andrey

Путь к Файлу: /Развитие спектральных методов исследования поверхности.doc

Ознакомиться или скачать весь учебный материал данного пользователя
Скачиваний:   0
Пользователь:   andrey
Добавлен:   01.04.2015
Размер:   107.5 КБ
СКАЧАТЬ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

Физический факультет

Кафедра химической и биологической физики

 

 

 

Вагин Михаил Степанович

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

На тему:

«Развитие спектральных методов исследования поверхности:

аппаратно-программный комплекс сканирующей спектроскопии»

Практикум по Техническим Средствам Автоматизации Научных Исследований, 3 курс, группа 5306.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Преподаватель практикума

 

____________________________

“___” _______ 2007 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Новосибирск, 2007 г.

Аннотация: Описан аппаратно-программный  комплекс, предназначенный для автоматизации эксперимента по спектральному исследованию в реальном масштабе времени физико-химических процессов, проходящих на твердой поверхности. Предложены принципы и алгоритмы управления сканирующей спектральной аппаратурой и накопления экспериментальных данных. Продемонстрированы качественно новые возможности автоматизированного экспериментального оборудования.


 

Современные экспериментальные исследования поверхности твердого тела в силу сложности и многоплановости происходящих на ней физико-химических явлений, как правило, требуют непрерывного аппаратного контроля состояния поверхности и окружающей газовой фазы одновременно несколькими аналитическими методами. Ясно, что данная задача наиболее эффективно решается с использованием программных и аппаратных средств автоматизации, способных обеспечить параллельное управление работой входящих в состав аналитического комплекса приборов, сбор данных, их обработку и усвоение в реальном масштабе времени. Частично потребности эксперимента в настоящее время удовлетворяются появившимися на мировом рынке новыми автоматизированными аналитическими системами [1,2], использование которых, однако, не всегда оказывается оправданным. Так, применяемые для реализации многозадачного режима работы мощные вычислительные средства (например, Sun-system workstation с операционной системой UNIX [1] ) делают стоимость аналитических систем непомерно высокой, а оснащение IBM-совместимого персонального компьютера набором соответствующих интерфейсных устройств [2] приводит к монополизации ресурсов этого компьютера прикладными управляющими программами, что неудобно при проведении длительных рутинных экспериментов. Указанные обстоятельства, а также накопленный многочисленный парк отдельных неавтоматизированных датчиков и приборов в отечественных лабораториях стимулируют исследователей к разработке собственных информационно-измерительных систем.

            В связи с этим формулируются наиболее общие требования к подобным системам:

· параллельное обслуживание нескольких приборов, разнообразных датчиков и исполнительных устройств, сбор данных, их обработка и визуализация контролируемых параметров в реальном масштабе времени (от 10-3 до 104 с);

· возможность оперативного управления ходом эксперимента по каждому регистрируемому параметру, синхронизация используемых методов анализа;

· гибкость и наращивание программных и аппаратных средств в целях расширения приборного парка без коренных изменений в системе;

· наличие в составе комплекса IBM-совместимого персонального компьютера (PC) для привлечения широкого класса программ обработки экспериментальных данных.

Одно из оптимальных решений, удовлетворяющее перечисленным требованиям, является построение двухуровневого иерархического комплекса «PC - микроконтроллер», где задачи реального времени по управлению и сбору данных возложены на подчиненный процессор, тем самым высвобождаются ресурсы PC для обработки информации или решения других задач [4].

С другой стороны, большинство аналитических методов, используемых  в настоящее время для контроля физических свойств и химических состава поверхности – термодесорбционная масс-спектроскопия (ТДС), УФ-, рентгенофотоэлектронная и оже-спектроскопия (УФС, РФЭС, ОЭС), спектрометрия характеристических потерь энергии медленных электронов (СХПЭЭ) и т.д., являются «сканирующими», т.е. работающими по принципу развертки информационного сигнала по какому-либо изменяющемуся во времени параметру. Данное обстоятельство позволяет во многом унифицировать программную поддержку управления приборами, передав при этом функции синхронизации задач, сбора данных и передачи их в PC многозадачной операционной системе реального времени.

Такой подход реализован в созданном в Институте катализа СО РАН специализированном аппаратно-программном комплексе для автоматизации эксперимента на сверхвысоковакуумной спектральной установке ADES-400 (фирма VG Scientific, Англия). Установка предназначена для исследования физико-химических свойств поверхности твердого тела и укомплектована целым рядом сканирующих аналитических приборов (рис. 1): стандартными спектрометрами СХПЭЭ, УФЭС и РФЭС, масс-спектрометром, а также разработанным в ИК СО РАН терморегулятором для управления температурой образца по заданному закону. Развитие спектральных методов исследования поверхностиРазвитие спектральных методов исследования поверхности

Рис. 1.

 

В ходе эксперимента требуется анализировать давление и изменение состава газовой фазы в сверхвысоковакуумном объеме  по 16 массам при развертке температуры образца в диапазоне от 100 К до 1200 К и одновременном контроле состояния поверхности образца методами УФЭС или РФЭС. Разработанное оборудование представляет собой аппаратно-программный комплекс, реализованный в виде распределенной системы на базе IBM-совместимого персонального компьютера и интеллектуального микроконтроллера (МС) на базе Intel 80C188EB, оснащенного набором интерфейсных модулей. Выбор данного микропроцессора определяется его функциональной законченностью, развитой архитектурой каналов ввода/вывода, а также полной совместимостью системы команд с инструментальным компьютером, что облегчает создание прикладного мат-обеспечения [6]. Помимо микропроцессора, МС содержит ПЗУ емкостью 512 Кбайт, статическое ОЗУ емкостью до 512 Кбайт, программируемый таймер (82С54А), программируемый параллельный интерфейс (82С55А), синхронный последовательный порт для связи с периферийными устройствами (стандарт SP1), восьмиканальную систему сбора данных (мультиплексор 590КН6, программируемый усилитель AD526, 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь AD1674), цифро-аналоговый преобразователь  (AD7248A) и интерфейс расширения внутренней магистрали для подключения дополнительных устройств. Обмен информацией между процессорами комплекса осуществляется через двунаправленный 8-разрядный параллельный канал (порт А микросхемы 82С55А), причем передача данных их МС в РС производится в режиме прямого доступа к памяти под управлением контроллера DMA, входящего в состав РС. Конструктивно контроллер выполнен на печатной плате размерами 110х180 мм и устанавливается в персональном компьютере через разъем шины стандарта ISA. Для работы контроллера требуется одно напряжение питания +5 В. Потребляемая мощность – не более 3 Вт.

Гальванически развязанные от МС дополнительные интерфейсные модули встроены в конструктив комплекса ADES-400 и осуществляют управление разверткой абсциссы приборов СХПЭЭ и РФЭС (16-разрядные цифро-аналоговые преобразователи на базе AD660), прецизионное измерение и управление температурой объекта (блок регистрации температуры на основе преобразователя напряжение – частота AD652 и тиристорный блок управления нагревателем).

Математическое обеспечение комплекса (рис. 2) имеет четыре уровня:

1. Пакет прикладных исполнительных программ (задач), осуществляющих управление приборами и сбор данных от низ (локализован в МС).

2. Ядро многозадачной операционной системы реального времени, обеспечивающее запуск задач и управление ими в процессе работы (передачу параметров эксперимента, режима работы и т.д.), распределение ресурсов микроконтроллера между задачами, управление потоками данных между процессорами (МС).

3. Интерфейс пользователя, осуществляет связь оператора комплекса с прикладными задачами через соответствующий системный драйвер устройства, а также визуализацию регистрируемых данных в графическом и символьном представлении монитора (РС).

4. Пакет программ обработки экспериментальных данных (РС).

 

Последние два уровня реализованы для работы РС в операционных системах MS DOS, Windows 95 и Windows NT.

Специфической особенностью описываемого комплекса является наличие в структуре его мат-обеспечения оригинальной многозадачной операционной среды реального времени, специально разработанной для указанного класса задач с учетом архитектуры аппаратных средств используемого микропроцессорного устройства. Эта система названа «Тренд».

Действительно, единство управления для всех составляющих инструментальный комплекс приборов, а именно «сканирование» информационного сигнала по параметру развертки, позволяет упростить логику механизма переключения задач введение в структуру операционной среды специального модуля Sync_Task_Manager (STM), отвечающего за синхронизацию запуска процедур реального времени. Работа STM инициируется по прерыванию внутреннего таймера процессора МС (Т2) в соответствии с программно-задаваемым интервалом системного времени (0,1 – 10 мс).

На этапе конфигурирования программной среды для проведения конкретного эксперимента пользователем формируется очередь процессов, последовательно вызываемых STM в соответствии с их приоритетом (максимальное количество элементов очереди 16).

Развитие спектральных методов исследования поверхностиРазвитие спектральных методов исследования поверхности

Рис. 2.

Элементы очереди создаются при загрузке прикладных задач системным монитором (S_Mon) и хранятся в фиксированной области данных STM в виде списка вызываемых процедур. Данный список содержит системную информацию для каждой задачи: адрес «синхронной» процедуры, идентификатор процесса, состояние процесса, периодичность вызова.

Загруженный в оперативную память МС процесс может находится в трех состояниях: АКТИВЕН, НЕАКТИВЕН и ОЖИДАНИЕ (внешнего события или сообщения от другого процесса). Перевод в активное состояние осуществляется либо по команде системного монитора (из состояния НЕАКТИВЕН), либо через соответствующий запрос другого процесса или обработчика асинхронного прерывания внешнего события (из состояния ОЖИДАНИЕ).Активные процессы получают управление от STM.

Получив управление, «синхронная» процедура активного процесса (S_Proc) устанавливает необходимое значение параметра развертки соответствующего прибора, производит требуемые действия по запуску средств регистрации его информационного сигнала (АЦП, счетчик-таймер и т.д.) и возвращает управление STM, Кроме того, эти процедуры могут вводить оцифрованное значение сигнала в закрепленный за задачей кольцевой буфер данных. В некоторых случаях  функциях ввода данных обеспечивается обработчиками асинхронных прерываний Device_Interrupt_Handler (DIH) по запросам от аппаратуры, прерывание системного таймера имеет максимальный приоритет.

Освобождение буферов данных производится модулем Buffer_Manager (BM). Передача накопленной информации в РС осуществляется в виде связного списка сообщений, состоящих из заголовка ( имя процесса, идентификатор сообщения, длина сообщения) и собственно данных. Размер сообщений для каждого процесса регламентируется в системной таблице, хранящейся в области данных ВМ и содержащей другую необходимую информацию: адреса буферов, их размеры, указатели «головы» и «хвоста», флаги запросов на обработку. Данная таблица также формируется при загрузке прикладных программ аналогично таблице STM, причем размеры буферов для каждой задачи определяются пользователем исходя из потока данных и наличия пула свободной оперативной памяти МС. Работа ВМ, как и других системных средств, производится в фоновом (по отношению к задачам реального времени) режиме.

Резидентный монитор (R_Mon), располагаемый в постоянной памяти МС, обеспечивает начальную инициализацию аппаратуры контроллера после включения питания, инициализацию базовой системы ввода/вывода (BIOS), загрузку и запуск операционной системы из РС. R_Mon поддерживает выполнение следующих команд:

ReadMem(address,size) – передать в РС содержание памяти;

WriteMem(address,size,data) – записать данные в память МС;

ReadPort(address) – передать в РС содержание порта;

WritePort(address,data) – записать в порт данные;

JumpTo(address) – передать управление по адресу.

Формат сообщений-команд и сообщений-реплик аналогичен формату сообщений-данных, но в качестве данных передаются параметры команды или реплики.

Аналогично системный монитор S_Mon, отвечающий за загрузку и запуск прикладных программ, а также управление ими в процессе работы комплекса, выполняет следующие команды:

LoadTask(TaskID,address,size) – загрузить задачу;

UnloadTask(TaskID) – «выгрузить» задачу;

SetRegim(TaskID,Regim) – установить режим работы задачи;

SetTaskParamTable(TaskID,Param Tbl) – установить параметры.

После загрузки и запуска ядра операционной системы «Тренд» резидентный монитор интегрируется в ее среду и его команды остаются доступными пользователю.

Диспетчеризацию и планирование работы ядра операционной системы осуществляет планировщик фоновых задач Background_Task_Manager (BTM). В его функцию входит проверка запросов к модулям операционной среды и передача управления им в свободное от прикладных задач время. Кроме того, ВТМ предоставляет свободное процессорное время «фоновым» процедурам прикладных задач для выполнения различных действий (например, процедуре расчета подводимой мощности цифрового терморегулятора). Приоритеты в порядке убывания присвоены следующим образом: фоновые процедуры прикладных задач (B_Proc), R_Mon, S_Mon, BM. Связь ВТМ с задачами и модулями операционной среды также осуществляется через соответствующую системную таблицу.

Работающие в среде «Тренд» прикладные задачи (Task) по своему функциональному назначению во многом соответствует драйверам периферийных устройств любой другой операционной системы. Действительно, каждая задача, общаясь с системой через механизм запросов, обеспечивает работу соответствующего прибора и метода измерения. Вследствие этого структура прикладной задачи напоминает структуру драйвера и содержит следующие программные блоки:

1. Фиксированная область связи с операционной средой (OS_Prm), которая включает в себя указатели на процедуры и атрибуты.

2. Таблица внутренних параметров задачи (T_Prm) – режим и параметры работы прибора: начальное и конечное значение развертки, шаг, скорость и т.п. Прикладные задачи могут выполняться в нескольких режимах, например:

а) регистрация масс-спектрометром обзорного спектра или контроль за эволюцией нескольких (до 16) фиксированных значений масс; б) линейный нагрев, остывание образца или изотермическая стабилизация. При необходимости пользователь имеет возможность управлять режимом и параметрами задач в процессе работы посредством команд системного монитора.

3. Необязательная синхронная процедура S_Proc для работы под управлением STM.

4. Необязательная фоновая процедура S_Proc для работы под управлением ВТМ.

5. Необязательные обработчики асинхронных прерываний Device Interrupt Handlers (DIH).

Доступ к сервисным функциям операционной среды «Тренд» и прикладным задачам обеспечивает интерфейс пользователя (User’s Interface, UI), который позволяет настраивать комплекс для проведения конкретных экспериментов и изменять конфигурацию в процессе работы. Дополнительный сервис UI по связи с задачами заключается в возможности просмотра накопленной в буферах данных МС информации в графическом виде и индикации наиболее важных параметров процессов в масштабе реального времени.

Исполнительный пакет для исследования свойств поверхности на сверхвысоковакуумном комплексе ADES-400 содержит по числу регистрируемых параметров пять прикладных задач: MS, LEELS, XPS, Thermo, Pressure. В силу своей специфики не все входящие в комплекс приборы могут работать одновременно. При конфигурировании и работе системы интерфейс пользователя отслеживает сопрягаемость активных задач, индицируя на экране монитора соответствующие предупреждения.

Программный модуль, отвечающий  в РС за обмен сообщениями между UI и матобеспечением подчиненного процессора, реализован в виде системного драйвера устройства MC_Handler (MCH). Драйвер аналогично модулю  BIOS системы «Тренд» обеспечивает передачу «отложенных» сообщений, используя аппаратное прерывание передатчика канала связи. Поскольку прием информации из МС осуществляется в режиме прямого доступа к памяти персонального компьютера, в функции драйвера входит обслуживание прерывания End_Of_Process используемого канала DMA при заполнении выделенной страницы оперативной памяти (обычно 64 Кбайт). Дальнейшая обработка принимаемой информации заключается в ее сортировке на сообщения-реплики и сообщения-данные с последующей переадресацией их соответствующим процедурам интерфейса пользователя.

Накопленная информация хранится в виде файлов текстового или бинарного формата. Программа Spectra Edition (SE) предоставляет пользователь необходимый сервис по просмотру и математической обработке регистрируемых временных и спектральных зависимостей в многооконном режиме. Она обеспечивает следующие функции:

 ручное и автоматическое масштабирование графиков;

 сглаживание и линеаризация кривых;

 элементарные математические операции с массивами данных;

 анализ спектральных данных (определение параметров спектральных линий);

 аппроксимация и интерполяция экспериментальных зависимостей (МНК);

 спектральный анализ (разложение в ряд Фурье);

Экспериментальная апробация созданного комплекса в многозадачном режиме показала, что его применение позволяет не только увеличить производительность экспериментальных исследований, но и получить качественно новые данные о физико-химических явлениях на поверхности твердого тела.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ESCA, AUGER,SIMS. Product Guide: VG Scientific, 1993.

2. ESCA 310. Technical Description: Scienta Instruments AB, 1993.

3. Денисов В.П., Егоров Н.В., Овсянников А.М. и др. Универсальный автоматизированный комплекс для элементарного и структурного анализа поверхности // ПТЭ. 1995. №3.С. 205.

4. Бадалян А.М., Гаун Д.Д., Каичев В.В. Автоматизированный оптический спектрофотометр со сканирующим дисперсионным элементом. // Приборы и системы управления. 1994. №10. С.31.

Наверх страницы

Внимание! Не забудьте ознакомиться с остальными документами данного пользователя!

Соседние файлы в текущем каталоге:

На сайте уже 21970 файлов общим размером 9.9 ГБ.

Наш сайт представляет собой Сервис, где студенты самых различных специальностей могут делиться своей учебой. Для удобства организован онлайн просмотр содержимого самых разных форматов файлов с возможностью их скачивания. У нас можно найти курсовые и лабораторные работы, дипломные работы и диссертации, лекции и шпаргалки, учебники, чертежи, инструкции, пособия и методички - можно найти любые учебные материалы. Наш полезный сервис предназначен прежде всего для помощи студентам в учёбе, ведь разобраться с любым предметом всегда быстрее когда можно посмотреть примеры, ознакомится более углубленно по той или иной теме. Все материалы на сайте представлены для ознакомления и загружены самими пользователями. Учитесь с нами, учитесь на пятерки и становитесь самыми грамотными специалистами своей профессии.

Не нашли нужный документ? Воспользуйтесь поиском по содержимому всех файлов сайта:



Каждый день, проснувшись по утру, заходи на obmendoc.ru

Товарищ, не ленись - делись файлами и новому учись!

Яндекс.Метрика