Разработка микропроцессорных систем и интерфейсов с ПЭВМ типа IBM PC и их программного обеспечения для регулирования температуры на экспериментальных установках ОИЯИ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На правах рукописи 13-92-24

НГУЕН НЬИ ДЬЕН

РАЗРАБОТКА МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ 1Д ИНТЕРФЕЙСОВ С ПЭВМ ТИПА IBM PC И ИХ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ ОИЯИ

ециальность: 01.04.01. - техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Дубна 1992

Работа выполнена в Лаборатории нейтронной физики Объединенного института ядерных исследований.

Научный руководитель: кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Тишин в.г.

официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Цупко-ситников В.М.

гагунашвили Н.д.

Ведущая организация:

Институт ядерных исследований АН Украины, г. Киев.

Защита диссертации состоится " 1992 года в

"Л" час. на заседании специализированного совета Д 047.01.05 при Лаборатории нейтронной физики^и^аборатории ядерных реакций —Обьединенного^института ядерных исследований, г. Дубна.

«

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИЯй.

Автореферат разослан " " .маагга. 1992 года.

Ученый секретарь специализированного совета

Таран ю.в.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

ктуальность работы. Микропроцессорные комплекты и выполненные [X основе микроэвм : при больших вычислительных и логических ожносгях сочетают достоинства универсальных "и специализиро-ых устройств контроля, управления и обработки данных. Широкое енение микропроцессорной техники привело, к фундаментальным гам в области автоматизации, связи, приборостроения и вычи-ельной техники. Поэтому развитие и применение микропроцессо-(МП) и микроэвм оценивается как одно из важнейших направлений но-технического прогресса.

Внедрение МП и микроэвм в практику физических исследований оляет создавать аппаратуру для сложных и современных экспери-альных установок, облегчить работу пользователя за счет более того' проблемно-ориентированного программного обеспечения. В настоящее время изучение структуры и свойств высокотемпера-ых сверхпроводников (ВТСП) проводится во многих научно-иссле-тельских лабораториях. Для таких экспериментов, как правило, уется создание систем регулирования и стабилизации температу-сследуеиах образцов в широком диапазоне с высокой точностьо. льзование микропроцессорной техники для решения такой задачи ительно повышает эффективность научных исследований, увеличи-надежность и качество аппаратуры, снижает общув стоимость лексов измерительных, вычислительных и управлявших систем, отсюда можно видеть, что задача разработки и создания авто-ых микропроцессорных контроллеров, функциональных электронных лей и интерфейсов с микроэвм типа IBM FC-XT/at, позволяющих роить автоматизированные системы контроля и управления тепло-процессами на экспериментальных установках для научных исс-ваний, является вполне актуальной задачей в области методики ческого эксперимента.

Цель настоящей работы заключается в разработке аппаратуры и раммного обеспечения микропроцессорных систем и специальных рфейсов для решения научно-технической задачи в области экс-ментальной физики в ОИЯИ. Важной задачей является решение лемы перехода от приборов с ручным управлением для регулиро-я температуры объектов к программно-управляемым автоматизиро-ым системам с помощью применения микропроцессорной техники. учная новизна и основные положения, защищаемые в диссертации: 1. Разработаны с применением новых схемных решений усилители

постоянного тока и усилители выходной мощности, включаемые в став функциональных модулей для измерения, контроля и управл« технологическими параметрами в экспериментальных установках.

2. разработаны и внедрены в экспериментальные исследовг различные микропроцессорные контроллеры: контроллер с удален управлением, контроллер в стандарте КАМАК, контроллер с пуль клавиатуры и цифровой индикацией, на основе которых созданы кропроцессорные системы автоматического регулирования и стаби зации температуры в установках для научных исследований в ОИЯИ

3. Разработан восьмиканальный коммутатор, при использова которого и на основе автономных микропроцессорных контролле создана многопроцессорная система, управляемая по последовате ному каналу от общего дисплейного терминала и предназначенная управления температурными режимами в электропечи с трехсекцион нагревательным элементом и для регулирования тепловых процессо многих независимых объектах.

4. Разработаны функциональные интерфейсы, подключаемые не средственно к шине расширения персональных компьютеров типа рс-хт/ат для сбора информации и управления оборудованием.

5. Разработано программное обеспечение измерительных и упр; ляющих микропроцессорных систем, созданных на основе разработ; ных блоков и устройств и предназначенных для регулирования тем! ратуры объектов, сбора и обработки экспериментальных данных.

Практическая ценность диссертации заключается в том, что помощью разработанных функциональных блоков (входные/выход} усилители, различные микропроцессорные контроллеры, мнoгoкaнaJ ный коммутатор и др.|, дополнительных интерфеймв_н^11ине_рас11 рения рс-ХТ/АТ, а также_программногот)бё"спечения измерительных управляющих систем, выполненных на их основе, были созданы внедрены в экспериментальные исследования автономные системы базе МП и микроэвм, удовлетворяющие требованиям автоматизаи экспериментов на различных установках в ОИЯИ.

Наборы функциональных модулей и дополнительные интерфей созданы на основе выпускаемой в СССР серийной элементной базы.

Апробация и публикации работ. Основные результаты диссертац неоднократно докладывались и обсуждались на научно-методическ семинарах ЛНФ ОИЯИ, на XIV Международном симпозиуме по ядерн электронике (г. Варшава, 1990 г.) и опубликованы в работах [1т8 приведенных в списке литературы. Эти результаты получены автор в период С 1988 по 1991. гг. в ЛНФ ОИЯИ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, ырех глав и заключения. Общий объем составляет Юб страниц ма-описного текста, включая 37 рисунков, ю таблиц и список лите-уры из 92 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, сформулирована цель оты, отмечены научная новизна и основные положения, которые осятся на защиту, и приведено краткое содержание диссертации главам.

В первой главе приведены история появления и тенденции раэви-í МП и микроэвм, представлены основные применения микропроцес->ной техники в создании автоматизированных систем для физиче-[X исследований, рассматривается основные возможности 8-битной [ы расширения персональных компьютеров семейства IBM PC, такие, : распределение адресного пространства ввода-вывода, распре-[ение адресной зоны памяти и принцип работы системы прерывания, иэщие практическое значение при разработке дополнительных ин-(фейсов и их программного обеспечения для построения измеримых и управляющих систем на базе рс-ХТ/АТ.

Первый микропроцессор — 4-разрядный монолитный 4004 фирмы :el, поступил на рынок в 1971 г. С того времени начался стреми-[ьный рост производства МП, которые благодаря непрерывному улу-ihhd их технических характеристик и дальнейшему снижению стоили получают все более широкое распространение.

В 1972 г. фирмой Intel выпущен первый простейший 8-разрядный типа 8008, а в 1974 г. — более совершенный 8-разрядный одно-[стальный МП типа 8080. К 1976 году, когда эта фирма выпустила изрядный МП 8085, на рынке уже имелся большой выбор 8-разряд-: МП. В том числе были z-80 фирмы Zilog. 6802 фирмы nos ¡hnology, МС-6800 и МС768О9 фирмы Motorola и др.

в 1977 г. появились 16-разрядные МП. Первые из них — расе >МЫ National Semiconductor, СР-1600 фирмы GIM И TMS-9900 фирмы tas Instruments. Быстродействие 16-разрядного МП Intel 8086, •отавляемого в 1978 г., в десять раз больше, чем у предыдущего ¡0, а последующие 16-разрядные МП, такие, как мс-68000, •68010, Z-8000, TMS-99000, NS-16032, 80186, 80286 И др., имели ! более высокое быстродействие.

Первые 32-разрядные МП появились на рынке в 1983-1984 гг. Это

были МП NS-32032 фирмы National Semiconductor И МП-КОМГП NCR/32. В начале 1985 года ПОЯВИЛСЯ МС-68020 фирмы Motorola, его окончанию МП т-414 фирмы inmos и Intel 80386. Впоследстви 1986 Г. был выпущен МП Z-80000 фирмы Zilog.

Наиболее популярными зг-разрядными МП с традиционной архит турой являются следующие четыре: мс-68020, NS-32032, 1-8038 Z-80000. Эти микропроцессоры имеют ряд преимуществ по сравнени 16-разрядными предшественниками.

Направление построения автономных систем на базе микропроц соров можно разделить на два класса:

- микропроцессорные системы и контроллеры в разных стандартах КАМАК, VME, MULTIBUS, FUTUREBUS, FASTBUS И ДР.;

- микропроцессорные приборы и регуляторы.

Большое значение с точки зрения разработки и создания эл< тронной аппаратуры для физических экспериментов сыграл станд; КАМАК. Использование МП в интеллектуальных контроллерах обеспе1 вает не только микропрограммирование основных команд камак, не дает возможность построения автоматизированных систем в станда( КАМАК. В настоящее время широкое распространение для автомат зации физических исследований получили комплексы: персоналы компьютер типа ibm рс-хт/ат и крейт КАМАК.

в главе приведена типичная блок-схема микропроцессорной cv темы автоматического контроля и регулирования температурного р жима термостата, состоящей из программируемого контроллера, с держащего центральный процессор, памяти ПЗУ и ОЗУ, аналогов мультиплексор, преобразователи сигналов АЦП и ЦАП, таймеры, пул управления и индикации и др., входных и выходных усилителе Надежность и воэможностъ_-работы-такой-системы-в-большой~~степе зависят от характеристик применяемых функциональных электроны модулей и устройств. Поэтому разработка универсальных программ руемых контроллеров и аналоговой электроники с высоким качеств является одним из основных требований при построении контроль» измерительных и управляющих систем на базе МП для. автоматизац! научных исследований.

в начале 1982 г. фирмой ibm выпущен персональный компьют* типа рс-ХТ, в котором существуют1 пять незанятых разъемов расшир« ния для будущего расширения системы дополнительными стандартны! или нестандартными модулями (интерфейсами). Для разработки и со: дания таких интерфейсов на базе 8-битной шины расширения компы теров семейства ibm PC необходимо знать ее электрическую и мехг

кую спецификацию. Поэтому в первой главе также приведены ные данные шины расширения РС хт и АТ с точки зрения разра-специальных интерфейсов для сбора информации и управления дованием эксперимента.

;о второй главе приведены основы теплового регулирования в риментальных установках. При этом рассматриваются уравнение вого баланса и реальные динамические характеристики управля-объектов с точки зрения создания автономных систем на базе разработки алгоритмов программного обеспечения таких систем )ешения задачи автоматического контроля и управления тепло-процессами объектов.

равнение теплового баланса тепловых преобразователей при енном агрегатном состоянии среды и постоянной температуре пределяется как:

«эл * «тп + уконв + «ли = (1)

гэл = I 2я - теплота Джоуля-Ленца, выделяющаяся в преобразо-:е; д-тп - теплопроводность через окружающую среду; 9конв ~ кция; дт - лучеиспускание.

¡ыражая соответствующими формулами все виды тепловых потерь, ение теплового баланса с учетом переходного процесса нагре-[ или охлаждения тела в стадии регулярного теплового режима | представить в виде:

-ет [Р-тср) -с^Цт/юо) 4- {гст/100)4]-я<г ^ =о, (2)

|лен шс ^ учитывает дополнительное тепло, идущее на повы-: теплосодержания тела; т. тср, Тст - соответственно темпера-тела, среды, окружающей преобразователь, и стенок; теп-

I проводимость среды; I - коэффициент теплоотдачи; сп - коэф-!нт лучеиспускания; 5, а, с - поверхность, масса и удельная (емкость тела соответственно.

I случае работы с муфельной печью можно пренебречь потерями )лучение, при этом уравнение теплового баланса примет следу-приближенный вид:

I 2 Л - е - (Г - ij.pl - тс ¿Г = О, (3)

т - суммарный коэффициент теплопередачи, определяемый тепло-шностью и конвекцией.

аким образом, задание регулирования и стабилизации темпера-

туры объекта сводится к решению дифференциального уравнения i вого порядка (з) для определения управляющих коэффициентов, i занных с величиной тока через нагревательный элемент.

В главе приводятся характеристики разных температурных , чиков (термопары, термометры сопротивления, термисторы и д\ обычно используемых в системах автоматического контроля и ущ ления тепловыми процессами в физических экспериментах. На npai ке выбор типа датчиков температуры зависит от задачи экспериме и требуемых параметров измерения.

Далее в этой главе рассматриваются проблема разработки j лителей постоянного тока (УПТ) и методы коррекции дрейфа hv являющегося важнейшим параметром УПТ. Радикальным методом бор с дрейфом нуля при усилении сигналов напряжения постоянного т является использование усилителей с модулятором-демодулятс (МДМ). описан разработанный УПТ с МДМ, в котором предложен не метод управления ключами МДМ для исключения краевых эффект появляющихся из-за перезаряда емкостей ключей в модуляторе, позволяет уменьшить выходную нелинейность до 0.2% на всех диа зонах его работы. УПТ имеет следующие характеристики [1]:

- минимальный входной сигнал - единицы мкВ;

- максимальный выходной сигнал - ю В;

- коэффициенты усиления - 250, 500, юоо.

На одной плате КАМАК шириной 2М размещены два канала усилен В данной главе также рассматриваются методы обеспечения н рузочного тока для управляемых объектов большой мощности. Дае описание разработанного тиристорного усилителя мощности (У1 [1], который обеспечивает:

-преобразование напряжения постоянного тока в выходную мощное выделяемую на нагрузке, по линейной зависимости;

- гальваническое разделение входных цепей от силовых выходн! связанных с нагрузкой;

- возможность подключения к нему внешних тиристоров для управ, ния объектами большой мощности до б кВт.

Усилитель мощности УМТ с напряжением питания rj 220 В, 50 имеет следующие основные характеристики:

- диапазоны входных сигналов - ОтЮ в, От5 В, 0т1 В;

- входное сопротивление усилителя - не менее ю ком;

- выходная мощность при использовании тиристоров KY202H - 2 kBi

- нелинейность зависимости выходной мощности, выделяемой на наг рузке, ст входного напряжения - не более 5%.

УМТ выполнен в виде одного блока в конструктиве "Вишня" с сой не более з кг.

В настоящее время в лабораториях ОИЯИ используется усилители 1 и УМТ в составе микропроцессорных систем для автоматического улирования и стабилизации температуры печей в разных экспери-тальных установках. Кроме того, УМТ также применяется в каче->е источника токовых импульсов для исследования диффузии кисло-;а в образце сверхпроводящей керамики [1,2,6,7].

третья глава диссертации посвящена описанию разработанных ав-юм различных микропроцессорных контроллеров и выполненных на основе систем, предназначенных для регулирования тепловых про-:сов объектов исследования в различных экспериментах, проводи: в лабораториях ОИЯИ.

Описан автономный микропроцессорный контроллер (мк) с удален-I управлением по последовательному каналу [1]. МК изготовлен на юве МП-серии КР580, имеющей обширное программное обеспечение и [учившей в настоящее время широкое распространение в СССР.

использование в контроллере в качестве периферийных устройств юбразователей АЦП и ЦАП значительно расширяет его возможности, юнтроллере мк размещены 12-разрядные АЦП и ЦАП. В мк применен программируемый контроллер прерываний, запросы прерывание на входы 1И00 и 1И01 которого поступают с выходов 1граммируемых счетчиков. Это позволяет повысить гибкость прог-(мирования мк в режиме задания интервалов времени, что существо при использовании МК для построения разных управляющих :тем, в частности, системы регулирования тепловых процессов, ! необходимо задавать скорость изменения температуры и время ее [держания на заданных уровнях.

Контроллер мк с дистанционным управлением объектом (до юоо м)

:ет следующие технические характеристики:

I аналоговых входов (входное напряжение - 04-10 В) ;

•дин аналоговый выход с напряжением - От 10 В;

|ремя преобразования АЦП - ™ 50 мкс;

:корость асинхронного приема-передачи - 1200 бод;

юзможность задавать интервалы времени от 1 мин. до 96 часов.

Для проведения дифракционных экспериментов по изучению струк-(Ы вещества на нейтронном дифрактометре ДН-2 на импульсном ре-оре ИБР-2 создана на основе МК автономная микропроцессорная тема для регулирования и стабилизации температуры исследуемых 1азцов, включающая в себя набор функциональных электронных

блоков: УПТ, МК и УМТ, расположенных в экспериментальном : реактора. Управление работой системы осуществляется с пом< дистанционного терминала (■-■ 600 м) типа VIDE0T0N-52130 в иэм< тельном центре ЛНФ [1].

Данная система на ДН-2 также применяется в экспериментах изучению процессов синтеза некоторых ВТСП-материалов (иттриевь висмутовых керамик) . Представлены некоторые экспериментальные эультаты синтеза ВТСП-керамик, например, тип 1-2-З (Y1Ba2Cu3o^

В настоящее время для управления экспериментом, анализа и работки данных широко применяются разные типы микроэвм, наприм на нейтронном дифрактометре ДН-2 в ЛНФ используется в режиме line" персональный компьютер класса рс/АТ-286. Для этих же це автором разработан в стандарте камак микропроцессорный контрол МКК (рис.1), входящий в состав аппаратуры дифрактометра ДН-:

16 MHz

HQh

ЦПЭ

терминал

т

входы оыов

И

шина адресов

внутренняя шина данных.

_Реглстры флагов

,г

Выходные регистры

С

Té V4

Форм-тели импульсов

16

Rie L,g

T.

ппзу озу пои кп пг паи

± ■ t ' t I 1

АЦП

ЦАП

т

Статусный регистр

Входные регистры

КЗ. 4,7, «

izi

выход 0+10В

управления

Дешифратор команд КАМАК

16

WltU16 N,Д.F

-3

S1.S2

МАГИСТРАЛЬ КРЕЙТА

КАМАК

>

R1 +

Рис.1. Блок-схема микропроцессорного контроллера в КАМАК (МКК) ЦПЭ - центральный процессорный элемент (КР580ИК80А,

КР580ВК28, КР580ГФ24, 2 СХеМЫ К155ЛП10); ПОИ - последовательный интерфейс (КР580ВВ51А); КП - контроллер прерываний (КР580ВН59) ; ПТ - программируемые таймеры (2 схемы КР580ВИ5 3); ПАИ - параллельный интерфейс (КР580ВВ55А) ; АМ - 8-канальный аналоговый мультиплексор (мав-08Р) :

(ляемый персональным компьютером через крейт-контроллер [2т Три помощи такого комплекса : аппаратуры камак и управляющей проводятся эксперименты по исследованию переходных процессов iCTаллах ВТСП-материалов (фазовые переходы, переходные про-[ малой длительности и др.), в которых необходимо измерение жированной информации (дифракционные спектры, температура и и ее накопление в памяти эвм.

контроллере мкк (по сравнению с контроллером мк) увеличены :ть памяти ППЗУ до 24 Кбайт и емкость ОЗУ до 8 Кбайт; введена [нительная схема, обеспечивающая программный переход к управ) контроллером или по параллельному каналу через шину камак или по последовательному каналу типа rs-232 от автономного [нала и т.п., что позволяет увеличить возможность его работы. :озданная на основе микроконтроллера мкк температурная систе-. дифрактометре ДН-2 позволяет:

1авать скорость нарастания и уменьшения температуры объекта с [имальным шагом 1°с/мин.

[авать температуру для регулирования в диапазоне от + 40°с до ю°с и поддерживать заданную температуру с точностью ±1°С; [авать период регистрации текущей температуры в память ОЗУ ; в диапазоне от 200 мс до 3276 с с минимальным шагом юо мс; »дить систему в режим стабилизации температуры в произвольный :ент ручным путем от клавиатуры управляющего компьютера; [авать предельную температуру объекта, при достижении которой 1ь автоматически выключается.

[ля управления экспериментом на нейтронном дифрактометре ДН-2 ^нена программа ndc.exe на языке turbo-pascal, позволяющая 1нять необходимые операции управления аппаратурой, в том чис-контроллером МКК температурной системы. Таким образом,осуще-[ется синхронность регистрации температурных графиков с реги-[ией дифракционных спектров, что особенно важно в нейтроно-1ческих экспериментах в реальном масштабе времени при иссле-[ии переходных процессов в кристаллах ВТСП-материалов [3f5]. [ля термической обработки материалов в стационарных условиях [роведении технологических операций изготовления керамических щов и изделий из них широко применяют нагревательные устрой-с непрерывной работой в течение нескольких суток с постоянен медленно изменяющейся во времени температурой. Для этих и [X целей автором разработан компактный программируемый термо-[ятор (ПТ), состоящий из микропроцессорного контроллера (МК)

Рис.2. Структурная схема микропроцессорного контроллера с пультом клавиатуры и цифровой индикацией. ПК - преобразователь параллельного кода в последовательный код; ФИ - формирователь импульсов для передачи кода в МК.

с клавишным управлением и цифровой индикацией (рис.2), усилите УПТ и УМТ, блока питания БП, позволяющий вводить произволь программу изменения температуры во времени и контролировать е процессе работы [6].

Особенность терморегулятора ПТ заключается в том, -что кр возможностей линейного нагрева и поддержания температуры на данных уровнях аппаратные средства и программное обеспече регулятора дают и возможность линейного уменьшения температ объекта с малыми скоростями, что существенно в процессах при товления образцов втсп. Кроме этого программное обеспечение т морегулятора ПТ также позволяет пользователю проверить и измен заданные параметры в любой момент при выполнении программы.

Благодаря большим функциональным возможностям терморегулят он получил широкое применение в различных экспериментальных ус новках. Например, в ЛНФ ОИЯИ создана вакуумная система калиб

<ого насыщения кислородом ВТСП-материалов при разных темпера-ix, состоящая из системы откачки и измерения давления и сис-1 регулирования температуры образца на основе терморегулятора Эта вакуумная система позволяет учитывать изменение давления порода над порошком ВТСП с высокой точностью (после любых иэ-эний температуры). Соответственно можно определять количество порода, поглощенного в порошке втеп-материалов. Такой же регулятор применяется в ЛЯР ОИЯИ для автоматического 1вления тепловыми процессами печей при проведении термохрома-рафических экспериментов по исследованию трансактинидных эле-гов, синтезированных на пучках тяжелых ионов. Далее в этой главе рассматривается проблема связи по последо-ельному каналу одного дисплейного терминала с многими автоном-и микропроцессорными системами для создания многопроцессорной темы управления объектами. Эта задача решается с помощью 8-ального мультиплексорного блока (МБ), разработанного автором этих же целей. Логика блока МБ позволяет работать как в руч-, так и в программно-управляемом режиме коммутации [7]. В лнф оияи в последнее время проводятся эксперименты по выра-анию монокристаллов из расплавов по методу градиента темперами при помощи электропечи с трехсекционным нагревательным эле-

лс.з. Блок-схема многопроцессорной системы для регулирования температурных режимов в трехсекционной электропечи. УПИтУПТз - усилители постоянного тока; УМПтУМТз - усилители мощности; МК1 т мкз - микропроцессорные контроллеры; МБ - восьмиканальный мультиплексорный блок.

ментом. Управление температурными режимами в такой печи осуще< вляется с помощью созданной нами многопроцессорной системы, с< тоящей из трех независимых программных температурных подсисте( блока коммутатора МБ, предназначенного для подключения этих ш систем к общему управляющему терминалу (рис.3) [7].

Аналогичная конфигурация системы с применением блока МБ моэ быть использована для регулирования тепловых процессов в двух более независимых объектах, управляемых автономными микропроце сорными контроллерами типа МК.

Видно, что при создании автоматизированных систем на базе и микроэвм для управления процессами, а также для сбора и обр ботки данных в физических экспериментах реализация поставленн задачи решается не только аппаратными, но и программными средс вами. В связи с этим в данной главе рассматривается программн обеспечение микропроцессорных систем для регулирования и стабил эации температуры в экспериментальных установках [1,2,6].

Как показано во второй главе, уравнение теплового балан регулируемого объекта в большинстве случаев можно приближен! описать следующим видом:

с $ + д [Г- то\ = а, ('

где о = яг 2- тепло, выделяемое нагревательным элементом; А - кс эффициент пропорциональности, связанный с коэффициентом теплопе редачи объекта; т- температура объекта-_температура~среды:

--Так-какпфавненйе (4) является уравнением первого порядка, т

для стабилизации температуры объекта можно использовать то'льк линейное и дифференциальное звенья:

I = х1 йг + Г2 , (5)

где йг = т -гст (гсг - заданная температура для стабилизации) ~ коэффициенты, величины которых зависят от температур; Гсг и динамических характеристик регулируемого объекта.

Программное обеспечение микропроцессорных систем для регули ювания тепловых процессов объектов исследования состоит из четы->ех взаимосвязанных частей: программы линейного разгона и сниже-[ия температуры с разными скоростями, программа для ввода систем! | установившийся режим (программа в переходном режиме), программа юддержания заданной температуры и сервисные функции (oбмe^

рмацией с внешней ЭВМ, вывод параметров системы на дисплей, нение заданных параметров и т.д.). Каждая из них требует ичного математического решения и влияет друг на друг. Так как практически невозможно обеспечить мгновенное измене-температуры при действии тока через нагреватель, то для полу-я маленьких отклонений регулируемой величины от ее оптималь-значения действие входного тока производится в момент, когда лируемая величина достигает заранее выбранных значений. Для о необходимо вводить в процессы регулирования производную ■у и знак этой производной.

В этой же главе приведены разные алгоритмы работы управляющей раммы, а также дано описание конкретных методик при написании ,ой из разных частей программного обеспечения. в четвертой главе описаны разработанные автором интерфейсы на расширения персональных компьютеров семейства 1ВМ рс, пред-[аченные для построения информационно-измерительных и упра->щих систем на базе рс-хт/ат.

Существуют различные методы преобразования аналог-код. Для (а данных в микропроцессоры наиболее целесообразно использо-> АЦП по методу последовательного приближения, имеющие малое !Я преобразования, одинаковую скорость формирования ы-разряд-) слова и обеспечивающие высокую точность при относительной :тоте схемного решения и т.д.

Для этого разработан интерфейс многовходового 12-разрядного последовательного приближения. АЦП изготовлен на основе 12-юго ЦАП типа К594ПА1, 12-битного регистра последовательного 5лижения на К155ИР17, аналогового компаратора на КР597САЗ и 'их дополнительных элементов. На входе АЦП установлен восьми-1льный аналоговый коммутатор, обеспечивающий коммутацию одного 8-ми каналов сигнала. АЦП обеспечивает преобразование входных ,1алов в диапазоне ОгЮ в, время преобразования порядка 50 мкс чтегральную нелинейность не хуже 0,2%.

Этот интерфейс может быть применен для создания многоканальной темы сбора экспериментальных данных на базе рс-ХТ/АТ. Напри, при проведении выращивания кристаллов ВГСП по способу задав растворе градиента температур, как правило, необходимо на-дать изменение температуры в рабочем объеме печи, где нахо-ся образец. Для этого нужно установить несколько температурных чиков в этом объеме и снимать информацию с них одновременно. В главе дается описание интерфейса ввода-вывода аналоговой

информации (рис.4), предназначенного для построения управл5 системы на базе рс-хг/ат [8].

Рис.4. Блок-схема интерфейса ввода-вывода аналоговой информа1 Ф1 - формирователь импульсов управления ключами МДМ; 4>2 - формирователь сигналов запросов на прерывание; ДЧ - делитель частоты; БР - буферный регистр.

Интерфейс обеспечивает:

- усиление .сигналов напряжения микровольтового диапазона с раз чными коэффициентами усиления: 150, 250, 500 и юоо, устанав ваемыми программным путем,- преобразование аналоговых сигналов в диапазоне от о до ю в

12-битные цифровые данные с временем преобразования - 50 мкс

- преобразование 12-битных цифровых данных в аналоговое напря ние для управления исполнительным элементом;

- задание интервалов времени при помощи программируемого тайм и возможность обслуживания в режиме прерывания.

Далее в настоящей главе описывается система, созданная на б; интерфейса ввода-вывода и рс-хт/аг и используемая для регулиро] ния температурных режимов в муфельной печи. К достоинствам та]

■емы относится возможность находить оптимальное решение задачи ¡илизации температуры печи с помощью программного обеспечения 1зыке высокого уровня. Кроме того, применение таблично-ориен-)ванных (или таблично-управляемых) методов программирования на се assembly заменяется математическими функциями, которые гро решаются на языке высокого уровня turbo-pascal. Следует отметить, что кроме задачи сбора данных и регулирова-температуры печи можно использовать такую систему для прове-1Я измерений других параметров внешнего объекта, представля-< в аналоговом виде, а также и для управления различными «логическими процессами.

заключении приводятся основные результаты выполненной работы, эрые выдвигаются на защиту:

1. Сформулированы основные требования к управляющей системе эснове МП для автоматического регулирования тепловых процессов кспериментальных установках, включающей в себя набор функцио-ьных электронных блоков: усилители сигналов с температурных чиков, программируемый контроллер управления работой системы в ом, усилитель мощности для питания нагревательного элемента авляемого объекта и др.

2. Разработаны и созданы входные и выходные усилители, входя-в состав измерительных и управляющих микропроцессорных систем автоматизации экспериментальных исследований.

Усилители постоянного тока УПТ с модулятором-демодулятором М) предназначены для усиления сигналов напряжения микроволь-ого диапазона. Для исключения краевых эффектов в модуляторе дложен новый метод управления ключами МДМ, что позволяет полу-ь выходную нелинейность меньше 0.2% в диапазоне его работы. Усилители мощности УМТ с фазовым управлением тиристорами, олняющие с линейной зависимостью преобразование входного нап-ения постоянного тока в выходную мощность, выделяемую на наг-ке. в умт обеспечивается гальваническое разделение входных от одных силовых цепей, связанных с нагрузкой. Предусмотрена воз-ность подключения внешних тиристоров для увеличения выходной ности до б кВт.

3. Разработана серия микропроцессорных контроллеров, пред-наченных для решения различных задач управления установками:

- Контроллер мк с удаленным управлением объектом (до юоо м) последовательному каналу, в состав аппаратуры которого входят разрядный АЦП с мультиплексором входных сигналов, 12-разрядный

ЦАП, программируемые таймеры, программируемый контроллер преры ний, ППЗУ емкостью 16 Кбайт, ОЗУ емкостью 4 Кбайт и др.

- Контроллер МКК в стандарте камак управляется микроэвм че] крейт-контроллер и магистраль каиак. разработка МКК обусловл< требуемой организацией процессов автоматизации экспериментов основе комплексов: персональный компьютер типа 1ВМ Рс и аппарат ра камак, которые в последнее время получили широкое применение научных исследованиях, в частности, на физических установках М

- Автономный компактный контроллер с клавишным управлением цифровой индикацией, имитирующими функции стандартного диспле ного терминала, используемый в составе аппаратуры эксперимента.» ных установок для автоматического управления тепловыми или друг ми процессами в стационарных условиях.

4. На базе разработанных контроллеров и аналоговых электро ных модулей созданы различные системы для регулирования темпер туры объектов, удовлетворяющие требованиям автоматизации экспер ментов в конкретных условиях ОИЯИ:

- Автономная система на базе набора блоков: МК, УПТ и УМТ течение 1989 года позволила дистанционно (около 600 м| управля электропечью для проведения дифракционных экспериментов по изуж нию структуры и свойств ВТСП-керамик на нейтронных пучках импул; сного реактора ИБР-2. При этом электронная аппаратура управлеш экспериментом, накопления и обработки данных находилась в измер! тельном центре ЛНФ, а датчики измерения и управляемые объекты -

экспериментальном зале реактора_ИБР^2______

---^Система управления печью на базе набора блоков: МКК, УПТ

УМТ включена в состав комплекса аппаратуры дифрактометра ДН-2 управляемого персональным компьютером РС/АТ-286. Система обеспе чивает как управление работой печи, так и накопление темпера турных графиков в его ОЗУ синхронно с накоплением дифракционны спектров в блоках памяти основной установки, что необходимо дл обработки результатов измерения в экспериментах по исследовани переходных процессов в кристаллах Втсп-материалов. Данная систем используется в ряде нейтронографических экспериментов в реально масштабе времени на импульсном реакторе ИБР-2.

- программируемый терморегулятор ПТ в виде переносного прибо за, содержащий микропроцессорный контроллер с пультом клавиатур] 1 цифровой индикацией, усилители УПТ и УМТ, используемый в разли шых установках. Например, регулятор ПТ является частью аппарату->ы вакуумной системы калиброванного насыщения кислородом втсп-ма-

1лов при разных температурах. Такой регулятор также применя-

для управления температурными режимами печей при проведении эхроматографических экспериментов по исследованию трансакти-IX элементов, синтезированных на пучках тяжелых ионов и т.д. ?нность терморегулятора заключается в том, что кроме возмо-гей линейного нагрева и стабилизации температуры на заданных {ях он позволяет и линейно уменьшать температуру объекта с ш скоростями (до 1° с за несколько минут) , что существенно в зссах приготовления образцов и синтеза ВТСП-материалов.

5. Исходя из уравнения теплового баланса и реальных динамиче-

характеристик объектов с тепловой инерционностью разработано

эаммное обеспечение микропроцессорных систем на языке азэемв-ля автоматического контроля и управления тепловыми процессами ких объектах. В программное обеспечение входят программа мо-за, сервисная программа и программа регулирования температуры

с различными алгоритмами (линейное изменение температуры с ями скоростями, поддержание заданной температуры и др.).

6. Разработан восьмиканальный мультиплексорный блок (МБ) для и по последовательному каналу одного терминала с многими ав-мными микропроцессорными системами. При помощи этого блока и снове разработанных контроллеров типа мк создана многопроцес-ая система управления работой трехсекционной электропечи для щивания кристаллов ВТСП по методу градиента температуры. Раз-тано удобное для пользователей программное обеспечение лля луатации системы, что позволяет оперативно вмешиваться в про-

стабилизации температуры, нагрева или охлаждения образца, я конфигурация системы мсжет быть использована для управления ературой в многих независимых объектах.

7. Разработаны функциональные интерфейсы, установленные непо-ственно на 8-битной шине расширения микроэвм типа РС-ХТ/АТ построения измерительных и управляющих систем: интерфейс мно-одового АЦП, интерфейс ввода-вывода аналоговой информации и Интерфейс ввода-вывода, содержащий усилитель постоянного тока рограммно-управляемым коэффициентом усиления, 12-разрядный

12-разрядный быстрый ЦАП, программируемый таймер, позволяет ивать сигналы низкого напряжения (например, термо-э.д.с. опар) , преобразовывать аналоговые сигналы в диапазоне Отю в, бразовывать цифровые данные в выходное напряжение в диапазоне I в и имеет возможность обслуживания в режиме прерывания.

8. На базе разработанных интерфейсов созданы'разные экспери-

ментальные системы на базе РС-ХТ/АТ, такие, как система для ( данных из многих внешних источников (до 8 аналоговых сигна. система регулирования температуры муфельной печи для термос ботки разных материалов и др. Разработано программное обеспе1 таких систем на языке высокого уровня turbo-pascal, что позвс удобно их использовать в физических экспериментах.

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Нгуен Ньи Дьен, Родионов К.Г. Микропроцессорная система р лирования и стабилизации температуры : СооО. ОИЯИ, РЮ-89-Дубна, 1989.

2. Нгуен Ньи Дьен, Родионов К.Г. Микропроцессорный контроля

стандарте КАМАК для регулирования и стабилизации температ

\

препр. ОИЯИ, РЮ-90-398. Дубна, 1990.

3. Нгуен Ньи Дьен, Островной А.и., Родионов к.Г., тишин В. Микропроцессорный контроллер регулирования температуры в теме автоматизации экспериментов на нейтронном дифрактомет| XIV Международный симпозиум по ядерной электронике, г.Варш; 25-28.09.90. Сб.: ОИЯИ, Д13-90-600. Дубна, 1990. С. 287-29'.

4. Балагуров A.M., Барабаш И.П., Хиронкин Г.Ф., Дьен H.H. и Аппаратура регистрации и автоматизации многодетекторного н( ронного дифрактометра по времени пролета // XIV Меядунаро; симпозиум по ядерной электронике. Сб.: оияи Д13-90-600. Дус 1990. С. 283-286.

—5.-Балагуров~АтМт^БарабашИг1]г,—Кирокин~Г7Ф~ Дьен^н7н71Г измерительно-вычислительный модуль нейтронного дифрактоме ДН-2 на реакторе ИБР-2: Препр. ОИЯИ Pio~9l-l55. Дубна, 1991

6. нгуен Ньи Дьен, Морозов И.В., Родионов к.Г., Тишин в.Г., фы Д.Х. Программируемый регулятор температуры с клавишным упр лением: Сооб. оияи, 13-90-491. Дубна, 1990.

7. Нгуен Ньи Дьен, Родионов К.Г. Коммутатор связи терминала автономными микропроцессорными системами: Сооб. ОИЯИ, рю-346. Дубна, 1990.

8. Нгуен Ньи Дьен, Родионов К.Г., Тишин В.г. Блок ввода-вывод; системе рс-хт/ат для регулирования температуры: сооб. ои; РЮ-89-766. Дубна, 1989.

Рукопись поступила в издательский отдел 21 января 1992 года.