[ БАЛОБАНОВ А.В., МИХЕЕВ Г.М.
УДК 681.785.556
АВТОМАТИЗАЦИЯ ДВОЙНОГО МОНОХРОМАТОРА МДР-6У ДЛЯ
СПЕКТРОСКОПИИ КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА
БАЛОБАНОВ А.В., МИХЕЕВ Г.М.
Институт прикладной механики УрО РАН, Ижевск, Россия,
_
АННОТАЦИЯ. Для автоматизации двойного монохроматора МДР-6У, работающего в составе спектрометра комбинационного рассеяния света, разработан программный аналог блока управления. Разработанная программа выполняется на цифровом процессоре серии ADSP-21xx, установленном на плате ввода-вывода L-761 производства фирмы ЗАО «Л-КАРД». Она позволяет реализовывать различные режимы работы монохроматора.
_
ВВЕДЕНИЕ
Метод спектроскопии комбинационного рассеяния света (СКР) широко применяется для исследования молекулярного состава вещества. В отличие от спектроскопии инфракрасного поглощения метод СКР позволяет работать в видимой области оптического спектра, что значительно упрощает технику эксперимента. В последнее время интерес к методике СКР резко возрос в связи развивающимися направлениями нанотехнологий. Так, например, метод СКР однозначно позволяет отличать нанографит от аморфного углерода [1, 2]. Однако имеющиеся в продаже импортные автоматизированные спектрометры в силу их дороговизны не доступны многим исследовательским группам.Одним из главных элементов спектрометра СКР является двойной оптический монохроматор. При наличии двойного монохроматора работа по созданию спектрометра СКР в основном сводится к автоматизации этого устройства. В настоящее время в связи с бурным развитием компьютерных технологий и радиоэлементной базы решение такой задачи становится возможным силами небольшого коллектива.
Целью данной работы является разработка программного аналога блока управления двойного монохроматора МДР-6У для создания на его основе лабораторного макета автоматизированного спектрометра комбинационного рассеяния света.
СХЕМА СОПРЯЖЕНИЯ МОНОХРОМАТОРА С ПЕРСОНАЛЬНЫМ
КОМПЬЮТЕРОМ
Монохроматор МДР-6У предназначен для выделения монохроматического излучения в широком спектральном диапазоне. Управление им осуществляется в ручном режиме с помощью специального блока управления, обеспечивающего подачу четырехтактного режима питания шагового двигателя, расположенного внутри монохроматора. За счет этого осуществляется развертка спектра, возникает ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА И МЕЗОСКОПИЯ. Том 9, №АВТОМАТИЗАЦИЯ ДВОЙНОГО МОНОХРОМАТОРА МДР-6У ДЛЯ СПЕКТРОСКОПИИ
КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА
возможность устанавливать различные длины волн из рабочего диапазона. Внутренний задающий генератор обеспечивает необходимый для работы шагового двигателя ряд частот и четырехтактный режим питания, учитывает сигналы концевых ограничителей спектрального диапазона и осуществляет при необходимости дистанционное отключение питания.В таком виде использовать монохроматор крайне неудобно, настройку режимов работы и управление им во время проведения экспериментов необходимо проделывать исключительно в ручном режиме с помощью переключателей на блоке управления, а это занимает значительную часть времени и при этом не исключены ошибки, влияющие на достоверность и точность полученных результатов. Поэтому имеет смысл осуществить автоматизацию работы монохроматора с помощью персонального компьютера и платы ввода/вывода.
Для подключения монохроматора к плате ввода/вывода необходимо внести конструктивные изменения в блок управления шаговым двигателем. Необходимо исключить из схемы внутренний задающий генератор импульсов, а вместо него использовать его программный аналог, которым можно управлять с помощью персонального компьютера. Для этого выводы шагового двигателя были подключены через усилитель, встроенный в блок управления шаговым двигателем, к цифровым выходам, а концевые ограничители к цифровым входам платы ввода/вывода [3]. Схема сопряжения представлена на рис.1, принципиальная схема двухкаскадного усилителя мощности представлена на рис.2.
Персональный компьютер управляет программным генератором импульсов Г1, подает сигналы запуска и остановки генератора. Программный генератор импульсов обеспечивает генерацию четырех сдвинутых по фазе импульсов, создающих скользящее магнитное поле, необходимых для вращения шагового двигателя Ш1 [3].
Импульсы проходят через блок усилителей мощности, который состоит из четырех идентичных двухкаскадных усилителей мощности У1…У4, обеспечивающих усиление фазовых импульсов до уровня, необходимого для работы шагового двигателя Ш1.
Рис.1. Схема сопряжения платы L-761 и монохроматора ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА И МЕЗОСКОПИЯ. Том 9, № БАЛОБАНОВ А.В., МИХЕЕВ Г.М.
Рис.2. Принципиальная схема усилителя мощности У1…У Первый каскад усилителя собран на транзисторе VT1, работающем в ключевом режиме и управляющем мощным составным ключом на транзисторах VT2 и VT3.
Диод VD1 защищает транзистор VT3 от отрицательных выбросов на индуктивности обмоток шагового двигателя. На вход 01 усилителя мощности подаются импульсы уровня TTL логики: высокий уровень 2,4В…5В и низкий уровень 0,4…0В, ток 6мА, на выходе 02 при высоком уровне входного сигнала будет напряжение 10В, ток 1,5А.
В качестве платы ввода/вывода была выбрана универсальная плата ввода/вывода L-761 производства ЗАО “Л-КАРД”. Плата L-761 является современным, быстродействующим и надежным устройством на базе высокопроизводительной шины PCI, которая обеспечивает высокую скорость ввода/вывода аналоговой и цифровой информации в персональных IBM совместимых компьютерах [4]. Данная плата представляет собой законченную систему с собственным процессором. Она позволяет пользователю реализовывать собственные алгоритмы обработки сигналов путем программирования процессора серии ADSP-21xx фирмы Analog Devices Inc, установленного на плате [5]. Вся логика работы платы задаются программным способом.
ПРОГРАММНЫЙ АНАЛОГ БЛОКА УПРАВЛЕНИЯ
Программный генератор реализован на языке ассемблера, выполняется на цифровом сигнальном процессоре серии ADSP-21xx, который установлен на борту платы L-761. Для генерации импульсов был использован встроенный программируемый таймер процессора, обработчик прерываний которого обеспечивает генерацию импульсов на четырех цифровых выходах платы. Программируемый таймер позволяет генерировать периодические прерывания с интервалом, кратным циклам процессора. Для управления интервалом следования прерываний в процессоре существует три регистра:1. TSCALE – регистр масштабирования, размерность 8 бит, отображен в памяти по адресу 0x3FFB.
2. TCOUNTER – регистр счетчика, размерность 16 бит, отображен в памяти по адресу 0x3FFC.
3. TPERIOD – регистр периода, размерность 16 бит, отображен в памяти по адресу АВТОМАТИЗАЦИЯ ДВОЙНОГО
МОНОХРОМАТОРА МДР-6У ДЛЯ СПЕКТРОСКОПИИ
КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА
Активирование и блокирования таймера осуществляется установкой или сбросом 5 бита в регистре состояния режима MSTAT. Содержимое регистра счетчика после активации подвергается декрементированию в каждом командном цикле. Когда счетчик становится равным нулю, генерируется прерывание. Затем регистр счетчик перегружается значением, хранящимся в регистре периода, и снова начинает свою работу. В регистре масштабирования хранится коэффициент масштабирования, который всегда на единицу меньше, чем количество циклов между декрементированием значения в регистре счетчика. Например, когда значение в регистре масштабирования равно нулю, то значение в регистре счетчика декрементируется в каждом цикле. Когда коэффициент в регистре масштабирования равен единице, то счетчик подвергается декрементирования каждые два цикла. Таким образом, прерывания происходят через каждые (TPERIOD + 1) (TSCALE + 1) циклов, и при времени одного цикла в 80нс, прерывания могут генерироваться в интервале от 80нс до 1,34с [6], что позволяет программно генерировать импульсы в широком диапазоне частот, тем самым регулировать скорость вращения шагового двигателя. На рис.3 представлена диаграмма состояний цифровых выходов при вращении двигателя по часовой (а) и против часовой (б) стрелки, цифрами обозначены номера цифровых выходов, также указан временной параметр t, регулирующий скорость вращения.Процедура инициализации таймера на языке ассемблера приведена ниже:
Исходный код на языке ассемблера, полностью реализующий программный генератор управления шаговым двигателем [7], приведен ниже.
IF NE JUMP TERM;
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА И МЕЗОСКОПИЯ. Том 9, №АВТОМАТИЗАЦИЯ ДВОЙНОГО МОНОХРОМАТОРА МДР-6У ДЛЯ СПЕКТРОСКОПИИ
КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА
В процессе своей работы программный генератор использует ячейки памяти данных процессора, которые описаны и инициализированы следующим образом:.VAR/SEG=INT_DM_USER/ABS=0X2E20/DM/RAM SM_STEP_ARRAY[8];
.INIT SM_STEP_ARRAY: 0X1, 0X2, 0X4, 0X8, 0X0, 0X0, 0X0, 0X0;
.VAR/SEG=INT_DM_USER/ABS=0X2E28/DM/RAM SM_ARRAY_SIZE;
.INIT SM_ARRAY_SIZE: 4;
.VAR/SEG=INT_DM_USER/ABS=0X2E2C/DM/RAM SM_CUR_STEP;
.INIT SM_CUR_STEP: 0X0;
.VAR/SEG=INT_DM_USER/ABS=0X2E2D/DM/RAM SM_STOPMASK_B;
.INIT SM_STOPMASK_B: 0X1;
.VAR/SEG=INT_DM_USER/ABS=0X2E2E/DM/RAM SM_STOPMASK_E;
.INIT SM_STOPMASK_E: 0X2;
.VAR/SEG=INT_DM_USER/ABS=0X2E2F/DM/RAM SM_DIR;
.INIT SM_DIR: 1;
.VAR/SEG=INT_DM_USER/ABS=0X2E30/DM/RAM SM_HALT;
.INIT SM_HALT: 0X1;
.VAR/SEG=INT_DM_USER/ABS=0X2E31/DM/RAM SM_COUNTER_LO;
.INIT SM_COUNTER_LO: 0X0;
.VAR/SEG=INT_DM_USER/ABS=0X2E32/DM/RAM SM_COUNTER_HI;
.INIT SM_COUNTER_HI: 0X0;
Для управления программным генератором с персонального компьютера, к которому подключена плата L-761, используются ячейки памяти:
1. SM_DIR – направление вращения двигателя, по часовой стрелке (1) или против 2. SM_HALT – флаг остановки, устанавливается программой с персонального компьютера при необходимости остановить (0) или начать (1) вращение, либо устанавливается программным генератором при достижении концов спектрального диапазона.
3. SM_COUNTER_LO, SM_COUNTER_HI – две части 32 битного счетчика, в который записывается необходимое количество шагов для развертки спектра.
Длина волны линейно зависит от положение шагового двигателя, разворачивающего спектр и для дифракционных решеток с различным количеством штрихов, входящих в комплект монохроматора, эта зависимость известна [8]. Таким образом, можно точно установить нужную длину волны.
Для проверки точности установки длины волны необходимо воспользоваться калибровкой с помощью ртутной лампы, длина волны которой 546,1 нм и в случае незначительного отклонения необходимо ввести поправочный коэффициент.
Остальные ячейки содержат базовые настройки, которые не изменяются в процессе работы. Обмен данными платы и персонального компьютера осуществляется по высокоскоростной шине PCI.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, используя плату ввода-вывода L-761, производства фирмы ЗАО «Л-КАРД», нам удалось создать полный программный аналог блока управления. Что позволило управлять двойным монохроматором МДР-6У, работающего в составе спектрометра комбинационного рассеяния света, с персонального компьютера и максимально автоматизировать процесс сканирования области оптического спектра.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Образцов А.Н., Волков А.П., Павловский И.Ю. и др. Механизм холодной эмиссии электронов из углеродных материалов // Письма в ЖЭТФ. – 1998. – Т.68. – Вып.1. – С.56-60.2. Образцов А.Н., Павловский И.Ю., Волков А.П. Автоэлектронная эмиссия в графитоподобных пленках // ЖТФ. – 2001. – Т.71. – С.89-95.
3. D. Simon, D. Feucht, DSP-Based Field-Oriented Step Motor Control, SHARC //International DSP Conference, Boston, MA, pp. 303-309, September 2001.
4. Техническое описание инструкции по эксплуатации платы L-761, L-780 и L-783 – М.: ЗАО «Л-Кард», 1999.
5. Буткевич В., Невзоров В. Изделия L-CARD: отечественные платы АЦП/ЦАП с сигнальным процессором // Электроника НТБ. — 1999. — № 3. — С. 32–33.
6. ADSP-2100 Family User's Manual (Third Edition), Analog Devices Inc., 1995.
7. Steven W. Smith, The Scientist and Engineer’s Guide to Digital Signal Processing (Second Edition), California, San Diego: California Technical Publishing, 1999.
8. Монохроматор МДР-6У. Техническое описание и инструкция по эксплуатации, 1991.
_ SUMMARY. For the automation of the double monochromator MDR-6U operating as a part of the Raman spectrometer, a software-based analog of the controller is developed. The program developed is executed using a digital processing unit ADSP-21xx installed on the input-output board L-761, which is manufactured by the company ZAO "L-СARD". It allows to realize various modes of the monochromator operation.
_
«