Модуль накопления для задач многомерной мессбауэровской спектрометрии

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. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ

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.

Радионуклид	КО	ДСА, мкКи	ПДП, мкКи/год	ДКА, Ки/л	МЗА мкКи	Группа токсичности
Кобальт-57	Легкие	16	4*102	1,6*10-10	10	В
Олово-119М	Легкие	80	3,9*103	1,6*10-9	10	В

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;

- корпуса системного блока и внешних устройств должны быть заземлены радиально с одной общей точкой;

- для отключения компьютерного оборудования должны использоваться отдельный щит с автоматами защиты и общим рубильником;

- все соединения ПК и внешнего оборудования должны производится при отключенном электропитании.

Использование этих средств в различных сочетаниях обеспечивает защиту людей от прикосновения к токоведущим частям и от опасности перехода напряжения на металлические нетоковедущие части.

В соответствие с ГОСТ 12.1.030-81 в помещении лаборатории приняты следующие меры защиты от поражения электрическим током. Трехфазная электрическая сеть имеет глухозаземленную нейтраль. В помещении лаборатории проложены шины зануляющего контура и имеются автоматы для защиты от токов короткого замыкания. Силовая электрическая сеть проложена в металлических трубах, которые сварным соединением связаны с контуром зануления.

Для экстренного отключения предусмотрено автоматическое устройство, которое обеспечивает отключение потребителя при возникновении короткого замыкания и при значительном превышении уровня потребляемого тока.

6.2.3.Защита от шума

Шумом принято называть всякий нежелательный для человека звук, мешающий восприятию полезных сигналов. Шум представляет собой беспорядочное сочетание звуков различной интенсивности и частоты.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8

МЕНЮ