Разработка методики сбора и предварительной обработки информации в экспериментах по изучению потоков заряженных частиц на борту ИСЗ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Введение. Общая характеристика диссертационной работы

1. Актуальность темы.

2. Цель работы.

3. Научная новизна.

4. Результаты, выносимые на защиту.

5. Практическая ценность работы.

6. Апробация работы.

7. Структура диссертации.

Глава 1. Исследование потоков высокоэнергичных заряженных частиц в окрестности Земли

1.1 Эксперименты по изучению зарядового соотношения в электрон-позитронных потоках в окрестности Земли

1.2 Эксперименты по изучению всплесков ВЗЧ в ОКП.

1.3 Эксперимент «МАРИЯ» по изучению зарядового соотношения электронов и позитронов в окрестности Земли.

1.3.1 Физическая схема магнитного спектрометра.

1.3.2 Основные системы регистрирующей электроники.

1.3.3 Основные результаты эксперимента «МАРИЯ».

1.4 Вопросы применения микропроцессоров в бортовой научной аппаратуре для космофизических исследований в ОКП.

1. Актуальность темы

Одним из важнейших открытий середины XX века является обнаружение предсказанного ранее захваченного магнитным полем Земли радиоактивного пояса [1], интенсивность потоков частиц в котором во много раз превышает интенсивность космических лучей за пределами земной магнитосферы. Как известно, в настоящее время основными составляющими радиационного пояса Земли (РПЗ) являются электроны и протоны, имеется незначительная популяция (не более 1%) более тяжелых частиц. На данный момент более или менее точно установлены источники происхождения только основных компонентов РПЗ [2,3]. Исследования потоков менее распространенных компонентов РПЗ представляет собой отдельную задачу [4], выходящую за рамки темы данной диссертации.

Исследования характеристик потоков высокоэнергичных заряженных частиц (ВЗЧ) с энергией более 10 МэВ в окрестности Земли давно носят интенсивный характер в связи с мониторингом фоновой радиационной обстановки для различных областей науки (от фундаментальных до прикладных медицинских исследований). Особый интерес сегодня представляет изучение обнаруженных сравнительно недавно кратковременных (длительностью нескольких десятков секунд) всплесковых явлений в поведении потоков ВЗЧ [5,6] и их взаимосвязь с разного рода гелио и геофизическими процессами [7,8].

Для регистрации направленных потоков космических частиц различных энергий применяется соответствующая экспериментальная техника. Так, например, для регистрации ядерного компонента радиационного пояса и проведения детальных исследований его изотопного состава, энергетических, временных и пространственных распределений, в последнее время наибольшее распространение получили прецизионные телескопы-спектрометры на основе полупроводниковых детекторов (ППД) [9,10]. Для регистрации в РПЗ интенсивных направленных потоков однозарядных высокоэнергичных частиц часто применяют сцинтилляционные детекторы, а точнее - сцинтилляционные телескопы (СТД) из таких детекторов.

Достаточно простые, компактные и надежные приборы, выполненные исключительно на основе СТД, также позволяют проводить измерения характеристик потоков частиц, а значит и они могут быть достаточно информативными. В силу своей специфики (высокого быстродействия) СТД часто встречается и в составе I композиционного детектора (состоящего из разных типов детекторов, в том числе обладающих хорошим энергетическим разрешением) для выработки быстрого триггерного сигнала при регистрации интенсивных направленных потоков частиц. Однако, из-за высокого быстродействия СТД прибора, обслуживаемого быстродействующей триггерной логикой, при наличии интенсивных потоков ВЗЧ в РПЗ (или при достаточно большой светосиле телескопа), в приборе могут возникнуть проблемы с регистрацией и накоплением информации. Особенно это может проявиться при регистрации разного вида нестационарных потоков частиц [11].

Очевидно, что при проведении исследований потоков ВЗЧ автономными приборами I' на основе СТД, и особенно нестационарных потоков, в таких приборах необходимо управлять информационными потоками данных не только по командам с Земли, но и более гибко - автоматически. При этом следует правильно планировать время измерений, оперативно выбирать триггерный сигнал, проводить отбор и идентификацию событий в реальном времени, а также сжатие и вывод накопленной информации. Более того, в современном эксперименте необходимо проводить калибровку детекторов и контроль за системами прибора. Все это практически невозможно без применения в подобных приборах современных элементов микропроцессорной (МП) вычислительной техники, то есть без их «встраивания» в космофизический прибор.

Первые сообщения о возможности применения подобной техники в космофизических научных приборах появились практически с появлением первых ^ микропроцессоров [12] (конец 70-х годов). Однако, первые применения не всегда были оправданны из-за отсутствия на рынке сертифицированной (для применения в космических целях) микропроцессорной продукции - в результате некоторые разработчики вновь возвращались на «жесткую» аппаратную логику управления. Как и ожидалось, первыми научными приборами со встроенными микропроцессорами оказались приборы, разработанные при поддержке NASA (США) [13-14]. К середине 80-х отечественная микропроцессорная индустрия уже вполне набрала обороты и появилась возможность создания нового поколения научных приборов с применением > отечественной продукции. В настоящее время за счет внедрения новых технологий в производство микросхем и их отбраковку [15], рынок доступных МП элементов космического применения заметно расширился, тем самым открыв перспективы для широкого внедрения МП элементов в бортовую автоматику. ^ Все вышеизложенные факты и определяют значимость и актуальность темы, посвященной разработке и применению в бортовых космофизических приборах для исследования ВЗЧ систем сбора и предварительной обработки информации (ССОИ) на основе современных программируемых МП элементов.

2. Цель работы

Основная цель настоящей диссертационной работы заключалась в разработке и реализации методики сбора и предварительной обработки информации, а также в разработке и создании соответствующих средств автоматизации - систем сбора и к предварительной обработки информации для нового поколения космофизических приборов, предназначенных для исследования ВЗЧ в околоземном космическом пространстве (ОКП) на борту ИСЗ.

Благодаря применению в новых приборах узлов, построенных на средствах современной микропроцессорной техники, необходимо было достичь новых качественных показателей, а именно:

- внести в автономный физический эксперимент элементы интеллекта, организуя измерительный процесс либо по заранее спланированному и отработанному на наземных испытаниях сценарию, выполняя при этом «зашитую» в программируемой памяти команд прибора программу измерений, либо, при невозможности такого планирования, запрограммировать эксперимент на автоматическую адаптируемость к внешней среде;

- увеличить информативность эксперимента за счет предварительной обработки и сжатия научных данных;

- повысить качество наземной подготовки космофизического эксперимента и сократить сроки его подготовки;

- структурно перестроить прибор, внедряя в него логически законченные функциональные модули, совместимые с концепцией встраивания МП техники, причем без ухудшения надежности прибора;

- максимально использовать гибкость проектирования систем (особенно при создании серии - «линейки» однотипных приборов) за счет использования базового прикладного программного обеспечения.

3. Научная новизна

Научная новизна диссертационной работы определяется как новыми физическими задачами, так и новыми возможностями и качественными показателями, которыми должен обладать современный космофизический прибор, разрабатываемый на основе средств микропроцессорной техники. За время выполнения работы над темой многие научно-технические проблемы были решены впервые.

1 .Впервые проанализированы возможности применения МП средств для ССОИ и разработана методика применения данных средств для сцинтилляционного координатно-чувствительного времяпролетного магнитного спектрометра заряженных частиц (проект «Мария-2»). Указанная методика достаточна универсальна и может быть

I применима для приборов с различным типом рабочего вещества детектора.

2. Впервые с высоким угловым разрешением (до 2 градусов СКО) исследованы потоки захваченного протонного компонента внутреннего РПЗ, впервые проведена экспериментальная оценка содержания антипротонов с энергией порядка несколько десятков МэВ в радиационном поясе Земли. у

3. Впервые в мировой практике на борту орбитальной научной станции (ОНС «Мир») длительное время (около 15 лет) успешно эксплуатировался прибор «Мария-2» с автономным программным управлением.

4. Впервые создан прототип автоматического специализированного прибора для регистрации нестационарных потоков ВЗЧ в магнитосфере (проект «СП-1»), разработан, создан и подготовлен к запуску на борту ИСЗ промышленный малогабаритный образец такого прибора (проект «АРИНА»), использующий ССОИ на основе микроконтроллера.

5. Разработаны базовый процессорный модуль на основе микроконтроллера и оригинальное прикладное программно-математическое обеспечение (ПМО) к нему.

6. Впервые создан наземный программно-аппаратный комплекс для подготовки серии специализированных приборов для изучения корреляций всплесков частиц и сейсмомагнитосферных явлений к запуску на ИСЗ и МКС.

4. Результаты, выносимые на защиту: v 1. Принципы встраивания и структуру микропроцессорной системы сбора и предварительной обработки информации (ССОИ) для магнитного времяпролетного спектрометра «Мария-2», программно-алгоритмическое обеспечение микропроцессорной системы управления времяпролетным магнитным спектрометром.

2. Способ оценки содержания антипротонов в потоках высокоэнергичных протонов, экспериментальную оценку верхнего предела содержания антипротонов в данной окрестности.

3. Принципы построения и практическую реализацию ССОИ для спектрометров «Ирина» и «СП-1», программно-алгоритмическое обеспечение для ССОИ данных спектрометров.

4. Программно-алгоритмическое и аппаратное обеспечения системы сбора и предварительной обработки информации для спектрометра «Арина».

5. Программно - аппаратное обеспечение интерфейсных узлов взаимодействия малогабаритных приборов «Арина», «Всплеск», «Эхо-ВО» с узлами бортовой спутниковой аппаратуры.

6. Методику отладки аппаратного и программного обеспечения ССОИ для нового поколения малогабаритных спектрометров высокоэнергичных заряженных частиц.

5. Практическая ценность работы

Создан первый в мировой практике автоматический прибор «Мария-2» для базирования на ОНС «Мир». Прибор выполнен на основе модернизированной времяпролетной системы прибора «Мария» с применением ССОИ на МП узлах, который позволил существенно улучшить понимание процессов происхождения и распространения основных популяций внутреннего РПЗ, а также позволил подтвердить обнаруженную ранее приборами МИФИ, НИИЯФ МГУ и ФИАН корреляцию нестационарных потоков высокоэнергичных частиц с гелио- и геофизическими процессами в магнитосфере. Прибор эксплуатировался на борту ОНС «Мир» с ноября 1987 г. вплоть до ликвидации ОНС (март 2001г.)

На основе первого опытного прибора для изучения резких возрастаний потоков ВЗЧ в окрестности Земли «СП-1» создан первый промышленный прибор из серии специализированной автоматической научной аппаратуры (НА «Арина») для изучения корреляции всплесков нестационарных потоков высокоэнергичных заряженных частиц в окрестности Земли с сейсмомагнитосферными явлениями, что позволит создать и отработать методику краткосрочного прогноза землетрясений космическими средствами. Прибор «Арина» прошел весь цикл квалификационных испытаний и установлен на борт КА «Ресурс-ДК1», запуск которого запланирован на первое полугодие 2006 г.

Таким образом, практической ценностью данной работы в целом является решение такой научной проблемы как разработка и применение методики сбора и предварительной обработки информации при создании автоматических малогабаритных спектрометров-телескопов для космических станций и малых ИСЗ, позволяющих развивать такие фундаментальные направления астрофизики и космофизики, как исследование галактических и внегалактических космических лучей (включая поиск антивещества в Галактике), проводить исследования солнечноземных и магнитосферных связей в ОКП, а также приблизиться к решению некоторых важных прикладных задач, например таких, как предсказание землетрясений космическими средствами.

6. Апробация работы

Основные результаты работы докладывались:

1. На Международных конференциях по космическим лучам (1987г. - Москва, 1991г.-Аделаида).

2. На ежегодной Научной конференции МИФИ (1998-2006 г.г.)

3. На Всесоюзных конференциях по космическим лучам (1988 г. - Алма-Ата, 2004 г. - Москва),

4. На Международных школах - семинарах и конференциях по вопросам автоматизации в научных областях (1988 г. - Фрунзе, 1989 г. - Ташкент, 1990 -Гурзуф, 1992 г. - Сочи, 1996 г. - Москва).

5. На научных семинарах МИФИ, ФИРАН, НИИЯФ МГУ, ИЗМИРАН. Основные материалы, отражающие содержание диссертации, представлены в 29 печатных работах, том числе в шести реферируемых печатных изданиях.

7. Структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка

вывод

Просмотр событий

Число^ событий: 134: Номер события: 73 электрон ая -протон ГШШ - нет события II | - ошибка

С2Т

Для просмотра конкретного события введите его

5ИШ J номер и нажмите кнопку "ОК" или клавишу "ENTER" Ж

XsJjsJ I

Время: Од О ч 30 мин 29 с I'M - 73 С1С2СЗ- 72-С1 - 4298 - 1280

7 0 Ms Nt Эффективность. %

С1 51 57 0.89

С2 54 58 0.93

СЗ 88 88 1.00 / С4 67 6Э 0.97

CS 67 67 1.00

С6 66 ее 1.00

7- 62 62 1.00 се 60 61 0.98

СЭ 60 60 1.00 сто 50 50 1.00

Вперёд jj Наз^ц | Новый маршрут]

Статистика | Темп счета

Ns - число событий, зарегистрированных детектором Nt ■ число событий, прошедших; через детектор

Отчет

Главное Меню

Заключение к Главе 4

В данной главе была представлена одна из последних разработок коллектива института Космофизики МИФИ - малогабаритный спектрометр высокоэнергичных заряженных частиц (ВЗЧ) «Арина» для регистрации всплесков потоков данных частиц в магнитосфере Земли.

Данный прибор подлежит установке на МКА «Ресурс-ДК1» и запуску на орбиту ИСЗ с параметрами: высота орбиты - 600-800 км, наклонение - 82 град, период оборота - примерно 90 мин, что позволяет ему исследовать потоки захваченной радиации в магнитном поле, в том числе и всплески потоков захваченных частиц.

В предыдущих главах было отмечено, что к середине 90-х годов прошлого века предварительно сформировалось научное мнение, подкрепленное первыми экспериментальными результатами, о том, что, возможно существует взаимосвязь между сейсмической активностью и возрастанием интенсивности потоков ВЗЧ в локальных областях магнитосферы, географически связанных с эпицентром землетрясений. Ожидается, что подобные всплески ВЗЧ могут иметь место за 1,5-2 часа до начала возможного землетрясения, то есть выступать в роли их космических оперативных предвестников.

В разделах данной главы последовательно раскрывается содержание работы, выполненное автором диссертации по данному проекту, выполненное в период 20012005 г.г., а именно: проведен анализ фоновой обстановки по результатам работы приборов («Нина-1», «Нина-2») на орбитах, аналогичной для работы прибора «Арина», и на основании исходных данных по установке спектрометра на борту ИСЗ, а также с учетом проработанной конструкции прибора сделан вывод о невозможности разработки бортовой системы сбора и обработки данных на основе стандартных микропроцессорных узлов; выполнен необходимый комплекс работ по разработке и созданию нового малогабаритного блока для сбора и обработки информации (БСОИ) на основе современного микроконтроллера, включающих стадии разработки отладочного (ОО), технологического (ТО) и штатного (ШО) образцов; проведено исследование основных характеристик БСОИ, в том числе, влияющих на возможности по регистрации всплесков частиц и предложена оптимизация алгоритма БСОИ, реализованная в штатной программе. аппаратуре

ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ В ИНТЕРФЕЙСАХ К БОРТОВОЙ АППАРАТУРЕ

Большие возможности микропроцессорных средств позволяют использовать их в научной аппаратуре (НА) не только для реализации основных контроллерных и вычислительных функций, но и для сопряжения с различными узлами бортовой аппаратуры (БА) космических аппаратов (КА) и станций (КС).

В случае разработки малогабаритной НА, естественно предположить, что зачастую все эти функции могут быть возложены и на один микроконтроллер НА. Однако, применение нескольких контроллеров (если это, конечно, возможно), в том числе и специализированных программируемых контроллеров (СПК) в интерфейсах к Б А, заметно увеличивает как гибкость проектирования НА (особенно, при мелкосерийном производстве аналогичных друг другу космофизических приборов при их адаптации к различным интерфейсам БА), так и разгружает основной МК НА от рутинных операций по обслуживанию внешних интерфейсов. В результате, появляется возможность более гибкой реализации решения как основной задачи (по сбору и обработке информации в приборе), так и второстепенной задачи обслуживания бортовых интерфейсов.

В данной главе рассматриваются несколько подходов к применению микропроцессоров в конкретных бортовых интерфейсах для приборов «Арина» (КА «Ресурс-ДК1», «Всплеск» [66] (Российский сегмент Международной космической станции) и «Эхо-ВО» [67] (КА «Канопус-Вулкан»), отличающихся друг от друга способами их реализации. В отличие от прибора «Арина», полностью подготовленного к запуску, два других прибора находятся (на декабрь 2005 г.) на стадии испытаний их технологических образцов.

5.1 Программно-аппаратный способ реализации внешнего интерфейса при участии основного процессора прибора

В данном разделе рассмотрены разные способы реализации программно-аппаратного интерфейса к бортовым системам. Особенностью данного способа является минимизация аппаратных средств, выполняющих специфические функции сопряжения (электрическую, синхронизирующую и др.), при сохранении управляющих функций за программируемыми средствами.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА АДАПТЕРА БА ВРЯ

Рис.5.1 Функциональная схема адаптера BPJI

В Главе 4 был описан прибор «Арина», имеющий в своем составе интерфейсный блок для передачи информации в бортовую высокоскоростную радиолинию (BPJI) -адаптер BPJ1.

При реализации данного бортового интерфейса (2001 год) выяснилось, что реализация подобного блока на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) в то время была практически невозможна, в первую очередь, из-за отсутствия на рынке ПЛИС с тактовой частотой свыше 100 МГц для космического применения (сегодня, например, ф. Actel уже выпускает подобные ПЛИС).

Таким образом, было принято совместное со специалистами из НИИ ТП (организация - поставщик ВРЛ) решение об изготовлении адаптера ВРЛ на дискретных элементах логики. Данный вариант, в принципе, позволял обеспечить необходимые стыковочные требования, но, к сожалению, не был достаточно гибким.

Главной задачей адаптера ВРЛ была организация пакетной передачи данных по согласованной кабельной линии связи со скоростью 30 Мб/с. Особенностью является также и то, что данные D0-D7 должны были передаваться в линию в формате низкоуровневой логики (ЛВДС). Это было обеспечено конверторами-передатчиками типа 90DS31 ф. National Semiconductor. Гальваническую изоляцию выходных каскадов аппаратуре от остальных узлов адаптера обеспечивал блок гальванической развязки (БГР). Для обеспечения помехоустойчивости выходная информация в адаптере подвергалась кодировке (ШФР) по стандарту «Манчестер-И». Кодировщик работает на частоте импульсов 60 МГц, снимаемых с генератора (ГТИ). Для разравнивания входных и выходных потоков в адаптере предусмотрен буфер FIFO, вмещающий до 4-х пакетов информации. На входы буфера информация поступает с выхода мультиплексора (МПР), объединяющего данные D0-D7 и сигнал стробирования данных (СТБ), принятые входными приемниками адаптера с основного и резервного каналов передачи данных прибора.

Вывод данных на адаптер инициализирует подача в прибор команды «Вывод», которая регистрируется в МК БСОИ при опросе с частотой 1Гц статусного регистра, отражающего состояние прибора. Далее МК начинает последовательный вывод из НЗУ в регистр-защелку BPJI байтов из массива форматов. Для записи информации в адаптер МК вырабатывает дополнительный строб СТБ, следующий за стробом записи в регистр BPJ1 с задержкой около 100 не (для компенсации времени установления информации на входах FIFO адаптера).

Особенностью данного программно-аппаратного способа вывода информации является сравнительно невысокое его быстродействие (менее 200 кБ/с), но это компенсировалось отсутствием дополнительных узлов (типа контроллера ПДП), для размещения которых уже не было места. Следует отметить, что процедура вывода на адаптер была написана на языке Assembler MCS-51/52, что и позволило достичь необходимой производительности. В результате, общее время вывода Тв информации на BPJI («ворота ВРЛ») не превысило регламентное значение (Тв=1 мин).

Другим примером реализации аппаратно-программного интерфейса с БА является организация вывода информации на бортовую телеметрическую систему (ТМС) БА БИТС2-12 в спектрометре «Всплеск», разрабатываемого для работы на PC МКС (запуск прибора запланирован на конец 2006 года). Функциональная схема аппаратной части интерфейса приведена на рис. 5.2. Временные диаграммы его работы приведены на рис. 5.3. БА БИТС2-12 в режиме непосредственной передачи (НП) в зоне радиовидимости МКС выдаёт периодический сигнал готовности приёма информации (ГПР). Частота выдачи ГПР составляет 47 Гц, период ГПР при этом равен 21,3 мс. Номинальная частота выдачи тактовых импульсов (ТИ) со стороны передающего интерфейса должна быть равна 100 кГц, при этом номинал Т равен 10 мкс. аппаратуре

Тр1

Ф2 Тр2

ФЗ ТР3 ти ки

КС

ТГ дш

Рис. 5.2. Функциональная схема интерфейса к БА БИТС прибора «Всплеск»

Для начала вывода информации из прибора "Всплеск", из БА БИТС2-12 в прибор должна поступить команда «СТАРТ», по которой МК ССОИ "Всплеск" (аналогичный МК БСОИ «Арина») с приходом очередного сигнала ГПР, организовав паузу после прихода ГПР от 10 до 480 мке, начинает побайтно (D0-D7) выдавать в регистр-защелку интерфейса НА БИТС пакет из 128 байт информации с частотой строб-сигнала STB около 100 кГц. При поступлении в прибор "Всплеск" команды «СТОП» или по окончании вывода всей накопленной информации, МК "Всплеск" прекращает выдавать в БИТС2-12 информацию. Локализация команд МК прибора происходит аналогично алгоритму МК БСОИ «Арина».

Источник сигнала "ВСПЛЕСК" БИТС2-12

ГПР

Ттр=21,3 мс

ТИ.

ТИ,

ТИ.

ТИ ки

Т, Г-1КИ1 ки, ки.

КС

Рис. 5.3 Временные диаграммы работы БА БИТС2-12 109

Интерфейс БИТС НА «Всплеск» осуществляет синхронизацию сигналов согласно временной диаграмме, а также преобразование параллельного кода (D0-D7) в последовательный импульсный код (КИ) на мультиплексоре МПР. Тактовый генератор работает на удвоенной частоте (200 кГц) для формирования промежуточных задержек в фазосдвигателях Ф1-ФЗ. Гальваническая развязка с бортом обеспечивается трансформаторами Тр.1-Тр.З

Отметим, что при переходе на алгоритм вывода информации, МК тратит до 50% своих ресурсов на время ее передачи в режиме НП (примерно 6 мин). Однако при этом, МК не теряет управление системой сбора и обработки информации.

В приборе «Всплеск» имеется еще один внешний интерфейс - адаптер к магистрали CAN (Control Area Network) БА сервера полезной нагрузки PC МКС (БСПН), который I/ будет рассмотрен в следующем разделе.

5.2 Реализация внешнего интерфейса на основе специализированного программируемого стандартного модуля

В данном разделе рассматривается реализация интерфейса прибора «Всплеск» для приема команд управления и бортовой временной метки через магистраль CAN (сеть CAN является одной из стандартных средств связи узлов [68].

Рис. 5.4 Организация сети узлов на основе интерфейса CAN

На рис. 5.4 приведен пример с тремя наиболее типовыми структурами CAN - узлов. Узел А - микроконтроллер (со встроенным CAN - контроллером) + CAN - трансивер; Узел В - CAN - контроллер + CAN - трансивер;

Jt=120 От

11=12(1 От мн»5 «тигр о ппф со KTjoeoantT САМ - Ktacrj(imiq>OT<T

CAW- ijitKon^ аппаратуре

Узел N - микроконтроллер (без встроенного CAN - контроллера) + внешний CAN -контроллер + CAN - трансивер.

Первая и третья структуры применяются в узлах с "интеллектом", в которых установлен микроконтроллер, осуществляющий, например, сбор и предобработку данных с каких-либо датчиков и способный самостоятельно передать эти данные по шине CAN. Остальные структуры используется для узлов без "интеллекта", в которых обмен данными невозможен без управления CAN - контроллером извне.

Среда передачи данных в CAN - спецификации не определена. Понятно, что помехоустойчивость обмена по шине повышается при использовании терминального сопротивления R, выбираемого в зависимости от типа шины. Наилучшая помехозащищенность достигается при использовании экранированной витой пары с 1|' волновым сопротивлением 120 Ом.

На сегодняшний день ведущие мировые производители электронных компонентов (такие, как Intel, Philips, Siemens, Motorola и др.) выпускают широкий спектр микросхем для обмена данными по протоколу CAN [69]. Спектр выпускаемой продукции действительно очень широк, от простейших CAN - контроллеров с одним буфером на передачу и двумя на прием до мощных 16-разрядных микроконтроллеров со встроенным (а иногда и не одним) CAN - контроллером.

Так, например, фирма Siemens предлагает разработчику целый ряд микросхем для построения управляющих систем на основе протокола CAN:

- Простейшие CAN - контроллеры - SAE81C90 и SAE81C91, ориентированные на подключение к микроконтроллерам семейства С500 (8-разрядные) или С166/С167 (16-разрядные) фирмы Siemens (хотя, в простейшем случае наличие микроконтроллера не обязательно).

Микроконтроллеры семейства С500 (С505С, С505СА, С515С), являющихся развитием семейства 8-разрядных микроконтроллеров MCS-51 фирмы Intel. Каждый из микроконтроллеров имеет встроенный CAN - контроллер, включающий 15 буферов для обмена данными (14 буферов настраиваются на прием или передачу данных, а один буфер работает только на прием данных).

- Микроконтроллеры семейства С166 (С164С, C167CR, C167CS), высокопроизводительные 16-разрядные RISC микроконтроллеры. Наиболее мощный на f сегодняшний день - C167CS-32FM имеет два встроенных CAN-контроллера, каждый из которых имеет 15 буферов (14 для приема/передачи данных и один только для приема). аппаратуре

В настоящее время ЗАО "Электронная компания «ЭЛКУС»" [70] (г. Санкт-Петербург), имеющая международный сертификат ESA (European Space Agency) на производство аэрокосмической продукции, производит несколько серий плат с CAN -интерфейсом. Самые простые - платы серии CAN-200. Изделия этой серии не имеют "интеллекта" и предназначены для создания простейших CAN - узлов, которые будут работать без интенсивного обмена данными. Для построения более сложных систем предназначена серия плат CAN-505 (рис.5.5). Это изделие содержит 8-разрядный микроконтроллер С505С фирмы Siemens, который полностью совместим с семейством микроконтроллеров MCS-51 фирмы Intel. Плата CAN-505PC104 является улучшенной

Рис. 5.5 Функциональная схема модуля CAN прибора «Всплеск» модификацией плат CAN-505MP и CAN-505PC, поэтому она вынесена отдельным столбцом в таблице 5.1.

Ввиду того, что модуль CAN-505PC104, с одной стороны, является современной моделью и с совместимым на аппаратно-программном уровне с микроконтроллером БСОИ «Всплеск» (из комплекта MCS51/52), а с другой стороны, представляет собой наиболее компактную плату (90x95 мм), то для реализации интерфейса к БА было решено использовать именно его.

Табл. 5.1 Сравнительные характеристики CAN модулей (np-во ЗАО «Элкус»)

Характеристика CAN-200PC Семейство плат CAN-505PC CAN-505PC104

CAN-200MP CAN-200PC104 CAN-505MP

Число CAN -каналов 2 2 1

Поддерживаемая версия протокола CAN CAN v2.0 (part A-active) CAN v2.0 (part B-active) CAN v2.0 (part B-active)

Максимальная скорость обмена по CAN 1 Mbit/s 1 Mbit/s 1 Mbit/s

Центральное вычислительное ядро 2 x C505C C505C

CAN - контроллер 2 x 82C200 Встроенный Встроенный

CAN - трансивер 2 x 82C250 2 x 82C250 82C250

Интерфейс RS232 - - +

Шина ISA 8 ISA 8 ISA 8

Число занимаемых на шине портов ввода/вывода 32 8 4

Число занимаемых линий прерываний 1 1 1

Буферизация данных при обмене ISA<-> плата FIFO (2-64 Кб) FIFO (2-64 Кб)

Память программ 8Кб ПЗУ (EPROM) + 24Кб ОЗУ 32Кб ПЗУ (FLASH) + 32Кб ОЗУ или 64Кб ПЗУ (FLASH)1

Память данных - 32Кб ОЗУ 32Кб ОЗУ

Наличие АЦП - -

Диапазон температур -20UC +70UC -20°С +70UC -20°С +70°С

Конструктив PC, MicroPC, PC 104 PC, MicroPC PC 104

Поскольку предполагалось, что в приборе «Всплеск», дополнительно к основному отбору частиц по их пробегу в детекторах, будет производиться амплитудный анализ энергетических потерь зарегистрированных в детекторах частиц, данный модуль мог бы осуществлять еще и эту операцию. Важно, что данный модуль имеет в своем составе интерфейс RS-232, через который МК модуля может сообщаться как с КИА прибора (при отладке модуля), так и с МК БСОИ прибора (в штатном режиме).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной главе приводятся полные результаты диссертационной работы, которые можно представить по следующим направлениям.

1. Эксперименты «МАРИЯ-2» и «ИРИНА» по исследованию зарядового состава в потоках электронов и позитронов во внутреннем РПЗ:

1.1 Проведено изучение методики регистрации высокоэнергичных заряженных частиц в земной магнитосфере, физической и функциональной структуры магнитного спектрометра «Мария» и его интерфейсов для вывода информации на бортовую телеметрическую систему (ТМС) ОНС «Мир» и магнитный накопитель, осуществлен выбор элементной базы для блока системы сбора и обработки информации (ССОИ) на базе микропроцессора.

1.2 В результате работы для нового прибора «Мария-2» разработаны и созданы модули:

- микроконтроллеров БМК1 (основной) и БМК2 (резервный) на основе отечественного микропроцессора 580ВМ80 для управления прибором и предварительной обработки научной информации;

- ввода-вывода информации БВВ для ввода данных о событиях с системы регистрации событий (СРС), записи обработанной информации в бортовой магнитный носитель и ее вывода в бортовую ТМС;

- время-цифрового преобразователя (ВЦП) аналогового сигнала с время пролетной системы;

- базового прикладного программного обеспечения (ППО) с отбором событий в реальном времени.

1.3 Проведено декодирование и обработка научной информации с магнитны[ носителей, возвращенных на Землю. В частности, при участии автора, были восстановлены питч-угловые распределения потоков протонного компонента в районе БМА, а также проведена экспериментальная оценка верхнего предела распространенности антипротонов в районе БМА;

1.4 Для эксперимента «ИРИНА», устанавливаемого на борт высокоапогейного ИСЗ, были разработаны и созданы модули БМК1-М и БМК2-М, размещенные на одной плате, и реализованные на радиационно-стойком микропроцессоре 80С85АН ф. HARRIS, а также модуль БВВ-:М с аналоговым интерфейсом вывода информации на бортовую ТМС.

2-5. Эксперименты по изучению корреляций между всплесками ВЗЧ и крупными землетрясениями. 2. Эксперимент «СП-1» на ОНС «Мир».

2.1 Проведено изучение фоновых условий эксперимента, особенностей регистрации всплесков заряженных частиц применительно к борту ОНС «Мир», автором разработан базовый алгоритм для микропроцессорной системы прибора.

2.2 Осуществлен выбор элементной базы и конструктива ССОИ, в частности:

- модуля центрального процессора 5025А ф. Octagon Systems с микропроцессором 386SX-25MHz и 4Мб оперативной памяти в качестве микрокомпьютера прибора;

- модуля ввода-вывода 5600А той же фирмы для ввода информации с СРС.

- на дополнительном модуле 5971 организованы системные счетчики, таймер с независимой меткой 1сек и точностью 1 мсек, узел опторазвязки к БТС;

- модуля АЦП 5700 для проведения амплитудных измерений;

- малогабаритного конструктива 5254LP на 4 модуля стандарта МикроРС;

2.3 Разработано и отлажено прикладное программное обеспечение для наземной отработки прибора на языках Pascal и Assembler.

2.4 Проведен комплекс наземных испытаний ССОИ в составе прибора перед его установкой на борт станции.

2. Эксперимент «АРИНА» на КА «Ресурс-ДК1».

3.1 Проведено изучение фоновых условий эксперимента, особенностей регистрации всплесков частиц применительно к борту ИСЗ, интерфейса вывода информации через высокоскоростную радиолинию (БА BPJI), внесены дополнения в базовый алгоритм процессора, реализованного на основе алгоритма процессора «СП-1».

3.2 Разработан и создан микроконструктив ССОИ, состоящий из двух полукомплектов модулей ССОИ (основного и резервного):

- модуля микроконтроллера БСОИ на основе радиационно-стойкого МК 8052Е;

- модуля накопительного ЗУ (8Мбайт).

3.3 Разработан и создан интерфейсный блок адаптера BPJI.

3.4 Созданы тестовое и штатное программные обеспечения прибора.

3.5 Создан аппаратно-программный проверочный комплекс для автономной подготовки серии приборов типа «Арина».

3.6 Проведены комплексные испытания штатного образца прибора, прибор сдан заказчику и установлен на борт КА «Ресурс-ДК1», запуск которого запланирован на первое полугодие 2006 г.

4. Эксперимент «ВСПЛЕСК» на МКС.

4.1 Проведено изучение особенностей эксплуатации прибора в условиях открытого космоса, изучение и анализ интерфейсов с бортовой ЭВМ по каналу CAN и бортовой ТМ системы БИТС2-12.

4.2 Разработан и создан технологический полукомплект ССОИ на основе двухпроцессорной системы, в частности включающего:

- модуль микроконтроллера ATMEL 8052Е в качестве ведущего процессора сбора и обработки данных;

- модуль CAN505-PC104 в качестве ведомого процессора, обеспечивающего передачу временной метки в прибор и обработку амплитудной информации;

- модули прикладного и тестового программного обеспечения (ПО) прибора.

4.3 Проведены тепловакуумные и комплексные испытания технологического образца ССОИ в составе прибора в РКК «Энергия» (г. Королев).

5. Эксперимент «ЭХО-Вулкан».

5.1 Проведен анализ структуры бортовой системы сбора научной информации (БА ССНИ);

5.2 Разработана структура ССОИ прибора на основе стандартного модуля контроллера ССОИ и интерфейсного модуля ввода-вывода;

5.2 Разработан и создан технологический малогабаритный конструктив ССОИ из двух плат формфактора МикроРС, а именно:

- процессорного модуля 6012 ф. Octagon Systems, включающего АЦП;

- модуля ввода-вывода на основе ПЛИС ф. Altera, поддерживающего каналы прямого доступа в память процессорного модуля.

5.3. Разработано тестовое ПО (ТПО) для отладки ССОИ.

6. Систематизация накопленного опыта разработки ССОИ для автономных бортовых космофизических приборов.

- проведено исследование воздействующих факторов, влияющих на работу ССОИ и даны рекомендации по повышению надежности ССОИ;

- предложен современный подход к созданию компактных ССОИ.

Автор считает своим долгом выразить признательность директору института Космофизики МИФИ проф. А. М. Гальперу за интерес и помощь в работе, сотрудникам института Космофизики МИФИ д.ф.-м.н. С.А. Воронову, к.ф.-м.н. А.В. Бакалдину, к.ф.-м.н. С.В. Колдашову, к.ф.-м.н. В.В. Михайлову, к.ф.-м.н. А.А. Леонову и Л.А. Гришанцевой за помощь, критические замечания и внимание к работе.

1. Вернов С.Н. и др. Земное корпускулярное излучение. Доклады АН СССР, 1958, т.120, с.123.

2. Мурзин B.C. Введение в физику космических лучей. М.: МГУ. 1988.

3. Гальпер A.M. Космические лучи. -2-е изд., исп. и доп. М.:МИФИ, 2002.

4. А.В. Бакалдин. Потоки ядер космических лучей в диапазоне энергий 10ч-100 МэВ/нукл. в окрестности Земли. Диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н., М.: МИФИ, 2000.

5. Тверской Б.А. Динамика радиационных поясов. М.: Наука, 1968.

6. Galper A.M. et al. Proc. 20-th ICRC. Moscow. 1987. V.4, p.451.

7. Aleksandrin S. Yu. et al. Cosmic Ray Journal. 2002. V.3, N.l, p.l.

8. Александрии С.Ю. и др. Корреляции между всплесками высокоэнергичных заряженных частиц и локальными геомагнитными возмущениями. Научн. Сессия МИФИ -2005. 2005. Сб. научных трудов, Т. 7, С. 46.

9. Дюррани С., Балл Р. Твердотельные ядерные детектору. М.: Энергоатомиздат, 1990.

10. Н.А. Власова, С.Н. Кузнецов, М.И. Панасюк, Э.Н. Сосновец, Анизотропия потоков протонов и тяжелых ионов в радиационных поясах Земли, Известия академии наук, сер. Физ., т.48, №11, с.2204,1984.

11. Воронов С.А. и др. Регистрация возрастания потоков высокоэнергичных частиц в районе Бразильской геомагнитной аномалии 10 сентября 1985 г. Препринт МИФИ, №006-88,1988.

12. Горн JI.C., Хазанов Б.И., Хазанов Д.Б. Микропроцессоры в приборах для радиационных измерений. М.: Атомиздат, 1979.

13. Горн Л.С., Хазанов Б.И. Программно-управляемые приборы и комплексы для измерения ионизирующего излучения. М.: Энергоатомиздат, 1985.

14. Workman L.G., Wolfgang J.L. SMM design and performance of the Solar Maximum Mission hard X-ray spectrometer. J. Spacecraft and Rockets, 1982, v. 19, N 4, p.375.

15. Попов В.Д. Проблемы и возможности применения коммерческих интегральных схем в военной и космической технике. Chip News, 1999,N5.

16. Вернов С.Н., Чудаков А.Е. Доклад на 5-ой ассамблее МГГ. М.: Изд-во АН СССР, 1958.

17. Ван Аллен Дж. Радиационные пояса Земли. Пер. с англ. М.: Изд-во иностр. лит., 1962.

18. Гальпер и др., Космические исследования, 1981, Т.19, с. 645.

19. Григоров Н.Л. Доклады АН СССР, 1987, Т.295, с.583.

20. Мурашов A.M. Быстрые вариации потоков высокоэнергичных заряженных частиц в окрестности Земли солнечной и геофизической природы. Диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н., М.: МИФИ, 1999.

21. Воронов С.А. и др. Эксперимент «Мария» по исследованию электронно-позитронного компонента космических лучей. Препринт МИФИ, №03585,1985.

22. Воронов С.А. и др. Измерение зарядового состава вторичных атмосферных электронов. Краткие сообщения по физике, 1975, №4, с.31.

23. Григоров H.JI. Электроны высокой энергии в окрестности Земли. М.: Наука. 1985.

24. Воронов С.А. и др. Магнитный сцинтилляционный спектрометр электронов. Приборы и техника эксперимента, 1986, №2, с.35.

25. Voronov et.al. Variations of high-energy particle fluxes in the inner radiation belt and their correlation with seismicity. Препринт МИФИ, №061-90,1990.

26. Galper A.M. Advanced Space Research, 1995, v. 15, p.131.

27. Колдашов C.B. Высокоэнергичные электроны и позитроны в х радиационном поясе Земли. Диссертация на соискание ученой степеник.ф.-м.н., М.: МИФИ, 1986.

28. Zych A.D, Wilson R.B. Double scatter telescope for medium energy gamma-ray astronomy from a satellite. IEEE Trans, on Nucl. Sci. , 1980, v. NS-26, Nl,p. 506.

29. Григорьев В.А. и др. Сцинтилляционный гамма-телескоп «Юлия». Экспериментальные методы ядерной физики. М.: Атомиздат. 1979, вып.5, с.З.

30. Григорьев В.А. и др. Система сбора и обработки информации гамма-телескопа «Юлия». Экспериментальные методы ядерной физики. М.: Атомиздат. 1979, вып.5, с. 12

31. Горн JI.C., Хазанов Б.И. Позиционно-чувствительные детекторы. М.: Энергоатомиздат, 1982.

32. Григорьев В.А., Калинин И.В., Каплин В.А., Ключник Е.Г., Логинов В.А., Наумов П.Ю., Шарапов М.П. Автоматическая система отбора событий гамма-телескопа. Приборы и техника эксперимента, №5, 1988, с.45.

33. Цытович В.Н. Об ускорении электронов в радиационных поясах Земли. Геомагнетизм и аэрономия, 1963, т.4, с.616.

34. Григорьев В.А., Каплин В.А., Ключник Е.Г., Логинов В.А., Наумов П.Ю., Попов А.В. Микропроцессорный контроллер быстрых триггерных систем. Элементы и устройства микропроцессорных измерительных систем. М.: Энергоатомиздат, 1992, с.30.

35. Савун О.В., Шаврин П.И. Космические исследования, 1971, Т.9, №6, с.890.

36. Гальпер и др. Элементарные частицы и космические лучи. М.: Энергоатомиздат, 1980, вып.5, с.31.

37. Гальпер и др. Космические исследования, 1983, Т.21, №5, с 707.

38. Воронов С.А. и др. Высокоэнергичные электроны и позитроны в радиационном поясе Земли. Препринт МИФИ, №040-86,1986.

39. Никитина Н.В. Временные вариации потоков высокоэнергичных частиц внутреннего радиационного пояса и сейсмичность Земли. Диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н., М.: МИФИ, 1989.

40. Грачев В.М. и др. Высокоэнергичные электроны по данным эксперимента на ИСЗ «Метеор-3». Препринт МИФИ, №058-87, 1987.

41. Гальперин Ю.И., Гладьппев В.А., Джоржио Н.В. и др. Высыпания энергичных захваченных частиц в магнитосфере над эпицентром готовящегося землетрясения. Космические исследования, 1992, т.ЗО, N 1, с.89.

42. Хесс В.Н. Радиационный пояс и магнитосфера. М.: Атомиздат, 1972.

43. Хаякава С. Физика космических лучей. Ч.1. М.: Мир, 1973.

44. Барашенков B.C. Тонеев В.Д. Взаимодействие энергичных частиц с ядрами. М.: Атомиздат, 1972.

45. Казарновский М.В. и др. Атомная энергия, т. 50, с. 190, 1983.

46. Golden R.L., Horan S, Mauger B.G. Evidence for the existence of cosmic-ray antiprotons. Phys. Rev. Lett. 1979, V.43, P.1196.

47. Buffington A., Schindler S.M., Pennypacker C.R. A measurement of the cosmic-ray antiproton flux and search for antihelium. Astrophys. Journal, 1981, V.248,P. 1179.

48. Bogomolov E.A., Vasilyev G.I., Krut'kov S.Yu. et al. Galactic antiproton spectrum in the 0.2-5 GeV range. Proc. 20th ICRC, 1987, V.2, P.72.

49. Гобчанский О.П. Проблемы создания бортовых вычислительных комплексов малых космических аппаратов. Современные технологии автоматизации. 2001, №4, с. 28.

50. Гляненко А.С. Применение микросхем в радиационных условиях орбиты «Коронас-Фотон». Научная сессия МИФИ 2006. Сб. науч. тр. Т. 7, стр. 53.

51. Веретенников А.Н., Воронов С.А., Гальпер A.M., Гузенко М.В., Зверев В.Г., Моисеев А.А., Наумов П.Ю. и др. Магнитный спектрометр заряженных частиц "ИРИНА" для космофизических исследований. Приборы и техника эксперимента, 1990, №5, с.53.

52. Батищев А.Г., Воронов С.А., Зотов В.Б., Колдашов С.В., Мурашов A.M., Наумов П.Ю., Чесноков В.Ю. Аппаратура для регистрации всплесков высокоэнергичных заряженных частиц в магнитосфере Земли. Научн. Сессия МИФИ-98.1998. Сб. научных трудов, ч. 2, с. 19.

53. Батищев А.Г., Воронов С.А., Зотов В.Б., Колдашов С.В., Мурашов A.M., Наумов П.Ю. и др. Система регистрации, сбора и обработки информации спектрометра-телескопа высокоэнергичных частиц. Научн. Сессия МИФИ -99.1999. Сб. научных трудов, Т. 4, с. 66.

54. Каталог продукции фирмы Octagon Systems. М.: Прософт, 1998.

55. Дорман Л.И. Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей. М.: Наука, 1975.

56. Батищев А.Г., Колдашов C.B., Луковкин A.B., Наумов П.Ю., Смирнов Ю.В., Хвощ С.Т. Система сбора и обработки информации для бортового спектрометра заряженных частиц «НИНА-СОЛНЦЕ». Научн. Сессия МИФИ -2005.2005. Сб. научных трудов, Т. 7, С. 77.

57. А.А. Леонов. Изотопы легких ядер в диапазоне энергий 5-г50 МэВ/нукл. во внутреннем радиационном поясе Земли. Диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н., М.: МИФИ, 2003.

58. Гляненко А.С., Архангельский А.И. Микропроцессорный контроллер для космических экспериментов на основе процессорной платы OCTAGON SYSTEMS 4020. Научн. Сессия МИФИ -2001. 2001. Сб. научных трудов, Т. 7, С. 35.

59. Жданкин В.К. Устойчивость гибридных. БСШС-преобразователей к воздействию ионизирующих излучений космического пространства. Современнные технологии автоматизации, 2005, №3, с.6.

60. Гобчанский О.П. Применение MicroPC в вычислительных комплексах специального назначения. Современные технологии автоматизации, 1997, №1, с.38.

61. Гобчанский О.П., Кузнецов Н.В. Устойчивость IBM PC совместимых контроллеров к радиационным сбоям на орбитах космических аппаратов. Современные технологии автоматизации, 2005, №3, с. 46.

62. Отчет по оценке научной информации НА «АРИНА», полученной при сдаточных испытаниях в составе КА «Ресурс-ДК1» №1 в период с 06.02.2006 по 14.02.2006. Самара, 2006.

63. Батищев А.Г., Введенский В.И., Колдашов С.В., Наумов П.Ю., Смирнов Ю.В., Чесноков В.Ю. Система вывода информации в бортовомспектрометре заряженных частиц «ВСПЛЕСК». Научн. Сессия МИФИ 2005. 2005. Сб. научных трудов, Т. 7, с. 76.

64. Батищев А.Г., Гирин А.Н., Колдашов С.В., Наумов П.Ю., Чесноков В.Ю. Система сбора, обработки и вывода информации научной аппаратуры «ЭХО-ВО». Научн. Сессия МИФИ-2006. 2006. Сб. научных трудов, Т. 7, С. 69.

65. Луковкин А.В., Хвощ С.Т. Применение шины CAN-BUS в распределенных системах сбора и обработки информации в реальном масштабе времени. Сайт производителя: www.elcus.ru.

66. Фирменный сайт производителя в России: www.siemens.ru.

67. CAN-BUS. Каталог продукции ЗАО «Элкус», сентябрь 2004.

68. Батищев А.Г., Гирин А.Н., Колдашов С.В., Наумов П.Ю., Смирнов Ю.В., Шилов В.А. Двухпроцессорная система сбора и обработки информации в спектрометре заряженных частиц «ВСПЛЕСК». Научн. Сессия МИФИ2006. 2006. Сб. научных трудов, Т. 7, С. 65.

69. Гобчанский О.П., Николаев Ю.М., Попов В.Д. Повышение радиационной стойкости индустриальных средств автоматики в составе бортовой аппаратуры. Современные технологии автоматизации, 2001, №4, с.36.

70. Гобчанский О.П. Унифицированные средства бортовых вычислительных комплексов космических аппаратов. Современные технологии автоматизации, 1998, №1, с.72.

71. Архангельский А.И., Гляненко А.С. Применение модуля MicroPC в аппаратуре АВС-Ф на борту спутника «КОРОНАС-Ф». Современные технологии автоматизации, 2004, №3, с.30.

72. В.В. Соловьев. Проектирование цифровых систем на основе программируемых логических интегральных схем. М.: Горяая линия-Телеком, 2001.

73. Фирменный сайт производителя: www.altera.com.

74. Фирменный сайт производителя в России: www.actel.ru