close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Калинин Павел Валерьевич. Программное обеспечение информационно-управляющего блока устройства регистрации потока фотонов

код для вставки
АННОТАЦИЯ
ВКР 91 с., 42 рис., 14 источников, 2 прил.
ПРОГРАММНОЕ
УМНОЖИТЕЛИ,
ОБЕСПЕЧЕНИЕ,
ПЛИС,
ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ
ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ
МЕТОДЫ
АНАЛИЗА,
ПРОГРАММИРОВАНИЕ НА ПЛИС, QSYS, QUARTUS II, NIOS II.
Выпускная квалификационная работа посвящена созданию программного
обеспечения, которое позволит формировать управляющий набор команд для
управления излучателем, устройством приема, устройством хранения
и
визуализации данных.
В первой главе представлены основные термины предметной области,
определены возможные области применения разрабатываемого ПО, исследованы
подходы,
которые
применяются
при
детектировании
светового
потока,
проанализированы аппаратные основы вычислителя, сформированы требования.
Во
второй
обеспечения
главе
описывается
этап
моделирования
программного
информационно-управляющего блока устройства регистрации
потока фотонов. Создана архитектура системы, функциональная модель, модель
взаимодействия системных объектов и модели для отдельных подсистем.
В третьей главе описан процесс проектирования программного обеспечения
информационно-управляющего блока устройства регистрации потока фотонов.
Произведена детализация функциональной модели, спроектированы подсистемы
сохранения, визуализации, тактирования, аппаратная основа для процесса
сохранения на базе процессора NIOS II, процедура измерения временных
интервалов методом непосредственного счета, процедура выделения отраженного
импульса из множества зарегистрированных сигналов.
В
четвертой
главе
описана
реализация
программного
обеспечения
информационно-управляющего блока устройства регистрации потока фотонов.
Проанализирована
реализованы
структура
основные
разработанного
подсистемы,
программного
осуществлено
обеспечения,
исследование
функционирования встроенного в используемый ПЛИС аналогово-цифрового
преобразователя.
4
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1
АНАЛИЗ
7
ЗАДАЧИ,
ПРОГРАММНОГО
СРЕДСТВ
И
МЕТОДОВ
ОБЕСПЕЧЕНИЯ
СОЗДАНИЯ
ИНФОРМАЦИОННО-
УПРАВЛЯЮЩЕГО БЛОКА УСТРОЙСТВА РЕГИСТРАЦИИ ПОТОКА
ФОТОНОВ
9
1.1 Фотоэффект
9
1.2 Фотоэлектронные умножители
11
1.2.1 Микроканальные пластины
12
1.2.2 Газовые фотонные детекторы
13
1.2.3 Твердотельные фотонные детекторы
13
1.3 Области применения устройств регистрации потока фотонов
16
1.3.1 Фотометрические методы анализа
16
1.3.2 Фотометрические методы анализа, основанные на поглощении и
17
рассеивании света
1.3.3 Люминесцентный анализ
19
1.3.4 Лазерная локация
20
1.3.5 Основной принцип функционирования устройств, базирующихся на
лазерной локации
22
1.4 Описание аппаратной основы разрабатываемого программного
обеспечения
24
1.5 Предмет разработки и требования к системе
25
2
МОДЕЛИРОВАНИЕ
ПРОГРАММНОГО
ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩЕГО
БЛОКА
ОБЕСПЕЧЕНИЯ
УСТРОЙСТВА
РЕГИСТРАЦИИ ПОТОКА ФОТОНОВ
27
2.1 Архитектура разрабатываемой системы
27
2.2 Функциональная модель программного обеспечения
29
2.3 Модель взаимодействия системных объектов
31
2.4 Подсистема визуализации данных
35
5
2.5 Подсистема сохранения данных
2.5.1
Модель
взаимодействия
37
системных
объектов
подсистемы
сохранения данных
38
2.5.2 Модель состояний подсистемы сохранения данных
40
2.5.3 Модель коопераций подсистемы сохранения данных
43
3
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ПРОГРАММНОГО
ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩЕГО
БЛОКА
ОБЕСПЕЧЕНИЯ
УСТРОЙСТВА
РЕГИСТРАЦИИ ПОТОКА ФОТОНОВ
45
3.1 Детализация функциональной модели программного обеспечения
45
3.2 Проектирование подсистемы визуализации
50
3.3 Проектирование подсистемы сохранения данных
52
3.4 Проектирование аппаратной основы для подсистемы сохранения
данных
54
3.5 Проектирование подсистемы тактирования
55
3.6 Проектирование процедуры измерения временных интервалов
методом непосредственного счета
57
3.7 Проектирование процедуры выделения отраженного импульса, из
множества зарегистрированных сигналов
4
РЕАЛИЗАЦИЯ
60
ПРОГРАММНОГО
ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩЕГО
БЛОКА
ОБЕСПЕЧЕНИЯ
УСТРОЙСТВА
РЕГИСТРАЦИИ ПОТОКА ФОТОНОВ
62
4.1 Структура программного обеспечения
62
4.2 Реализация подсистемы визуализации данных
64
4.3 Реализация подсистемы сохранения данных
66
4.3.1 Формирование модуля Qsys
67
4.3.2 HAL
69
4.3.3 Модуль верхнего уровня подсистемы сохранения данных
70
4.4 Реализация подсистемы тактирования
70
4.5 Реализация алгоритма подсчета временных интервалов
74
6
4.6 Исследование функционирования АЦП на ПЛИС be micro Max 10
75
4.7 Реализация процесса выделения отраженного импульса, из множества
зарегистрированных сигналов
80
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
82
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
83
ПРИЛОЖЕНИЕ A – Листинг программы
85
ПРИЛОЖЕНИЕ В – Листинг программы
87
УДОСТОВЕРЯЮЩИЙ ЛИСТ
90
ИНФОРМАЦИОННО-ПОИСКОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
91
7
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время становятся популярнее методы неразрушающего
контроля в разных областях: физике, медицине, биологии, химии. Биологические
исследования используют измерения слабых оптических сигналов флуоресценции
от помеченных
краской
клеток. В
медицинской диагностике методики
используются для исследования крови, подсчета кровяных телец, гормонального
контроля, диагностики рака и различных инфекционных заболеваний. В
методиках при иммунологических исследованиях, использующих радиоизотоп,
радиоизлучение из образца преобразовывается в свет, который должен измеряться
с высокой чувствительностью. В биологических приложениях важным является
точное обнаружение гена рецептора. Гены помечаются флуоресцирующими или
люминесцирующими субстанциями для того, чтобы, зарегистрировав свет, можно
было отметить местоположение частицы. Фотоэлектронные умножители и
фотодиоды широко используются в качестве детектора при обнаружении света
разной интенсивности. В большинстве приложений эти устройства преобразуют
свет в аналоговые электрические сигналы, которыми легко оперировать. Когда
уровень световых импульсов становится настолько малым, что их можно считать
отдельными
фотонами,
наиболее
предпочтительно
использовать
фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Метод счета фотонов при помощи
высокочувствительных ФЭУ представляется сегодня наиболее предпочтительным
методом регистрации оптических сигналов при решении широкого круга задач.
Вариативность задач огромна, следовательно, в
качестве аппаратной основы
вычислителя удобнее выбрать ПЛИС, достоинствами которой является короткое
время разработки схемы, отсутствие временных потерь на изготовление платы,
быстрое преобразование одной конфигурации схемы в другую, удобство
конфигурирования (конфигурирование без использования сложных аппаратных
инструментов).
ПЛИС – программируемая логическая интегральная схема, которая может
реализовывать определенные логические функции с помощью программных
8
методов. Физическое ограничение быстродействия большинства современных
процессоров – это последовательное выполнение команд. Архитектуры ПЛИС, за
счет аппаратного распараллеливания вычислений, частично лишены этого
ограничения, поэтому могут использоваться для более сложных и масштабных
проектов.
Составной частью аппаратной основы, на базе которой будет создано
программное обеспечение, будет твердотельный кремниевый фотоэлектронный
умножитель отечественного производства, что позволит получить качественные
преимущества над вакуумными ФЭУ (увеличение плотности информационных
каналов, расширение диапазона спектральной чувствительности, снижение
потребляемой мощности, снижение конечной стоимости изделия, упрощение
условий эксплуатации и повышению надежности) и сделать производство
прибора дешевле, за счет отечественных комплектующих. Опираясь на
вышеизложенное, можно сделать вывод об актуальности данной работы.
Цель выполнения ВКР – создание программного обеспечения, которое
позволит формировать управляющий набор команд для управления излучателем
(лазером, который формирует короткие импульсы света высокой мгновенной
мощности),
устройством
приема,
составной
частью
которого
является
кремниевый ФЭУ, устройством хранения и визуализации данных.
Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:
1)
проанализировать задачи, средства и методы создания программного
обеспечения
информационно-управляющего
блока
устройства
регистрации
потока фотонов;
2)
осуществить
моделирование
программного
обеспечения
информационно-управляющего блока устройства регистрации потока фотонов;
3)
осуществить
проектирование
программного
обеспечения
информационно-управляющего блока устройства регистрации потока фотонов;
4)
реализовать
программное
обеспечение
управляющего блока устройства регистрации потока фотонов.
информационно-
9
1 АНАЛИЗ ЗАДАЧИ, СРЕДСТВ И МЕТОДОВ СОЗДАНИЯ
ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННОУПРАВЛЯЮЩЕГО БЛОКА УСТРОЙСТВА РЕГИСТРАЦИИ ПОТОКА
ФОТОНОВ
1.1
Внешним
фотоэффектом
Фотоэффект
(фотоэлектронной
эмиссией)
называется
испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений.
Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются
фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном
движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком[5].
Рисунок 1 – Схема фотоэффекта
Законы внешнего фотоэффекта:
1)
1-й закон фотоэффекта: количество электронов, вырываемых светом с
поверхности
металла
за
единицу
времени
на
данной
частоте,
прямо
пропорционально световому потоку, освещающему металл.
Значение фототока (число фотоэллектронов, вырываемых из фотокатода в
единицу времени) в режиме насыщения (все вылетевшие из фотокатода
электроны собираются на анод, и фототок не зависит от напряжения питания)
прямо пропорционально потоку излучения, поглощённого фотокатодом, при
неизменном спектральном составе потока излучения (закон Столетова):
If=ФS,
(1)
10
где If – фототок;
Ф – поглощенный поток;
S – интегральная чувствительность фотокатода.
2)
2-й
закон
фотоэффекта:
максимальная
кинетическая
энергия
вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит
от его интенсивности.
Максимальная энергия выбиваемых фотоэлектронов пропорциональная
частоте падающего на фотокатод излучения и не зависит от потока изучения
(закон Эйнштейна - закон сохранения энергии при фотоэлектронной эмиссии).
Если электрон в веществе после взаимодействия с упавшим фотонов с
энергией hv вышел в вакуум с кинетической энергией ((mv^2)/2)max, совершив
фотоэлектронную работу выхода Eф, то закон эйнштейна можно записать в виде
((mv^2)/2)max=hv – Eф,
(2)
где m – масса;
v – скорость фотоэлектрона.
3)
3-й закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная
граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света ν0 (или максимальная
длина волны λ0), при которой ещё возможен фотоэффект, и если v < v 0 , то
фотоэффект уже не происходит.
Для каждого вещества существует динноволновая граница внешнего
фотоэффекта, называемая красной границей, так как энергия падающих фотонов
уменьшается с увеличением длины волны и уменьшением частоты. пороговая
частота фотоэффекта v соответствует энергии падающих фотонов, при которой
даже максимальная энергия фотоэлектронов ((mv^2)/2)max равна нулю hv – Eф=0.
Время
запаздывания
между
поглощением
кванта
и
появлением
фотоэлектрона крайне мало, что позволяет на основе внешнего фотоэффекта
создавать быстродействующие приемники излучения
11
1.2
1-ый
Фотоэлектронные умножители
фотоэлектронный
умножитель
был
сконструирован
в
1930-х
годах советским ученым Леонидом Александровичем Кубецким («магнитная
трубка Кубецкого»). Для управления направлением движения электронов в
приборе использовалось магнитное поле[6,8].
В фотоэлектронном умножителе фотоны попадают на фотокатод, из
которого вылетают электроны, так как происходит явление фотоэффекта. Вслед за
тем электроны попадают на систему динодов, где их поток увеличивается из-за
вторичной электронной эмиссии, рисунок 2.
Рисунок 2 - Схема ФЭУ
Длина интервала времени переднего фронта токового импульса на аноде
составляет несколько наносекунд. На временное разрешение фотоэлектронного
умножителя влияет разброс времени пролета электронов в динодной системе,
рисунок 3. Чтобы уменьшить эти временные затраты необходимо использовать
минимальный путь пролета электронов.
ФЭУ чувствительны к магнитным полям, которые имеют особенность
ухудшать фокусировку и тем самым влиять на коэффициент усиления, уменьшая
его. Для корректировки этого влияния используют светопроводы, чтобы
направить световой сигнал в область, где нет магнитного поля, или магнитные
экраны. Но данных подход увеличивает временные задержки на полет фотона.
12
Рисунок 3 - Схема сеточного динода
Чтобы использовать фотоэлектронный умножитель в магнитных полях
были созданы ФЭУ с сеточными динодами. В ФЭУ этого типа фотоэлектрон,
попав на динод, выбивает вторичные электроны, которые вначале летят вверх, а
затем возвращаются и проходят через отверстие сеточного динода, попадая на
следующий динод. Расстояние между фотокатодом и первым динодом несколько
мм, а между динодами меньше 1 мм. Так как расстояние между катодом и анодом
небольшое временные характеристики таких ФЭУ почти не изменяются,
а чувствительность к магнитным полям заметно уменьшается.
ФЭУ с сеточными динодами позволяют получать двумерную информацию,
если, например, использовать секционированный анод.
1.2.1 Микроканальные пластины
Микроканальные пластины (МКП) относительно малы, имеют хорошие
временное и пространственное разрешение, большой коэффициент усиления,
меньшую по сравнению с обычными ФЭУ чувствительность к магнитным полям.
У микроканальных пластин этого типа усиление 106, временное разрешение при
счете отдельных фотонов меньше 30 пс.
13
1.2.2 Газовые фотонные детекторы
В газовых фотонных фотоэлектронных умножителях
был выбит фотоном, из-за
электрон, который
ударной ионизации создает в газообразной среде
лавину вторичных электронов. Временное разрешение газовых детекторов не
хуже 1 нс. Функционирование устройства возможно в сильных магнитных полях.
Детекторы данного типа чувствительны и к одиночным фотонам в спектральном
диапазоне от ультрафиолетового до видимого света. Они имеют высокий
коэффициент усиления (порядка 105).
1.2.3 Твердотельные фотонные детекторы
В сравнении с вакуумными и газовыми фотонными детекторами
твердотельные фотоэлектронные умножители
имеют компактный размер,
небольшой вес, прочны, устойчивы к магнитным полям, а так же, в большинстве
случаев, дешевле.
PIN-фотодиоды
Для увеличения обедненной (чувствительной к появлению ионизирующих
частиц) области, т.е. области, где нет свободных зарядов используют
высоколегированные полупроводники. Такие диоды называются pin-диодами,
рисунок 4. В них создается n+-р-р+ -переход (+ означает сильное легирование).
Внутренняя часть полупроводника (р-область) зажата между двумя сильно
легированных
n+ и
р+областями,
где
происходит
основное
изменение
потенциала и электрическое поле возникает почти по всей глубине образца.
Обратное смещение позволяет увеличить толщину обедненной области.
14
Рисунок 4 - Фотодиод с p-i-n структурой
Лавинные фотодиоды
Увеличение чувствительности твердотельных фотонных фотоэлектронных
умножителей связано с использованием лавинных фотодиодов (ЛФД). Лавинное
умножение достигается за счет увеличения напряжения Есм до величины, близкой
к пробойному, а на p-n переходе устанавливается сильное электрическое поле.
Находясь под виянием поля свободный носитель заряда приобретает энергию,
которой хватает для ионизации нейтрального атома и освобождения еще одной
электронно-дырочной пары. Этот процесс может повторяться многократно. Для
увеличения количества дырок нужна большая напряженность электрического
поля, которая по величине больше, чем необходима для размножения электронов.
На p-n переходе при подаче соответствующего напряжения есть возможность
достижение
стабильного
умножения
электронов
притом,
что
лавинного
умножения дырок не происходит. Максимальное усиление, которое возможно
достичь в такой структуре, находится в диапазоне от 10 до 200.
Изменить коэффициент умножения обычного лавинного фотодиода до
104 не удается. При увеличении обратного смещения в образовании лавины кроме
электронов начинают участвовать и дырки, что приводит к неограниченному
15
росту лавины и, как следствие, пробою р-n перехода. Появление лавинных
фотодиодов с отрицательной обратной связью, которая гасит лавинный процесс,
позволило создать лавинный фотодиод, работающий в так называемом
гейгеровском режиме. Такой фотодиод обладает высоким коэффициентом
усиления (105-107). При этом мертвое время прибора становится большим
(порядка микросекунд). Кроме того детектор не может подсчитывать количество
фотонов, а только сам факт прохождения.
Микропиксельные лавинные фотодиоды
В лавинных фотодиодах с пиксельной структурой каждый пиксель
представляет собой счетчик единичных фотонов, но весь MAPD представляет
собой аналоговый детектор, так как выходной сигнал MAPD есть сумма сигналов
со всех пикселей, сработавших при поглощении ими фотонов. Такие детекторы
способные зарегистрировать даже небольшие интенсивности света, при этом
обладая высоким коэффициентом внутреннего усиления до 106 и даже до 108.
а)
б)
Рисунок 5 - Упрощенная схема одного пикселя MAPD, а) так называемая
р(n)-структура (обладающая чувствительная к синей части спектра, б) n(р)структура (обладающая чувствительная к красной части спектра.
Фотодиоды
с
описываемой
структурой
коэффициента усиления от пикселя к пикселю и
имеют
низкий
разброс
низкие шумы; невысокую
16
чувствительность
коэффициента
усиления
к
колебаниям
температуры
и
напряжения питания; эффективны при регистрации видимого света на уровне
вакуумных ФЭУ; позволяют регистрацию наносекундных вспышек света без
искажения формы детектируемого импульса; могут работать, как в режиме счета
импульсов, так и в спектрометрическом режиме; имеют высокое временное
разрешение; способны работать с использованием невысокого напряжения
питания; абсолютно нечувствительны к магнитным полям; имеют компактный
размер.
1.3 Области применения устройств регистрации потока фотонов
1.3.1 Фотометрические методы анализа
Фотометрические методы анализа, которые основаны на поглощении
электромагнитного излучения веществами, которые подлежат анализу, являются
группой
абсорбционных
оптических
методов,
получивших
большое
распространение. При поглощении электромагнитного излучения частицы
поглощающих веществ переходят в возбуждённое состояние. В зависимости от
вида поглощающих частиц и способа изменения поглощённой энергии
различают[7]:
1) Молекулярный абсорбционный анализ – это анализ, основанный на
поглощении света крупными частицами анализируемого вещества и сложными
ионами в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра.
Спектрофотометрический метод основан на измерениях в монохроматическом
потоке света. Фотоколориметрический метод базируется на измерениях в
полихроматическом пучке света. За основу в данных методах принят общий
принцип
—
существование
зависимости
между
светопоглощением
и
концентрацией поглощающего вещества.
2) Анализ по поглощению и рассеянию световой энергии взвешенными
частицами
анализируемого
вещества.
Нефелометрический
метод
анализа
проводится для определения концентрации, размера и формы диспергированных
частиц в дисперсных средах. Турбидиметрический метод анализа мутных сред
17
основан на измерении изменения интенсивности потока световой энергии,
прошедшего через дисперсную систему. Изменение потока световой энергии
вызвано как поглощением, так и его рассеянием дисперсной системой.
3)
Люминесцентный
анализ.
Люминесценция
—
излучение,
представляющее собой избыток над тепловым излучением тела при данной
температуре и имеющее длительность, значительно превышающую период
световых волн.
1.3.2 Фотометрические методы анализа, основанные на поглощении и
рассеивании света
Одним из наиболее удобных и популярных способов анализа небольших
концентраций
веществ,
органических
и
неорганических,
являются
фотометрические методы. Для всех элементов и множества соединений можно
найти цветную реакцию как основу для разработки количественного метода.
Фотометрические методы отличаются высокой чувствительностью, достаточной
точностью, простотой и доступностью. Они широко используются в массовых
анализах объектов окружающей среды.
Фотометрический анализ это - совокупность методов химического
количественного анализа, основанных на связи между концентрацией вещества в
определенной среде и поглощением излучения. В большинстве случаев, при
фотометрическом анализе производят сравнение интенсивности излучения,
прошедшего через пробу анализируемого материала, с начальной интенсивностью
или интенсивностью эталонного образца.
Фотометрическое определение состоит из двух частей:
1)
переведение
определяемого
компонента
в
поглощающее
электромагнитные колебания соединение;
2) измерение интенсивности поглощения электромагнитных колебаний
раствором полученного соединения.
Базовое требование фотометрического анализа — это необходимая
интенсивность
окраски
исследуемых
смесей,
обеспечивающая
надежное
18
определение микрокомпонентов, т. е. невысокая граница обнаружения вещества и
контрастность реакции.
Упрощенная схема устройства, принцип работы которого базируется на
фотометрическом методе анализа, представлена на рисунке 6:
Рисунок 6 – Схема устройства, функционирование которого базируется на
методе фотометрического анализа
От источника света поток фотонов проходит через светофильтр. Из-за его
избирательности, из излучаемого спектра вырезается область, которая близка к
длине
волны,
соответствующей
максимальной
величине
поглощения
исследуемого вещества. В итоге на исследуемый образец падает световой поток,
приближающийся к монохроматическому. Впоследствии прохождения через
контейнер с исследуемым образцом поток фотонов, часть энергии которого была
поглощена раствором, регистрируется на детектором. Величина энергии
светового потока, падающего на приемное устройство детектора, оценивается
путем ее преобразования в электрический сигнал.
Основными параметрами фотометрического определения являются длина
волны, при которой производится измерение, толщина кюветы и концентрация
светопоглощающего
вещества.
Большое
влияние
имеют
разнообразные
химические факторы, которые связаны с полнотой и условиями протекания
фотометрической реакции.
19
В зависимости от свойств анализируемой системы и характеристик
применяемого фотометрического прибора осуществляют выбор условий анализа,
которые обеспечивают высокую надежность и воспроизводимость результатов.
1.3.3 Люминесцентный анализ
Люминесцентный анализ является
совокупностью средств и методов,
основанных на наблюдении процесса люминесценции – светового излучения
объектов, которое избыточно относительно их температурного излучения.
Люминесценция возникает из-за перехода электронов из возбуждённого
состояния в нормальное, а из этого следует, что частицы видоизменяют
поглощённую
энергию
в
собственное
излучение.
Этим
люминесценция
отличается и от процессов несобственного излучения – рассеяния и отражения
света.
Люминесцирующие
вещества
могут
находиться
в
разнообразных
агрегатных состояниях.
Есть достаточно вариантов люминесцентного анализа, но в основе всех
лежит базовое явление – возбужденные квантами света частицы отдают
избыточную энергию возбуждения или ее фрагмент в виде света. Возбуждать
частицы можно ультрафиолетовым излучением. Люминесценцию, которая
возникает от воздействия световых квантов, называют фотолюминесценцией или
флуоресценцией. Флуоресценцию в подавляющем количестве случаев
и
используют для осуществления аналитических целей, однако часто применяют и
люминесценцию,
хемилюминесценцию,
возникающую
под
при
действием
химических
рентгеновских
реакциях,
-
лучей
–
рентгенолюминесценцию, при нагревании тел – кандолюминесценцию.
Упрощенная схема устройства, принцип работы которого базируется на
методе люминесцентного анализа представлена на рисунке 7:
20
Рисунок 7 – схема устройства, Схема устройства, функционирование
которого базируется на методе люминесцентного анализа
Свет от источника освещения проходит через светофильтр 1 и падает на
кювету с исследуемым раствором. Приемник света измеряет люминесцентное
излучение под прямым углом к направлению возбуждающего света. Светофильтр
2 пропускает свет люминесценции и поглощает рассеянный свет от источника
возбуждения.
1.3.4 Лазерная локация
Лазерной локацией - это область оптикоэлектроники, которая занимается
поиском объектов и определением расположения конкретных объектов при
помощи электромагнитных волн оптического диапазона, которые излучаются
лазерными
приборами.
Лазерное
излучение
является
отличным
от
температурного, так как оно узконаправлено, монохроматично, имеет высокую
импульсную мощность и спектральную яркость.
Основа
лазерной
локации,
базируется
на
трех
основных
свойства электромагнитных волн:
1)
Возможность лазерного луча отражаться от изучаемых объектов.
Лазерное излучение способно отражаеться от всех предметов окружающего мира:
металлических и неметаллических, от земли, воды, растений и т.д. Следует
упомянуть, что оно отражается от любых объектов, размеры которых меньше
21
длины волны. Это известно из базовой закономерности отражения, которая
гласит, что чем короче длина волны, тем лучше ее способность быть отражанной.
Мощность отраженного в этом случае излучения обратно пропорциональна длине
волны. Лазерному детектирующему устройству присуща и более высокая
обнаружительная способность, чем радиолокатору.
2)
Способность
направленного
луча
распространяться
лазерного
излучения,
прямолинейно.
производящего
Использование
исследование
пространства, позволяет запеленговать направление на объект. Направление
находят по расположению оси оптической системы, которая формирует лазерное
излучение.
3)
Наличие возможности у лазерного излучения распространяться в
пространстве с постоянной скоростью позволяет определять расстояние до
объекта.
Упрощенная схема функционирования устройств, базирующихся на
лазерной локации, представлена на рисунке 8:
Рисунок 8 – Схема устройства, функционирование которого базируется на
методе лазерной локации
22
1.3.5 Основной принцип функционирования устройств, базирующихся
на лазерной локации
Источник излучения (лазерный передатчик (ЛП))
необходим для
формирования зондирующего сигнала с определенными характеристиками, он
работает в двух возможных режимах: импульсном или непрерывном. Излучаемая
энергия собирается в узком пучке. Для этого используется оптическая система,
состоящая из нескольких линз.
Для задания направления лазерного луча на определенный объект или
сканирования окружающего мира используют систему зеркал, способных
вращаться, и устройства, основанные на эффекте преломления луча в среде,
которая
является
оптически
неоднородной,
и
в
которой
значение
величин показателя преломления устанавливается управляющим напряжением.
Излучаемый
лазерный
луч,
распространяясь
через
разные
среды,
претерпевает изменения, которые происходят из-за трех основных явлений:
поглощением, рассеянием и турбулентностью.
Поглощение и рассеяние определяют величину затухания оптического
сигнала и относительно небольшие случайные отклонения, которые вызваны
изменением метеоусловий. С турбулентностью связывают быстрые изменения
поля,
имеющие
место
при
любой
погоде. Турбулентность влияет
на
характеристики среды распространения случайными, из-за чего диаметр
светового пучка начинает расширяться, а амплитуда, фаза, поляризация и угол
падения изменяются случайным образом.
Когда происходит взаимодействие лазерного пучка с отражающей
плоскостью цели измерения, возникает вторичное излучение, которое зависит от
свойств зондирующего луча и особенностей поверхности цели (состояние
поверхности, характер движения). В зависимости поверхности, от которой будет
происходить отражение лазерного пучка, различают зеркальное и диффузное
отражения.
В
первом
случае
законам геометрической оптики.
вторичное
излучение
формируется
по
23
Когда размеры шероховатостей поверхности больше 1/16 длины волны,
следует говорить о диффузном отражение, для анализа которого необходимо
использовать модель ламбертова отражателя. Энергетическая яркость данного
отражателя никак не зависит от направления наблюдения. К ламбертовым
поверхностям относят
земные ландшафты (почвы, пески, растительные
образования) и некоторые наземные объекты (дороги, взлетно-посадочные
полосы аэродромов, кровли зданий).
Кроме нужного сигнала детектируется оптической приемной системы
разнообразный световой фон, который создается рассеянным в пространстве
солнечным излучением, светом звездного неба и излучением, которое отражается
от совокупности других различных объектов, оказавшихся в зоне видимости
системы по детектированию сигнала. Фоновая помеха представляет собой
случайное гауссовское поле, которое, как и нормальный случайный процесс,
можно полностью описать средним значением и корреляционной функцией.
Функционирование системы в сильно замутненной среде (например, туман)
- основным видом помехи является обратное рассеяние излучения передатчика —
так называемая помеха обратного рассеяния. Характер этой помехи зависит как от
оптических характеристик среды, так и от параметров излучаемого сигнала.
Кроме помех, создаваемых окружающей средой при проектировании
следует обращать внимание на внутренние шумы, которые возникают при
изменении оптического сигнала в электрический. Связанный с ними ток,
возникает на выходе преобразователя, когда нет светового сигнала на входе. Его
называют темповым.
Фотоприемник
(кремниевый
фотоэлектронный
умножитель),
преобразующий оптический сигнал в электрический, может быть выполнен на
основе прямого фотодетектирования (энергетический прием) или с помощью
оптического гетеродинирования.
24
1.4 Описание аппаратной основы разрабатываемого программного
обеспечения
Компания Terasic выпустила отладочную плату MAX 10, которая имеет
сравнительно невысокую цену. Плата имеет необходимый набор периферийных
компонентов и предназначена для учебных и отладочных целей[2].
1)
максимальное количество ресурсов на ПЛИС MAX 10;
2)
количество логических элементов – 8000;
3)
объем встроенного ОЗУ – 378 Кбит;
4)
объем пользовательской FLASH-памяти - 256 Кбит;
5)
количество умножителей 18x18 – 24;
6)
количество блоков PLL – 2;
7)
поддержка файлов конфигурации – 2;
8)
количество блоков АЦП, датчиков температуры – 1,1;
9)
интерфейс с внешней памятью - SRAM, SDRAM.
На рисунке 9 приведена структурная схема платы Max 10:
Рисунок 9 – Структурная схема платы
25
1.5 Предмет разработки и требования к системе
Предметом
разработки
является
программного
обеспечения
информационно-управляющего блока устройства регистрации потока фотонов на
ПЛИС. Область применения данного средства – регистрация потока фотонов в
различных областях, таких как: физика, медицина, биология, химия.
Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие
задачи:
- провести исследование предметной области и выбрать технологию
проектирования;
- рассмотреть методики формирования короткого импульса при помощи
тактового генератора на базе ПЛИС;
- рассмотреть методики подсчёта расстояния до объекта, базирующиеся на
лазерной локации;
- рассмотреть методики сохранения данных на внешний носитель на базе
ПЛИС;
- рассмотреть методики визуализации данных;
- рассмотреть методики работы с аналого-цифровым преобразователем;
- рассмотреть методики измерения временных интервалов.
Нефункциональные требования:
1)
автономное устройство на основе ПЛИС MAX10;
2)
компактный размер;
3)
небольшой вес;
4)
устойчивость к сбоям;
5)
возможность быстрой смены составных частей.
Функциональные требования:
1)
формирование короткого импульса при помощи тактового генератора
на базе ПЛИС;
2)
возможность регистрация потока фотонов;
3)
возможность сохранения изображения (сохранение на SD card);
4)
возможность отображения полученных данных;
26
5)
слабая восприимчивость к магнитным полям;
6)
возможность выделения определенных импульсов, из множества
зарегистрированных;
7)
наличие цепей сброса (возможность обнуления основных регистров и
переменных, для перевода устройства в стартовое состояние).
27
2
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩЕГО БЛОКА УСТРОЙСТВА
РЕГИСТРАЦИИ ПОТОКА ФОТОНОВ
2.1 Архитектура разрабатываемой системы
Разрабатываемая система для регистрации потока фотонов представлена на
рисунке 10:
На нем различимы 4 аппаратные составляющие:
1)
ПЛИС Be Micro MAX10 – основная структура, на которой будут
базироваться все модули управления и происходить необходимые вычисления;
2)
лазерное
устройство
–
это
аппаратный
компонент
системы,
необходимый для формирования короткого лазерного импульса на аппаратном
уровне;
3)
внешний накопитель – энергонезависимое устройство хранения
данных, которые будут получены в результате работы системы;
4)
КФЭУ (Кремниевый фотоэлектронный умножитель) – устройство
необходимое для регистрации потока фотонов.
Для корректной работы лазерного устройства, внешнего накопителя и
КФЭУ будут сформированы специальные программные модули управления
аппаратными устройствами:
1)
подсистема управления лазерным устройством необходим для
формирования необходимого тактового сигнала, который будет получен путем
корректировки тактового сигнала c тактового генератора ПЛИС с помощью
ФАПЧ (PLL);
2)
подсистема
управления
КФЭУ
необходим
для
формирования
информации о зарегистрированных потоках фотонов и дальнейшего выявления из
всего множества зарегистрированных потоков тех, которые относятся к потоку,
сформированному лазерным устройством.
3)
корректной
подсистема управления внешним накопителем необходим для
работы
с
внешним
использованием процессора NIOS II.
накопителем.
Модуль
проектируется
с
28
4)
отвечает
подсистема
за
функционирования
функционирование
специализированного
программной
подсистемы
алгоритма
определенной
направленности, зависящей от конкретных задач.
Рисунок 10 – Архитектура разрабатываемой системы
29
2.2 Функциональная модель программного обеспечения
Диаграмма прецедентов представлена на рисунке 11:
Прецедент «Включение и тестирование устройства» включает в себя
следующие
прецеденты:
«Инициализация
модуля
сохранения
данных»,
«Инициализация модуля визуализации», «Инициализация модуля формирования
лазерного импульса», «Инициализация модуля регистрации импульса».
Прецедент «Инициализация модуля сохранения данных» включает в себя
следующие прецеденты: «Проверка наличия интерфейсов и устройств для работы
с внешним накопителем», Формирование стартовых параметров процессора NIOS
II».
Прецедент «Инициализация модуля визуализации» включает в себя
следующие
прецеденты: «Тестирование устройства визуализации данных»,
«Установка стартовых значений устройства».
Прецедент «Инициализация модуля формирования лазерного импульса»
включает в себя следующие
прецеденты: «Формирование высокой частоты
тактирования при помощи ФАПЧ», «Тестирование лазерного устройства».
Прецедент «Инициализация модуля регистрации импульса» включает в себя
следующие прецеденты: «Тестирование КФЭУ», «Тестирование АЦП».
Прецедент «Функционирование устройства» включает в себя следующие
прецеденты:
«Формирование
лазерного
импульса»,
«Регистрация
потока
фотонов», «Обработка данных по определенному алгоритму», «Подсчет
расстояния до объекта», «Сохранение полученных значений», «Визуализация
полученных данных».
30
Рисунок 11 – Диаграмма прецедентов
31
Прецедент
следующие
«Формирование
лазерного
импульса»
включает
в
себя
прецеденты: «Преобразование входного тактового сигнала при
помощи ФАПЧ(PLL)», «Формирование короткого лазерного импульса».
Прецедент «Регистрация потока фотонов» включает в себя следующие
прецеденты:
«Регистрация
лазерного
импульса
КФЭУ»,
«Выделение
необходимого сигнала из множества зарегистрированных».
Прецедент «Сохранение полученных значений» включает в себя следующие
прецеденты: «Формирование команды процессору NIOS II на запись данных»,
«Обращение к внешнему накопителю», «Обращение к файлу на внешнем
накопителе», «Запись данных в файл».
Прецедент
следующие
«Визуализация
полученных
данных»
включает
в
себя
прецеденты: «Формирование значений сегментных индикаторов»,
«Разбиение числа на цифры».
2.3 Модель взаимодействия системных объектов
Диаграмма взаимодействия представлена на рисунке 12:
32
Рисунок 12 – Диаграмма взаимодействия, лист 1
33
Рисунок 12, лист 2
34
Подсистема имеет перечень объектов:
1)
системы
объект «ПЛИС» является местом расположения «верхнего» модуля
–
управляющим
модулем,
через
него
также
осуществляется
взаимодействие с пользователем;
2)
Объект «Лазер» необходим для формирования лазерного импульса;
3)
Объект «КФЭУ» необходим для регистрации потоков фотонов;
4)
Объект «Внешний накопитель» необходим для сохранения данных на
внешнем накопителе (SD CARD);
5)
Объект «Устройство визуализации» необходим для отображения
необходимых данных;
6)
Объект «Сообщение об ошибке» необходим для формирование
системы о возникшей ошибке на определенном этапе функционирования
программно-аппаратной системы.
ПЛИС обрабатывает действия пользователя (включение устройства и
измерение расстояния) и формирует команды для взаимодействия:
1) с лазерным устройством, которое сформирует лазерный сигнал»
2) с КФЭУ (регистрация фотонов, усиление сигнала, аналого-цифровое
преобразование)»;
3) с внешним накопителем (SD CARD), который будет использоваться для
сохранения полученных данных;
4) с устройством визуализации, чтобы корректно отображать полученные
данные.
В случае некорректной работы какого-либо программно-аппаратного
модуля будет формироваться сообщение об ошибке в управляющий модуль
расположенный на ПЛИС для информирования системы и пользователя.
35
2.4 Подсистема визуализации данных
В качестве устройства визуализации будет использоваться семисегментный
индикатор, который в общем виде является совокупностью светодиодов. Таким
образом, для управления состоянием сегмента семисегментного индикатора
необходимо установить его значение в ноль или единицу (ноль – сегмент
светится, единица – свечение отсутствует).
Соответственно, для кодирования
одной цифры в десятичной системе счисления необходимо заполнить 7 бит.
На рисунке 13 представлено изображение, демонстрирующее соответствие
между сегментом и номером бита, который за него отвечает, а на рисунке 14
представлены все возможные состояния семисегментного индикатора:
Рисунок 13 – Кодирование сегментов семисегментного индикатора
Рисунок 14 – Возможные состояния семисегментного индикатора
Схема функционирования процесса визуализации представлена на рисунке
15:
36
Рисунок 16 – Схема функционирования процесса визуализации
37
После получения величины расстояния до определенного объекта,
величина, представленная цифрой, будет разбита на числа, так как один
семисегментный индикатор способен отобразить только одну цифру. Затем цифра
представляется в бинарном виде, где каждый бит отвечает за сектор
семисегнемтного индикатора. Эта процедура будет выполняться для каждой
цифры полученного числа.
2.5 Подсистема сохранения данных
Перед разработкой системы заказчик и разработчик должны ясно
представлять, какие функциональные возможности будут заложены в систему и
как будет организовано функциональное взаимодействие внутри системы.
При разработке функциональной модели (определении функциональных
требований) может возникнуть множество проблем:
1) заказчик не может точно выразить, решение каких задач возлагается на
информационную систему. Зачастую заказчик даже не знает, что такое
требование и как его формулировать;
2) представители заказчика (начальники разных уровней, экспертытехнологи, рядовые пользователи) по-своему видят работу будущей системы и
часто их требования к системе носят взаимоисключающий характер. Особенно
характерна такая ситуация, когда разрабатываемая система будет внедряться на
нескольких объектах автоматизации;
3) заказчик зачастую не знает возможностей современных вычислительных
систем и стремится рассматривать процесс автоматизации как простой перенос
элементарных видов деятельности, выполняемых вручную, на компьютеры. При
этом он не задумывается об оптимизации бизнес-процессов внутри организации с
приходом новых технологий;
Построение функциональной модели должно решить большую часть этих
проблем.
Анализ модели позволяет понять, где находятся слабые места, в чем будут
состоять преимущества новых процессов и насколько глубоким изменениям
38
подвергнется существующая организация деятельности предприятия (компании,
отдела). Найденные в модели недостатки исправляются при создании модели.
2.5.1 Модель взаимодействия системных объектов подсистемы
сохранения данных
Диаграмма взаимодействия процесса сохранения представлена на рисунке
16:
На диаграмме взаимодействия можно выделить следующие объекты:
1)
«система управления сохранением» – модуль управления всем
процессом сохранения;
2)
«устройство SD CARD» – портативное устройство для хранения
памяти;
3)
«файловая система» - порядок, определяющий способ организации,
хранения и именования данных на носителях информации;
4)
«файл» – именованная область памяти на носителе информации (SD
CARD);
5)
«сообщение
для
системы»
–
формирование
прерывания
с
определенным кодом, информирование системы об ошибке или успешном
завершении выполнения записи в файл.
39
Рисунок 16 – Диаграмма взаимодействия процесса сохранения
40
Между вышеописанными объектами происходит обмен сообщеними,
которые можно разделить на 2 группы:
1)
сообщения, необходимые для определения готовности аппаратно-
программных средств для работы с накопителем данных (SD Card):
1.1) «проверка доступности устройства»;
1.2) «проверка наличия файловой системы FAT32»;
2)
сообщения, необходимые для корректной работы с файлом, который
расположен на носителе данных (SD CARD):
2.1) «открыть файл для записи»;
2.2) «записать данные файл»;
2.3) «закрыть файл»;
сообщения,
3)
необходимые
для
контролирования
процесса
сохранения:
3.1) «устройство доступно»;
3.2) «файловая система FAT32»;
4)
3.3)
«файл открыт для записи»;
3.4)
«данные записаны / файл закрыт»;
сообщения для формирования информации внешним модулям о
процессе сохранения:
4.1)
«SD CARD не доступно»;
4.2)
«файловая система не FAT32»;
4.3)
«файл не открыт»;
4.4)
«данные успешно записаны в файл».
2.5.2 Модель состояний подсистемы сохранения данных
Диаграмма состояний процесса сохранения представлена на рисунке 17:
41
Рисунок 17 – Диаграмма состояний
42
На диаграмме состояний можно выделить следующие состояния:
1)
«ожидание данных». Из данного состояния возможны 2 перехода: в
это же состояние, если буфер не содержит информации, и в состояние «проверка
доступности SD CARD», если буфер содержит информацию для записи;
2)
«проверка доступности SD CARD». Из данного состояния возможны 2
перехода: в состояние «проверка наличия интерфейса для работы с SD CARD»,
если SD CARD доступно, и в состояние «формирование сообщения для системы»,
если устройство SD CARD является не доступным для использования.
3)
«проверка наличия интерфейса для работы с SD CARD». Из данного
состояния возможны 2 перехода: в состояние «проверка файловой системы», если
интерфейс для работы с SD CARD обнаружен, и в состояние «формирование
сообщения для системы», если интерфейс не найден.
4)
«проверка файловой системы». Из данного состояния возможны 2
перехода: в состояние «проверка наличия файла для записи», если на SD CARD
обнаружена файловая система FAT 32, и в состояние «формирование сообщения
для системы», если файловая система не обнаружена на накопителе или не
является FAT 32.
5)
«проверка наличия файла для записи». Из данного состояния
возможны 2 перехода: в состояние «работа с файлом», если на SD CARD
обнаружен файл для записи сохраняемых данных, и в состояние «формирование
сообщения для системы», если файл не найден.
6)
«работа с файлом». Из данного состояния возможен переход в
состояние «формирование сообщения для системы», так как в случаях успешной
и неуспешной записи происходит формирование сообщения для внешней
системы.
7)
«формирование сообщения для системы». Из данного состояние
происходит переход в конечное состояние.
Все переходы, которые будут осуществляться в состояние «Формирование
сообщения для системы» возникают в результате появления ошибочных событий
43
(программных или аппаратных). В противном случае будет наблюдаться
корректная работа системы.
2.5.3 Модель коопераций подсистемы сохранения данных
Диаграмма коопераций процесса сохранения представлена на рисунке 18:
На диаграмме коопераций можно выделить следующие объекты:
1)
«Управляющий модуль» верхнего уровня контролирует и инициирует
работу модулей;
2)
«Буфер данных» содержит в себе входные данные;
3)
«Внешний накопитель» обеспечивает пространство для сохранения
данных;
4)
«Интерфейс
SD CARD» необходим для
работы
с внешним
накопителем (SD CARD);
5)
«Файловая система» (fat32) организует порядок хранения данных на
внешнем накопителе;
6)
«Файл для записи»;
7)
«Сообщение для системы» необходимо для информирования систем о
успешном или ошибочном ходе выполнения процесса сохранения.
На диаграмме коопераций можно выделить следующие сообщения,
получаемые при успешном прохождении алгоритма сохранения:
1) «Отправка данных»;
2) Проверка наличия устройства;
3) Проверка интерфейса для работы с накопителем;
4) Проверка файловой системы;
5) Поиск файла для записи;
6) Запись данных в файл;
7) Сообщение об удачной записи данных.
44
Рисунок 18 – Диаграмма состояний
45
3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩЕГО БЛОКА УСТРОЙСТВА
РЕГИСТРАЦИИ ПОТОКА ФОТОНОВ
Разрабатываемый программно-аппаратный комплекс позволяет создавать
устройства по регистрации потоков фотов разной направленности. В качестве
одной из простых вариантов конечной реализации системы был выбран лидар –
лазерное импульсное устройство для измерения расстояния до объекта. Принцип
действия основан на измерении интервала времени между моментом излучения
зондирующего лазерного импульса и моментом приема излучения, отраженного
от объекта. Лазерное устрйоство формирует импульс, который, отражаясь от
объекта,
расстояние
до
которого
необходимо
найти,
регистрируется
фотоэлектронным умножителем и встроенным АЦП. Измеритель временных
интервалов начинает работу в момент излучения лазерного импульса лазерным
устройством и завершает ее в момент приема отраженного излучения, формируя
результат.
3.1
Детализация функциональной модели программного обеспечения
Диаграмма прецедентов представлена на рисунке 19:
Прецедент
«Включение
устройства»
включает
в
себя
следующие
прецеденты: «Инициализация модуля сохранения данных», «Инициализация
модуля визуализации», «Инициализация модуля формирования лазерного
импульса», «Инициализация модуля регистрации импульса».
Прецедент «Инициализация модуля сохранения данных» включает в себя
следующие прецеденты: «Проверка наличия интерфейсов и устройств для работы
с внешним накопителем», Формирование стартовых параметров процессора NIOS
II».
Прецедент «Инициализация модуля визуализации» включает в себя
следующие
прецеденты: «Тестирование устройства визуализации данных»,
«Установка стартовых значений устройства».
46
Прецедент «Инициализация модуля формирования лазерного импульса»
включает в себя следующие
прецеденты: «Формирование высокой частоты
тактирования при помощи ФАПЧ», «Тестирование лазерного устройства».
Прецедент «Инициализация модуля регистрации импульса» включает в себя
следующие прецеденты: «Тестирование КФЭУ», «Тестирование АЦП».
Прецедент «Измерить расстояние до объекта» включает в себя следующие
прецеденты: «Формирование лазерного импульса», «Регистрация отраженного
лазерного импульса», «Подсчет расстояния до объекта», «Подсчет расстояния до
объекта»,
«Сохранение
величины
расстояния
на
внешний
накопитель»,
«Визуализация полученных данных».
Прецедент
следующие
«Формирование
лазерного
импульса»
включает
в
себя
прецеденты: «Преобразование входного тактового сигнала при
помощи ФАПЧ(PLL)», «Формирование короткого лазерного импульса».
Прецедент «Регистрация отражённого лазерного импульса» включает в себя
следующие прецеденты: «Регистрация отраженного лазерного импульса КФЭУ»,
«Усиление зарегистрированного лазерного импульса».
Прецедент «Сохранение величины расстояния на внешний накопитель»
включает в себя следующие прецеденты: «Формирование команды процессору
NIOS II на запись данных», «Обращение к внешнему накопителю», «Обращение к
файлу на внешнем накопителе», «Запись данных в файл».
47
Рисунок 19 – Диаграмма прецедентов
48
Прецедент
следующие
«Визуализация
полученных
данных»
включает
в
себя
прецеденты: «Формирование значений сегментных индикаторов»,
«Разбиение числа на цифры».
Прецедент «Формирование стартовых параметров процессора NIOS II»
представляет собой установку таких параметров как адреса, ширина шины
данных, ширина адреса (строка, столбец), выбор чипа, наличие тристабильных
мостов, задержки и тд.
Прецедент «Проверка наличия интерфейсов и устройств для работы с
внешним накопителем» представляет собой систему тестов, необходимых для
проверки:
1) доступности интерфейса для корректной работы с внешним накопителем
(SD CARD);
2) доступности аппаратного устройства в предусмотренном слоте;
3) доступности файловой системы на внешнем накопителе;
4) доступности файла для записи.
Прецедент «Тестирование устройства визуализации данных» представляет
собой ряд мер для проверки возможности использования семисегментного
индикатора.
Прецедент «Установка стартовых значений устройства визуализации»
представляет собой серию команд по обнулению стартовых показаний,
отображаемых на семисегментном индикаторе.
Прецедент «Формирование частоты тактирования при помощи ФАПЧ»
представляет собой преобразование исходной тактовой частоты с использованием
ФАПЧ для создания тестового сигнала лазерному устройству.
Прецедент «Тестирование лазерного устройства» представляет собой
тестирование лазерного устройства для того, чтобы убедиться в его корректной
работе.
Прецедент «Тестирование КФЭУ» представляет собой тестирование
устройства КФЭУ для того, чтобы убедиться в его корректной работе.
49
Прецедент
«Тестирование
АЦП»
представляет
собой
тестирование
устройства АЦП для того, чтобы убедиться в его корректной работе.
Прецедент «Преобразование входного тактового сигнала при помощи
ФАПЧ(PLL)» представляет собой изменение входного тактового сигнала для
корректной работы и синхронизации системы типа «лазерный импульс –
регистрация – определение необходимых величин».
Прецедент «Формирование короткого лазерного импульса» представляет
собой формирование управляющего сигнала по созданию лазерного импульса для
лазерного устройства.
Прецедент
представляет
«Регистрация
собой
отраженного
лазерного
программно-аппаратную
импульса
систему,
КФЭУ»
позволяющую
регистрировать поток фотонов.
Прецедент
«Выделение
зарегистрированных»
необходимого
представляет
собой
сигнала
список
мер
из
множества
для
выделения
необходимых сигналов из всего множества зарегистрированных КФЭУ при
помощи АЦП.
Прецедент «Формирование команды к процессору NIOS II на запись
данных» представляет собой обращение к процессору NIOS II для того, чтобы
перейти к использованию процессора для работы с внешним накопителем.
Прецедент «Обращение к внешнему накопителю» представляет собой
обращение процессора к внешнему накопителю для корректной работы с SD
CARD с необходимым интерфейсом.
Прецедент «Обращение к файлу на внешнем накопителе» представляет
собой обращение к файлу на внешнем накопителе (SD CARD), на котором данные
организованы с использованием файловой системы FAT32.
Прецедент «Запись данных в файл» представляет собой ряд операций для
корректного открытия файла для записи, записи необходимых данных в файл и
закрытия файла.
Прецедент «Разбиение числа на цифры» и «Формирование значений
семисегментных индикаторов представляет собой последовательность команд для
50
представления числа в виде последовательности цифр и преобразования каждой
цифры в формат, который можно передать устройству визуализации.
3.2 Проектирование подсистемы визуализации
Для корректной работы подсистемы визуализации данных необходимо
осуществить следующие основные шаги:
1)
Проверять буфер данных и следить за изменением его содержимого.
При изменении данных необходимо инициировать начало работы подсистемы
визуализации данных.
2)
Определить
количество
символов,
которые
необходимо
визуализировать (разбить число на разряды);
3)
Для
визуализации
каждой
цифры
будет
использоваться
семисегментный индикатор, для корректного функционирования которого
необходимо каждую цифру представить в виде двоичного числа длиной в 7 бит.
Например, для визуализации цифры «1» необходимо на входы семисегментного
индикатора отправить бинарное число «7’b0111111», рисунок 20.
Рисунок 20 – Пример инструкции для семисегментного индикатора
Схема алгоритма функционирования подсистемы визуализации данных
представлена на рисунке 21.
51
Рисунок 21 – Схема алгоритма подсистемы визуализации данных
52
3.3 Проектирование подсистемы сохранения данных
Процесс функционирования подсистемы сохранения данных можно
разделить на следующие этапы:
1)
Проверка наличия SD CARD интерфейса. Интерфейс должен быть
подключен для корректной работы с устройством SD CARD, которое будет
выступать в качестве энергонезависимой памяти.
2)
Проверка наличия SD CARD устройства в разъеме
3)
Проверка наличия файловой системы необходима для того, чтобы
удостовериться, сможет ли разрабатываемая подсистема правильно выбрать
способ организации, хранения и именования данных.
4)
Запись данных в файл включает поиск файла на энергонезависимом
устройстве хранения данных, запись необходимых данных в файл и завершение
работы с файлом.
Схема алгоритма функционирования подсистемы сохранения данных
представлена на рисунке 22.
53
Рисунок 22 - Схема алгоритма функционирования подсистемы сохранения
данных
54
3.4 Проектирование аппаратной основы для подсистемы сохранения
данных
Для обеспечения работоспособности подсистемы сохранения данных
необходимо произвести проектирование аппаратной составляющей подсистемы.
Для этого необходимо использовать следующие элементы, рисунок 23:
1) Процессор, оптимизированный под реализацию на базе ПЛИС;
2) Тактирование системы;
3) ОЗУ процессора;
4) Таймер для обеспечения работы процессорных систем;
5) Интерфейс для работы с внешним накопителем (SD CARD).
Рисунок 23 – Схема аппаратной части подсистемы сохранения данных
55
3.5 Проектирование подсистемы тактирования
Частота,
величины
не
доступная для использования на ПЛИС равна 50 МГц. Этой
хватает,
для
формирования
короткого
импульса
лазера,
следовательно, необходимо использовать ФАПЧ, который состоит из следующих
структурных частей, рисунок 24:
1)
Делитель
с
постоянным
коэффициентом,
необходим
для
формирования необходимой частоты;
2)
Частотно-фазовый делитель сравнивает фазы подающихся на его
входы частот и формирует выходной сигнал, пропорциональный их разности;
3)
фазового
Фильтр нижних частот
делителя
для
использует выходной сигнал частотно-
формирования
управляющего
воздействия
на
управляющий напряжением генератор;
4)
Управляющий напряжением генератор. Его частота меняется в
зависимости от сигнала фильтра нижних частот, тем самым меняя коэффициент
деления.
56
Рисунок 24 – Схема функционирования процесса тактирования
57
3.6 Проектирование процедуры измерения временных интервалов
методом непосредственного счета
Сущность метода состоит в представлении измеряемого интервала времени
Тизм,
задаваемого
последовательности
двумя
импульсами
некоторого
числа
—
старт-
счетных
и
стоп-,
импульсов
с
в
виде
известным
образцовым периодом следования Тсч. По числу счетных импульсов судят о
размере измеряемого интервала. Изложенный принцип иллюстрирует рис. 25.
Измеряемый интервал времени, заданный старт- и стоп-импульсами (рисунок 25,
а), преобразуется в прямоугольный импульс (рисунок 25, б), который «вырезает»
из периодической последовательности счетных импульсов участок, содержащий
m импульсов (рисунок 25, в). Значение измеряемого интервала времени
определяется как Тх = mТсч. Между генератором счетных импульсов и счетчиком
включен временной селектор, через который счетные импульсы проходят на
счетчик только тогда, когда на него воздействует стробирующий импульс
длительностью Тx, сформированный блоком формирования из старт- и стопимпульсов. Такой метод отличается хорошей линейностью и большим
динамическим диапазоном. Схема алгоритма представлена на рисунке 26.
58
Рисунок 25 – Измерение временных интервалов в методе
«Непосредственного счета»
59
Рисунок 26 – Схема алгоритма подсчета временных интервалов
60
3.7 Проектирование процедуры выделения отраженного импульса, из
множества зарегистрированных сигналов
Для выделения отраженного импульса, из множества зарегистрированных
сигналов необходимо выполнить следующие шаги, рисунок 27:
1)
Кремниевый
фотоэлектронный
умножитель
преобразует
поток
излучения, который на него попадает в электронный поток, который потом
усиливается.
2)
Используя
аналогово-цифровой
преобразователь,
происходит
преобразование амплитуды напряжения к форме, которую можно обработать на
ПЛИС (цифровая форма).
3)
Провести анализ получаемых данных и сформировать сигнал о
завершении подсчета тактов, когда будет зарегистрирована величина, отвечающая
за необходимый импульс.
61
Рисунок 27 – Схема выделения отраженного импульса
62
4 РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩЕГО БЛОКА УСТРОЙСТВА
РЕГИСТРАЦИИ ПОТОКА ФОТОНОВ
4.1 Структура программного обеспечения
Всю структуру программного обеспечения можно представить в виде трех
составных частей:
1)
Модули, созданные в среде Quartus 2 на языке Verilog и
сгенерированные при компиляции проекта, такие как:
–
Модуль верхнего уровня – модуль, в котором происходит вызов
всех подсистем создаваемой системы;
–
Модуль управления визуализацией – модуль, который отвечает
за процесс визуализации данных, плаченных в результате работы системы
–
Модуль управления тактовой частотой – модуль, который
формирует все тактирующие импульсы в системе (использование тактовой
частоты с тактового генератора и использование ФАПЧ);
–
Модуль управления цепями сброса – модуль, который отвечает
за возвращение системы в исходное, стартовое, состояние;
–
Модуль определения расстояния до объекта – модуль, который
ведет подсчет тактов между сигналами начала измерения расстояния.
2)
Модули сохранения данных, созданные с использованием среды
разработки Qsys, которая входит в базовый пакет среды разработки Quartus II.
Данный модуль несет в себе подсистему, необходимую для функционирования
процессора Nios II, с помощью которого осуществляется управление всем
процессом сохранения;
3)
Модули сохранения данных, написанные на языке С в среде
разработки Eclipse, который входит в базовый пакет среды разработки Quartus II.
Данный модуль является полностью программным, базируется на слое
аппаратной абстракции HAL и является инструкцией для процессора Nios II.
63
Схема, иллюстрирующая структуру программного обеспечения,
представлена на рисунке 28:
Рисунок 28 - Схема, иллюстрирующая структуру программного обеспечения
64
4.2 Реализация подсистемы визуализации данных
Для реализации функции визуализации полученных данных необходимо
сформировать модуль для аппаратной части проекта (модуль для формирования
логики ПЛИС, написанный на языке Verilog). Данный модуль уместно
реализовать для кодирования одной цифры числа, отвечающего за расстояние до
объекта. Остальные числа будут визуализироваться путем вызова того же модуля
для следующего числа и набора контактов ПЛИС.
Логическую реализацию проекта в графическом виде после прохождения
компилятором стадии синтеза можно увидеть на рисунке 29:
65
Рисунок 29 – Логическая реализация подсистемы визуализации в
графическом виде
66
4.3 Реализация подсистемы сохранения данных
Для сохранения данных на SD CARD необходимо пройти несколько
основных этапов:
1)
Формирование QSYS модуля – аппаратная составляющая модуля;
2)
Формирование HAL BSP – файлы HAL архитектуры, включающие
стандартную библиотеку с общеизвестными функциями СИ.
3)
Формирование Си- файлов.
На рисунке 30 представлено графическое отображение структуры модулей
для функции сохранения.
Рисунок 30 – Слои подсистемы, отвечающей за функцию сохранения
67
4.3.1 Формирование модуля Qsys
Оболочка Qsys является составной частью среды разработки Quartus II. Qsys
предоставляет возможность упрощенного проектирования аппаратных систем, так
как позволяет использовать более высокий уровень абстракции (программист
проектирует систему с помощью компонентов – IP-ядер, обладает рычагами
воздействия на их параметры и способен объединять IP-ядер в сложные
комплексы, выстраивая собственную логику). Кроме того, программист обладает
средствами для
создания собственного IP-ядра, которое можно многократно
использовать.
На рисунке 31 представлен снимок экрана разработанной Qsys-системы
отвечающей за функцию сохранения данных на SD CARD.
Для формирования системы используются 7 IP-ядер:
1)
Clk_0 – IP-ядро, которое отвечает за тактирование системы;
2)
Onchip_memory2_0
-
внутренний
блок
памяти
для
хранения
программы и данных, используемый Nios II;
3)
Nios2_qsys_0 - процессорное ядро (Nios II CPU);
4)
Altera_up_sd_card_interface – стандартный интерфейс для работы с SD
CARD;
5)
Jtag_uart_0 - контроллер последовательного канала связи JTAG
UART;
6)
Timer_0
–
интервальный
таймер
для
процессорных
систем,
основанных на Nios II;
7)
Sysid_qsys_0 – компонент необходимый для проверки версии Qsys-
системы и времени ее редактирования.
68
Рисунок 31– Снимок экрана Qsys-системы
69
4.3.2 HAL
HAL предоставляет следующие сервисы:
1)
Предоставление общеизвестных функций стандартной библиотеки.
2)
Предоставление доступа к каждому устройству в системе.
3)
Инициализация системы – выполняет задачи инициализации для
процессора и управления работой программы перед блоком main().
4)
Инициализация устройства – обрабатывает и инициализирует каждое
устройство в системе перед запуском main().
HAL предлагает для использования модели следующих классов устройств:
1)
устройства с символьным режимом – аппаратная периферия, которая
посылает и принимает последовательные символы, например UART;
2)
устройства таймеры - аппаратная периферия, которая подсчитывает
тактовые импульсы и может генерировать периодический запрос прерывания;
3)
файловая подсистема – механизм доступа к файлам в физическом
устройстве. В зависимости от внутренней реализации, драйвер файловой
подсистемы должен иметь прямой доступ к основным аппаратным средствам
или использовать отдельный драйвер устройства;
4)
устройства Ethernet – устройства, которые предоставляют доступ к
Ethernet подключению для сетевого стека;
5)
устройства прямого доступа к памяти (DMA) – периферия, которая
выполняет передачу большого массива данных от источника до приёмника
данных. Источник и приёмник может быть памятью или другим устройством,
таким как Ethernet подключение;
6)
устройства флеш-памяти – энергонезависимые устройства памяти,
использующие специальный программный протокол для сохранения данных.
HAL интегрировал стандартную библиотеку ANSI Си в свои оперативные
средства. HAL использует newlib в качестве реализации стандартной библиотеки
Си с открытым исходным кодом. Newlib - это библиотека Си для использования
во встроенных системах, идеально подходящая для использования с HAL и
процессором Nios II. Лицензия newlib не требует выпуска вашего исходного кода
70
или платы за проекты, основанные на библиотеке newlib.
4.3.3 Модуль верхнего уровня подсистемы сохранения данных
При построении си-модуля использовались следующие основные команды:
1)
alt_up_sd_card_open_dev() – команда, которая отвечает за проверку
подключения к системе интерфейса для работы с SD CARD-устройством;
2)
alt_up_sd_card_is_Present() - команда, которая отвечает за проверку
нахождения SD CARD-устройства в SD CARD-сокете;
3)
alt_up_sd_card_is_FAT16() – команда, которая отвечает за проверку
файловой системы на SD CARD;
4)
alt_up_sd_card_fopen() – команда, которая отвечает за открытие
файла на SD CARD;
5)
alt_up_sd_card_write() – команда, которая отвечает за запись данных
в файл;
6)
alt_up_sd_card_fclose() – команда, которая отвечает за корректное
закрытие файла.
Фрагмент кода представлен в ПРИЛОЖЕНИИ B – Листинг программы.
4.4 Реализация подсистемы тактирования
Для реализации модуля тактирования был выбран инструмент менеджер
плагинов MegaWizard, который является составной частью программного
обеспечения Quartus II. Он позволяет создавать ФАПЧ (Фазовая автоподстройка
частоты),
которая
позволяет
получить
нужную
функционирования системы.
Необходимо сделать настройки:
1) установить входную частоту;
2) установить сигнал сброса (рисунок 32);
опорную
частоту
для
71
Рисунок 32 – Снимок экрана настроек входного сигнала ФАПЧ
3) установить количество выходных тактовых частот;
4) установить
уровень
для
каждой
тактовой
коэффициенты умножения и деления (рисунок 33).
частоты,
используя
72
Рисунок 33 – Снимок экрана настроек выходного сигнала ФАПЧ
Реализация модуля в графическом виде (RTL-viewer) представлена на
рисунке 34:
73
Рисунок 34– Логическая реализация подсистемы тактирования
74
4.5 Реализация алгоритма подсчета временных интервалов
Суть метода заключается в подсчете количества тактов между сигналами
начала подсчета (Start), который создается в момент формирования импульса для
лазерного устройства, и сигналом окончания подсчета (Stop), который создается в
момент выделения АЦП необходимого сигнала из множества зарегистрированных
сигналов кремниевого фотоэлектронного усилителя.
Реализация модуля в графическом виде (RTL-viewer) представлена на
рисунке 35:
Рисунок 35 – Логическая реализация алгоритма подсчета временных
интервалов в графическом виде
75
4.6 Исследование функционирования АЦП на ПЛИС be micro Max 10
Для исследования функционирования системы необходимо создать stpмодуль, который необходим для отслеживания и последующего анализа сигналов,
полученных от АЦП.
При исследовании функционирования АЦП были выявлены следующие
закономерности:
1)
максимальный диапазон входного напряжения, которое подается на
аналоговые входы. Для АЦП, который находится на ПЛИС be micro Max 10,
диапазон входного измеряемого напряжения от 0 до 2.3V при опорном
напряжении 2.5V;
2)
диапазон кодов лежит в интервале
от 100h до 1D7h (от 260d до
2755d). Снимки экрана работы stp-модуля, демонстрирующие получение кодов от
АЦП в крайних точках диапазона, представлены на рисунках 36 и 37;
Рисунок 36 – Коды, полученные от АЦП, при напряжении 2.4 V
76
Рисунок 37 – Коды, полученные от АЦП, при напряжении 0 V
3)
38);
нелинейное распределение значений полученных от АЦП (рисунок
77
Рисунок 38 – Зависимость выходных кодов АЦП от напряжения
78
4)
относительно небольшая погрешность кодов, получаемых от АЦП при
различных входных напряжениях (рисунок 39 и 40);
Рисунок 39 – Зависимость кода АЦП от входного напряжения равного 0V
Рисунок 40 – Зависимость кода АЦП от входного напряжения равного 2.4 V
79
При увеличении напряжения, которое подается на аналоговые входы АЦП,
увеличилось отклонение величины получаемого кода на 0.4 условные единицы.
5)
Ненормальное распределение полученных кодов от АЦП на интервале
от 2750 до 2760 представлено в виде гистограммы на рисунке 41.
Рисунок 41 – Демонстрация распределения кодов
Нормального распределения в ходе проведения исследования АЦП на
ПЛИС не получено. Это связано с погрешностями, которые возникают из-за «не
идеального» соединения между аналоговыми контактами АЦП и потенциометра,
а так же из-за «не идеальной» работы самого потенциометра.
Фрагмент кода представлен в ПРИЛОЖЕНИИ А – Листинг программы.
80
4.7 Реализация процесса выделения отраженного импульса, из
множества зарегистрированных сигналов
Основным элементом программной реализации данного процесса является
встроенный в ПЛИС MAX 10 АЦП. Он позволяет преобразовывать полученный с
кремниевого фотоэлектронного умножителя аналоговый сигнал в цифровую
форму, которую можно использовать для дальнейшего анализа.
Реализация процесса выделения отраженного импульса в графическом виде
(RTL-viewer) представлена на рисунке 42:
Графическую структуру можно разбить на 2 составляющие:
1)
Блоки тактирования АЦП;
2)
Блок АПЦ, который включает в себя сигналы остановки и начала
работы блока, входных и выходных данных, режимы функционирования.
81
Рисунок 42 – Логическая реализация алгоритма подсчета временных интервалов в графическом виде
82
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате выполнения работы было разработано и реализовано
программное обеспечение
информационно-управляющего блока устройства
регистрации потока фотонов, которое базируется на ПЛИС.
В процессе выполнения была исследована предметная область и произведен
анализ
поставленных
нефункциональные
задач,
были
требования
к
разработаны
функциональные
программно-аппаратному
и
комплексу.
Рассмотрены альтернативные подходы к решению поставленных задач, проведен
анализ их слабых и сильных сторон. Построены спецификации функциональной
модели системы, модели последовательности действий и модели потоков данных.
Выполнено
проектирование
и
реализованы
подсистемы
сохранения,
визуализации, тактирования и алгоритмы подсчета тактов и распознавания
сигналов, зарегистрированных с помощью КФЭУ.
Все поставленные задачи были решены. Цель работы была достигнута.
83
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
Олькина, Е.В. Методические указания по оформлению пояснительных
1.
записок к дипломным, курсовым проектам (работам) и отчетов по практикам в
соответствии с требованиями государственных стандартов [Текст] / Олькина Е.В.
– Орел: ОрелГТУ, 2007.
2. ПЛИС фирмы Altera [Электронный ресурс]: Режим доступа - http://alteraplis.ru/ (дата обращения 11.03.2018).
Разработка SOC: ARM + FPGA [Электронный ресурс]: Режим доступа
3.
- https://habrahabr.ru/company/metrotek/blog/235707/ (дата обращения 11.03.2018).9
Загрузочный центр ПО и документации Altera [Электронный ресурс]:
4.
Режим доступа - https://www.altera.com/downloads/download-center.html (дата
обращения 11.03.2018).
Физика. Электричество и магнетизм: Учебник для технических
5.
университетов
[Электронный
ресурс]:
Режим
доступа
-
https://www.twirpx.com/file/1270864/ (дата обращения 11.03.2018).
Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) [Электронный ресурс]: Режим
6.
доступа
http://nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/detectors/pd/index.html
-
(дата
обращения 11.03.2018).
Фотометрические методы анализа [Электронный ресурс]: Режим
7.
доступа
https://designtest.lms.tpu.ru/pluginfile.php/10345/mod_resource
-
(дата
обращения 11.03.2018).
8.
Фотонные детекторы [Электронный ресурс]: Режим доступа -
http://nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/detectors/pd/index.html
(дата
обращения
11.03.2018).
9.
доступа
Основы радиотехнических систем [Электронный ресурс]: Режим
-
http://window.edu.ru/resource/474/76474/files/zyryanov.pdf
обращения 11.03.2018).
(дата
84
Приемники оптического излучения [Электронный ресурс]: Режим
10.
доступа - http://window.edu.ru/catalog/pdf2txt/670/79670/60118 (дата обращения
11.03.2018).
Лазеры. Основы их применения [Электронный ресурс]: Режим
11.
доступа
-
http://bib.convdocs.org/v16455/?download=file
(дата
обращения
11.03.2018).
12.
Программирование на ПЛИС [Электронный ресурс]: Режим доступа -
https://habr.com (дата обращения 11.03.2018).
13.
NIOS
II
[Электронный
ресурс]:
Режим
доступа
-
https://marsohod.org/projects/marsohod2/274-nios2 (дата обращения 11.03.2018).
14. NIOS II / QSYS [Электронный ресурс]: Режим доступа - https://habr.com
(дата обращения 11.03.2018).
85
ПРИЛОЖЕНИЕ A
(обязательное)
Листинг программы
module ADC
(
clk,
clk1,
leds
);
input clk;
input clk1;
//output test;
output [7:0] leds;
reg [31:0] iDiv = 0;
wire clk_50MHz;
wire locked_50MHz;
cascade_pll_altpll input_pll
(
.areset(0),
.clk(clk_50MHz),
.inclk(clk),
.locked(locked_50MHz)
);
wire clk_10MHz;
fingertemp_pll_altpll adc_pll
86
(
.areset(!locked_50MHz),
.clk(clk_10MHz),
.inclk(clk_50MHz),
//
.locked
);
[email protected](posedge clk_10MHz)
iDiv = iDiv + 1;
wire adc_eoc;
wire [11:0] adc_out;
wire adc_clk_out; // 1 MHz clock output from ADC
fiftyfivenm_adcblock_top_wrapper adc
(
//reset,
.chsel(9),
.soc(1),
.eoc(adc_eoc),
.dout(adc_out),
.usr_pwd(0),
.tsen(0),
.clkout_adccore(adc_clk_out),
.clkin_from_pll_c0(clk_10MHz)
);
87
ПРИЛОЖЕНИЕ B
(обязательное)
Листинг программы
#include <stdio.h>
#include <altera_up_sd_card_avalon_interface.h>
#include "system.h"
#include "sys/alt_irq.h"
#include "alt_types.h"
#include "io.h"
#include "sys/alt_sys_init.h"
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <math.h>
int main(void)
{
short int handler1;
long int memory_base;
unsigned long int Readed32;
printf("System starting up\n");
alt_up_sd_card_dev *device_reference = NULL;
int connected = 0;
device_reference
=
alt_up_sd_card_open_dev("/dev/Altera_UP_SD_Card_Avalon_Interface_0");
printf("1 \n");
if (device_reference != NULL)
{printf("2 \n");
while(1)
{printf("3 \n");
if ((connected == 0) && (alt_up_sd_card_is_Present()))
88
{printf("4 \n");
printf("Card connected.\n");
if (alt_up_sd_card_is_FAT16())
{printf("5 \n");
printf("FAT16 file system detected.\n");
break;
}
else
printf("Unknown file system.\n");
connected = 1;
}
else if ((connected == 1) && (alt_up_sd_card_is_Present() ==
false))
{
printf("Card disconnected.\n");
connected = 0;
}
//printf("polling, connected %d\n", connected);
}
}
printf("end1 \n");
unsigned long lll=0x66666666;
printf("end2 \n");
for (memory_base =0x0014B000 ; memory_base>0x00130000; memory_base=1)//
{
IOWR_32DIRECT(memory_base, 0,lll);
/*if (memory_base==0x0100000)
{
printf("%x \n", memory_base);
}*/
//printf("%x \n", memory_base);
89
}
printf("end22 \n");
for (memory_base =0x00130000 ; memory_base>0x00120000; memory_base=1)//
{
IOWR_32DIRECT(memory_base, 0,lll);
/*if (memory_base==0x0100000)
{
printf("%x \n", memory_base);
}*/
//printf("%x \n", memory_base);
}
printf("end222 \n");
for (memory_base =0x00120000 ; memory_base>0x00110000; memory_base=1)//
{
IOWR_32DIRECT(memory_base, 0,lll);
/*if (memory_base==0x0100000)
{
printf("%x \n", memory_base);
}*/
//printf("%x \n", memory_base);
}printf("end2222\n");
for (memory_base =0x00110000 ; memory_base>0x00100000; memory_base=1)//
{
IOWR_32DIRECT(memory_base, 0,lll);
/*if (memory_base==0x0100000)
{
90
printf("%x \n", memory_base);
}*/
//printf("%x \n", memory_base);
}
handler1 = alt_up_sd_card_fopen("out.txt", true);
alt_up_sd_card_write(handler1, cnt[i]);
alt_up_sd_card_fclose(handler1);
printf("end4 \n");
printf("end1 \n");
return(0);}
ИНФОРМАЦИОННО-ПОИСКОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ДОКУМЕНТА НА ЭЛЕКТРОННОМ НОСИТЕЛЕ
Наименование
группы атрибутов
атрибута
1. Описание
Обозначение документа
документа
(идентификатор(ы)
файла(ов))
Наименование документа
2. Даты и время
3. Создатели
4. Внешние
ссылки
5. Защита
6. Характеристики
содержания
Характеристики документа
на электронном носителе
\Презентация_ВКР_Калинин.
ppt
Демонстрационные плакаты
к выпускной
квалификационной работе
Класс документа
ЕСКД
Вид документа
Оригинал документа на
электронном носителе
Аннотация
Демонстрационный
материал, отображающий
основные этапы выполнения
выпускной
квалификационной работы
Использование документа Операционная система
Windows 10, Microsoft
PowerPoint 2010
Дата и время
20.06.2018
копирования документа
Дата создания документа 08.06.2018
Дата утверждения
22.06.2018
документа
Автор
Калинин П.В.
Изготовитель
Калинин П.В.
Ссылки на другие
Удостоверяющий лист
документы
№ 165173
Санкционирование
ОГУ имени И.С. Тургенева
Классификация защиты
По законодательству РФ
Объем информации
1352928 Б
документа
7. Структура
документа(ов)
Наименование плаката
(слайда) №1
Наименование плаката
(слайда) №2
Наименование плаката
(слайда) №3
Наименование плаката
(слайда) №4
Наименование плаката
(слайда) №5
Наименование плаката
(слайда) №6
Наименование плаката
(слайда) №7
Наименование плаката
(слайда) №8
Наименование плаката
(слайда) №9
Наименование плаката
(слайда) №10
Наименование плаката
(слайда) №11
Наименование плаката
(слайда) №12
Наименование плаката
(слайда) №13
Титульный лист
Области применения
программного обеспечения
информационноуправляющего блока
устройства регистрации
потока фотонов
Требования к
информационноуправляющему блоку
устройства регистрации
потока фотонов
Архитектура
информационноуправляющего блока
устройства регистрации
потока фотонов
Функциональная модель ПО
Состав программного
обеспечения информационноуправляющего блока
устройства регистрации
потока фотонов
Схема алгоритма
визуализации данных
Схема аппаратной основы
для подсистемы сохранения
данных
Схема алгоритма сохранения
данных
Схема алгоритма
тактирования
Схема алгоритма выделения
отраженного сигнала
Исследование
функционирования АЦП на
ПЛИС
Алгоритм выделения
отраженного сигнала
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа