Модуль накопления для задач многомерной мессбауэровской спектрометрии

Министерствообразования Российской Федерации
Уральский государственный техническийуниверситет
Кафедра экспериментальной физики

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
МОДУЛЬ НАКОПЛЕНИЯ ДЛЯ ЗАДАЧМНОГОМЕРНОЙ 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 ЭффектМессбауэра
1.2Мессбауэровский спектрометр
1.3Многомерная параметрическая мессбауэровская спектрометрия
2. МЕТОДЫПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ НАКОПЛЕНИЯ
2.1 Системысбора и накопления информации
2.2Особенности создания систем накопления для многомерной мессбауэровскойспектрометрии
2.3.Применениемикроконтроллеров
2.4Использование современных электронно-модульных систем
2.5Разработка устройств сопряжения для магистрали ISA
2.6 Обменданными с компьютером
3.РАЗРАБОТКА ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ НА БАЗЕ ПЛИС
3.1Современные и перспективные ИС со сложными программируемыми структурами
3.2 Методы исредства проектирования устройств с программируемой логикой
3.3 САПР MAX+PLUS II
4. ПОИСКСХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
5. РАСЧЁТНАЯЧАСТЬ
5.1Разработка проекта на базе ПЛИС
5.1.1Реализация основного алгоритма5.1.2 Связь с внешними устройствами5.2 Разработка принципиальной схемы модулянакопления
5.3Блок-схема программного алгоритма
6.БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ
6.1Характеристика рабочего места
6.2Безопасность труда
6.2.1Радиационная безопасность
6.2.2Электробезопасность
6.2.3.Защитаот шума
6.2.4 Защитаот электростатического поля
6.3 Условиятруда в лаборатории
6.3.1Микроклимат помещения
6.3.2Освещенность рабочего места
6.3.3Эргономика рабочего места
6.4Экологичность рабочего места
6.4.1Состояние воздушного бассейна
6.4.2Радиационная обстановка
6.4.3Поверхностные воды
6.4.4Промышленные и бытовые отходы 6.4.5 Анализ возможных чрезвычайных ситуаций
6.5 Пожарнаябезопасность
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЯ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙСПИСОК
РЕФЕРАТ
Пояснительная записка содержит 103 листа, 20 рисунков, 5таблиц, 7 приложений, 26 библиографических источника.
Проведён анализ основных требований к системам накопления, атакже дополнительных, предъявляемых с позиции многомерной мессбауэровскойспектрометрии. Рассмотрены различные способы построения систем накопления.Решён вопрос объединения свойств многоканальности и многомерности.
Разработан модуль накопления приспособленный для круга задачмногомерной мессбауэровской спектрометрии. Модуль выполняет подсчёт входныхимпульсов от двух синхронизованных спектрометрических линеек, накопление ихранение 24 бит данных в 4096 каналах (ячейках памяти) для каждой линейки.
Модуль содержит два входных блока, состоящих в свою очередьиз счётного блока и схемы промежуточного накопления. Входные блоки образуютсистему накопления первого байта спектрометрических данных. Накопление 2-го и3-го байта информации происходит с использованием программных средствмикроконтроллера.
Интерфейс модуля накопления выполнен в стандарте ISA, поэтомуон может применяться как плата расширения для систем класса MicroPC или любогоперсонального компьютера содержащего разъёмы магистрали ISA. Дополнительнымвнешним интерфейсом является последовательный канал передачи данныхмикроконтроллера.
Для распределения потоков данных в схеме используетсябуферное ОЗУ, доступное со стороны системы накопления первого байта,микроконтроллера и 8-разрядной шины ISA в режиме разделяемой памяти. Такимобразом задатчик магистрали ISA (например процессор) при доступе к буферномуОЗУ рассматривает её как свою собственную.
Основные функции схемотехнического алгоритма, в том числеинтерфейсный блок реализованы в репрограммируемой ПЛИС EPM7256S фирмы Altera.Дизайн ПЛИС разработан средствами специализированной САПР MAX+PLUS II.Проведено тестирование проекта.
Разработанный модуль предназначен для накоплениямессбауэровских спектров, а также для снятия амплитудных спектров.
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙБМК 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 эффектрезонансного излучения и поглощения гамма-квантов предоставил физикамкачественно новый метод спектрометрии, который нашёл широкое применение вразличных областях науки и техники. Наиболее успешное использование этогометода связано с исследованием сверхтонкой структуры ядра.
Развитие спектрометрических методов движется по путиувеличения чувствительности, разрешающей способности, повышения точностивосстановления формы спектральной линии и расширения информативности.
Одним из самых перспективных направлений развития методаядерного гамма-резонанса, является многомерная мессбауэровская спектрометрия. Врамках этого направления, путём синтеза различных гамма-оптических схем,предоставляется возможность проводить динамические эксперименты и получатьсистему мессбауэровских спектров от одного исследуемого образца, таким образомустанавливая более полную картину изучаемого процесса. В основе метода лежитпринцип модуляции и трансформации энергетического спектра и регистрациярезонансного излучения в нескольких точках гамма-оптической схемы.
На сегодняшний день сложилась ситуация, когда развитиеметодологии многомерной мессбауэровской спектрометрии опережает темпыразработки аппаратуры необходимой для этого метода. В конечном итоге отсутствиесоответствующей экспериментальной базы, или её неполноценность тормозит многиеисследовательские начинания.
В данном контексте неудовлетворёнными остаются многиетребования, предъявляемые к системам накопления спектрометрической информации.Здесь особенно остро стоит вопрос о создании многоканальных систем,использование которых позволяет значительно поднять эффективность проведениямессбауэровских экспериментов. Не менее важными являются требованияуниверсальности и гибкости.
Изложенная проблема весьма актуальна для лабораториимессбауэровской спектрометрии кафедры экспериментальной физики УГТУ, гдепоставлена программа комплексного переоснащения и модернизации.
Цель данной работы – проектирование модуля накопленияадаптированного для решения задач многомерной мессбауэровской спектрометрии.
/>1. МЕССБАУЭРОВСКАЯ СПЕКТРОМЕТРИЯ/> 1.1 Эффект Мессбауэра
Эффект Мессбауэра – явление излучения, поглощения и рассеяниягамма–квантов ядрами без передачи энергии внутренним степеням свободы системы,которую образуют атомные ядра [1].
В 1957 г. Мессбауэру (Mössbauer) удалось впервыенаблюдать эффект резонансного поглощения гамма–квантов на линиях естественнойширины, не смещенных за счет отдачи и не уширенных за счет теплового движения.Это открытие, отмеченное Нобелевской премией по физике в 1961 г., далоисследователям чрезвычайно прецизионный резонансный метод регистрации измененийэнергии ядерных переходов с разрешающей способностью порядка 10–12–10–15 [1] ипривело к созданию нового физического метода изучения конденсированногосостояния вещества – мессбауэровской спектрометрии. Впервые оказалось возможнымизучение 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 ядерногорезонанса, которое характеризуется рекордно узким энергетическимраспределением. Основная физическая информация заключена в форме резонанснойлинии, ее особенностях и положении. Для получения этих данных используетсяметод энергетического сканирования (развертка спектра). Сканирование можетосуществляться несколькими способами. Наиболее удобным и простым являетсяспособ модуляции энергии резонансного гамма излучения, основанный на эффектеДоплера.
Экспериментальная установка, предназначенная для регистрацииинтенсивности ядерного гамма–резонансного поглощения и рассеяния, в зависимостиот скорости относительного движения в системе источник – анализатор получиланазвание “мессбауэровский спектрометр”.
Функциональная блок-схема спектрометра традиционнойконструкции, на основе которой выпускаются все серийно выпускаемые приборы, представлена на рисунке 1.1.
Конструктивноспектрометр состоит из двух частей: аналитического и электронного блоков [2].
Аналитический блок состоит из основания, на которомсмонтированы доплеровский модулятор, узел гамма–резонансной пары и криостат.
Электронный блок спектрометра выполняет функции управлениясистемой доплеровской модуляции, регистрации гамма–излучения, накопления данных.Электронный блок состоит из двух систем:
- системырегистрации гамма–излучения;
- системыдоплеровской модуляции.
/>


Источнику S (илипоглотителю А), закрепленному на доплеровском модуляторе DM, сообщается периодическаялинейно–изменяющаяся скорость. Блок управления модулятором 1 обеспечиваетотработку заданного закона движения и формирует сигналы запуска системынакопления 3 в режиме многоканального пересчета. Движение источника S создает сдвиг энергии резонансногоизлучения, что вызывает изменение интенсивности гамма–излучения пропущенногоили рассеянного поглотителем A ирегистрируемого детектором D.Сигналы с детектора D усиливаются,селектируются по амплитуде в спектрометрическом тракте 2 и отправляются ввыбранную ячейку памяти системы накопления 3. Накопление происходит в режимепоследовательного многоканального пересчёта. Однозначное соответствие скоростидвижения номеру канала накопления обеспечивается синхронизацией рабочегопериода движения с циклом переключения ячеек памяти, отведенных на накопление./> 1.3 Многомернаяпараметрическая мессбауэровская спектрометрия
Традиционная схема регистрации ограничена по своимвозможностям. Она не позволяет использовать многие методические достижения эффектаМессбауэра. Основные способы увеличения чувствительности: использованиерезонансного детектора (содержащего вещество-конвертор),резонансно-поглощающего фильтра. При всей привлекательности обоих способовсужения спектральной линии для них характерен общий недостаток – возникаетнеобходимость подбора веществ, удовлетворяющим определённым условиямрезонансного взаимодействия. Это привело к тому, что до настоящего временитолько для изотопа 119Snподобраны резонансные пары в качестве конвертора и фильтра [3].
Для расширения возможностей мессбауэровской спектрометрии вработе [3] предложен новый метод – многомерная параметрическая мессбауэровскаяспектрометрия, в основе которого лежит принцип модуляции и трансформацииэнергетического спектра резонансного излучения в нескольких точкахгамма-оптической схемы эксперимента. Это достигается введением в схемунескольких резонансных преобразователей, установленных на механически несвязанных, но электрически синхронизованных модуляторах, и регистрации спектровв одной или нескольких точках этой схемы. При этом конкретный видпреобразования спектральной линии представляет собой параметр, а количествонезависимых резонансных преобразователей или детекторов – размерностьгамма-оптической схемы.
Многомерная параметрическая мессбауэровская спектрометриявводит новое качество в процесс измерения, предоставляя возможность проводитьдинамические эксперименты, получать систему мессбауэровских спектров от одногоисследуемого образца и, таким образом устанавливать более полную картинуизучаемого процесса. Кроме того, развитие получили способы компенсацииэнергетического сдвига, использование которых позволяет расширить применениепринципа резонансного преобразования для любого мессбауэровского изотопа.
Совместное применение различных гамма-оптических схеммногомерной параметрической мессбауэровской спектрометрии позволяет получать воптимальных условиях дополнительное увеличение чувствительности, разрешающейспособности и информативности метода [3]./> 
2. МЕТОДЫПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ НАКОПЛЕНИЯ/> 2.1 Системы сбораи накопления информации
Сбор, накопление и хранение мессбауэровских спектроввыполняет специальная система накопления информации. Особенностью построениясистем накопления для нужд мессбауэровской спектрометрии является необходимостьнакопления большого объёма данных, в условиях длительного времени проведенияэксперимента.
Система накопления мессбауэровского спектрометратрадиционного типа должна осуществлять сбор и накопление данных в 4096 каналовс разрядностью данных не менее 24 (для набора необходимой статистикирезультата). Стоит отметить, что далеко не все существующие спектрометры и невсе задачи мессбауэровской спектрометрии требуют такого объёма накопления.
Естественным движением в развитии систем накопления (системрегистрации) является их ориентация на работу в тесной связке с ЭВМ. Такойподход позволяет строить автоматизированные системы сбора данных подуправлением ЭВМ с использованием средств программной обработки информации.
За время существования мессбауэровской спектрометрии системынакопления и обработкиинформации прошли путь развития от многоканальных анализаторов домногоуровневых систем [3].
В настоящее время наиболее важным требованием к построениюсистем регистрации является возможность создания многоканальных систем сбораданных, то есть состоящих из нескольких трактов регистрации. Такое требованиедиктуется возрастающими задачами, встающими перед мессбауэровской спектрометрией,решить которые средствами существующих одноканальных систем невозможно(рис.2.1).
Имеющаяся система регистрации во многом ограничиваетвозможности мессбауэровского эксперимента. Помимо производительности сюдаследует отнести и отсутствие необходимой гибкости и универсальности. Построениегибкой и открытой системы даёт возможность оперативного изменения еёконфигурации для нужд эксперимента, кроме того, открытость позволяет развиватьи дополнять систему, что является одним из главных принципов при разработкесовременной экспериментальной техники.
/>

Независимо от способапостроения системы регистрации в её структуру входят счётный блок, производящийподсчёт импульсов с детектора γ-излучения, и непосредственно блокнакопления.
Счётный блок –производит подсчёт приходящих со спектрометрической линейки импульсов и выдачуих в блок накопления. Он входит в любую систему регистрации и его схема можетбыть везде одинаковой. Он может быть реализован как стандартный модуль. Другоедело блок накопления. Так как его создание вызывает не мало затрат (как в инженерномтак и в экономическом плане) необходимо заранее ясно представлять всетребования к нему. Здесь имеется несколько подходов. Их различия заключены встепени использования ресурсов компьютера.
Простейший вариант системы накопления реализован с использованиемтолько 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 минимальныхаппаратурных затрат. Здесь промежуточное накопление как таковое отсутствует.Данные сразу передаются в компьютер. Очевидно, что компьютер должен бытьспособен постоянно (каждые 16 микросекунд) принимать информацию со счетногоблока. В такой системе компьютер постоянно занят операциями сбора и накопленияи другое его использование вряд ли возможно. Кроме того, под вопрос ставитсявозможность реализации многоканальных систем.
Более эффективной с точки зрения использования временныхресурсов ЭВМ является двухуровневая модель систем накопления. Здесь возможныдва варианта построения таких систем: с использованием микроконтроллера или безнего (рис.2.2б).
При использовании блока промежуточного хранения электроннаячасть берет на себя лишь функции сбора и промежуточного хранения данных, анакопления осуществляется в ЭВМ. Промежуточное хранение данных необходимо, какдля упрощения обмена данными с компьютером (используя одно прерывание можнопередать весь блок информации, собранный за рабочий цикл), так и для болееэффективного использования времени компьютера, и его ресурсов [4]. Несмотря наснижение степени загруженности компьютера, его постоянное присутствие в трактерегистрации всёже необходимо.
Другой вариант подразумевает использование, в качествевторого уровня системы накопления, блока промежуточного накопления сприменением микроконтроллера. Такое построение требует от микроконтроллераповышенного быстродействия и достаточно большого объема памяти внешнего ОЗУ. Вэтом случае всю систему можно рассматривать как одноуровневую по отношению кмикроконтроллеру. В зависимости от быстродействия микроконтроллера егоприменение может быть не ограничено только задачами накопления данных: на негомогут быть возложены функции управления некоторыми узлами системы регистрации.
Оптимальным способом исполнения одно- и двухуровневых системможно 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 пределахаппаратных возможностей компьютера или микроконтроллера. Однако не всетребования, предъявляемые к многоканальным системам накопления, могут быть приэтом удовлетворены.
Полноценнаямногоканальная система накопления с возможностями автономной работы может бытьреализована в виде трёхуровневой системы, которая предполагает использованиеблока промежуточного накопления на первом уровне, с целью снизить требования кбыстродействию управляющего микроконтроллера, имеющего статус звена второгоуровня. На верхнем (третьем) уровне находится компьютер. Развивая трехуровневуюмодель, на основе тех же модулей, можно построить многоканальную систему [4].Снятие повышенных скоростных требований к микроконтроллеру с помощью блокапромежуточного хранения данных позволяет реализовать одновременное накопление снескольких измерительных трактов (рис.2.2в).
Такую систему удобно построить в виде набора самостоятельныхмодулей (модульная концепция), в этом случае появляется возможность созданиясистемы накопления любой конфигурации. В таких системах компьютер можетиспользоваться только для хранения спектрометрических данных наэнергонезависимых носителях и выдачи команд управления для микроконтроллера.Связь с удалённым компьютером может быть организована по последовательному каналупередачи данных (RS-232, RS-485 и др.)./>2.2 Особенности создания систем накоплениядля многомерной мессбауэровской спектрометрии
 
Принцип модуляции и трансформации энергетического спектрарезонансного излучения в нескольких точках схемы эксперимента достигаетсявведением нескольких механически не связанных, но электрически синхронизованныхмодуляторов и регистрацией спектров в одной или нескольких точках этой схемы [3].
Использование различных гамма-оптических схем многомерноймессбауэровской спектрометрии или нескольких каналов регистрации в пределаходной схемы даёт возможность получать систему мессбауэровских спектров отодного исследуемого образца.
Последовательное снятие нескольких спектров, в сложных гамма-оптическихсхемах, приводит к значительному увеличению времени проведения эксперимента.
Таким образом, в многомерной мессбауэровской спектрометрии вцелях поднятия эффективности экспериментов существует необходимость созданиясистемы накопления с возможностью одновременного сбора данных от несколькихсинхронизованных трактов регистрации (рис.2.2г).
Свойства многомерности имногоканальности должны существовать одновременно, т.е. конструкциямногоканальной системы накопления должна удовлетворять требованиям многомерныхзадач эксперимента.

/>/>

/>2.3.Применение микроконтроллеров
Микроконтроллеры в системах накопления применяются, какправило, в качестве промежуточных уровней накопления, с дополнительнымифункциями управления.
Несмотря на непрерывное развитие и появление всё новых 16- и32-разрядных микроконтроллеров и микропроцессоров, наибольшая доля мировогомикропроцессорного рынка остаётся за 8-разрядными устройствами. Среди всех8-разрядных микроконтроллеров семейство 8051 является несомненным лидером поколичеству разновидностей числу компаний выпускающих его модификации (насегодняшний день их существует более 200) [5].
Основные элементы базовой архитектуры MSC-51:
- 8-разрядноеарифметико-логическое устройство на основе аккумуляторной архитектуры;
- 4 банкарегистров, по 8 в каждом;
- встроенная память программ 4 Кбайт;
- внутреннее ОЗУобъёмом 128 байт;
- булевыйпроцессор;
- два 16-разрядныхтаймера (счётчика);
- контроллерпоследовательного канала передачи данных;
- контроллеробработки прерываний с 2 уровнями приоритетов;
- четыре8-разрядных порта ввода-вывода, два из которых используются в качестве шиныадреса/данных для доступа к внешней памяти программ и данных [5].
Основными направлениями развития являются: увеличениебыстродействия (повышение тактовой частоты и переработка архитектуры ядра),снижение напряжения питания и потребления, увеличение объёма ОЗУ и FLASH-памяти на кристалле с возможностьювнутрисхемного программирования, введение в состав периферии микроконтроллера CAN- и USB-интерфейсов. Микроконтроллеры с каналом SPI обеспечивают возможностьвнутрисхемного программирования FLASH-памяти.
Таким образом, параметры прелагаемых сегодня на рынке клоновмикроконтроллера семейства MSC-51существенно отличают их от базовой конфигурации. Максимальная тактовая частотакристаллов достигает 40 МГц, объём памяти программ 16 Кбайт, оперативной памяти– 1024 байт и более [5].
Полная аппаратная и программная совместимость многихвыпускаемых микроконтроллеров 51-й серии позволяет проводить модернизациюустройств на их основе простой заменой кристалла другим с более подходящимихарактеристиками./>2.4 Использование современных электронно-модульныхсистем
Универсальнаямногоканальная система накопления должна иметь возможность быстрой и лёгкоймодернизации и конфигурирования для любых экспериментальных задач. Такимтребованиям будет удовлетворять система, построенная по модульному принципу.
Перевод классической структуры мессбауэровского спектрометрана базу современных стандартов построения электронно-модульных системзаставляет обратить внимание на возможность использования микро-PC.
Принцип микро-PCподразумевает использование малогабаритных высокопроизводительных процессорныхплат и встраиваемых модулей других устройств с большой степенью надёжности. Этоделает микро-PC незаменимым для применения вусловиях требующих безотказной работы систем управления различными процессамикак в промышленности, так и в сфере научных исследований.
С позиции мессбауэровской спектрометрии главным фактором впользу применения микро-PC является большое время проведения эксперимента (донескольких суток, а то и недель) когда потеря данных вследствие сбоя системыуправления заставляет возвращаться к моменту последнего сохранения данных. Втаких условиях необходимо постоянное присутствие лаборанта-оператора. Крометого, повтор накопления влечёт затягивание эксперимента и дальнейший сбойграфика анализа образцов в лаборатории, что неприемлемо при использованиидорогостоящих короткоживущих изотопов. Другими словами необходимо добитьсямаксимальной надёжности работы системы при минимальном участии оператора.Необходимо также иметь возможность создания модульной системы с достаточнымпотенциалом для наращивания и усовершенствования спектрометра, например в целяхпостроения многоканальных систем с несколькими трактами регистрации.
Архитектура IBM РС и лежащая в ее основе шина ISA являются внастоящее время безусловным стандартом в промышленности. Изделия MicroPCпредставляют собой идеальное сочетание полной (в том числе и конструктивной)совместимости с этой шиной и малого размера плат, обеспечивающего высокиемеханические характеристики системы и легкое встраивание изделий MicroPC влюбое оборудование. Почти всю разработку и отладку программного обеспеченияможно производить на обычном персональном компьютере, установив в него платыввода вывода MicroPC, а затем переносить готовое программное обеспечение вконтроллер, где в ПЗУ уже находится ядро операционной системы DOS 6.22. Приэтом можно использовать практически любое программное обеспечение и средстваразработки (например MS-DOS,Microsoft Windows NT/95/98, QNX, Linux и др.),работающие на стандартной IBM PC платформе, или специальные инструментальныепакеты 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 протоколовпозволяют разрабатывать необходимые модули для нужд эксперимента. В этом случаевесь электронный блок мессбауэровского спектрометра (система регистрации исистема управления доплеровской модуляции) может быть реализован в виде платрасширения. Модульность позволяет свободно конфигурировать систему подопределённую задачу, что значительно расширяет экспериментальные возможности(рис.2.3).
/>
Стоит отметить что, применение микро-PC даёт возможностьотказаться от использования лабораторного персонального компьютеранепосредственно в сборе данных. В этом случае ему может быть отведена рольфайл-сервера.
Все элементы на стандартных платах микро-PC выполнены поКМОП-технологии и имеют низкую потребляемую мощность. Таким образом, платыMicroPC не требуют принудительного воздушного охлаждения. Для питания необходимединственный источник напряжения 5 В.

/>2.5 Разработка устройств сопряжения для магистрали ISA
Магистраль ISAбыла разработана специально для персональных компьютеров типа IBM PC AT (начиная с процессора i80286) и относится к демультиплексированным (то есть имеющимраздельные шины данных и адреса) 16-разрядным системным магистралям среднегобыстродействия [6]. Обмен осуществляется 8- или 16-разрядными данными. Намагистрали реализован раздельный доступ к памяти компьютера и к устройствамввода-вывода (для этого имеются специальные сигналы). Максимальный объёмадресуемой памяти составляет 16 Мбайт (24 адресные линии). Максимальноеадресное пространство для устройств ввода-вывода – 64 Кбайт (16 адресныхлиний), хотя практически все выпускаемые платы расширения используют только 10адресных линий (1 Кбайт). Магистраль поддерживает регенерацию динамическойпамяти, радиальные прерывания и прямой доступ к памяти. Допускается такжезахват магистрали.
Разъём магистрали ISA разделён на две части, что позволяет уменьшать размеры 8-разрядных платрасширения. 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 впамять;
- цикл чтения изпамяти;
- цикл записи вустройство ввода-вывода
- цикл чтения изустройства ввода-вывода.
Циклы различаются используемыми сигналами и протоколамиобмена, поэтому при проектировании аппаратуры для сопряжения с ISA необходимо учитывать временныедиаграммы используемых циклов обмена. Другими словами должна быть реализованаинформационная совместимость.
Помимо циклов программного обмена на магистрали ISA могут выполняться также циклыпрямого доступа к памяти. Так как на магистрали имеются раздельные стробычтения и записи для устройств ввода-вывода и для памяти, пересылка данных врежиме ПДП производится за один машинный цикл. То есть если данные необходимопереслать из устройства ввода-вывода в память, то одновременно производитсячтение 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 электрическиехарактеристики сигналов. Стандарт магистрали определяет требования к входнымтокам приёмников и источников сигналов каждой из плат расширения. Не соблюдениеэтих требований может нарушить функционирование компьютера.
Выходные каскады передатчиков магистральных сигналов должнывыдавать ток низкого уровня не меньше 24 мА, а ток высокого уровня – не меньше3 мА. Входные каскады приёмников магистральных сигналов должны потреблятьвходной ток низкого уровня не больше 0,8 мА, а входной ток высокого уровня – небольше 0,04 мА.
В структуре любого устройства сопряжения можно выделить двечасти: интерфейсную и операционную (рис.2.4). Интерфейсная часть обеспечиваетнепосредственное сопряжение данного устройства с ISA, то есть обеспечивает необходимые параметры сигналовс соблюдением протокола обмена. Операционная часть несёт на себе функции, радикоторых, собственно, и создавалось устройство сопряжение. Подходы кпроектированию этих двух частей имеют принципиальные отличия.

/>
Операционные части различных устройств могут быть самымиразнообразными в зависимости от решаемых задач. Интерфейсные части практическиу всех устройств одинаковы или очень похожи между собой, так как интерфейсные функции жёсткоопределяются протоколом выбранного стандартного интерфейса (в данном случае ISA).
В соответствии с определением интерфейса, в число главныхфункций интерфейсной части входит обеспечение информационной, электрической иконструктивной совместимости. Информационная совместимость предполагает точноевыполнение протоколов обмена и правильное использование сигналов магистрали.Электрическая совместимость подразумевает согласование уровней входных,выходных и питающих напряжений и токов. Вопрос о конструктивной совместимости восновном касается конечного этапа разработки устройства – проектированияпечатной платы и сводится к точному соблюдению всех размеров платы, разъёмов икрепёжных элементов.
К основным функциям интерфейсной части можно отнести:
- буферированиесигналов магистрали;
- селектированиеили дешифрация линий адреса;
- выработкавнутренних стробирующих сигналов.
Буферирование сигналов применяется для электрическогосогласования и выполняет две основные функции: электрическая развязка (для всехсигналов) и передача сигналов в нужном направлении (только для двунаправленныхсигналов). Иногда с помощью буферирования реализуется также мультиплексированиесигналов [6].
Другой основной функциейинтерфейсной части является селектирование и дешифрация адреса. Эту функциювыполняет узел, называемый селектором адреса, который должен выработатьсигналы, соответствующие выставлению на шине адреса магистрали кода адреса,принадлежащего данному устройству, или одного из зоны адресов данногоустройства. Важно, чтобы адреса проектируемого устройства не перекрывались садресами, занятыми другими устройствами компьютера. В том случае еслиустройство сопряжения работает в адресном пространстве памяти селектор адресдолжен обрабатывать 20 разрядов адресной шины (при полном объёме памяти до 1Мбайт) или больше при бóльшем объёме памяти.
Выработка внутренних стробирующих сигналов должна происходитьсинхронно с магистральными командными сигналами (-IOR, -IOW, -SMEMR, -SMEMW и др.). Для организации асинхронного обмена по шине ISA в низких скоростных характеристикустройства, используется сигнал I/O CH RDY, снятие которого, установка в состояние логическогонуля, говорит о неготовности к циклу чтения (записи)./>2.6 Обмен данными с компьютером
Существует четыре основных способа обмена данными скомпьютером:
- по опросу флагаготовности
- в режимепрерывания программы
- в режиме прямогодоступа к ОЗУ компьютера
- с использованием автономного контроллера с буферной памятью в качественакопителя.
Перечисленные способы обмена данными отличаются различнымискоростями передачи данных и уровнем сложности аппаратуры, необходимой для ихреализации.
Обмен экспериментальных данных с компьютером, работающим поопросу флага готовности внешнего устройства, требует минимальных затрат наразработку и изготовление дополнительной аппаратуры. Данный способ обмена характеризуетсядостаточно высокой скоростью реакции на обслуживание. Однако это обходитсяпостоянной занятостью процессора тривиальными операциями опроса флага [3].
Если необходимость в обмене возникает достаточно редко, тонаиболее приемлемым будет способ обмена с использованием прерывания. Реализациярежима прерывания программы требует некоторого усложнения интерфейса связи собъектом, но это позволяет освободить процессор от периодического опросаустройства сопряжения и он в этом случае может заниматься другими задачами.Однако, использование аппаратных прерываний ни в коем случае не увеличиваетскорости обмена с устройством сопряжения, наоборот, уменьшает её. Это связано стем, что реакция на прерывание гораздо медленнее, чем на выставление флагаготовности, т.к. чтобы обслужить прерывание процессор должен завершить текущийцикл, сохранить в стеке текущие значения своих регистров и только потоминициализировать контроллер прерываний и перейти на программу обработкипрерывания [3,6].
Прямой доступ к памяти предназначен для быстрого обменаданными между устройством ввода-вывода и системной памятью компьютера.Использование режима ПДП весьма специфично. Во-первых, это связано с тем, чтомаксимальный темп выдачи и приёма информации возможен только при передачи большогомассива данных и даже в режиме блочной передачи пересылка одного байта (слова) требует несколькихтактов SYSCLC и занимает около 1 мкс. Как известнов поле адресов устройств ввода-вывода свободных адресов крайне мало, поэтому напрактике возможен только последовательный доступ к буферному ОЗУ устройстваввода-вывода, что дополнительно снижает скорость обмена, и требует усложненияаппаратуры.
Наибольшую скорость выдачи или приёма данных обеспечивают неустройства сопряжения с прямым доступом, а устройства с так называемойразделяемой памятью, в которых быстрая буферная память, расположенная на платеустройства сопряжения доступна как со стороны внешнего устройства, так и состороны магистрали ISA. При этомпроцессор рассматривает эту буферную память, как часть системного ОЗУ. В этомслучае приём информации в ОЗУ компьютера или выдача её может осуществляться соскоростью до 50 Мбайт/с и выше.
Рассматривая устройства сопряжения имеющие буферные ОЗУ,можно выделить две большие группы:
- устройствасопряжения с непрерывным режимом обмена с внешним устройством. В этом случаебуферное ОЗУ непрерывно выдаёт на внешнее устройство или принимает от негоданные, а процессор в определённые моменты соответственно записывает илисчитывает необходимые ячейки этого ОЗУ.
- устройствасопряжения с периодическим режимом обмена. Буферное ОЗУ может находиться водном из двух режимов: в режиме обмена с компьютером (запись или чтениесодержимого ОЗУ) или в режиме обмена с внешним устройством (приём или выдача).
По методу доступа к буферному ОЗУ со стороны компьютераустройства сопряжения могут быть разделены на следующие группы:
- устройства спараллельным доступом к буферному ОЗУ;
- устройства споследовательным доступом к буферному ОЗУ.
Схематически оба метода представлены на рисунке 2.5.

/>
При параллельном доступекаждой ячейке буферного ОЗУ соответствует свой адрес в адресном пространствекомпьютера. В этом случае любой задатчик магистрали (процессор, контроллер ПДПи т.д.) может общаться с буферным ОЗУ как с системным, используя для этого всесредства, все методы адресации, команды обработки строк. Данные, с точки зренияпрограммиста, накапливаются непосредственно в памяти компьютера.
Естественно это наиболеебыстрый метод общения с буферным ОЗУ (а также и с внешним устройством), так какв данном случае не требуется времени для перекачки данных из системной памяти вбуферное ОЗУ или наоборот. Адресное пространство устройств ввода-вывода вданном случае использовать нецелесообразно, так как в нем нет достаточнобольших непрерывных зон свободных адресов. Кроме того, возможности процессорапо работе с памятью гораздо богаче, чем по общению с устройствами ввода-вывода.
При последовательномдоступе данные буферного ОЗУ по очереди проецируются в один из адресов вадресном пространстве компьютера (или реже в несколько адресов). То естьзадатчик при обращении по одному и тому же адресу в разное время общается сразными ячейками буферного ОЗУ. Главный недостаток этого подхода резкоеснижение темпа обмена, а очевидное преимущество – экономия адресов магистрали[6]./>3. РАЗРАБОТКА ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ НА БАЗЕПЛИС/> 3.1 Современные иперспективные ИС со сложными программируемыми структурами
Размеры плат микро-PC составляют всего 114×124 мм,поэтому для создания крупных систем нужно использовать микросхемы высокойстепени интеграции и стараться разметить всю схему в минимальное число корпусовэлементов.
Наряду со стандартными, в системе накопления, как и в любойдругой системе, присутствуют и нестандартные части, специфичные для даннойразработки. Это могут быть различные схемы управления, схемы реализациизаданного алгоритма и т.п. Процесс реализации нестандартной части устройства,как правило, связан применением микросхем малой и средней степени интеграции.Применение малых и средних ИС неизбежно приводит к росту числа корпусов ИС,усложнением монтажа и отладки, снижением быстродействия и надёжности схем.Заказать для системы специализированные ИС высокого уровня интеграциизатруднительно, т.к. это связано с большими затратами средств и времени.Существующее противоречие может быть разрешено путём применения современныхпрограммируемых логических интегральных схем [7].
Первыми представителями программируемых ИС явилисьпрограммируемые логические матрицы ПЛМ, программируемая матричная логика ПМЛ ибазовые матричные кристаллы БМК, называемые также вентильными матрицами. ПМЛ иПЛМ в английской терминологии часто объединяются термином PLD, Programmable logic Devices.
Развитие БИС/СБИС с программируемой и репрограммируемойлогикой оказалось настолько перспективным направлением, что привело к созданиюновых эффективных средств разработки цифровых систем, таких />
как CPLD (Complex PLD),FPGA (Field Programmable Gate Array) и SPGA (System Programmable Gate Array).
Основой программируемых логических матриц служитпоследовательность элементов И и ИЛИ. В структуру также входят блоки входных ивыходных буферных каскадов (рис. 3.1)
Входные буферы, как правило, предназначены для преобразования однофазных входныхсигналов в парафазные и формирования сигналов необходимой мощности для питанияматрицы элементов И.
Выходные буферы обеспечивают необходимую нагрузочнуюспособность выходов, разрешают или запрещают выход ПЛМ на внешние шины спомощью сигнала OE, а иногдавыполняют и более сложные действия.
Переменные x1…xm подаются через входные буферныекаскады на входы элементов И, и в матрице И образуют L термов. Терм – это конъюнкция, связывающая входныепеременные, представленные в прямой или инверсной форме. Число формируемыхтермов равно числу выходов матрицы И.
Термы подаются далее на входы матрицы ИЛИ, т.е. на входыдизъюнкторов формирующих выходные функции. Число дизъюнкторов равно числувырабатываемых функций N.Воспроизводимые функции являются комбинациями из любого числа термов,формируемых матрицей И. Какие именно термы будут выработаны и какие комбинацииэтих термов составят входные функции, определяется программированием. Такимобразом, ПЛМ способна реализовать систему N логических функций от M аргументов, содержащую не более L термов.
Принцип программирования основан на том, что в матрицахимеются системы горизонтальных и вертикальных связей, в узлах которых припрограммировании создаются или ликвидируются связи. В качестве узлов связей используются диоды. Допрограммирования все перемычки целы и диоды связи размещены во всех узлахкоординатной сетки. При программировании в схеме остаются только необходимыеэлементы связи, а ненужные устраняются пережиганием перемычек.
Логическая мощность ПЛМ зачастую используется не полностью.Это проявляется, в частности, при воспроизведении типичных функций, не имеющихбольших пересечений друг с другом по одинаковым термам. В таких случаяхвозможность использования выходов любых конъюнкторов любыми дизъюнкторамистановится излишним усложнением. Отказ от этой возможности означаетиспользование не программируемой, а заданной матрицы ИЛИ. Структура в которойвыходы матрицы И жёстко распределены между элементами ИЛИ получила название ПМЛ. В сравнении с ПЛМ схемы ПМЛ имеютменьшую гибкость, т.к. матрица ИЛИ фиксирована, но их изготовление дешевле ииспользование проще.
Отдельной ветвью в развитии программируемых интегральных схемявляются базовые матричные кристаллы (вентильные матрицы с масочнымпрограммированием). Основа первых БМК – совокупность регулярно расположенных накристалле базовых ячеек (БЯ), между которыми имеются свободные зоны (каналы)для создания соединений. БЯ занимают внутреннюю область БМК, в которой онирасположены по столбцам, и содержат группы нескоммутированных элементов(транзисторов, резисторов и др.). В периферийной области размещены ячейкиввода-вывода. Потребитель может реализовать на основе БМК некоторое множествоустройств определённого класса, задав тот или иной вариант рисункамежсоединений компонентов. Основной характеристикой БМК помимо числаэквивалентных вентилей является трассировочная способность, котораяопределяется площадью отводимой для межэлементных связей в ортогональныхнаправлениях. Недостаточная трассировочная способность приводит к уменьшениючисла задействованных при построении базовых ячеек. Избыточная трассировочнаяспособность ведёт к нерациональному использованию кристалла, что понижаетуровень интеграции БМК и повышает его стоимость. Для решения подобных проблемстроятся многослойные БМК, при этом число слоёв межсоединений может составлятьот 2 до 6 и более.
Ранее перечисленные архитектуры ПЛИС, содержащие небольшоеколичество ячеек, к настоящему времени морально устарели и применяются дляреализации относительно простых устройств, для которых не существует готовых ИСсредней степени интеграции [8]. Для реализации крупных проектов они непригодны.
Развитие технологий, опыт использования программируемыхинтегральных логических схем (ПЛИС) приводит к выводу, что это максимальноудобная в освоении и применении элементная база, альтернативы которой зачастуюне найти. Последние годы характеризуются резким ростом плотности упаковкиэлементов на кристалле, многие ведущие производители либо начали серийноепроизводство, либо анонсировали ПЛИС с эквивалентной ёмкостью более одногомиллиона эквивалентных вентилей на кристалл.
Современные ПЛИС классифицируются поконструктивно-технологическому типу программируемых элементов. Числопрограммируемых двухполюсников (программируемых точек связи ПТС) в ПЛИС зависитот сложности и может доходить до нескольких миллионов. Наиболее характерныследующие виды программируемых ключей:
- перемычки типа antifuse
- ЛИЗМОПтранзисторы с двойным затвором
- ключевыетранзисторы, управляемые триггерами памяти конфигурации (теневым ЗУ) [7].
Программирование с помощью перемычек antifuse является однократными.Высококачественные перемычки фирмы Actel компактны, имеют очень малые токи в первоначальном (непроводящем)состоянии (порядка10-15А). Перемычка образована трёхслойнымдиэлектриком с чередованием слоёв оксид-нитрид-оксид. Программирующий импульс напряженияпробивает перемычку и создаёт проводящий канал из поликремния междуэлектродами. Величина тока, создаваемого импульсом программирования, влияет надиаметр проводящего канала (например ток 5 мА создаёт перемычку с сопротивление600 Ом, ток 15мА – 100 Ом) [7].
Элементы EPROMи EEPROM на ЛИЗМОП (МОП-структуры с лавиннойинжекцией заряда) транзисторах с плавающих затвором используются в ПЛИС, где спомощью программируемой памяти задаётся конфигурация схемы. Стирание старойконфигурации в ПЛИС на основе EPROMтребует длительного (около 1 часа) облучения УФ-излучением. Такие микросхемыимеют ограничение количества циклов перепрограммирования из-за деградациисвойств полупроводниковых материалов под воздействием ультрафиолета. ТехнологияEEPROM, для обновления не требуетизвлечения микросхемы, допускает достаточно большое число циклов стирания (104…106).Процесс стирания и обновления конфигурации занимает время порядка миллисекунд.В последнее время схемотехника EEPROMсовершенствуется и всё больше вытесняет схемотехнику EPROM. Технология программируемой памяти применяется в ПЛИСтипа CPLD.
/>В качестве программируемогоэлемента связи в ПЛИС FPGAиспользуется транзисторный ключ, управляемый триггером, показанный на рис.3.2
Ключевой транзистор Т2 замыкает или размыкает участок АВ взависимости от состояния триггера. При программировании на линию выборкиподаётся высокий потенциал, и транзистор Т1 включается. С линии записи-чтенияподаётся сигнал, устанавливающий триггер в состояние «1» и «0».
Загрузка соответствующихданных в память конфигурации программирует ПЛИС. Быстрый процесс оперативногопрограммирования может производиться неограниченное число раз. При выключениипитания конфигурация теряется. Каждый раз при включении питания необходимпроцесс инициализации (конфигурирования) схемы — загрузка данных изэнергонезависимой памяти [1].
ИС класса ПЛМ и ПМЛ имеющие структуру весьма удобную дляпостроения цифровых автоматов положили начало развития архитектурыпрограммируемых коммутируемых матричных блоков (ПКМБ), которые представляютсобой ПЛИС содержащую несколько матричных логических блоков, объединённыхкоммутационной матрицей. ПЛИС типа ПКМБ, как правило, имеют высокую степеньинтеграции (до 10 тыс. эквивалентных вентилей). К этому классу относятся ПЛИСсемейства MAX5000, MAX7000 фирмы Altera, схемы XC7000, XC9500фирмы Xilinx и др. ПЛИСкласса ПКМБ в зарубежной литературе получили название CPLD (Complex PLD).
Архитектурно CPLDсостоят из центральной коммутационной матрицы, множества функциональных блоковФБ (макроячеек) и блоков ввода-вывода на периферии кристалла. Системакоммутации построена на основе непрерывных связей, что даёт хорошуюпредсказуемость задержек сигналов в связях. Программируемая матрица соединений(PIA) позволяет соединить выход любого ЛБс входами других и обеспечить связи с вертикальными и горизонтальными линиями.Как и во всех ПЛИС, логические операции производятся в ЛБ, которые соединяютсяв единую систему с помощью ПМС. Каждый ЛБ содержит 16 макроячеек. Классическимпредставителем CPLD являютсямикросхемы семейства MAX7000,фирмы Altera, имеющими память конфигурации типа EEPROM. В настоящее время выпускаются ПЛИС MAX7000, MAX7000A, MAX7000B, MAX7000E, MAX7000S.Семейства MAX7000A и MAX7000B рассчитаны на работу в системах снапряжением питания 3,3 и 2,5В соответственно, ПЛИС MAX7000Sявляется дальнейшим развитием 5-вольтового MAX7000, с возможностью программирования в системе (ISP, In-system programmability) и периферийного сканирования всоответствии со стандартом IEEE Std. 1194.1 JTAG. Фрагмент структуры CPLD MAX7000Sдающий достаточно полное представление о ней изображён на рисунке 3.3а.
В отличие от архитектуры MAX7000 ПЛИС MAX7000S имеют дополнительную возможность использованиядвух глобальных тактовых сигналов GCLK1 и GCLK2 и сброса GCLR, а также сигналы разрешения выходов ОЕ.
Логический блок обеспечивает построение как комбинационныхцепей, так и схем с элементами памяти. Одна из макроячеек логического блокаизображена на рисунке 3.3б.
При недостатке собственных термов внутри макроячейки, можновоспользоваться дополнительными ресурсами двух типов логических расширителейобщего (разделяемого) и параллельного.
Блок ввода-вывода даёт возможность гибкого управления разрешениемвыходного буфера. ПМС формирует глобальные сигналы разрешения выходов ОЕ,допуская возможность перевода выходов ПЛИС в третье состояние. ПЛИС MAX7000S поддерживают аппаратную эмуляцию выходов с открытымколлектором, кроме того, может программироваться и скорость изменения выходовсигналов с целью предупреждения возможных паразитных колебаний припереключении.
Продолжением линии БМК стали программируемые пользователемвентильные матрицы ППВМ (FPGA).Логические блоки таких ПЛИС состоят из одного или нескольких относительнопростых логических элементов (коммутируемых логических блоков КЛБ), в основекоторых лежит таблица перекодировки, программируемый мультиплексор, D-триггер и цепи управления. Такихпростых элементов может быть достаточно большое количество (у современных ПЛИСёмкостью до 1 миллиона вентилей число логических элементов достигает несколькихдесятков тысяч). Таким образом, архитектуру ППВМ можно представить в видеструктуры БМК, где вместо базовых ячеек находятся КЛБ. В английской терминологииданный класс микросхем называется FPGA (Field Programmable Gate Array). К наиболее известным FPGAотносятся ПЛИС семейства XC2000,XC3000, XC4000, XC5000 и Spartan,Virtex фирмы Xilinx, ACT1,ACT2 фирмы Actel, а также семейства FLEX8000 фирмы Altera, некоторые ПЛИС Atmelи Vantis [8].

/>
В качестве КЛБ могут использоваться:
- транзисторныепары, простые логические вентили и т.п.
- логические модули на основе мультиплексоров
- логические модули на основе программируемых ПЗУ
Наиболее важные характеристики КЛБ отражаются двумяпараметрами зернистость и функциональность.
Первое свойство связано с тем, какие минимальные единицы логики (транзистор, вентиль,логический модуль) можно применить для составления нужной схемы. Второесвойство показывает насколько велики логические возможности КЛБ. Т.о. обапараметра взаимопротивоположны. Мелкозернистые ЛБ фирмы Crosspoint Solution содержат цепочки транзисторов. Междуцепочками транзисторов имеются трассировочные каналы, в которых могут бытьреализованы необходимые межсоединения. Крупнозернистый блок в микросхемах XC4000E фирмы Xilinxв качестве основы имеет три функциональных логических преобразователя, рядпрограммируемых мультиплексоров и два триггера. Такой блок способен реализоватьболее сложные функции, что ведёт к упрощению программируемой частимежсоединений. Иными словами, меняя зернистость можно выиграть в одном ипроиграть в другом.
Системы межсоединений, как и логические блоки, реализуются вшироком диапазоне архитектурных и технологических решений. Линии связи в FPGA как правило сегментированы, т.е.составлены из сегментов различной длины, соединённых программируемыми связями.
Короткие сегменты затрудняют реализацию длинных связей,длинные – коротких. Поэтому применяют иерархическую систему связей снесколькими типами межсоединений для передачи на разные расстояния, такоерешение позволяет строить системы с максимальной коммутируемостью КЛБ приминимальном количестве ключей и задержки сигналов, а также предсказуемостьпоследних, что облегчает программирование [7].
Критерий трассировочной способности системы межсоединенийотображает возможность создания в FPGA множества схем типового применения (только с помощью программируемыхперемычек).
Объединение достоинств FPGA и CPLDпривело к созданию ПЛИС смешанной архитектуры (общего названия для этого типаПЛИС пока не придумано, фирма Alteraпользуется термином Field Programmable Gate Arrays FLEX). Микросхемы FLEX содержат реконфигурируемые модули памяти РМП. Впервые такаявстроенная память появилась в семействе FLEX
10K [7] (рис.3.4).
/>
Логические элементы (ЛЭ) объединяются в группы – логическиеблоки. Внутри логических блоков ЛЭ соединяются посредством глобальнойпрограммируемой матрицы соединений. Локальная и глобальная матрицы соединенийимеют непрерывную структуру – для каждого соединения выделяется непрерывныйканал.
Дальнейшее развитие архитектур идёт по пути создания комбинированныхархитектур, сочетающих удобство реализации оперативно реконфигурируемых систем,характерных для FPGA структур имногоуровневых ПЛИС с удобством реализации цифровых автоматов на CPLD архитектурах. В продукции наиболееизвестных производителей ПЛИС можно выделить микросхемы APEX 20K/KE (рис.3.5) фирмыAltera и Virtex фирмы Xilinx.Стоит отметить, что при всех своих достоинствах такие ПЛИС пока мало популярныиз-за высокой стоимости [7].

/>
В таких микросхемах уровень интеграции доведён до несколькихмиллионов эквивалентных вентилей, а быстродействие до тактовых частот 500…600МГц. На таких кристаллах можно поместить целую систему (в зарубежной литературепринят термин System-On-Chip, SOC), включающую процессорную часть,память, интерфейсные схемы и др.
Компоненты этих систем разрабатываются отдельно и хранятся ввиде файлов параметризованных модулей. На базе таких виртуальных компонентов спомощью систем автоматизированного проектирования электронных устройств EDA (Electronic Design Automation) создаётся окончательная структура SOC-микросхем./>3.2 Методы и средства проектированияустройствс программируемой логикой
Характер проектирования существенно зависит от видаприменяемой элементной базы. Небольшие устройства для реализации которыхиспользуются ПЛИС малой степени интеграции разрабатываются, как правило«вручную», когда проектирование сводится к построению таблицы программирования(прошивки), на основании которой обеспечиваются необходимые межсоединения.
Все современные методики проектирования ЦУ на базе схемпрограммируемой логики высокой сложности основаны на применении САПР. НовейшиеСАПР предоставляют широкий набор инструменты для проектирования на этапахописания, компиляции, отладки, функционального и временного моделирования,конфигурирования, физического моделирования и программирования [7].
В настоящее время к наиболее распространенным универсальнымспособам описания, применимым для проектов любого уровня относят графический итекстовый. Реже используются непосредственная разводка схем в редакторетопологии, описания в виде требуемых временных диаграмм, а также описания путёмпостроения графов.
Графический способ разработки дизайна подразумевает макетноепостроение схемы с использованием библиотечных элементов САПР, которые могутбыть представлены в виде примитивов, в виде макрофункций в базисе элементовстандартных серий ТТЛ(Ш) или в виде параметризованных модулей. Главноедостоинство графического способа – его традиционность и наглядность.
Использование текстового представления проекта допускаетописание устройства, как с точки зрения поведения, так и с точки зренияструктуры. Удобство текстового описания проявляется при создании систем,содержащих большое количество повторяющих фрагментов. Важными достоинствамиявляются текстового описания компактность и относительная простотаавтоматизации любых преобразований, включая начальную генерацию описанияпроекта.
Использование стандартных универсальных языков описанияаппаратуры (HDL, Hardware Description Languages) обеспечивает простоту переносапроекта с одной аппаратнойплатформы на другую и переход от одной САПР к другой [7]. Текстовые описанияимеют две основные разновидности – языки низкого уровня (аналоги языковпрограммирования типа ассемблера) и высокого уровня. Примерами таких языковмогут служить язык AHDL (Altera HDL) и ABEL(фирмы Xilinx). Языки высокого уровня менеесвязаны с аппаратными платформами и поэтому более универсальны. Среди нихнаиболее распространены языки VHDL иVerilog [7].
Описание в виде граф-схемы переходов (диаграммы состояний)является наиболее распространённым вариантом задания цифровых автоматов.Графические редакторы для создания автоматов включаются в состав средствзадания исходных проектов современных САПР (например, в САПР Foundation фирмы Xilinx разработки фирмы ALDEC).
После составления описания проекта производится егокомпиляция. Данная процедура разбивается на ряд последовательных действий:сборка базы данных проекта, контроль соединений, логическая минимизацияпроекта, формирование загрузочного (конфигурационного) файла и др. Результаткомпиляции – загрузочный файл.
Тестирования проекта часто производится путём работы средактором временных диаграмм. В данном варианте анализ производится на основесозданного генератора воздействия. Например в САПР MAX+PLUS II предусмотреноавтоматическое вычисление трёх основных классов временных параметров:
- минимальных имаксимальных задержек между источниками (входными сигналами) и приёмниками(выходными сигналами), информация о которых выдаётся в виде матрицы задержек;
- максимальновозможной производительности устройства (пропускной способности) в видемаксимальной частоты тактирования элементов памяти, используемых в проекте.
- времён предустановки и выдержки сигналов, гарантирующих надёжную работусхем при фиксации сигналов в синхронных элементах памяти [7].
Многие САПР позволяют также выделять критические путипередачи и преобразования информации для схемного или топологическогопредставления проекта.
При выборе той или иной элементной базы не маловажнымкритерием является наличие достаточно развитых и удобных средств разработкипроектов на её основе.
Ряд фирм предлагает бесплатные версии САПР, представляющихсобой базовый набор инструментов для проектирования ЦУ на базе ПЛИС. Примерамимогут служить САПР MAX+PLUS II BASELINE – среда проектирования устройств набазе ПЛИС фирмы Altera, WebPACK ISE – версия САПР для ПЛИС фирмы Xilinx. Среди бесплатных САПР Xilinx следует также выделитьсистему WebFITTER, первый в своем роде продукт, основанный на использованииInternet.
Многие крупные фирмы-производители САПР интегральных схемактивно включились в процесс создания программного обеспечения, поддерживающегоПЛИС различных производителей. Это позволяет проводить разработку алгоритмов,пригодных к реализации на ПЛИС не только разных семейств, но и различныхпроизводителей, что облегчает переносимость алгоритма и ускоряет процессразработки. Примером таких систем являются продукты серии FPGA Express фирмыSynopsys, OrCAD Express фирмы OrCAD, продукты фирм VeryBest, Aldec, CadenceDesign Systems и многих других. САПР фирмы Altera поддерживает интерфейс со многими из названныхпродуктов.
 />3.3 САПР MAX+PLUSII
Система MAX+PLUS II разработана фирмой Altera и обеспечивает многоплатформенную архитектурно независимую средусоздания дизайна, легко приспосабливаемую для конкретных требованийпользователя.
Название MAX+PLUS II является аббревиатурой от Multiple Array MatriX Programmable Logic User System (пользовательская система программирования логикиупорядоченных структур). Система MAX+PLUS II имеет полный спектр возможностейлогического дизайна: разнообразные средства описания проектов с иерархическойструктурой, мощный логический синтез, компиляцию с заданными временнымипараметрами, разделение на части (использование нескольких кристаллов),функциональное и временное тестирование (симуляцию), тестирование несколькихсвязанных устройств, анализ временных параметров системы, автоматическуюлокализацию ошибок, а также программирование и верификацию устройств [8].Процедуру разработки нового проекта от концепции до завершения можно упрощённопредставить следующим образом:
1) создание новогофайла проекта или иерархической структуры нескольких файлов проекта с помощьюлюбого сочетания редакторов в системе MAX+PLUS II, то есть графического,текстового и сигнального редакторов;
2) задание имени файла — проекта верхнего уровня в качестве имени проекта;
3) назначениесемейства ПЛИС для проекта;
4) компиляцияпроекта. По желанию пользователя можно подключить модуль извлечения временныхпараметров проекта Timing SNF Extractor для создания файла, используемого привременном моделировании;
5) в случае успешнойкомпиляции возможен временной анализ в окне Timing Analyzer и симуляция в окнеSimulator
6) программированиес использованием программатора MPU (Master Programming Unit) или подключениезагрузочных устройств BitBlaster, Byte-Blaster или FLEX Download Cable кустройству, программируемому в системе;
ПО системы MAX+PLUS II содержит 11 приложений и главнуюуправляющую программу. Различные приложения, обеспечивающие создание проекта,могут быть активизированы мгновенно, что позволяет пользователю переключатьсямежду ними щелчком мыши или с помощью команд меню. В это же время можетработать одно из фоновых приложений, например, компилятор, симулятор,анализатор синхронизации и программатор. Одни и те же команды разных приложенийработают одинаково, что облегчает задачу разработки логического дизайна.
В таблице 1 приведено краткое описание приложений.
В САПР MAX+PLUS II легко доступны все инструменты длясоздания проекта. Разработка проекта ускоряется за счёт имеющихся стандартных функций,в том числе примитивов, мегафункций, библиотеки параметризованных модулей (LPM)и макрофункций устаревшего типа микросхем 74 серии.
Таблица 1 Приложения системы MAX+PLUS II.Приложение Выполняемая функция
Hierarchy Display
Обзор иерархии — отображает текущую иерархическую структуру файлов в виде дерева с ветвями, представляющими собой подпроекты.
Graphic Editor
Графический редактор — позволяет разрабатывать схемный логический проект в формате реального отображения на экране WYSIWYG.
Symbol Editor
Символьный редактор — позволяет редактировать существующие символы и создавать новые.
Text Editor
Текстовый редактор — позволяет создавать и редактировать текстовые файлы логического дизайна, написанные на языках AHDL, VHDL, Verilog HDL.
Waveform Editor
Сигнальный редактор — выполняет двойную функцию: инструмент для разработки дизайна и инструмент для ввода тестовых векторов и наблюдения результатов тестирования.
Floorplan Editor
Поуровневый планировщик — позволяет графическими средствами делать назначения контактам устройства и ресурсов логических элементов.
Compiler
Компилятор — обрабатывает логические проекты.
Simulator
Симулятор — позволяет тестировать логические операции и внутреннюю синхронизацию проектируемой логической цепи.
Timing Analyzer
Временной анализатор — анализирует работу проектируемой логической цепи после того, как она была синтезирована и оптимизирована компилятором.
Programmer
Программатор — позволяет программировать, конфигурировать, проводить верификацию и тестировать ПЛИС фирмы ALTERA.
Message Processor
Генератор сообщений — выдает сообщения об ошибках, предупреждающие и информационные сообщения.
В системе MAX+PLUS II есть три редактора для разработкипроекта: графический, текстовый и сигнальный, а также два вспомогательныхредактора: поуровневый планировщик и символьный редактор.
Графический редактор (Graphic Editor) обеспечиваетпроектирование в реальном формате изображения (WYSIWIG). Графические файлыпроекта (.gdf) или схемные файлы OrCAD (.sch), созданные в данном графическомредакторе, могут включать любую комбинацию символов примитивов, мегафункций имакрофункций. Символы могут представлять собой любой тип файла проекта (.gdf.sch .tdf .vhd .v .wdf .edf .xnf .adf .smf).
Символьный редактор (Symbol Editor) позволяет просматривать,создавать и редактировать символ. Символьный файл имеет то же имя, что ипроект, и расширение “.sym”. Команда Creat DefaultSymbol меню File, которая есть вграфическом, текстовом и сигнальном редакторах, создает символ для любого файлапроекта. Символьный редактор обладает следующими характеристиками: можнопереопределить символ, представляющий файл проекта, создавать и редактироватьвыводы и их имена, используя входные, выходные и двунаправленные выводы, атакже задавать варианты ввода символа в файл графического редактора, задатьзначения параметров и их значения по умолчанию; сетка и направляющие помогаютвыполнить точное выравнивание объектов, в символе можно вводить комментарии.
Текстовый редактор (Text Editor) является инструментом длясоздания текстовых файлов проекта на языках описания аппаратуры: AHDL (.tdf),VHDL (.vhd), Verilog HDL (.v). Все перечисленные файлы проекта можно создаватьв любом текстовом редакторе, однако данный редактор имеет встроенныевозможности ввода файлов проекта, их компиляции и отладки с выдачей сообщенийоб ошибках и их локализацией в исходном тексте или в тексте вспомогательныхфайлов; кроме того, существуют шаблоны языковых конструкций для AHDL, VHDL иVerilog HDL, выполнено окрашивание синтаксических конструкций. В данномредакторе можно вручную редактировать файлы назначений и конфигурации (.acf), атакже делать установки конфигурации для компилятора, симулятора и временногоанализатора.
Пользуясь данным текстовым редактором, можно создавать тестовыевекторы (.vec), используемые для тестирования, отладки функций и при вводесигнального проекта. Можно также создавать командные файлы (.cmd — длясимулятора и .edc — для EDIF), а также макробиблиотеки (.lmf).
Сигнальный редактор (Waveform Editor) служит инструментомсоздания описания проекта, ввода тестовых векторов и просмотра результатовтестирования. Пользователь может создавать сигнальные файлы проекта (.wdf),которые содержат временные диаграммы, описывающие логику работы проекта, атакже файлы каналов тестирования (.scf), которые содержат входные вектора длятестирования и функциональной отладки. Разработка описания проекта в сигнальномредакторе является альтернативой его создания в графическом или текстовомредакторах. Здесь можно графическим способом задавать комбинации входныхлогических уровней и требуемых выходов. Созданный таким образом файл WDF можетсодержать как логические входы, так и входы цифрового автомата, а также выходыкомбинаторной логики, счётчиков и цифровых автоматов. Способ разработки дизайнав сигнальном редакторе лучше подходит для цепей с чётко определённымипоследовательными входами и выходами, то есть для цифровых автоматов, счётчикови регистров.
Поуровневый планировщик (Floorplan Editor) предназначен дляназначения ресурсов физических устройств и просмотра результатов разводки,сделанных компилятором. В окне поуровневого планировщика могут бытьпредставлены два типа изображения:
- Device View (Видустройства) показывает все контакты устройства и их функции;
- LAB View (Видлогического структурного блока) показывает внутреннюю часть устройства, в томчисле все логические структурные блоки (LAB) и отдельные логические элементы.
После выполнения всех назначений и задания проекта приступаютк его компиляции. Сначала компилятор извлекает информацию об иерархическихсвязях между файлами проекта и проверяет проект на простые ошибки вводаописания проекта.
Компилятор применяет разнообразные способы увеличенияэффективности проекта и минимизации использования ресурсов устройства. Еслипроект слишком большой, чтобы быть реализованным в одном устройстве, компиляторможет автоматически разбить его на части для реализации в несколькихустройствах того же самого семейства, при этом число соединений междуустройствами минимизируется. В файле отчёта (.rpt) затем будет отражено, какпроект будет реализован в одном или нескольких устройствах.
Кроме того, компилятор создает программирующие файлы,используемые программатором для программирования одного или несколькихустройств. У разработчика также есть возможность настроить обработку проекта.Например, можно задать стиль логического синтеза проекта по умолчанию и другиепараметры логического синтеза в рамках всего проекта. Кроме того, можно ввеститребования по синхронизации в рамках всего проекта, точно задать разбиениебольшого проекта на части для реализации в нескольких устройствах и выбратьварианты параметров устройств, которые будут применены для всего проекта вцелом. Загрузку готового проекта в ПЛИС или конфигурационное ПЗУ выполняют спомощью программатора (Programmer).
/>4. ПОИСК СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
Модульный принцип построения системы накопления подразумеваетсоздание набора встраиваемых плат расширения для персонального компьютера либосистем стандарта микро-PC с магистралью ISA. Развивая и усовершенствуя весь мессбауэровскийспектрометр возможно создание полноценного автоматизированного комплекса среализацией всех узлов электронного блока спектрометра в виде модулей(рис.4.1).
/>

Модульность системы накопления даёт возможность оперативноменять конфигурацию. Путём добавления необходимого числа модулей можновыстроить систему независимых спектрометрических трактов. Таким образом,модульная концепция системы накопления – есть средство реализациимногоканальности.
Система, удовлетворяющая многомерным задачам мессбауэровскойспектрометрии должна укладываться в критерии многоканальности. Т.е. аппаратурадля многомерных задач должна быть также модульной.
Суммируявышеперечисленные условия (и ряд других) наиболее удобным представляетсяпостроение модуля накопления с возможностью сбора данных от двух синхронныхтрактов регистрации и накопления 24-битного результата. Такой модуль можноуспешно применять для снятия данных в многомерных гамма-оптических схемахэксперимента в составе многоканальной системы накопления.
Схема модуля накопления должна содержать микроконтроллер. Этосвязано, прежде всего, с тем, что модуль накопления является оператором данныхбольшой разрядности (24 бит) и необходимо построить систему с максимальноупрощённым алгоритмом доступа к банку данных со стороны магистрали ISA. Другое дело задача об оптимальном(по ряду критериев) распределении функций между аппаратурными средствами ипрограммным обеспечением. При этом в самом общем случае необходимо исходить изтого, что перенесение всех функций на аппаратурные средства обеспечиваетвысокое быстродействие системы в целом, но приводит к значительному усложнению схемыи сопряжено с увеличением стоимости конечного изделия. Кроме того, в данномслучае исчезает возможность создания автономной системы. Бóльшийудельный вес программного обеспечения позволяет сократить сложностьаппаратурных средств, но это приводит к снижению быстродействия и увеличениюзатрат и сроков разработки и отладки прикладных программ. Время жизни изделия,в котором большая часть функций реализована в программном обеспечении,многократно возрастает за счет того, что срок «морального старения»изделия может быть существенно отодвинут путём совершенствования и перестроенияпрограммного обеспечения. Программная реализация основных элементов алгоритмаработы накопителя допускает его модификацию относительно простыми средствами.Это и есть главный критерий построения гибких реконфигурируемых систем.
Учитывая широкие возможности микроконтроллера по работе спамятью, предполагается использование его системного ОЗУ (СОЗУ) для хранения инакопления спектрометрических данных. Объём СОЗУ должен быть достаточным дляхранения банка 2х24х4096 бит, а также промежуточныхданных. Наибольшие скоростные требования предъявляются к той части схемы, гдереализуется алгоритм накопления первого байта (счётные блоки, блокисуммирования и т.д.), поэтому данная часть должна быть исполнена аппаратно сиспользованием быстрой статической памяти. Накопление старших байтов можнопроизводить с использованием программных средств микроконтроллера. Из всехрассмотренных ранее способов обмена с компьютером наиболее подходящим является применениеразделяемой памяти. В этом случае трансляция накопленных в СОЗУ данных должнапроизводиться с использованием буферного ОЗУ доступного как со стороны шины ISA, так и со стороны микроконтроллера.Кроме того, БОЗУ может применяться для быстрого (в течение нерабочего режимасистемы регистрации, составляющего 11 мс) чтения данных собранных в системенакопления первого байта. Такой подход (совместно с другими положениями)позволяет организовать систему с непрерывным процессом накопления. Помимо ISA в качестве внешнего интерфейса можетиспользоваться последовательный порт микроконтроллера (например, в случаеавтономной работы модуля накопления).
Преследуя принципминимизации количества корпусов микросхем на малогабаритной плате необходимопредельно использовать возможности ПЛИС. Практически вся аппаратная часть, втом числе схема блока сопряжения, может быть реализована на одном кристаллеПЛИС. Использование наиболее популярных серий ПЛИС с доступными средствамиавтоматизированного проектирования позволяет строить надёжные устройства припомощи современных методов моделирования на функциональном и физическом уровне.Предлагаемый модуль накопления содержит два входных блока осуществляющихнакопление данных первого байта. Каждый блок, в свою очередь, состоит изсчётного блока и схемы промежуточного хранения (рис.4.2).
/>

Использование буферногоОЗУ позволяет построить следующий алгоритм работы устройств на схеме модулянакопления. С приходом стартового импульса начинается очередной циклрегистрации данных. Входные импульсы с двух трактов регистрации поступают навходы счётных блоков 1 и 2, где производится их подсчёт за время равное периодуследования канальных импульсов системы регистрации.
По приходу очередного канального импульса происходит выдачаданных на входы блоков суммирования и обнуление счётчиков для импульсовследующего временного окна. В тоже время блок выработки адреса схемы-диспетчераосуществляет выборку данных в ячейках ОЗУ соответствующих очередному номеруимпульса «Канал». Блоки суммирования производят их сложение с данными,поступившими со счётных блоков. Результаты сложения возвращаются в ОЗУ по томуже адресу.
Так продолжается накопление данных в 4096 каналов после чегоследует период нерабочего состояния системы регистрации длительностью 11 мс. Заэто время может быть произведена быстрая автоматическая трансляция в буферноеОЗУ данных накопленных в ОЗУ1 или ОЗУ2. Процесс передачи данных не обязательнодолжен производится в конце каждого цикла регистрации. Периодичность обменаопределяется степенью загрузки трактов. Даже при высоких параметрах загрузкипорядка 106 имп./с чтение ОЗУ необходимо производить в конце каждогодесятого цикла регистрации. Таким образом работа с данными в накопительных ОЗУ(ОЗУ1 и ОЗУ2) производится по принципу «чтение-модификация-запись» (рис.4.3)Это относится и к режиму накопления и к режиму автоматической трансляции. Впоследнем случае на место прочитанных и переданных в буферное ОЗУ данных записываетсянуль.

/>
Данные, переданные в буферное ОЗУ, находятся в распоряжениимикроконтроллера, который, выполняя подпрограмму суммирования, производитнакопление трёхбайтного массива данных в системном ОЗУ.
Результат накопления спектров первого и второго трактахранятся в системном ОЗУ и могут быть по запросу переданы на шину ISA. Передача данных производитсяблоками по 4 К байт с использованием буферного ОЗУ доступного со стороны ISA. Компьютер либо другая управляющаясистема (host) передают команды управления(запросы на доступ к банку данных, параметры накопления) используя либобуферное ОЗУ, либо последовательный порт с протоколом RS-232, либо регистры доступные со стороны магистрали ISA в поле адресов устройствввода-вывода.
/>5. РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ
При разработке модуля накопления необходимо исходить изпринципа максимальной простоты эксплуатации. С этой точки зрения схема должнапозволять осуществлять программирование микроконтроллера, как инструмента накопления данных иуправления ресурсами, с учётом необходимой и достаточной степени доступа кконечной аппаратуре.
/>
Модуль накопления для задач многомерной мессбауэровскойспектрометрии спроектирован с учётом следующих условий:
- Синхронизация накопителя с системой доплеровской модуляцииосуществляется внешними тактовыми импульсами “старт” и “канал”, имеющимистандартные ТТЛ уровни (рис.5.1).
- Основным внешниминтерфейсом накопителя является магистраль ISA. Доступ к данным осуществляется в режиме разделяемойпамяти с использованием буферного ОЗУ.
- Накоплениемессбауэровского спектра осуществляется в режиме последовательного многоканальногопересчета, при котором количество импульсов, подсчитанное за последовательныеравные интервалы времени заносятся в последовательные каналы (ячейки памяти).
- Модуль производитподсчёт входных импульсов, накопление 24-разрядных данных в 4096 каналов иобеспечивает их хранение./>5.1 Разработка проекта на базе ПЛИС
Как уже отмечалось, центральной и наиболее трудоёмкой частьюразработки является проектирование ПЛИС. На кристалл размещены практически всефункциональные блоки модуля накопления, за исключением микроконтроллера иэлементов оперативной памяти.
За основу принята серия MAX7000Sфирмы Altera – это ПЛИС класса CPLD с возможностью внутрисистемногопрограммирования, и не требующих внешней памяти конфигурации.
Микросхемы семейства MAX7000 характеризуются высокими параметрамибыстродействия: максимальная глобальная тактовая частота не ниже 125 МГц.Матрица соединений имеет непрерывную структуру, что позволяет реализовать времязадержки распространения сигнала до 5 нс.
Разработка кристалла ПЛИС осуществлялась в системепроектирования MAX+PLUS II – до последнего времени единственной САПР для большинстваПЛИС фирмы Altera.
Дизайн проекта выполнен в виде иерархической структуры файловсозданных в графическом редакторе системы MAX+PLUS II (рис.5.2). Длятестирования, как отдельных узлов, так и всего проекта использовался сигнальныйредактор.
Файлом верхнего уровня (файлом проекта) является файл Sistema.gdf. Этот файл обрабатывается компилятором. Он содержитлогику проекта и выполнен в виде иерархической структуры. Структурноеразделение 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, поставляемыефирмой Altera.
Основные функции работы модуля накопления реализованы в блокеKern. Он содержит в себе операционныйблок (Operator) в котором, совместно с внешними,относительно ПЛИС, элементами ОЗУ выполняется алгоритм накопления первого байтаданных. Кроме того, блок Kernвключает 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 линийадреса, узел выработки прерываний и регистры доступные в пространстве адресовустройств ввода-вывода компьютера.
Узел Directиспользуется для выработки сигналов управления доступом к буферному ОЗУ состороны внешних устройств согласно, установленного микроконтроллером, режимаработы, а также для выполнения некоторых интерфейсных функций.
На схеме присутствует несколько регистров доступных состороны микроконтроллера и необходимых для управления. Для их адресации выделено три линии портамикроконтроллера (всего 8 адресов). Роль селектора адреса выполняет элемент AS. 5.1.1 Реализацияосновного алгоритма
Входные блоки модулянакопления выполняют накопление и промежуточное хранение данных первого(младшего) байта. Основными структурными элементами здесь являются счётныеблоки, блоки суммирования, и накопительные ОЗУ. Адресация ячеек ОЗУ происходитсинхронно канальным импульсам системы регистрации. Накопление происходитнепрерывно в каждом цикле регистрации. Число каналов накопления может бытьзадано. В соответствии с алгоритмом программы микроконтроллера периодически(один раз за несколько циклов регистрации) должна происходить быстраяавтоматическая трансляция данных одного из накопительных ОЗУ в буферное ОЗУ.
Описанный механизмреализуется в блоке Kern совместно с внешнимимикросхемами ОЗУ. В соответствующем схемном файле Kern.gdf объединены счётные блоки, блоки суммирования, адресныйблок и необходимые схемы управления.
Для реализации счётного блока с минимальными значениямипараметра мёртвого времени на канал используется схема, состоящая из двухбуферных счётчиков. Переключение потока входных импульсов между счётчикамипроизводится управляющим триггером синхронно канальным импульсам системырегистрации (рис.5.3).

/>
В то время, когда один из счетчиков находится в режиме счетаприходящих на его вход импульсов, данные со второго счетчика через регистр идалее через мультиплексор поступают в последующее устройство обработкиинформации. Таким образом, мертвое время на канал сокращается до значенияравного времени переключения триггерной ячейки внутри ПЛИС. Быстродействиесчетчиков характеризуется собственным значением мертвого времени, котороеопределяет время нечувствительности счетчика, возникающее после регистрации имвходного импульса. Параметр регистровой (триггерной) задержки в ПЛИС серии MAX7000S не превышает 2 нс. Это позволяет говорить о том, чтопредельная входная загрузка может с многократным запасом превышать 107имп./с.
Счётный блок реализован файлом Count.gdf в графическомредакторе системы MAX+PLUS II. При составлении схемы использованы параметризованные модули(LPM) счётчиков и регистров, а такжедругие примитивы для комбинационных и последовательных участков схемы. Схемныйфайл Count.gdf находится в ПРИЛОЖЕНИИ 2.
Суммирование выходных данных счётных блоков с данными ОЗУвыполняется в блоке и одноимённом файле Operator. На рисунке 5.4 представленафункциональная схема сложения данных для одного тракта регистрации. В Operator структурно входит два счётных блока,данные с которых, поступают на входы параметризованных модулей сумматоров. Навторой вход сумматоров поступают данные ОЗУ, предварительно зафиксированные врегистрах. Фиксация в регистрах необходима для разделения во временидвунаправленных шин данных внешних микросхем ОЗУ.
/>
Управление регистрами осуществляется от внешнего блока Clocking. Кроме указанных элементов на схемеприсутствует 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 адреснымблоком, построенным в схемном файле Adr.gdf. Значение адреса генерируется 12-тиразрядным адресным счётчиком на вход, которого подаются, в зависимости отрежима работы, канальные импульсы (в процессе накопления) либо тактовыеимпульсы с частотой 400 кГц (в режиме быстрой автоматической трансляции данныхв буферное ОЗУ). Сброс адресного счетчика происходит по приходу стартовогоимпульса схемы регистрации или по приходу сигнала Hold со стороны триггерного блока Trig. Сигнал Hold устанавливается в начале нерабочегорежима системы регистрации в том случае, если микроконтроллер программно установилфлаг запроса трансляции данных первого байта в буферное ОЗУ (рис.5.5)
/>
Адресный счёт начинается с 000h. Последним на шину выдаётся пороговый адрес. Далеевырабатывается строб окончания счёта Endcount поступающий на вход триггерногоблока. Значение порога для адресного счетчика может быть установленомикроконтроллером. Для этого используются дешифратор значений порогового адресас входами установки Pи P1. По умолчанию пороговым является адрес 4095 (FFFh), для нужд эксперимента программномогут быть установлены значения 2047 (7FFh), 1023 (3FF) и 511 (1FF).
Схемный файл адресного блока Adr.gdfнаходится в ПРИЛОЖЕНИИ 2.
В процессе автоматической трансляции данных в младшие 12разрядов 13-ти разрядной шины адреса буферного ОЗУ подключается шина адресанакопительных ОЗУ. Сигнал Selram устанавливаемый микроконтроллером и формируемый триггерной схемой Trig определяет выбор микросхем ОЗУ1 илиОЗУ2 для передачи их данных в конце текущего цикла регистрации. Этот же сигналподаётся на 13-й (старший) разряд шины адреса буферного ОЗУ. Таким образомпроисходит разделение пространства памяти буферного ОЗУ на два банка, каждый изкоторых предназначен для временного хранения данных ОЗУ1 и ОЗУ2.
Триггерная схема (файл Trig.gdf)выполняет роль набора регистров управления элементами блока Kern со стороны микроконтроллера. Схемапостроена из набора D-триггеров идополнительных примитивов MAX+PLUS II. Непосредственно микроконтроллером устанавливаются сигналы P, P1 и Selram. Управляющий сигнал Hold устанавливается через определённоевремя задержки в ответ на сигнал Endcountадресного блока и осуществляет перевод блока Kern и других вышестоящих узлов в режимработы с буферной памятью. Задержка необходима для завершения последнейоперации записи-чтения ячеек накопительных ОЗУ с пороговым адресом. Функциязадержки реализована с использованием четырёхразрядного счётчика, тактируемоговнешним сигналом Read.
Файл Trig.gdf графического редактора системы MAX+PLUS II находится в ПРИЛОЖЕНИИ 2.
Корректная работа с микросхемами быстрой статическойоперативной памяти невозможна без стогового соблюдения протоколов обмена всоответствии с технической документацией.
Наиболее важным параметром статических ОЗУ является время выборки.Оно характеризует максимальную частоту операций чтения или записи. Современныемикросхемы памяти имеют время выборки порядка 30 – 100 нс, что удовлетворяеттребованиям проекта. Данный параметр является качественной характеристикой, нонаряду с ним существуют и другие параметры, которые необходимо учитыватьразработчику при проектировании систем использующих оперативную память. Вчастности к ним относятся:
- минимальное времяудержания активного уровня сигнала CS (выбор кристалла);
- минимальное времяудержания активного уровня сигнала WE (разрешение записи) в режиме записи данных;
- минимальное времяудержания активного уровня сигнала ОЕ (разрешение выходов) в режиме чтенияданных
- минимальное времяподачи управляющего сигнала записи с момента установления данных в режимезаписи
- минимальное времяудержания данных на входах ОЗУ после снятия управляющего сигнала записи врежиме записи
- минимальное времяподачи управляющего сигнала чтения с момента установления адреса в режимечтения и др.
Помимо непосредственного соблюдения протокола обменасинхронных ОЗУ в модуле накопления, нужно учесть и другие особенности ихприменения. Наличие двунаправленной шины данных между блоками суммирования имикросхемами ОЗУ (рис.4.2) заставляет обратить особое внимание на необходимостьправильного разделения во времени потоков данных. Речь идёт о недопустимостиодновременного (даже кратковременного) наличия на разделяемой шине данных, двухисточников сигналов. То есть между сигналами разрешающими выход данных состороны двух присутствующих на шине устройств, работающих в режиме непрерывногообмена, 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 ОЗУдля накопления данных первого байта (ОЗУ1 и ОЗУ2) с объёмом 4 Кбайт каждая.Выработка управляющих сигналов «чтение», «запись» для накопительных ОЗУ врежимах 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 производитвыдачу 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 тактированияс использованием четырёхразрядного счётчика. Определённые выходные значенияинтерпретируются аналитической схемой как маркерные точки для своевременнойустановки 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 появлениядействительных данных на выходах накопительных ОЗУ.
Тактовый, меандровый сигнал с частотой 20 МГц подаётся насчётчик от внешнего, относительно ПЛИС генератора. В режиме накопления сигналтактирования дополнительно проходит через делитель частоты на 5, выполненный набазе четырёхразрядного счётчика из набора макрофункций системыMAX+PLUS II.
Принцип работы блока тактирования отражён на функциональнойсхеме (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 20МГц), сanal(канальные импульсы системы регистрации), read (сигнал тактирования режима быстройтрансляции) и hold (сигналперевода в режим быстрой трансляции).
В режиме накопления блок тактирования генерирует сигналыуправления eo (enable output) и write синхронно импульсамсanal, в режиме быстрой трансляции дополнительно генерируетсясигнал записи буферного ОЗУ wrBRAM синхронно импульсам read. Результаты тестирования обоих режимов приведены на рисунке 5.7. Временные интервалы надиаграмме указаны в микросекундах.
/>
Адресный блок вырабатывает значение адреса ячеекнакопительного ОЗУ по отрицательному фронту импульса canalили read в зависимости от режима работы.Сигналы разрешения выходов формируются не ранее 120 нс. Выдача сигналазащёлкивания (чтения) данных в обоих случаях происходит не ранее чем через 200нс после импульса ео. Послестояние данных при операциях записи ОЗУсоставляет не менее 19 нс. Такие временные параметры призваны обеспечитьустойчивую работу модуля накопления.
В режиме быстрой трансляции необходимо проводить записьнулевых байтов в ячейки накопительного ОЗУ, данные которых, уже перенесены вбуферное ОЗУ.
За время нерабочего режима системы регистрации может бытьпроизведена трансляция данных только одной из микросхем накопительного ОЗУ (всоответствии со значением сигнала Selram). При этом незанятое накопительное ОЗУ должно находится врежиме хранения данных.
Таким образом, необходимо обеспечить раздельную выдачу командуправления (EO, WR) для каждого накопительного ОЗУ.
Функции разделения команд, а также дополнительные функциивыдачи сигналов обнуления на формирователи шин данных накопительных ОЗУреализованы в блоке формирования Form.Соответствующий схемный файл Form.gdf графического редактора MAX+PLUS II находится в приложении2.
Помимо рассмотренных устройств, в блоке Kern присутствуют дополнительныеэлементы, не включённые ни в один внутриструктурный файл этого блока. К нимотносятся схема формирователя шины данных для буферного ОЗУ, управляемаясигналамиholdиSelram, и триггер разрешения счётаимпульсов от внешних трактов регистрации.
Триггер разрешения счёта должен использоваться для работымодуля в режиме снятия амплитудных спектров, для запуска счёта на очередномэтапе сканирования.
Файл Kern.gdf графического редактора системы MAX+PLUS II находится в приложении2. 5.1.2 Связь свнешними устройствами
Наличие буферной памяти, как средства взаимодействиянескольких источников и приёмников данных, требует построения соответствующейсистемы управления разделяемым ресурсом. Основным устройством управления насхеме модуля накопления является микроконтроллер. Выполняя программу накопленияданных, он должен постоянно отслеживать и задавать режимы использованиябуферного ОЗУ. Всего предполагается 3 режима использования БОЗУ:
- запись-чтениеданных со стороны микроконтроллера;
- запись-чтениеданных со стороны магистрали ISA;
- запись данных изсистемы накопления первого байта.
Кроме контроля режимов работы БОЗУ микроконтроллер долженосуществлять конфигурирование и управление схемой, используя:
- триггерразрешения счёта входных импульсов;
- триггер флагатрансляции данных в БОЗУ ( используемый для запуска сигнала hold в ближайшем нерабочем режиме системырегистрации);
- триггер выборабанка данных в пространстве БОЗУ;
- триггерыустановки порогового адреса.
Алгоритм работы модуля накопления позволяет организоватьпопарную адресацию триггеров.
Для функций управления предполагается использовать один8-битный порт микроконтроллера. В этом случае удобно построить двухразряднуюшину данных и трёхразрядную шину адреса. Один бит порта необходимо использоватьдля стробирования данных.
Элементы входящие в систему управления реализованы в ПЛИС.
Обработка адресных линий микроконтроллера производитсяадресным селектором, выполненным в виде файла Asmc.gdf.По приходу положительного фронта тактирующего сигнала «с»микроконтроллера на выходах селектора формируются стробы защёлкивания данных слиний Dmc0 и Dmc1 длясоответствующих пар триггеров. Распределение адресов устройств представлено втаблице 2.
Таблица 2 Распределение адресов регистров управления
Адрес
Бит данных 000 001 010 011 100 101 110 111 Dmc0
Установка значений порогового адреса
00 – 511
01–1023
10–2047
11–4095
Установка флага hold (выдача в БОЗУ данных 1-го байта)
Установка режимов использования БОЗУ
00 – МК
01 – ISA
10 – система накопления 1-го байта триггер разрешения счёта Флаги в поле адресов ввода-вывода Резерв Резерв Резерв Dmc1
Установка сигнала Selram триггер иницициализации запроса прерывания

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

Схемные файлы Direct.gdf и Muxrg.gdfнаходятся в ПРИЛОЖЕНИИ.
Доступ к буферному ОЗУ со стороны магистрали ISA осуществляется по принципуразделяемой памяти. То есть ячейки буферного ОЗУ находятся в некотором полеадресов памяти компьютера. Для осуществления доступа требуется обработка всех20 адресных линий шины ISA.12 младших линий непосредственно адресуют ячейки БОЗУ, другие 8 используютсядля установки пространства памяти.
Интерфейсный блок Interfase выполняет обработку адресных линий и вырабатывает сигнал AdrEразрешения доступа к БОЗУ,поступающий на вход блока управления Direct.
Для осуществления быстрой связи между микроконтроллером икомпьютером в интерфейсном блоке предусмотрено две пары триггеров. Триггерамогут выполнять роль флагов, например, для выставления запроса на передачунакопленных данных в компьютер.
Для селектирования адресов пространства памяти, и триггероврасположенных в поле устройств ввода-вывода интерфейсный блок содержит схемудешифрации линий адреса Selectisa. Здесь можно задать селектируемые адреса путём добавления (удаления)примитивов логического отрицания NOT навходах соответствующих линий (см. файл Selectisa.gdf в ПРИЛОЖЕНИИ 2).
Микроконтроллер может инициализировать прерывание вкомпьютере установив специальный триггер в интерфейсном блоке. Обращение кбуферному 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 readиclk.Меандровый сигнал clkчастотой20 МГц поступает от внешнего кварцевого генератора на вход глобальноготактового сигнала GCLK1 ПЛИС. Для получениямеандрового сигнала read с частотой 400 кГц, на базе шестиразрядного счётчика и вспомогательнойкомбинационной 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 единыйпроектный файл Sistema.gdf. Этот файл обрабатываетсякомпилятором MAX+PLUS II, который создаёт загрузочный код для программирования ПЛИС.Проект Sistema может быть размещён на одномкристалле ПЛИС EPM7256SRC208-7 с логической ёмкостью 5000эквивалентных вентилей. Из 256 макроячеек микросхемы использовано 251, чтосоставляет 98% ёмкости./>5.2 Разработка принципиальной схемы модулянакопления
В модуле накопления используется 8-битный микроконтроллер AT89c51 содержащий 4 Кб FLASH-памяти программ, 128 байт ОЗУ и содержащий 32 программируемые линииввода-вывода. Линии ввода-вывода объединены в четыре 8-разрядныхдвунаправленных порта, два из которых используются в качестве шиныадреса/данных для доступа к внешней памяти программ и данных. Один из портовимеет дополнительные функции (последовательный порт, входы внешних прерываний,входы счётчиков, выходы стробирующих сигналов записи-чтения во внешнюю памятьданных).
Использование внешней памяти программ не предполагается.
Накопление и хранение данных производится во внешней памятиданных объёмом 32 Кбайт. Для адресации необходимо 15 линий адреса. Приобращении 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 Р0используется регистр фиксирующий адрес по спаду сигнала ALE. Регистр КР1533ИР23 производитзапись по положительному фронту тактирующего сигнала, поэтому сигнал ALEинвертирован в ПЛИС.
Восьмой бит порта Р2 используется для обращения к буферномуОЗУ. При установке линии в лог.0 микроконтроллер обращается к БОЗУ, как ксобственной памяти программ (естественно, что БОЗУ должно находится в режимедоступа 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 другихрежимах использования БОЗУ.
Для управления внешними регистрами используется порт Р1. Двабита данных Dmc0 иDmc1 выдаётся по линиям Р1.0 и Р1.1 (соответственнонулевой 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 формирователейКР1533АП6, используемых для доступа к шине данных буферного ОЗУ со сторонымикроконтроллера и магистрали ISA(рис. Ф), логическим уровнем на линии Р1.6 (1 – чтение данных БОЗУ, 0 – записьданных из БОЗУ).
На входы Р3.4, Р3.5 таймеров/счётчиков Т0 и Т1микроконтроллера подаются соответственно сигналы Start и 7 функционального блокамессбауэровского спектрометра. На линию Р3.2 входа внешних прерываний INT0 подаётся сигнал INT интерфейсного блока выполненноговнутри ПЛИС.
Модуль накопления имеет четыре ОЗУ: два ОЗУ объёмом 4 Кбайт всистеме накопления первого байта, буферное ОЗУ объёмом 8 Кбайт и системное ОЗУ(внешняя память данных) микроконтроллера объёмом 32 Кбайт. Микросхемы ОЗУ сорганизацией 4Кх8 серийно не производятся, поэтому вместо них использованыболее доступные – 8Кх8. Для корректной работы схемы модуля накоплениядостаточно оперативной памяти с временем выборки 100 нс.
Шины адреса и данных накопительных ОЗУ, шина адреса буферногоОЗУ, а также сигналы управления подключаются непосредственно к ПЛИС, гдепроисходит установка их задатчика в зависимости от выбранного режима.
Для тактирования ПЛИС использована микросхема-кварц Z544-47, частотой 20 МГц.
Передача данных последовательного порта микроконтроллерапроисходит по средствам интерфейса обмена RS-232C. Длянормального приёма уровень передаваемых сигналов должен составлять не менее±10 В. Применение дискретныхэлементов для построения приемопередатчика нежелательно и наиболее удобнымявляется использование специализированных интерфейсных интегральных схем.Широкая гамма таких кристаллов выпускается фирмой Analog Devices. Они содержат преобразователь напряжения +5 В внапряжение +10 В, инвертор (преобразующий напряжение +10 В в –10 В) исобственно преобразователи уровня сигналов последовательного интерфейса. Дляданного проекта использована микросхема ADM232A.
Перечень элементов принципиальной схемы приводится вПРИЛОЖЕНИИ 4, характеристики – в ПРИЛОЖЕНИЯХ 5,6 и 7.5.3 Блок-схема программного алгоритма
Микроконтроллер в схеме модуля накопления выполняет следующиеосновные функции:
- обеспечиваетнакопление и хранение в системном ОЗУ мессбауэровских спектров в виде24-разрядных массивов данных;
- контролирует режим доступа к буферному ОЗУ;
- задаёт рабочиепараметры модуля накопления;
- обеспечиваетрежим амплитудного анализа во взаимосвязи с управляющей системой.
Перед началом выполненияосновной программы накопления микроконтроллер должен выполнить процедуруинициализации – произвести подготовку системы. Во-первых, необходимо обнулитьячейки памяти данных, и буферного ОЗУ, состояние которых являетсянеопределенным после включения питания. Во-вторых, задать пороговый адрес(число каналов накопления). В-третьих, выдать команду разрешения счёта входныхимпульсов для счётных блоков в системе накопления первого байта.
Накоплениеспектрометрических данных должно осуществляться путём реализации алгоритмасложения массивов накопленных в системе накопления первого байта, и переданныхв буферное ОЗУ, с данными, хранящимися и накапливаемыми в системном ОЗУмикроконтроллера. Трансляцию (передачу) данных накопленных в системе накопленияпервого (младшего) байта в буферное ОЗУ инициирует микроконтроллер путёмустановки флага hold. Выбор накопительного ОЗУ(1 или 2) для передачи осуществляется установкой сигнала Selram (см. таблицу 2). При высоких параметрах загрузки порядка106 имп./с передачу данных первого байта в буферное ОЗУ необходимопроизводить в конце каждого десятого цикла регистрации.
Согласно установленной периодичности, либо по запросу данныхсо стороны задатчика шины ISA(при выставлении соответствующего флага или сигнала прерывания),микроконтроллер должен предоставить накопленные данные используя буферное ОЗУ,доступное задатчику ISA в режимеразделяемой памяти.
Блок-схема алгоритма программы микроконтроллера приводится вПРИЛОЖЕНИИ 3.
6. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ 6.1 Характеристикарабочего места
В процессе дипломного проектирования была осуществлена разработкапринципиальной схемы автономной системы накопления мессбауэровскгоспектрометра. Работы, проводимые в помещении лаборатории мессбауэровскойспектрометрии связаны с измерением гамма-резонансных спектров пропусканияисследуемых веществ в твердом состоянии, содержащих стабильные нуклидыжелезо-57 и олово-119 в диапазоне температур 4,2K-1200K с использованием стационарноустановленной Мессбауэровской лаборатории типа NE-255. Применяются источникигамма-излучения закрытого типа на радионуклидах кобальт-57 и олово-119М. Припроектировании системы накопления использовался персональный компьютер.
В процессе проведения работ присутствуют следующие вредные иопасные факторы:
- ионизирующееизлучение;
- повышенноенапряжение электрического тока;
- воздействиеэлектромагнитного излучения;
- воздействие шума;
- электростатическиеполя.6.2 Безопасность труда 6.2.1 Радиационнаябезопасность
Работы, проводимые в помещении лаборатории мессбауэровскойспектрометрии, классифицируются как: «Дозиметрические и радиометрическиеизмерения радиоактивных веществ и ионизирующих излучений, а также градуировкадозиметрической и радиометрической аппаратуры».
В помещении лаборатории мессбауэровской спектрометриипроводятся работы только с радиоактивными источниками ионизирующих излученийзакрытого типа. В комнате имеется два рабочих места со стационарнымрасположением ИИИ. Помещение отвечает всем еобходимым требованиям [23]. Рабочиеместа оборудованы радиационной защитой. Выход пучков излучений направлен вземлю или в помещения без постороннего присутствия людей.
Радиоактивные изотопы являются источниками ионизирующихизлучений с энергиями достигающими единиц МэВ, поэтому работа с нимипредставляет серьезную биологическую опасность. При использовании радиоактивныхисточников рентгеновского и гамма-излучения исключается возможность радиоактивногозагрязнения помещений и попадания радиоактивных веществ в организм человека.Опасность представляет только внешние облучение.
Максимальная мощность дозы при измерениях и испытаниях непревышает 5 мЗв/год, что удовлетворяет дозовым пределам для персонала группы А(НРБ 99 [23]).
Радионуклидные источники хранятся в сейфах типа СН12 взащитных переносных контейнерах типа КТ. Сейфы опечатываются ответственнымза хранение изотопов. На дверяхкомнат, сейфах, переносных и защитных контейнерах, узлах установок, кудазагружаются источники, должны быть установлены знаки радиационной опасности. Влаборатории мессбауэровской спектрометрии используются только закрытыеисточники.
При работах с закрытыми радионуклидными источниками всоответствие с НРБ–99 [23] должны соблюдаться следующие общие требования:
- исключен доступпосторонних лиц;
- обеспеченасохранность источника;
- направлятьизлучение предпочтительно в сторону земли или в сторону, где отсутствуют люди;
- ограничиватьдлительность пребывания людей вблизи источника;
- применятьподвижные заграждения и защитные экраны;
- вывешиватьплакаты, предупреждающие о радиационной опасности, видимые с расстояния неменее 3м.
Радиационный контроль влаборатории осуществляется за следующими параметрами:
- мощность дозыгамма-излучения;
- содержаниеаэрозолей;
- величиназагрязненности 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 ионизирующегоизлучения является электронно-лучевая трубка монитора.
Электронно–лучевая трубка дисплея создает поленизкоэнергетического излучения. При эксплуатации монитор компьютера излучаетмягкое рентгеновское излучение. Опасность этого вида излучения связана с егоспособностью проникать в тело человека на глубину 1-2 см и поражатьповерхностный кожный покров. Измерения показывают, что на расстоянии 2 см отэкрана его интенсивность составляет не более 30 мкР/ч и убывает с расстоянием.Это означает, что при длительной работе дистанция между оператором и дисплеемдолжна быть не менее 30 см. В этом случае уровень излучения на рабочем месте непревышает фоновых значений (НРБ 99 [23]). При таких полях средств защиты нетребуется… Кроме того, для защиты от излучения необходимо следовать следующимрекомендациям:
- применятьнаиболее современные видеоадаптеры с высоким разрешением и частотой обновленияэкрана не ниже 70-72 Гц;
- применять мониторысоответствующие международному стандарту безопасности MPR II, а также ТСО-92,TCO-95 и TCO-99.
Спектр излучения компьютерного монитора включает в себярентгеновскую, ультрафиолетовую и инфракрасную области, а также широкийдиапазон электромагнитных волн других частот. Опасность этих видов излучениясчитается в настоящее время пренебрежимо малой, так как эти излученияпрактически полностью поглощаются веществом экрана монитора. 6.2.2 Электробезопасность
С точки зрения опасности поражения человека электрическимтоком лаборатория мессбауэровской спектрометрии относится к помещениям сповышенной опасностью [14], так как характеризуется возможностью одновременногоприкосновения к корпусу оборудования и заземленной металлической конструкции.
В соответствии с правилами электробезопасности в рабочемпомещении должен осуществляться постоянный контроль состояния электропроводки,предохранительных щитов, шнуров, с помощью которых включаются в электросетькомпьютеры, осветительные приборы, другие электроприборы.
Электрические установки, к которым относится практически всеэкспериментальное оборудованиелаборатории, представляют для человека большую потенциальную опасность.Поражение электрическим током может произойти при неправильной эксплуатации оборудования, припроведении ремонтных или профилактических работ. Специфическая опасностьэлектроустановок – токоведущие проводники, корпуса стоек KAMAK, персональных компьютеров и прочегооборудования, оказавшегося под напряжением в результате повреждения (пробоя)изоляции, не подают каких-либо сигналов, поэтому возможность поражения токомносит характер скрытой угрозы.
Электропитание большей части аппаратуры обеспечивается отсети переменного тока напряжением 220 В, питание детекторов осуществляетсянапряжением до 2000 В.
Причины пораженияэлектрическим током: случайное прикосновение или приближение на опасноерасстояние к токоведущим частям, находящимися под напряжением; появлениенапряжения на металлических конструктивных частях электрооборудования;появление напряжения на отключенных токоведущих частях, на которых работаютлюди, вследствие ошибочного включения; возникновение «шагового» напряжения наповерхности земли в результате замыкания провода на землю.
При прохождении через тело человека ток оказываеттермическое, биологическое и электролитическое действия.
Все виды воздействия электрического тока относят к двумтипам:
- Электрическиетравмы – это чётко выраженные местные повреждения тканей организма, вызванныевоздействием электрического тока. Различают следующие электрические травмы,электрические знаки, металлизация кожи и механические повреждения.
- Электрическийудар – возбуждение живых тканей организма проходящим через него электрическимтоком, сопровождающееся непроизвольным судорожным сокращением мышц.
Различают три степени электрических ударов: судорожноесокращение мышц с потерей сознания, потеря сознания и нарушение сердечнойдеятельности или (и) дыхания, клиническая смерть.
При эксплуатации ПК,необходимо соблюдать такие требования:
- все узлы одногоперсонального компьютера и подключенное к нему периферийное оборудование должны питаться от однойфазы электросети;
- корпусасистемного блока и внешних устройств должны быть заземлены радиально с однойобщей точкой;
- для отключения компьютерногооборудования должны использоваться отдельный щит с автоматами защиты и общимрубильником;
- все соединения ПКи внешнего оборудования должны производится при отключенном электропитании.
Использование этих средств в различных сочетаниях обеспечиваетзащиту людей от прикосновения к токоведущим частям и от опасности переходанапряжения на металлические нетоковедущие части.
В соответствие с ГОСТ 12.1.030-81 в помещении лабораторииприняты следующие меры защиты от поражения электрическим током. Трехфазнаяэлектрическая сеть имеет глухозаземленную нейтраль. В помещении лабораториипроложены шины зануляющего контура и имеются автоматы для защиты от токовкороткого замыкания. Силовая электрическая сеть проложена в металлическихтрубах, которые сварным соединением связаны с контуром зануления.
Для экстренногоотключения предусмотрено автоматическое устройство, которое обеспечиваетотключение потребителя при возникновении короткого замыкания и при значительномпревышении уровня потребляемого тока./> 6.2.3.Защита отшума
Шумом принято называть всякий нежелательный для человеказвук, мешающий восприятию полезных сигналов. Шум представляет собойбеспорядочное сочетание звуков различной интенсивности и частоты.
Действие шума приводит к снижению работоспособности человека,снижается качество восприятия им информации, также шум может вызватьперестройку функционирования определенных физиологических систем организмачеловека. Его воздействие может привести к заметным сдвигам не толькофизиологических функций, но и психических. Воздействие шумов приводит кснижению скорости и точности сенсомоторных процессов, особенно заметно страдаютсложно — координируемые действия. Под влиянием шума уменьшается скоростьрешения умственных задач, ухудшается концентрация внимания, возрастает числоошибок.
Основным источником шума в лаборатории являетсяэкспериментальное оборудование. Акустический шум производит система вентиляциикрейтов КАМАК, механические узлы мессбауэровского спектрометра.
Персональный компьютер также является источником шумовакустического происхождения (шумы дисководов, вентиляторов, винчестеров и др.)и электромагнитных колебаний. рациональное размещение рабочих мест иоборудования (с учетом шумовой карты помещения);
Для защиты от шума необходимо использовать следующие меры:
- рациональное размещение рабочих мест и оборудования, учёт шумовой картыпомещения;
- созданиешумозащищённых зон;
- применениесредств шумоизоляции и шумопоглощения.
Уровень шума на рабочем месте составляет 14 дБ, чтоудовлетворяет требованиям ГОСТа [11]./>6.2.4 Защита от электростатического поля
Вследствие воздействия электронного пучка на слой люминофораповерхность экрана приобретает электростатический заряд. Сильноеэлектростатическое поле вредно для человеческого организма. На расстоянии 50 смвлияние электростатического поля уменьшается до безопасного для человека уровня/6/. Применение специальных защитных фильтров позволяет свести его к нулю. Нопри работе монитора электризуется не только его экран, но и воздух в помещении.Причем он приобретает положительный заряд, а положительно наэлектризованныемолекулы кислорода не воспринимаются организмом как кислород, и заставляютлегкие работать впустую, а также приносят в них микроскопические частицы пыли.
Для защиты применяется:
- внешний экран, сметаллическим напылением, заземленный на общую шину;
- экран монитора,имеющий антистатическую поверхность, что исключает притягивание пыли;
- частое проветриваниепомещения.
Покрытие пола следуетвыполнять из гладких, прочных, обладающих антистатическими свойствамиматериалов, что обеспечивает сток и отвод статического электричества.6.3 Условия труда в лаборатории 6.3.1 Микроклиматпомещения
Общее состояние и производительность труда в значительнойстепени зависят от микроклимата помещения. Нормы производственного микроклиматаустанавливаются в ГОСТ 12.1.005–88 [10].на основании гигиенических итехнико–экономических принципов.
Средняя температура воздуха в кабинете составляет +20 оС;колебания температуры воздуха ±3 оС; относительная влажность — 45 %;атмосферное давление — 745 мм. pт. ст.; содержание пыли — не более 10 мг/м3воздухарабочего места; максимальные размеры частиц — 3 мкм.
Метрологические условия – оптимальные и допустимыетемпературы, относительная влажность и скорость движения воздуха –устанавливаются для рабочей зоны помещений в соответствии с требованиями ГОСТ[24]. Сравнение требуемых параметров и полученных значений приведено в таблице4.
Таблица 4. Микроклиматкабинета.Нормируемый параметр. Значение оптимально допустимое фактически
Температура, оС 20 — 22 16 — 24 20 Влажность, % 40 — 60 не более 80 50 Скорость ветра, м/с не более 0,2 не более 0,3 0,01
Микроклимат соответствует оптимальным условиям для рабочегопомещения ГОСТ 12.1.005-88 [18]. Установлена местная вытяжная вентиляция с21,5-кратным обменом в час, а также центральная (факультетская) приточнаявентиляция с 2,1-кратным обменом в час.
Для поддержания микроклимата в кабинете предусмотренывентиляция и отопление кабинета в теплое и холодное время года. 6.3.2 Освещенностьрабочего места
Одним из важных элементов, влияющих на условия трудаработающих, является производственное освещение. Освещение необходимо не толькодля выполнения производственного задания, оно также влияет на психическое ифизическое состояние человека.
Освещенность характеризуется количественными и качественнымипоказателями.
Количественные показатели: освещенность. яркость. световойпоток, сила света.
Качественные показатели: фон, контраст объекта с фоном,видимость, показатель ослепленности, коэффициент пульсации освещённости.
Освещение может быть искусственным, естественным и совмещенным.В помещении, где находится рабочее место оператора, используется смешанноеосвещение, т.е. сочетание естественного и искусственного освещения. В качествеестественного – боковое освещение через окна.
Для расчета естественной и искусственной освещенности влаборатории в светлое время суток имеются следующие данные:Коэффициент естественной освещенности ( КЕО ) 4%; Коэффициент затенения помещения 1. ; Размеры помещения: ширина 6 м; длина 4 м; высота 4 м; Коэффициент отражения стен 4. — 30%; Коэффициент отражения от потолка 5. — 50%; Площадь окон кабинета
3,6 м2.
Расчет необходимой площади окон производим по формуле:So=Sп*КЕО*Кз*No*Кзд/(To*R1), (1)
где Sп — площадь пола в кабинете, Sп=24,6 м2;
Кз — коэффициент запаса. Его принимаем равным 1,2;
Кзд — коэффициент затенения помещения, Кзд=1,2;
No — световая характеристика окон. Здесь понимаетсякоэффициент световой активности проема, No=0,57;
To — коэффициент светопpопускания, To=0,29;
R1 — коэффициент, учитывающий повышение КЕО при боковом освещенииблагодаря отражению света от стен и потолка, R1=0,15.
Подставив данные в формулу (1) получим, что необходимаплощадь окон 18,75 м2, а имеется всего 3,6 м2. Возникаетнеобходимость в искусственном освещении.
Для искусственного освещения используются люминесцентныелампы ЛБ-80, мощностью 80 Вт.
Рассчитаем требуемое количество ламп по формуле (2).


N=En*Sп*Z*Кз/(КПД*Фсв*Кт), (2)
где En — нормированная освещенность, En=500 лк;
Sп — площадь пола помещения, Sп=24,6 м2;
Z — коэффициент, учитывающий освещение помещениялюминесцентными лампами, Z=1,15;
Кз — коэффициент запаса, Кз=1,2;
КПД — коэффициент полезного действия люминесцентной лампы,КПД=35%;
Фсв — световой поток одного светильника. В светильникенаходятся 2 лампы ЛБ — 80. Световой поток лампы ЛБ — 80 Фл=12480 лм, поэтомуФсв=2*Фл и получается Фсв=24960 лм;
Кт — коэффициент затенения, Кт=0,9.
Подставив данные в формулу (2) получим, что для освещенияпомещения достаточно 2 светильника, а в кабинете установлено 4 светильника.Значит, требуемая освещенность достигается и соответствует нормам СНиП [18].Для проверки правильности расчета используем неравенство (3):N*Lсв где N — число светильников, N=4;
Lсв — длина светильника, Lсв=1,2 м;
A — длина помещения, A=6 м.
Подставив значения в формулу (3) убеждаемся, что неравенствоистинно. />

6.3.3 Эргономика рабочего места
Эргономика изучает функциональные возможности человека впроцессе деятельности с целью создания таких условий, которые делаютдеятельность эффективной и обеспечивают комфорт для человека. Т.е. речь идет осовместимостях характеристик человека и характеристик среды.
Под рабочим местом условно понимают зону, оснащеннуюнеобходимыми техническими средствами, где работник или группа работниковпостоянно или временно выполняют одну работу или операцию.
Производительность труда оператора ПК главным образом зависитот правильной организации рабочего места.
Организация рабочего места накаждой машине имеет свои специфические особенности,зависящие от модели машины, метода работы на ней, характера выполняемой работы,квалификации оператора.
Специфика труда оператора ПЭВМ заключается в большихзрительных нагрузках в сочетании с малой двигательной нагрузкой, монотонностьювыполняемых операций, вынужденной рабочей позой.
Информационнаясовместимость обеспечивается интерактивным видом диалога оператора с ЭВМ, таккак ЭВМ выполняет действия только после инициирования его оператором, а такжетребует подтверждения решения оператора в особо ответственных случаях. Нарабочем месте оператора имеется специальный стул, позволяющий оператору выбратьнаиболее удобное для него положение, а также конструкция стола обеспечиваетнеобходимое расстояние между экраном дисплея и глазами оператора [20]. Длязащиты глаз оператора применяются поляризационные экраны. ЭВМ выполнена встрогих формах обеспечивающих техническую эстетику [20].
Оценка эргономики рабочего места по размерам рабочего меставключена в таблице 5.

Таблица 5. Размеры рабочего местаНормируемая величина Значение, мм Необходимое Фактическое Высота рабочей поверхности 680 — 750 680 Высота сидения 430 400 Расстояние от сидения до нижнего края рабочей поверхности 150 200
Размеры пространства для ног :
— высота
— ширина
— глубина
600
500
650
630
1090
710
На рабочем месте оператора достигается выполнение всехэргономических требований которые к нему предъявляет ГОСТ и СНиП [20].
Эргономические характеристики персональных компьютеровоснованы на создании максимальных удобств оператору. Монитор лабораторногокомпьютера имеет размер диагонали видимой части экрана – 15 дюймов, чтодостаточно для комфортной работы. Подставка монитора позволяет менять уголориентации экрана на необходимую величину. Клавиатура ПК имеет стандартнуюраскладку из 104 клавиш. Также имеется манипулятор типа «мышь», с его помощьюможно эффективно работать в системах с графическим интерфейсом. Расположениесистемного блока на столе позволяет беспрепятственно производить смену дискет икомпакт-дисков в дисководах.
Таким образом, рабочее место можно охарактеризовать, какудовлетворяющее всем эргономическим требованиям./>6.4 Экологичность рабочего места
Рабочее место находилось в лаборатории “Мессбауэровскойспектрометрии”, которая находится в здании Физико-технического факультетаУГТУ-УПИ, расположенного в восточной части г. Екатеринбурга. Город лежит навосточных склонах Уральского горного хребта, в верховьях реки Исети. 6.4.1 Состояниевоздушного бассейна
Состояние атмосферного воздуха в г.Екатеринбурге имеетбольшое значение в формировании комплекса факторов, оказывающих влияние наздоровье населения. В настоящее время ситуация с загрязнением атмосферноговоздуха складывается следующим образом. Всего в атмосферу поступает более 80% тыс.тонн/годвредных веществ. На долю автотранспорта приходится — 65%, промпредприятий — 35%. Наблюдение за состоянием атмосферного воздуха осуществляется на 8стационарных постах Уральского территориального управления по гидрометеорологиии мониторингу окружающей среды (УГМС), 1 ведомственном (РТИ).
По данным УГМС общий уровень загрязнения атмосферного воздухаза последние годы по ряду вредных веществ стабилизировался, оставаясь при этомповышенным. Однако отмечается рост загрязнения атмосферного воздуха повеществам, содержащимся в выбросах автотранспорта — диоксиду азота, аммиаку,акролеину, что связано с ростом автомобильного парка.
С учетом токсичности выбрасываемых веществ от стационарныхисточников наибольшую экологическую опасность представляют процессы сжиганиятоплива для производственных целей и, особенно, для отопления и горячеговодоснабжения на крупнейших теплоэлектростанциях города: Свердловская ТЭЦ,Ново-Свердловская ТЭЦ, АО «Уралмаш», АО «ВИЗ», АО «Турбомоторный завод», АО«Уралэлектротяжмаш», «Шинный завод», АООТ «Резино-технических изделий»,«Шабровский тальковый комбинат», «Шарташский каменно-щебеночный карьер».6.4.2 Радиационная обстановка
Основными факторами, определяющими радиационную обстановку натерритории г. Екатеринбурга являются:
Наличие радиационно-опасных объектов (РОО): Белоярская АЭС иСвердловское ПЗРО «Радон».
Вторичная ветровая миграция радиоактивной пыли, образующейсяна территориях, загрязненных в результате аварий на ПО «Маяк» в 1957 и 1967 гг.
Глобальные выпадения искусственных радионуклидов — результатмедленного процесса выведения из стратосферы продуктов испытания ядерногооружия, проводившихся ранее в атмосфере на полигонах планеты.
Природный (естественный) радиационный фон, обусловленныйестественными радионуклидами (U, Th, и продукты их распада; 40К,14С, 3Н и другие радионуклиды; космическое излучение,γ-излучение почвы.)
Радиационная обстановка в городе в последние годы остаетсястабильной. Среднее значение радиационного фона местности составляет 10 мкР/часс колебанием в отдельные дни от 8 до 13 мкР/ч, что не превышает нормрадиационной безопасности. Исследование содержания естественных радионуклидов(ЕРН) в строительных материалах и продукции, выпускаемой предприятиямистройиндустрии города, не выявили содержания ЕРН выше установленных норм.
Основными источниками шума на территории жилой застройкигорода являются автомобильный, железнодорожный и авиационный транспорт. Вкладпромышленных предприятий в суммарную шумовую нагрузку на население незначителен. 6.4.3 Поверхностныеводы
Поверхностные воды на территории г. Екатеринбургапредставлены стоком реки Исеть и озерами Шарташ, Шувакиш, Чусовское и др.
Река Исеть на протяжении ряда лет является одной из наиболеезагрязненных рек на территории России. Качество воды в р.Исети остается крайненеудовлетворительным и принимает хронически опасный характер. Отмечаетсясистематическое загрязнение соединениями азота, органическими веществами,нефтепродуктами, тяжелыми металлами. Характерным является последовательноеувеличение содержания этих ингредиентов от фонового створа, расположенного вышегорода, к замыкающему, ниже города. Среднегодовые концентрации тяжелых металлов(меди, цинка, железа), нефтепродуктов превышают допустимую норму в десятки раз.
Качество воды ниже города ухудшается в результате поступлениясточных вод предприятий, в том числе с загрязненными водами р.Патрушиха и стокас загрязненных почв поймы. В р.Патрушиха среднегодовое содержание медипревышает норму в 18 раз, цинка, железа, нефтепродуктов от 3 до 6 раз.
Общий сброс сточных вод в водные объекты города в 1999 гсоставил 257,3 млн.м3, в т.ч. недостаточно очищенных 239,4 млн.м3.
На формирование химического состава значительное влияниеоказывает зарегулированность реки прудами и водохранилищами. Очевидно, чтонаходящиеся на р. Исеть водоемы выполняют роль отстойников. 6.4.4 Промышленныеи бытовые отходы
В городе отмечаются значительные объемы накопления (более 6млн.т) отходов 4 класса опасности и нетоксичных промышленных отходов.Наибольшую опасность представляют из себя отходы 1, 2 классов опасности,которых ежегодно образуется более десяти тонн, а также отработанныертутьсодержащие лампы (около 600 тыс.штук в год).
Отходы гальванических производств в течение многих десятковлет загрязняют тяжелыми металлами территорию города. В настоящее времяртутьсодержащие отходы обезвреживаются в муниципальном центре демеркуризации.Для большинства промышленных отходов разрабатываются технологии по утилизацииих в цементном производстве (до 95%).
Согласно прогнозам к 2015 г ожидается увеличение количестваобразованных отходов на 10%.
Около 90% ТБО поступает на 2 полигона города; остальные, восновном, попадают на несанкционированные свалки.
К особому виду отходов относятся медицинские отходы. Попредварительным данным, в лечебно-профилактических учреждениях г.Екатеринбургаобразуется 7750 тонн отходов в год, в т.ч. :
- неопасные отходы- 76,69%;
- опасные ичрезвычайно опасные отходы — 13,1%;
- отходы, по своемусоставу близкие к промышленным — 10%;
- радиоактивныеотходы — 0,01%.
На сегодняшний день вЕкатеринбурге отсутствует план долгосрочной стратегии дальнейшего развитияобращения с бытовыми отходами города, который может дать четкое представлениена будущее: цели, задачи по улучшению услуг, согласованные меры по ихдостижению и выполнению, а также определение источников финансирования. 6.4.5 Анализвозможных чрезвычайных ситуаций
Выброс радиоактивных веществ может произойти из-за аварии наБелоярской АЭС, вследствие чего произойдет радиационное загрязнение окружающейсреды. В этом случае необходимо оповещение и эвакуация населения. Руководит ликвидацией последствийкомиссия ЧС.
Опасность выброса отравляющих веществобусловлена наличием врайоне УГТУ опасных в химическом отношении предприятий. При возникновении ЧСнеобходимо оповестить население. Способ защиты: эвакуация. Руководитликвидацией последствий комиссия по ЧС.
Территория Среднего Урала является сейсмоопасной. Вследствиеземлятресения может произойти полное или частичное разрушение здания. При толчках и других признакахдеформаций и разрушений необходимо немедленно покинуть здание, а при полнойневозможности выхода — укрыться в дверных проемах или встать к капитальнойстене.
На территории Свердловской области могут возникнуть ураганы,смерчи и наводнения. При приближении смерчей и ураганов люди могут укрыться влюбых заглубленных помещениях (подполах, погребах, овощехранилищах и т.п.). Приугрозе наводнения и затопления население эвакуируют в безопасные районы, а принепосредственной угрозе необходимо укрыться на верхних этажах зданий, крышах,деревьях и др. возвышениях.6.5 Пожарная безопасность
Пожар – это неконтролируемое горение вне специального очага,которое наносит материальный ущерб и создает угрозу жизни, здоровью людей.
Горение – быстропротекающая химическая реакция соединениягорючего вещества с окислителем.
Опасными факторами пожара являются:
- открытый огонь иискры;
- повышеннаятемпература воздуха и окружающих предметов;
- токсичные продукты горения;
- пониженнаяконцентрация кислорода в воздухе;
- обрушение иповреждение зданий, сооружений, установок.
Для тушения пожаров на ранней стадии необходимо использоватьогнетушители.
В современной экспериментальной технике и в ПК очень высокаплотность размещения элементов электронных схем. В непосредственной близостидруг от друга располагаются соединительные провода, коммуникационныесоединения. При протекании по ним электрического тока, выделяется значительноеколичество теплоты, что может привести к повышению температуры отдельных узловдо 80-100°С. При этом возможно оглавление изоляции соединительных проводов, ихоголение, и, как следствие, короткое замыкание, сопровождающееся искрением,которое ведет к недопустимым перегрузкам элементов электронных схем. Они,перегреваясь, сгорают, разбрызгивая искры, которые, в свою очередь, могутпривести к возгоранию горючих материалов.
Помещение, в котором находится лаборатория мессбауэровскойспектрометрии, по категории взрывопожарной опасности к категории Д и характеризуется наличием впомещении только несгораемых веществ и материалов в холодном состоянии [11].Стены и перекрытия помещения выполнены из бетона и относятся к несгораемым.Противопожарная защита помещения обеспечивается применением автоматическойустановки пожарной сигнализации, наличием средств первичного пожаротушения (двапорошковых огнетушителя ОП-2 модели 01).
При возникновении пожарной ситуации все сотрудники,находящиеся в лаборатории организованно согласно имеющемуся плану эвакуациидолжны покинуть помещение.
Организационно-технические мероприятия включают организациюобучения сотрудников лаборатории правилам пожарной безопасности.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В процессе выполнения данного дипломного проекта проведёнанализ основных требований предъявляемых к системам накопления с позициимногомерной параметрической мессбауэровской спектрометрии, в результате чегобыла предложена функциональная и принципиальная схема модуля накопления.
Разработанный модуль позволяет накапливать и хранитьмессбауэровские спектры от двух синхронизованных трактов регистрации. Данныенакапливаются в виде 24-разрядных массивов, при этом может быть заданонеобходимое число каналов накопления.
Использование ПЛИС даёт возможность минимизировать количествокорпусов микросхем необходимых для реализации готового устройства. Разработкадизайн-проекта ПЛИС осуществлена с помощью специализированной САПР. Проведенотестирование проекта.
Интерфейс модуля выполнен в стандарте ISA, что при соответствующемконструктивном исполнении позволит встраивать его в электронно-модульныесистемы с магистралью ISA.
Применение модуля накопления позволит значительно расширитьэкспериментальные возможности.
ПРИЛОЖЕНИЯПриложение 1
Назначение контактов разъема8-разрядной шины ISAКонтакт Цепь I/O Контакт Цепь I/O A1 -I/O CH CK I B1 GND - A2 CD7 I/O B2 RESET DRV O A3 CD6 I/O B3 +5B - A4 CD5 I/O B4 IRQ9 (IRQ2) I A5 CD4 I/O B5 -5B - A6 CD3 I/O B6 DRQ2 I A7 CD2 I/O B7 -12B - A8 CD1 I/O B8 OWS I A9 CD0 I/O B9 +12B - A10 I/O CH RDY I B10 GND - A11 AEN O B11 -SMEMW O A12 SA19 I/O B12 -SMEMR O A13 SA18 I/O B13 -IOW I/O A14 SA17 I/O B14 -IOR I/O A15 SA16 I/O B15 -DACK3 O A16 SA15 I/O B16 DRQ3 I A17 SA14 I/O B17 DACK1 O A18 SA13 I/O B18 DRQ1 I A19 SA12 I/O B19 -REFRESH I/O A20 SA11 I/O B20 SYSCLK O A21 SA10 I/O B21 IRQ7 I A22 SA9 I/O B22 IRQ6 I A23 SA8 I/O B23 IRQ5 I A24 SA7 I/O B24 IRQ4 I A25 SA6 I/O B25 IRQ3 I A26 SA5 I/O B26 -DACK2 O A27 SA4 I/O B27 T/C O A28 SA3 I/O B28 BALE O A29 SA2 I/O B29 +5B - A30 SA1 I/O B30 OSC O A31 SA0 I/O B31 GND -
Приложение 2
/>БЛОК-СХЕМА ПРОГРАММНОГО АЛГОРИТМА МИКРОКОНТРОЛЛЕРА/>/>/>/> 
Приложение 3Позиция Наименование Кол Примечание
  Конденсаторы
  С1 К50-35-1А-М47-10мкФ±10% 1
  С2, С3 К10-17-1А-М47-30pФ±5% 2
  С4, С5, С6, С7 К10-17-1А-М47-0.1мкФ±5% 4
 
  Микросхемы
  DA1 ADM232A 1
  DD1 EPM7256SRC208-7 1
  DD2 – DD4 UM6264-100 3
  DD5 UM62256-100 1
  DD6 AT89C51 1
  DD7 КР1533ИР23 1
  DD8,DD9 КР1533АП6
 
  Резисторы
  R1 МЛТ – 0.125 – 8,2 кОм ±5% 1
  R1 МЛТ – 0.125 – 1 кОм ±5% 1
 
  Прочее
  ZQ1 Кварц. генератор Z544-47-20МHz 1
  ZQ2 Кварц 24 МHz 1
 
 
 
 
 
  200.600 620000 006 СП
 
 
  Изм Лист № документа Подпись Дата
  Студент Ивановских К.В. Модуль накопления для задач многомерной мессбауэровской спектрометрии Лит. Лист Листов Руковод. Мильдер О.Б. 1 1 Консул. Новиков Е.Г. УГТУ кафедра экспериментальной физики
  Н. контр Асеев Н.И.
  Зав.каф. КружаловА.В
  /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> 
Приложение 4
СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ НА МИКРОСХЕМЫ СЕРИИ КР1533
Справочные данные на КР1533ИР23
Синхронный 8-разрядныйрегистр хранения информации.
Номинальное напряжение питания 5В
Выходное напряжение низкого уровня
Выходное напряжение высокого уровня >2.5 В
Ток потребления
Время задержки
Справочные данные на КР1533АП6
8-разрядный двунаправленный шинный формирователь с тремясостояниями на выходе.
Номинальное напряжение питания 5В
Выходное напряжение низкого уровня
Выходное напряжение высокого уровня >2.5 В
Ток потребления
Среднее время задержки – 15 нс
/>Приложение 5СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ НАМИКРОКОНТРОЛЛЕР AT89c51
8-микроконтроллер выполненный по архитектуре MCS-51 фирмы Intel (США).
Основные характеристики:
- 111 базовыхкоманд;
- 8-разрядноеарифметико-логическое устройство на основе аккумуляторной архитектуры;
- 4 банка регистров, по 8 в каждом;
- встроенная память программ 4 Кбайт;
- внутреннее ОЗУобъёмом 128 байт;
- булевыйпроцессор;
- два 16-разрядныхтаймера (счётчика);
- контроллерпоследовательного канала передачи данных;
- контроллеробработки 5 прерываний с 2 уровнями приоритетов;
- четыре8-разрядных порта ввода-вывода, два из которых используются в качестве шиныадреса/данных для доступа к внешней памяти программ и данных.
Приложение 7
СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ НА ПЛИС EPM7256SRC208-7
Микросхема выполнена по архитектуре CPLD и относится к семейству ПЛИС МАХ7000S выпускаемыхфирмой Altera. ПЛИС MAX7000Sявляется дальнейшим развитием 5-вольтового MAX7000, с возможностью программирования в системе (ISP, In-system programmability) и периферийного сканирования (boundary scan) в соответствии со стандартом IEEE Std. 1194.1 JTAG.
Основные характеристики:Параметр Значение Логическая ёмкость, экв. вентилей 5000 Число макроячеек 256 Число логических блоков 16 Число программируемых пользователем выводов 164 Задержка распростронения сигнала вход-выход, нс 7,5 Время установки глобального тактового сигнала, нс 3,9 Задержка глобального тактового сигнала, нс 3,0 Максимальная глобальная тактовая частота, МГц 128,2 Комбинационная задержка не более, нс 1 Регистровая задержка не более, нс 1 Внутренняя задержка сигнала разрешения, нс 3,0
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Вертхейм Г.К.Эффект Мессбауэра / М. Мир, 1966, 172 с.
2. Экспрессныймессбауэровский спектрометр МС1101Э: Описание и инструкция по эксплуатации /Ростов-на-Дону: MosTec, 1998. –52с.
3. Иркаев С.М.Многомерная параметрическая мессбауэровская спектрометрия: Диссертация на соисканиеученой степени доктора физико-математических наук / СПб.: ИАП РАН, 1994.-228 с.
4. Новиков Е.Г.,Семёнкин В.А., Мильдер О.Б., Пикулев А.И. Трёхуровневая система накопления длямессбауэровской спектрометрии // Проблемы спектроскопии и спектрометрии: Межвузовскийсборник научных трудов. Екатеринбург: УГТУ, 2001. Вып.6. С. 56-60.
5. Злобин Ю.Микроконтроллеры семейства 8051 / «Chip News» № 6-7 1998,с.57-65.
6. Новиков Ю.В.,Калашников О.А., Гуляев С.Э. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютератипа IBM PC. Под общей редакцией Новикова Ю.В… Практ. пособие –М.: ЭКОМ., 2000 – 224 с.: ил.
7. Угрюмов Е.П.Цифровая схемотехника. – СПб.: БХВ-Петербург, 2001. – 528с.: ил.
8. Стешенко В.Б.ПЛИС фирмы ALTERA: проектирование устройств обработкисигналов. – М.: ДОДЭКА, 2000. – 128 с.: ил.
9. Логические ИСКР1533, КР1554. Справочник. В двух частях. / Петровский И.И., Прибыльский А.В.и др. – М.: ТОО «Бином». 1993. – 496 с.
10. Бирюков С.А.Применение цифровых микросхем серий ТТЛ и КМОП. – 2-е изд., стер. – М.; ДМК,2000. – 240 с.; ил.
11. ГОСТ 12.1.003-83ССБТ. Шум. Общие требованиябезопасности. М. Издательство стандартов; 1983.
12. ГОСТ 12.1.004-85.Пожарная безопасность. М. Издательство стандартов; 1988.
13. ГОСТ 12.1.005-88ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. М.Издательство стандартов; 1988.
14. ГОСТ 12.1.019-79ССБТ. Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты. М.Издательство стандартов; 1986.
15. ГОСТ12.1.038-82.ССБТ. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряженийприкосновений и токов. — М., 1983. — 8 с.
16. ГОСТ 12.2.032-78ССБТ. Рабочее место при выполнении работ сидя. Общие эргономические требования.М. Издательство стандартов; 1983.
17. Минэнерго СССР.Правила устройства электроустановок. М. Энергоатомиздат; 1987.
18. ГОСТ 12.1.005-88ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.
19. НПБ 105-95.Определение категорий помещений и зданий по взрывопожарной безопасности. М.Издательство стандартов; 1995.
20. СанПиН2.2.2.542-96. Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам,персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы. М.Госкомэпиднадзор России; 1996.
21. Сибиров Ю.Г.,Сколотнев Н.Н., Васин В.К., Начинаев В.Н. Охрана труда в вычислительныхцентрах. Учебное пособие, М. Машиностроение; 1985.
22. СНиП 23-05-95.Естественное и искусственное освещение. М. Стройиздат; 1987.
23. Нормырадиационной безопасности (НРБ) СП 2.6.1.758-99. Гигиенические нормативы. М.Центр санитарно-эпидемиологического нормирования, гигиенической сертификации иэкспертизы Минздрава России;1999.
24. ГОСТ 12.1.005-88.Воздух рабочей зоны. Общие санитарно-гигиенические требования. — М., 1988. — 75с.
25. СНиП 11-4-79.Строительные нормы и правила. Нормы проектирования. Естественное иискусственное освещение. -М. Стройиздат, 1980.
26. СТП УГТУ-УПИ1-96. Общие требования и правила оформления дипломных и курсовых проектов. –Екатеринбург. 1996. – 33с.