Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные существующие системы и автоматизированные датчики экологического мониторинга (обзор и анализ) 10
1.1 Системы радиационного экологического мониторинга 10
1.1.1 Муниципальная аскро г. северодвинска (нпо «импульс») , 10
1.1.2 Система автоматизированного гащіа - мониторинга вокруг радиационно-опасных объектов ас игам (нпо «тайфун») 11
1.1.3 Территориальная автоматизированная система контроля радиационной обстановки «атлант» ( нпп «доза») 13
1.1.4 Система sky link ( «genitr on instruments gmbh», германия) 14
1.1.5 Автоматизированная система контроля радиационной и экологической обстановки (нтц «Рион», нпо «радиевый институт им. в.г.хлошна») 15
1.2 Современные датчики химического загрязнения воздуха 19
1.2.1 Газоанализатор р-310 (российское приборостроительное предприятие «оптэк») 19
1.2.2 Газоанализатор универсальный ганк-4ас/2 (оао «нпо прибор») 21
1.2.3 Стационарная автоматическая станция контроля загрязнения атмосферы аскза (зао «украналит», украина) 23
1.2.4 измерительный комплекс "скат " (российское приборостроительное предприятие «оптэк») 24
Глава 2. Принцип построения универсального стационарного поста наблюдения для автоматизированной системы экологического мониторинга 27
2.1 Требования к локальной асэм 27
2.1.1 Назначение локальной асэм. 21
2.1.2 Состав локальной асэм 28
2.2 Структура построения автоматизированной системы экологического мониторинга 32
2.3 Структура автоматизированного гамма - спектрометра 35
2.4 Структура универсального блока сбора информации 36
2.5 Структура метеорологического датчика 37
2.6 Сцинтилляционный детектор для автоматизированного гамма - спектрометра 37
Глава 3. Разработка протоколов информационного взаимодействия 41
3.1 Критерии выбора протокола информационного взаимодействия 41
3.1.1 Критерий физического интерфейса..,. 41
3.1.2 Критерий адресации 42
3.1.3 Критерий объема передаваемой информации 42
3.1.4 Критерий скорости передачи данных 43
3.1.5 Критерий достоверности инфорліации 43
3.1.6 Критерий гарантированности доставки информации 43
3.1.7 Критерии простоты реализации 44
3.1.8 Критерий разрешения коллизий 44
3.1.9 Критерий избыточности 45
3.2 Обоснование выбора протокола информационного взаимодействия 45
3.2.1 Анализ существующих стандартных протоколов информационного взаимодействия 45
3.2.2 Выбранный протокол информационного обмена 50
3.3 Разработка протокола информационного взаимодействия между универсальным блоком сбора информации и автоматизированными датчиками 51
3.3.1 Распределение адресов 51
3.3.2 Разработка дополнительных функций 52
3.3.3 Формат данных 53
3.3.4 Формат сообщения , 53
3.3.5 Проверка на ошибку (crc) 55
3.3.6 Коды функций 58
3.3.7 Исключительные ситуации 69
3.4 Разработка, на основе выбранного, протокола информационного взаимодействия между диспетчерским центром и универсальным блоком сбора информации 70
Глава 4. Разработка опытных образцов универсального блока сбора информации и автоматизированного гамма - спектрометра 73
4.1 Определение технических требований к микроконтроллерам, необходимых для построения микропроцессорных систем убси и автоматизированного гамма спектрометра 73
4.2 Анализ современных электронных компонентов, необходимых для построения микропроцессорных систем убси и автоматизированного гамма - спектрометра .74
4.3 Обоснование выбора семейства микроконтроллеров 81
4.4 Средства разработки 82
4.5 Универсальный блок сбора информации 83
4.6 Автоматизированный гамма - спектрометр 87
Глава 5. Испытания прототипов универсального блока сбора информации и автоматизированного гамма - спектрометра 93
5.1 стендовые испытания прототипа автоматизированного гамма - спектрометра 93
5.2 стендовые испытания опытного образца универсального блока сбора информации 95
5.3 испытания опытного образца универсального стационарного поста наблюдения на радиационно-опасном объекте 96
5.3.1 Объект испытаний 96
5.3.2 Цель испытаний 97
5.3.3 Место проведения испытаний 97
5.3.4 Проверяемые характеристики 97
5.3.5 Порядок проведения работ 97
5.3.6 Перечень проверок ирезультаты проведения испытаний 98
5.3.7 Выводы испытаний 99
5.4 Установка универсального стационарного поста наблюдения на радиационно-опасном объекте 99
5.5 Оценка «порогов» переключения режимов работы автоматизированного гамма спектрометра 104
5.6 Способ калибровки автоматизированного гамма - спектрометра для оценки объемной активности радионуклидов в приземной атмосфере 105
5.7 Теоретическое обоснование возможности спектрометрического контроля радиоактивных выбросов 108
Заключение 111
Список литературы 114
Приложение
- Современные датчики химического загрязнения воздуха
- Структура построения автоматизированной системы экологического мониторинга
- Обоснование выбора протокола информационного взаимодействия
- Анализ современных электронных компонентов, необходимых для построения микропроцессорных систем убси и автоматизированного гамма - спектрометра
Введение к работе
Обеспечение экологической безопасности, понимаемой как состояние защищенности природной среды и жизненно важных интересов человека от возможного негативного воздействия хозяйственной и иной деятельности, чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, их последствий требует организации постоянно действующей комплексной системы наблюдения за изменением состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов, именуемой системой экологического мониторинга.
Экологический мониторинг осуществляется в целях: соблюдения установленных нормативов качества окружающей среды; получения объективных данных о состоянии окружающей среды; информирования населения о состоянии окружающей среды; выявления источников загрязнения окружающей среды и определения их вклада в загрязнение; оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов; обеспечения потребностей государства, юридических и физических лиц в достоверной информации о состоянии окружающей среды и ее изменениях, необходимой для предотвращения и (или) уменьшения неблагоприятных последствий таких изменений. [98]
При проведении экологического мониторинга решаются следующие основные задачи: организация и проведение наблюдения за количественными и качественными показателями (их совокупностью), характеризующими состояние окружающей среды, в том числе за источниками антропогенного воздействия и воздействием этих источников на окружающую среду; оценка состояния окружающей среды, своевременное выявление и прогноз развития негативных процессов, влияющих на состояние окружающей среды, выработка рекомендаций по предотвращению вредных воздействий на нее; информационное обеспечение органов государственной власти, органов местного самоуправления, юридических и физических лиц по вопросам состояния окружающей среды [71].
Современный подход к организации экологического мониторинга предусматривает создание автоматизированных информационно - измерительных систем наблюдения за состоянием окружающей среды. Решением правительства Российской Федерации № 1085 от 2.11.95 г.[59] была утверждена Федеральная целевая программа "Создание Единой государственной автоматизированной системы контроля радиационной обстановки на территории Российской Федерации". Единая государственная автоматизированная система контроля радиационной обстановки (ЕГАСКРО) предназначена для осуществления непрерывного контроля радиационной обстановки и информационной поддержки -деятельности органов государственной власти и государственного управления всех уровней по обеспечению радиационной безопасности на территории Российской Федерации. ЕГАСКРО создается как система, имеющая иерархическую структуру с последовательно-параллельными связями, где связи между объектами возможны как по вертикали, так и по горизонтали (подчиненность и взаимодействие). ЕГАСКРО имеет несколько уровней: государственный уровень, охватывающий территорию всей страны, территориальный уровень (в масштабе субъекта Российской Федерации), муниципальный уровень (в масштабе городского района либо небольшого города) и локальный уровень, обеспечивающий наблюдение на ограниченной площади.
Локальная автоматизированная система экологического мониторинга (АСЭМ) создается с целью обеспечения населения и органов управления подконтрольной территории достоверной информацией о состоянии окружающей среды, его изменениях, оперативного оповещения об опасных уровнях загрязнения в результате природных катаклизмов, техногенных аварий, террористических актов и тому подобных явлений.
Актуальность темы
Техногенные катастрофы наносят большой ущерб экономике и экологии.
Эта проблема особенно важна для России, имеющей множество экологически опасных объектов, расположенных в регионах, в которых отсутствует соответствующая информационная, энергетическая и сервисная инфраструктура.
В настоящее время существует большое количество аппаратуры экологического мониторинга как отечественных, так и зарубежных производителей. Однако выпускаемая аппаратура ориентирована на выполнение конкретных специализированных задач, не является универсальной, позволяющей объединять различные типы датчиков в стационарный пост наблюдения, и в большинстве случаев не предназначена для использования в автоматизированных системах.
Поэтому создание удовлетворяющей современным требованиям универсальной аппаратуры, позволяющей производить объединение различных типов датчиков экологического мониторинга (радиационных, химических, метеорологических и т.д.) в воздушный или водный стационарный пост наблюдения для использования в локальной автоматизированной системе экологического мониторинга, построенной на основе сети постов наблюдения, охватывающей ' территорию около экологически-опасного объекта, является актуальной задачей.
Цель работы
Цель работы состоит в разработке унифицированного аппаратно-программного оснащения универсального стационарного поста наблюдения (УСПН), работающего в составе локальной автоматизированной системы экологического мониторинга (АСЭМ).
Задачи исследования
Для достижения указанной цели решены следующие задачи: проведен анализ существующих АСЭМ и автоматизированных датчиков; разработан принцип построения (состав, структура, алгоритм работы, способы передачи данных) УСПН, предназначенного для работы в составе локальной
АСЭМ, позволяющего объединять датчики различных типов с различными физическими и логическими интерфейсами; разработан протокол информационного взаимодействия между УСПН и диспетчерским центром локальной АСЭМ; разработан протокол информационного взаимодействия между универсальным блоком сбора информации (УБСИ) и автоматизированными датчиками, входящими в состав УСПН локальной АСЭМ; разработано функционально-программное обеспечение опытных образцов УБСИ и автоматизированного гамма - спектрометра; разработаны и испытаны опытные образцы УБСИ и автоматизированного гамма - спектрометра.
Научная новизна полученных результатов: разработаны и обоснованы требования к протоколам информационного взаимодействия в УСПН; разработаны протоколы информационного взаимодействия УСПН и диспетчерского центра локальной АСЭМ и информационного взаимодействия УБСИ и автоматизированных датчиков, входящих в состав УСПН, позволяющие объединять в УСПН датчики с различными физическими и логическими интерфейсами; разработаны критерии и обоснован выбор микропроцессорных систем для УБСИ и автоматизированного гамма - спектрометра.
Практическая ценность
Теоретические исследования завершены созданием на их основе рабочих опытных образцов УБСИ и автоматизированного гамма - спектрометра.
Реализация в промышленности
Изготовлены 3 опытных образца автоматизированного гамма - спектрометра локальной АСЭМ. Два из них прошли успешные испытания в течение года в районе расположения Калининской АЭС (Тверская область) и научно-производственного объединения «Звездочка» в г. Северодвинске. Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции «Состояние и развитие ЕГАСКРО на территории РФ» (г. Обнинск, 23 - 25 мая 2001 г.), Всероссийском конгрессе работников водного хозяйства (г. Москва, 9-10 декабря 2003г.) и на конференциях молодых ученых «Проблемы гелиогеофизики и охраны окружающей среды» (г. Москва, 17-18 декабря 2003 г.) и «Проблемы гелиогеофизики и экологии» (г. Москва, 31 марта - 1 апреля 2005 г.).
Положения, выносимые на защиту: принцип построения УСПН для автоматизированной системы экологического мониторинга и его практическое подтверждение; определение критериев и обоснование выбора протокола информационного взаимодействия УСПН и диспетчерского центра локальной АСЭМ и информационного взаимодействия УБСИ и автоматизированных датчиков, входящих в состав УСПН локальной АСЭМ; протокол информационного взаимодействия УСПН и диспетчерского центра локальной АСЭМ; протокол информационного взаимодействия УБСИ и автоматизированных датчиков, входящих в состав УСПН локальной АСЭМ.
Современные датчики химического загрязнения воздуха
Датчики химического загрязнения воздуха должны производить измерения концентраций содержания веществ в атмосферном воздухе от нескольких десятков до нескольких сотен процентов их предельно допустимых концентраций (ПДК). ПДК в атмосферном воздухе населенных мест приведены в таблице 1 ,
Твердотельный хемилтоминесцентный газоанализатор предназначен дляизмерения концентрации оксида и диоксида азота в атмосферном воздухе.
Метрологические параметры прибора обеспечиваются встроенным термодиффузионным источником микропотока N02. Основные характеристики прибора приведены в таблице Таблица 2.
Газоанализатор может применяться в передвижных и стационарных лабораториях для контроля состава атмосферы.
Газоанализатор Р-310А представляет собой стационарный автоматический прибор непрерывного действия, конструктивно выполненный в одном блоке. Принцип действия газоанализатора - гетерогенная хемилюминесценция (газ -"твердое тело")- Датчиком газа служит хемилюминесцентный твердотельный сенсор. Сущность этого метода состоит в том, что химическое взаимодействие молекул анализируемого компонента с датчиком сопровождается люминесценцией. Интенсивность хемилюминесценции пропорциональна содержанию анализируемого компонента в базовой смеси. Газоанализатор работает в автоматическом режиме измерений. При необходимости газоанализатор комплектуется встроенным преобразователем напряжения (постоянное +12В в переменное 220В, 50 Гц).
Прибор Р-310А обеспечивает непосредственное отображение на цифровом табло текущей концентрации оксида и диоксида азота или усредненных значений за 20, 40 или 60 минут измерений (при поставке с встроенной памятью).
Предельные значения концентрации неизмеряемых компонентов в анализируемой газовой смеси должны быть следующими: С12 - не более 0,1 мг/м3, H2S - не более 0,5 мг/м3, СО - не более 50,0 мг/м3, S02 - не более 0,5 мг/м3, 03 - не более 0,2 мг/м3, атмосферная пыль - не более 5 мг/м3.
В приборе предусмотрена возможность подключения самопишущих приборов, например, потенциометров, установлен интерфейс RS-232, дополнительный токовый выход 0-5 мА (или 4-20 мА). Газоанализатор имеет встроенную программу "Автотест" для контроля работы элементов прибора.
В газоанализаторе предусмотрены до 4-х групп сухих контактов, которые устанавливаются по специальному требованию. Тип сухих контактов: механическое реле с одной группой контактов.
Газоанализатор имеет встроенный насос, термокаталитический конверторокисления оксида азота в диоксид (NO - N02).
Газоанализатор имеет два типа исполнения: Р-310А (NO, N02) -двухкомпонентный, с термокаталитическим конвертором (габариты прибора и масса указаны в таблице Таблица 2) и Р-310 А-1 (N02) — однокомпонентный, безконвертора (габариты прибора - 482 х 420 х 132 мм; масса— 10,5 кг).Градуировка прибора производится 1 раз в 6 месяцев, а межповерочный интервал - 1 год.
Недостатком газоанализатора является невозможность включения в состав комплекса дополнительных датчиков различных типов и наличие только одного вида выходного цифрового интерфейса - RS - 232, что не позволяет передавать информацию на значительные расстояния.
Газоанализатор ГАНК-4АС/2 со встроенным насосом и памятью предназначен для одновременного автоматического измерения концентраций двух вредных веществ в атмосферном воздухе. Газоанализатор выполнен в виде моноблока со сменными химкассетами.
Принцип действия газоанализатора - спектрофотометрический с оптопарой (светодиод-фотодиод) конверсионный, с помощью химкассеты и используется метод оценки скорости изменения окраски ленты пропорционально концентрации определяемого вещества. Работа газоанализатора осуществляется в автоматическом режиме. Встроенный насос засасывает анализируемый воздух через штуцер «ВХОД» газоанализатора и подсоединенный к нему воздуховод с забором пробы и пропускает его через фотоголовку с индикаторной лентой химкассеты.
При измерении используется метод оценки скорости изменения окраски ленты пропорционально концентрации определяемого вещества в воздухе контролируемой зоны.
Результаты измерения выводятся на дисплей в цифровом виде. Определяемые компоненты и диапазоны измерений представлены в таблице 3.
Газоанализатор зарегистрирован в Государственном реестре под № 24421-03. Сертификат об утверждении типа средств измерений RU.C.31.076.A РОСС № 14332. Сертификаты соответствий РОСС DE. ГБ05.В00481 № 5318756, РОСС RU.ME20.BO2913 № 5546508. Лицензия на производство и ремонт № 003184-И.Недостатком газоанализатора является невозможность включения в состав комплекса дополнительных датчиков различных типов.
Структура построения автоматизированной системы экологического мониторинга
Система АСЭМ имеет несколько иерархических уровней: федеральный уровень (в масштабе субъекта Российской Федерации), муниципальный уровень (в масштабе городского района либо небольшого города) и локальный уровень, обеспечивающий наблюдение на ограниченной площади.
Из анализа современного состояния и тенденции развития АСЭМ окружающей среды в районе экологически-опасного объекта следует, что структура локальной АСЭМ (см. рис. 1) должна состоять из:
Во-первых, локального информационно-аналитического центра или просто диспетчерского центра, представляющего собой компьютер с соответствующей сервисной программой и подключенным к нему блоком связи;
Во-вторых, сети УСПН, которые в свою очередь состоят из различных автоматизированных датчиков, связанных с диспетчерским центром с помощью проводных (телефонный модем, RS-485) или (и) беспроводных (сотовый или спутниковый модем) линий связи через УБСИ.
В свою очередь ДЦ должен обеспечивать оперативной информацией вышестоящие организации для принятия управленческих решений через Internet или телефонную линию.
Рис. 1 Структура локальной АСЭМ ДЦ состоит из, во-первых, персонального компьютера с установленным на нем специальным программным обеспечением (ПО). ПО позволяет осуществлять отображение, хранение и обработку принимаемой от УСПН информации, формирует команды управления и программирования различных параметров и режимов работы АД и, во-вторых, блока связи, представляющего собой проводной телефонный модем и/или беспроводной сотовый или спутниковый терминал или радиомодем.
УСПН производит непрерывную автоматизированную обработку и анализ поступающих данных измерений от входящих в его состав АД и может работать в одном из трех режимов: нормальном, предаварийном и аварийном. Эти режимы отличаются временем набора данных АД, уровнем их первичной обработки и режимом информационного взаимодействия с ДЦ. В состав УСПН для системы экологического мониторинга (см. рис. 2) должны входить, во-первых, УБСИ, реализующий функции обмена данными между ДЦ и различными автоматизированными анализирующими датчиками,во-вторых, автоматизированные анализирующие датчики:автоматизированный гамма - спектрометр, позволяющий регистрировать спектр у-излучения, химический датчик, предназначенный для измерения концентраций в атмосферном воздухе загрязняющих компонентов и метеорологический датчик, позволяющего получать дополнительные метеорологические данные, такие скорость и направление ветра, температура окружающей среды, относительная влажность воздуха, атмосферное давление и дополнительные датчики.
Такой УСПН может комплектоваться различными наборами АД, что позволяет использовать его для наблюдения за различными типами экологически опасных объектов. Например, для наблюдения за радиационно-опасными объектами в состав поста могут входить автоматизированный гамма — спектрометр и метеорологический датчик, а для наблюдения за химически опасным объектом — химический и метеорологический, также возможен пост с использованием всех выше перечисленных датчиков.
Блок конвертора интерфейса позволяет включать в состав УСПН автоматизированные датчики с различными логическими и физическими интерфейсами без доработки функционально-программного обеспечения и принципиальной электрической схемы УБСИ. Блок конвертора интерфейсапроизводит перевод любого протокола используемого датчиками в протокол, воспринимаемый УБСИ.
Автоматизированный гамма - спектрометр (см. рис. 3) состоит из: сцинтилляцио иного детектора, формирующего импульсы напряжения, по амплитуде пропорциональные энергии регистрируемого излучения, устройства выборки и хранения с пиковым детектором с управляемым сбросом, осуществляющего детектирование пика импульса напряжения и хранение его значения до поступления внешнего сброса, скоростного 10 разрядного аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), субблока регистрации и цифровой обработки, субблока интерфейса, обеспечивающего обмен данными с УБСИ по выбранному протоколу информационного взаимодействия и каналу связи.
Обоснование выбора протокола информационного взаимодействия
Были проанализированы следующие наиболее распространенные протоколы информационного взаимодействия: CANbus, Foundation Fieldbus, Process Fieldbus (PROFIBUS)-DP, LonWorks и MODBUS.
Сеть CAN была создана для обеспечения надежности коммуникации между датчиками и исполнительными механизмами в автомобилях. Впоследствии эта технология стала применяться и в других отраслях промышленности. Сам по себе CAN — это всего лишь низкоуровневый протокол обмена сообщениями. Для превращения его в полнофункциональный сетевой протокол необходим дополнительный программный уровень.
CANbus представляет собой последовательную шину, механизм работы которой описывается моделью децентрализованного контроля за доступом к шине, так называемой моделью CSMA/CM. В CANbus каждый блок данных содержит дополнительный 11 -битовый идентификатор, который является, по сути, приоритетом данного сообщения. Каждый узел-приемник в сети CANbus сам выбирает предназначенные для него сообщения. Возможные коллизии, связанные с одновременным запросом шины, разрешаются на основе приоритетности сообщений; право на работу с шиной получит тот узел, который передает сообщение с наивысшим приоритетом, что удовлетворяет критерию разрешения коллизий.
В каждом сообщении может быть передано от 0 до 8 бит данных. Большие блоки можно передавать за счет использования принципа сегментации.
К достоинствам протокола CAN относится разнообразие элементной базы, механизм обнаружения ошибок, устойчивость к электромагнитным помехам, что удовлетворяет критерию достоверности информации и критерию гарантированной доставки информации, возможность поддержки разнотипных физических сред передачи данных, к недостаткам — ограниченные пропускная способность, размер сообщений, длина соединений, большое число разработок прикладных уровней CAN, несовместимых друг с другом.
К настоящему времени известно уже более четырех десятков CAN-протоколов высокого уровня. Наибольшее распространение получили следующие четыре: CAL/CANopen, CAN Kingdom, DeviceNet и SDS (Smart Distributed System).
При реализации сети с централизованным доступом к шине данный протокол является избыточным. Это приводит к избыточному энергопотреблению за счет использования сложных шинных контроллеров, что не удовлетворяет критерию избыточности. Также в данном случае невозможно использование физического интерфейса RS-485, что не удовлетворяет критерию физического интерфейса.
Протокол LonWorksСеть LonWorks содержит интеллектуальные устройства, называемые узлами. Узлы соединены, что обеспечивает связь одного узла (узлов) с другим (другими), одной или несколькими средами коммуникации. Коммуникация организуется посредством так называемого LonTalk протокола - специального протокола LonWorks сетей. Узлом сети LonWorks может быть отдельный датчик, отдельный привод вентиля или программируемый термостат и т.п. Узел реализует функцию прикладного процесса, выполняя написанную пользователем прикладную программу применения. Функции отдельных узлов могут быть очень простыми. Однако взаимосвязь между узлами позволяет на сетях LonWorks выполнять сложные задачи. Малым количеством узлов стандартных типов выполняется широкий диапазон функций систем управления, что определяется тем, как они сконфигурированы и соединены. LonWork обладает рядом достоинств и удовлетворяет основным критериям выбора. Но при этом протокол имеет один существенный недостаток - он является закрытым протоколом и требует применения своих коммуникационных процессоров, что не удовлетворяет критерию простоты реализации. Также как и CAN-протокол он не удовлетворяет критерию физического интерфейса. Протокол Profibus-DP
Profibus-DP нацелен на реализацию протокола с помощью одной коммерчески доступной интегральной схемы, содержащей однокристальный микроконтроллер и внутренний универсальный синхронный приемопередатчик, что минимизирует стоимость взаимного соединения устройств, расположенных на объектах. Сеть содержит одну ведущую и ведомые станции. Ведущая станция может управлять системой и передавать сообщения. В отличие от нее ведомая станция может лишь подтверждать полученное сообщение или пересылать информацию по удаленному запросу. Таким образом, может быть реализована централизованная система. Скорость передачи лежит в диапазоне от 9,6 Кбит/с до 2 Мбит/с, что удовлетворяет критерию скорости передачи. Возможна как ациклическая, так и циклическая передача данных с 255 байтами в кадре. Достоинства протокола — минимальное время реакции, высокая стойкость к воздействию внешних электромагнитных полей.
В данном протоколе получаются относительно высокие накладные расходы при передаче коротких сообщений, что не соответствует критерию избыточности, а также необходимость подключать устройства через специальные повторители, что не удовлетворяет критерию физического интерфейса.
Протокол Foundation FieldbusFoundation Fieldbus является аналогом Profibus, но является многомастеровым и полностью синхронным протоколом, что требует дополнительной синхронизации устройств и арбитража с помощью маркерного кольца.К достоинствам протокола относятся внутренняя безопасность, передача питания по сети, интегрированный подход для уровней устройств автоматики и общезаводского оборудования, к недостаткам — ограниченный
Анализ современных электронных компонентов, необходимых для построения микропроцессорных систем убси и автоматизированного гамма - спектрометра
Все микроконтроллеры в целом можно разделить на группы 8, 16 и 32 разрядных по разрядности шины данных. При этом, чем выше разрядность контроллера, тем выше его цена и показатели быстродействия выполнения арифметических операций. Однако во многих случаях возможна эмуляция дорогого микроконтроллера с большей разрядностью на менее дорогом микроконтроллере, имеющем меньшую разрядность, в ущерб размеру исполняемого кода и скорости выполнения операций. В настоящее время 8 разрядные микроконтроллеры обладают достаточно высокой производительностью и достаточно большой памятью программ и данных для решения большинства задач управления и обработки данных вне зависимости от разрядности оперируемых данных. Исключение могут составлять задачи, требующие быстрых и сложных математических вычислений с большим объемом данных, но, как показывает практика, такие задачи встречаются достаточно редко. Исходя из вышесказанного, целесообразно остановить свой выбор на 8 разрядных микроконтроллерах. В дополнение эта группа на данный момент обладает наибольшим соотношением цена-производительность, более широкой номенклатурой выпускаемых изделий и доступными и дешевыми средствами разработки, отладки и программирования.
Среди 8-ми разрядных семейств микроконтроллеров наиболее известными и распространенными являются: MCS-51 (первоначально Intel), AVR (Atmel), PIC (Microchip).Семейство MCS-51
В настоящее время среди всех 8-разрядных микроконтроллеров -семейство MCS-51 является несомненным чемпионом по количеству разновидностей и количеству компаний, выпускающих его модификации. Оно получило свое название от первого представителя этого семейства -микроконтроллера 8051, выпущенного в 1980 году на базе технологии HMOS. Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке. С точки зрения технологии микроконтроллер 8051 являлся для своего времени очень сложным изделием - в кристалле было использовано 128 тыс. транзисторов, что в 4 раза превышало количество транзисторов в 16-разрядном микропроцессоре 8086.
В результате на сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров семейства 8051, выпускаемых почти 20-ю компаниями.Эти модификации совместимы по программному коду, временным характеристикам, но имеют существенные отличия оригинала в части ускорения выполнения программ и расширения функциональных возможностей, типов памяти программ и данных, наличию дополнительных цифровых интерфейсов, АЦП и т.д.
Машинный такт равен 12 тактам генератора, а большинство команд выполняется за 4 машинных такта. Максимальная тактовая частота для данного семейства составляет порядка 40 МГц, в среднем же по семейству она не превышает 24 МГц. Производительность на средней по семейству максимальной тактовой частоте без учета затраты машинных тактов на команду будет не выше 2 MPS (млн. операций в секунду). Реальная же производительность еще ниже, так как все арифметические операции происходят с обязательным использованием специального регистра -аккумулятора, при этом приходятся постоянно производить команды пересылки значений в и из этого аккумулятора. Это делает неприменимым данное семейство для задач, требующих быстрой обработки.
Данное семейство в зависимости от производителя может обладать от 1 до 64 Кбайт памяти программ и ОЗУ от 128 байт до 256 Байт, что недостаточно для большинства задач, поэтому приходится использовать внешнее ПЗУ и ОЗУ, что приводит к удорожанию системы, увеличению габаритов (приблизительно в 2,5 раза) и уменьшению надежности. При этом использование внешней памяти требует использование большинства внешних выводов микроконтроллера, что еще больше ограничивает его применение.
В первоначальном варианте не развитая: внутреннее ОЗУ объемом 128 байт; четыре двунаправленных побитно настраиваемых восьмиразрядных порта ввода-вывода; два 16-разрядных таймера-счетчика; встроенный тактовый генератор; адресация 64 кБайт памяти программ и 64 кБайт памяти данных; две линии запросов на прерывание от внешних устройств; интерфейс для последовательного взаимодействия информацией с другими микроконтроллерами или персональными компьютерами.
В модификациях же данного семейства периферия более развита, но у каждого производителя дополнительная периферия своя и адресация к ней происходит по-разному. Поэтому при ориентации на кристалл с модифицированной периферией из данного семейства, приходится привязываться и к конкретному производителю, выпускающего данный кристалл, так как программный код уже не будет воспроизводиться на кристаллах другого производителя.
На текущий момент средства разработки для данного семейства выпускают несколько сторонних фирм. Эти компании предлагают софт для симуляции, трансляции с языка высокого уровня Си, программирования, а также аппаратные внутрисхемные эмуляторы. Цена таких продуктов достаточно высока, а хорошие свободно распространяемые программы отсутствуют.
Данное семейство удовлетворяет нашим требованиям предъявляемым к объему памяти программ и температурному диапазону работы, но не удовлетворяет остальным требованиям, так как обладает низкой производительностью, имеет плохо развитую периферию (базовый вариант) и дорогие средства разработки и отладки.Семейство РІС
Компания Microchip вышла на рынок микроконтроллеров в середине 80-ых, однако получила широкое распространение только в начале 90-ых. Большинство РІС контроллеров сделано по ОТР технологии (однократно программируемые микросхемы). Для целей отладки предлагается использование микросхем с ультрафиолетовым стиранием или Flash памятью довольно высокой стоимостью.
Семейство РІС контроллеров имеет более высокую по сравнению с MCS-51 производительность (1 машинный такт = 4 тактам генератора), более развитую структуру и аппаратную реализацию современных цифровых интерфейсов. Максимальные тактовые частоты для данного семейства составляют 40МГц, а средняя максимальная тактовая частота по семейству составляет 20 МГц и соответственно максимальная производительность на средней максимальной частоте составляет 5 MPS. Реально же многие команды выполняются за несколько машинных тактов, а работа АЛУ через регистр-аккумулятор и небогатая система команд приводит к увеличению числа используемых команд для выполнения операций, что приводит к существенному снижению производительности.
