Растровые графические дисплеи для систем автоматизации электрофизических установок Репков, Владимир Валерьевич

Введение к работе

Актуальность темы. Институт ядерной фиоики ведет исследования в области физики высоких энергий, физики плазмы, а также занимается разработкой и изготовлением ускорителей для технологических целей. Установки, предназначенные для научных исследований в области физики высоких энергий, такие как ВЭПП-2М, ВЭПП-4 представляют собой сложные комплексы, каждый из которых состоит из источника элементарных частиц, электронно-оптических каналов, ускорителей, а также аппаратуры для регистрации эффекта взаимодействия элементарных частиц. Естественно, что нормальное функционирование таких сложных комплексов невозможно без четкого согласования режимов работы всех входящих в него элементов и без контроля их параметров. Составные части комплекса объединяются в единое целое посредством системы управления. Возможности системы управления в значительной степени определяют эффективность и гибкость использования как отдельных частей комплекса, так и всей установки в целом. Первые работы по использованию ЭВМ для нужд автоматизации начались в 1970 г. на накопителе ВЭПП-3, где потребовалась высокая точность и согласованность изменения параметров магнитной структуры. Управляющая программа была написана в кодах ЭВМ. Вскоре стало ясно, что для продолжения работ по автоматизации рациональнее применять не ЭВМ общего пользования, каковой в то время являлась машина "МИНСК-22", а специальную ЭВМ. С 1972 г. начата активная работа по автоматизации как существующих так и вновь строящихся установок: ВЭПП-2М, НАП-М, ВЭПП-4, и других. При этом использовались достаточно разнородные ЭВМ: М-6000, "Одра-1300^и в 70-х годах. Позднее, в 80-х годах, появились ЭВМ серии СМ "Электроника" и "Одренок".

Использование вычислительной техники в системах автоматизации было делом относительно новым, поэтому многие вопросы, связанные со взаимодействием ЭВМ, человека, аппаратуры и собственно установки, приходилось решать впервые.

Для максимальной эффективности взаимодействия оператора с установкой необходимо, чтобы человек оперировал привычными понятиями. Наиболее полно эта цель достигается при графическом представлении информации, так как скорость и глубина восприятия графических образов несоизмеримо выше, чем скорость чтения числовых или текстовых массивов. Наиболее распространенными графическими средствами являются графические дисплеи, использующие растровый способ формирования изображения.

Поскольку, все перечисленные ЭВМ, используемые в системах автоматизации, не комплектовались штатными графическими средствами, начиная с 1978 года для нужд института был разработан ряд графических дисплеев.

Целью настоящей работы является:

анализ необходимых требований к системам визуализации на электрофизических установках ИЯФ;

выбор решений и подходов по интеграции графических средств в распределенную систему управления и контроля;

разработка аппаратных и программных средств для реализации графических дисплеев; "

— внедрение результатов работы на комплексе ВЭПП-4 и других
электрофизических установках;

— написание тестового и отладочного программного обеспечения для
организации массового производства.

Научная новизна.

1. На основе анализа параметров и условий работы физических комплексов ИЯФ определены требования к качеству средств визуализации. Определены способы интеграции данных приборов в системы автоматизации.

2. Впервые в отечественной практике создан ряд дисплеев в стандарте КАМАК, обеспечивающий широкий диапазон требований по разрешающей способности, цветовой палитре, стоимости и т.д.

3. Предложена оригинальная архитектура видеоЗУ, позволяющая более эффективно использовать мощности графического процессора или управляющей ЭВМ.

4. Предложена архитектура графического процессора, ориентированного на генерацию графических примитивов. Разработано несколько процессоров различной степени сложности.

5. Решена задача создания схем генерации видеосигналов с высокой частотой видеовывода (100 МГц и более).

6. Предложена оригинальная схема ЗУ цветности, обладающая быстродействием 100 МГц.

7. Исследованы возможности создания высококачественных мониторов с повышенным разрешением. Предложены схемы широкополосного видеоусилителя, строчной развертки, оригинальная схема динамической фокусировки.

8. Разработаны инструментальные средства для отладки быстродействующих цифровых автоматов.

Реализация результатов работы, практическая ценность.

1. На основе анализа систем автоматизации электрофизических установок ИЯФ сформулированы основные требования к системам визуализации.

2. Под руководством и при непосредственном участии автора разработан ряд графических дисплеев в стандарте КАМАК, обеспечивающий широкий диапазон требований по разрешающей способности, цветовой палитре, стоимости и т.д.

3. Разработан высококачественный монитор с повышенным разрешением для автоматизации конструкторских работ.

4. Разработаны аппаратные средства для отладки быстродействующих цифровых автоматов (комплект имитаторов ПЗУ). Первоначально комплект предназначался для отладки графических процессоров, но нашел более широкое применение.

5. Приборы, описанные в диссертации, успешно применяются в системах автоматизации как в ИЯФ СО РАН (ВЭПП-3, ВЭПП-4, ТРАПП, СНД, КМД, МАГНИКОН и др.), так и в сторонних организациях (СИБИРЬ, ТНК и др.).

6. В радиомастерских ИЯФ было изготовлено в общей сложности
более 800 приборов. Кроме того, приборы ЦДР-1, ЦДР-2, производились
серийно в СКВ НП СО АН СССР, СКВ НП АН СССР (п.Черноголовка),
ИАЭ им. И.В.Курчатова.

Автор выносит на защиту следующие результаты работы: 1. На основе анализа параметров и условий работы физических комплексов ИЯФ определены требования к качеству средств визуализации.

Определены способы интеграции данных приборов в системы автоматизации.

2. Впервые в отечественной практике создан ряд дисплеев в стандарте КАМАК для систем автоматизации электрофизических установок.

3. Предложена оригинальная архитектура видеоЗУ, позволяющая более эффективно использовать мощности графического процессора или управляющей ЭВМ.

4. Предложена архитектура графического процессора, ориентированного на генерацию графических примитивов. Разработано несколько процессоров различной степени сложности.

5. Решена задача создания схем генерации видеосигналов с высокой частотой видеовывода (100 МГц и более).

6. Предложена оригинальная схема организации ЗУ цветности, обладающая быстродействием 100 МГц.

7. Разработан высококачественный монитор с повышенным разре
шением для автоматизации конструкторских работ.

8. Разработаны инструментальные средства для отладки быстродей
ствующих цифровых автоматов.

Апробация работы, публикации.

Работы, положенные в основу диссертации, докладывались и обсуждались на радиофизических семинарах Института ядерной физики СО РАН, на III Всесоюзном семинаре по обработке физической информации (Ереван, 1985), II Всесоюзном семинаре по автоматизации научных исследований в ядерной физике и смежных областях (Новосибирск, 1982), втором Всесоюзном симпозиуме по модульным информационно-вычислительным системам (Москва, 1980), XII Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных частиц (Москва, 1990), VII Всесоюзном симпозиуме "Модульные информационнее-вычислительные системы" (Новосибирск, 1989), VII Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных частиц (Дубна, 1981), Всесоюзной конференции "Автоматизация научных исследований на основе применения ЭВМ (Новосибирск, 1979), а также на других конференциях и семинарах. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ.

Структура и объем работы.

Диссертация изложена на 135 страницах машинописного текста, со-' стоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Текст содержит 19 рисунков, в списке цитируемой литературы—57 наименований.