральными командными сигналами (-IOR, -IOW, -SMEMR, -SMEMW и др.). Для организации асинхронного обмена по шине ISA в низких скоростных характеристик устройства, используется сигнал I/O CH RDY, снятие которого, установка в состояние логического нуля, говорит о неготовности к циклу чтения (записи).

2.6 Обмен данными с компьютером

Существует четыре основных способа обмена данными с компьютером:

- по опросу флага готовности

- в режиме прерывания программы

- в режиме прямого доступа к ОЗУ компьютера

- с использованием автономного контроллера с буферной памятью в качестве накопителя.

Перечисленные способы обмена данными отличаются различными скоростями передачи данных и уровнем сложности аппаратуры, необходимой для их реализации.

Обмен экспериментальных данных с компьютером, работающим по опросу флага готовности внешнего устройства, требует минимальных затрат на разработку и изготовление дополнительной аппаратуры. Данный способ обмена характеризуется достаточно высокой скоростью реакции на обслуживание. Однако это обходится постоянной занятостью процессора тривиальными операциями опроса флага [3].

Если необходимость в обмене возникает достаточно редко, то наиболее приемлемым будет способ обмена с использованием прерывания. Реализация режима прерывания программы требует некоторого усложнения интерфейса связи с объектом, но это позволяет освободить процессор от периодического опроса устройства сопряжения и он в этом случае может заниматься другими задачами. Однако, использование аппаратных прерываний ни в коем случае не увеличивает скорости обмена с устройством сопряжения, наоборот, уменьшает её. Это связано с тем, что реакция на прерывание гораздо медленнее, чем на выставление флага готовности, т.к. чтобы обслужить прерывание процессор должен завершить текущий цикл, сохранить в стеке текущие значения своих регистров и только потом инициализировать контроллер прерываний и перейти на программу обработки прерывания [3,6].

Прямой доступ к памяти предназначен для быстрого обмена данными между устройством ввода-вывода и системной памятью компьютера. Использование режима ПДП весьма специфично. Во-первых, это связано с тем, что максимальный темп выдачи и приёма информации возможен только при передачи большого массива данных и даже в режиме блочной передачи пересылка одного байта (слова) требует нескольких тактов SYSCLC и занимает около 1 мкс. Как известно в поле адресов устройств ввода-вывода свободных адресов крайне мало, поэтому на практике возможен только последовательный доступ к буферному ОЗУ устройства ввода-вывода, что дополнительно снижает скорость обмена, и требует усложнения аппаратуры.

Наибольшую скорость выдачи или приёма данных обеспечивают не устройства сопряжения с прямым доступом, а устройства с так называемой разделяемой памятью, в которых быстрая буферная память, расположенная на плате устройства сопряжения доступна как со стороны внешнего устройства, так и со стороны магистрали ISA. При этом процессор рассматривает эту буферную память, как часть системного ОЗУ. В этом случае приём информации в ОЗУ компьютера или выдача её может осуществляться со скоростью до 50 Мбайт/с и выше.

Рассматривая устройства сопряжения имеющие буферные ОЗУ, можно выделить две большие группы:

- устройства сопряжения с непрерывным режимом обмена с внешним устройством. В этом случае буферное ОЗУ непрерывно выдаёт на внешнее устройство или принимает от него данные, а процессор в определённые моменты соответственно записывает или считывает необходимые ячейки этого ОЗУ.

- устройства сопряжения с периодическим режимом обмена. Буферное ОЗУ может находиться в одном из двух режимов: в режиме обмена с компьютером (запись или чтение содержимого ОЗУ) или в режиме обмена с внешним устройством (приём или выдача).

По методу доступа к буферному ОЗУ со стороны компьютера устройства сопряжения могут быть разделены на следующие группы:

- устройства с параллельным доступом к буферному ОЗУ;

- устройства с последовательным доступом к буферному ОЗУ.

Схематически оба метода представлены на рисунке 2.5.

При параллельном доступе каждой ячейке буферного ОЗУ соответствует свой адрес в адресном пространстве компьютера. В этом случае любой задатчик магистрали (процессор, контроллер ПДП и т.д.) может общаться с буферным ОЗУ как с системным, используя для этого все средства, все методы адресации, команды обработки строк. Данные, с точки зрения программиста, накапливаются непосредственно в памяти компьютера.

Естественно это наиболее быстрый метод общения с буферным ОЗУ (а также и с внешним устройством), так как в данном случае не требуется времени для перекачки данных из системной памяти в буферное ОЗУ или наоборот. Адресное пространство устройств ввода-вывода в данном случае использовать нецелесообразно, так как в нем нет достаточно больших непрерывных зон свободных адресов. Кроме того, возможности процессора по работе с памятью гораздо богаче, чем по общению с устройствами ввода-вывода.

При последовательном доступе данные буферного ОЗУ по очереди проецируются в один из адресов в адресном пространстве компьютера (или реже в несколько адресов). То есть задатчик при обращении по одному и тому же адресу в разное время общается с разными ячейками буферного ОЗУ. Главный недостаток этого подхода резкое снижение темпа обмена, а очевидное преимущество – экономия адресов магистрали [6].

3. РАЗРАБОТКА ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ НА БАЗЕ ПЛИС

3.1 Современные и перспективные ИС со сложными программируемыми структурами

Размеры плат микро-PC составляют всего 114×124 мм, поэтому для создания крупных систем нужно использовать микросхемы высокой степени интеграции и стараться разметить всю схему в минимальное число корпусов элементов.