Мікропроцесорна система управління багатоканальним сквід-магнітометром

Мікропроцесорна система управління багатоканальним сквід-магнітометром, побудованого на основі надпровідникових квантових інтерфереційних детекторів (СКВІДів), що містить в собі модуль C2 1 3 74679 4 10 сигнальних каналів. Зі збільшенням кількості прототипу є те, що самій системі управління в каналів ускладнюється також і управління приланьому приділено мало уваги. дом в цілому. При цьому можливі два крайніх підДаний патент відноситься до управління багаходи стосовно управління, а саме - для кожного токанальними магнітокардіографами, побудоваканалу використовувати окремий мікропроцесор ними на основі СКВІДів. В основу даного винаходу (МП), або використовувати один МП для управлінпоставлена задача вдосконалення системи управня всім приладом. ління, в якій шляхом застосування нового обладПерший підхід реалізує повністю розподілену нання (тобто використання більшої кількості - 4-х однорідну систему керування. Такий підхід, наприМП), нових конструктивних (окремі мультиплексоклад, застосовано в приладі JESSY (фірма Supraри сигнального та референтного трактів та пульт con, м. Єна, Німеччина, www.supracon. de). Такий технічного контролю) та схемних (розподіл функпідхід є сенс застосовувати, коли вся електроніка цій управління між МП) рішень підвищується кероканалу зосереджена в одному місці (наприклад на ваність приладом, надійність функцій управління, зонді). Однак, електроніка має дві принципово різта зручність здійснення функцій управління операні частини: низькорівнева зондова електроніка та тором при роботі в умовах відсутності магнітного електроніка попередньої обробки сигналів. Недоекранування. лік такого підходу полягає в збільшенні вартості Новим у порівняні з методом-прототипом є те, багатоканальної системи та відсутності гнучкості що для реалізації зазначеного завдання пропонопри розробці різних приладів на основі магнітомевана система управління передбачає: трів. Наприклад, зміна цільового призначення 1) Застосування розподіленої системи управприладу (магнітокардіограф, магнітоенцелограф, ління, вбудованої в електроніку магнітометра, що біосасептометр) приведе до необхідності перепроскладається із: грамування всіх МП. - головного модуля керування, що забезпечує З іншого боку багатоканальні магнітометри загальне керування таконтроль технічними засомають два принципово різних набори каналів бами через сигнальні та референтні. Останні висувають свої - мультилексор вимірювальних каналів (MBK), специфічні вимоги як до СКВІД-магнітометрів, так і що концентрує сигнали зусіх 4-х сигнальних канадо електроніки попередньої обробки сигналів, а лів; отже - і до управління такими каанлами. Тобто - мультилексор референтних каналів (MPK), реалізувати повністю однорідну систему управлінщо концентрує сигнали з 3-хортого-нальних кананя, як правило, не має змоги. лів 3-компонентного референтного векторногомагДругий підхід - управління багатоканальним нітометра (PBM); магнітометром за допомогою одного МП - реалізує - пульт Технічного Контролю (ПТК) для точного повністю централізовану систему керування. Таналагодженнябагатоканального магнітометра в кий підхід, наприклад, застосовано в приладі ручному режимі без комп'ютератехнічним персоMCG-6073-G (фірма CRYOTON, м. Троїцьк, Росія, налом під час лабораторних (виробничих) тестуwww.cryoton.webzone.ru). Такий підхід є сенс завань та налагодження; стосовувати, коли вся електроніка каналу зосере2) Використання 4-х мікропроцесорів (МП) для джена в одному місці, а саме - в електронному забезпечення вказаного розподіленого управління; блоці біля персонального комп'ютера (ПК). Проте, 3) Використання цільового призначення вказавсю електроніку не можна перенести до ПК, бо них МП в такий спосіб: зондова електроніка, що забезпечує низькорівневі - 1-й (центральний) МП здійснює зв'язок із функції безпосереднього забезпечення роботи комп'ютером, управляєелектронікою попередньої СКВІДа (живлення, установлення робочої точки, обробки та керує іншими МП; первинна обробка вихідних сигналів, зворотній - 2-й МП контролює функціонування сигнальзв'язок та ін.) завжди знаходиться на зонді. них магнітометрів (МКГ-каналів); Недолік такого підходу також полягає в малій - 3-й МП контролює функціонування PBM (ренадійності, бо збій в роботі центрального МП приферентних каналів); зведе до виходу зі строю всієї багатоканальної - 4-й призначений для технічного налагодженсистеми. ня багатоканальногомагнітометра за допомогою Крім того, при збільшенні кількості каналів ПТК; значно ускладнюється програмування такого МП 4) Використання спеціальної процедури для та його тестування. проведення термоциклювання СКВІДів; В патенті "Method and device for measuring 5) Використання спеціального генератора для biomagnetic and in particular cardiomagnetic fields" формування керуючих характеристик СКВІДів. (WO0106907, V.Sosnitzky, F.Steinberg, SQUID AG, Above microprocessor-based system permits of Germany, 2001) та його аналозі "Apparatus and system operator to make all control functions in simmethod for measuring biomagnetic, especially cardiple automatic way. Claims of proposed invention conomagnetic, field uses superconducting quantum intersists in implementation of developed system with the ference device having current-voltage curve with hysaim of reliable operating of sensor at medical clinics teresis and operating in relaxation-oscillation mode" without the expensive magnetic shielding room. (DE10037519, SQUID AG, Germany, 2001), які тут Короткий опис ілюстрацій: Фіг.1 - Схема з'єдвзяті за прототип, детально описано конструкцію нання модулів системи мікропроцесорного управмагнітокардіографа, що має 4 сигнальних та З ління (МПУ) багатоканальним магнітометром. референтних канала, система управління якого Система реалізована для управління магнітореалізована на одному МП. Недоліком патентуметром, що має 4 сигнальних канали (канали 1, 2, 5 74679 6 3, 4) та 3-х канальний референтний векторний поступив до модуля по каналу RS232. Виконавши магнітометр (PBM - канали X, Y, Z.) і призначена команду (тобто перемкнувши виконуючий придля встановлення режимів роботи магнітометра, стрій), модуль повертає в канал код команди -ехоіндикації його стану, а також налагодження і технібайт. чного обслуговування. Система управління разом 2. Команда з параметром - це двобайтна коз програмами, які виконуються на ПК, автоматизує манда, де за байтом-кодом команди слідує байткерування магнітометром, звільнює оператора від параметр. Така команда переводить деякий викорутинної праці та зменшує час запуску магнітоменуючий пристрій в стан, що визначається параметра у роботу, збільшує надійність його роботи при тром. Такі команди використовуються для переміпроведенні вимірювань. Контролюються наступні щення движка потенціометра при заданні I0 і F0. параметри магнітометрів: Виконавши команду, модуль повертає в канал два - I0 - струм живлення, канали 1, 2, 3, 4. ехо-байта - код команди і параметр. - F0 - напруга зміщення, канали 1, 2, 3, 4, X, Y, 3. Команда, що запитує величину параметра Z. це однобайтна команда. Отримавши байт-код ко- Bias - струм живлення, канали X, Y, Z. манди, модуль видає байт-величину запитуваного - Gain - підсилення, канали 1, 2, 3, 4. параметра. - FeedBack - увімкнення-вимкнення зворотного Приведений опис команд та їх виконання визв'язку, канали 1, 2, 3, 4, X, Y, Z.. глядає так з боку каналу, який видає команду. Ни- Reset - сигнал збросу інтегратора, канали 1, жче для кожного блоку, що входить в систему, 2, 3, 4. дається список пристроїв, з якими він працює, пе- Heater - увімкнення-вимкнення підігріву релік команд, які він виконує, і опис цих команд. СКВІДа, канали 1, 2, 3, 4, X, Y, Z.. MPK виконує такі функції: - HeLM - вимірювання рівня гелію в кріостаті. 1. Включити-виключити зворотний зв'язок. Крім того, існує можливість побудови переда2. Встановити струм зміщення заданого канаточної характеристики для всих СКВІДів (режим лу. Adjust) та подачі імпульсів калібровки, канали 1, 2, 3. Встановити напругу зміщення заданого ка3, 4. Система складається із 4-х МП модулів: Муналу. льтиплексор вимірювальних каналів (MBK), Муль4. Згенерувати розгортку Adjust заданого катиплексор референсних каналів (MPK), мікропроналу. цесорного управління (МПУ) та пульт технічного 5. Виключити розгортку Adjust. контролю (ПТК). Схема об'єднання модулів між 6. Включити-виключити підігрівай референтсобою та іншими частинами електроніки показана них каналів. на Рис. 1. Призначення модулів наступне: модуль Функції MBK: MPK управляє PBM, модуль MBK -управляє МКГ 1. Подати-зняти сигнал Reset. каналами і транслює через себе команди MPK. 2. Включити-виключити зворотний зв'язок. Модуль МПУ розташований у Блоці Управління і 3. Встановити струм зміщення заданого канаОбробки (БУО) і є головним модулем управління, лу. що управляє магнітометром, а також зв'язує інші 4. Встановити частоту релаксаційних коливань модулі між собою і з ПК. Блок ПТК викорисв заданому каналі. товується при технічному обслуговуванні системи 5. Згенерувати розгортку Adjust заданого кав автономному режимі без ПК. При проведенні налу. вимірювань ПТК не використовується і може бути 6. Включити-виключити підігрівач заданого кавимкнений. MBK та MPK розміщені поблизу зондоналу. вих електронік (кріостату), БУО і ПТК - поблизу ПК 7. Включити і зчитати показання датчика рівня (оператора). гелію. Протокол обміну даними модулів з ПК і між 8. Виключити датчик рівня гелію. собою виконаний по стандарту RS232. Параметри 9. Транслювати команди в MPK і відповіді про інтерфейсу: швидкість 9600 бод, без контролю їх виконання. парності, довжина слова - 8 біт, 1 стоп біт. В сис10. Знаходити відсутність зв'язку з MPK і дотемі є пристрої вводу, елементи індикації і викоповідати про це по запиту в блок МЛУ. нуючі пристрої. Пристрої вводу - це кнопки, натисФункції, що виконуються модулем МПУ. ком яких оператор вводить команди для зміни 1. Встановити коефіцієнт підсилення в задастану магнітометра. Елементи індикації - це світному каналі. лові та звукові індикатори, які інформують опера2. Включити-виключити ФНЧ заданого каналу. тора про стан магнітометра. Виконуючі пристрої 3. Включити-виключити режим калібровки. це електронні елементи (перемикачі, потенціомет4. Забезпечити процедуру відігріву СКВІДу зари і т.п.), зміна стану яких призводить до зміну даного каналу. стану магнітометра. Команди для зміну стану маг5. Запям'ятувати значення струмів зміщення, нітометра надходять також і від ПК. По будові та частоти, коефіцієнтів підсилення і видавати їх по способу виконання можна виділити три типи козапиту ПК. манд: 6. Транслювати команди в MBK і відповіді про 1. Команда без параметрів - переводить деїх виконання. який виконуючий пристрій в деякий фіксований 7. Знаходити відсутність зв'язку з MBK і допостан (наприклад, вмикає або вимикає). Який виковісти про це по запиту ПК. нуючий пристрій і в який стан перевести - визнача8. Видавати інформацію про стан системи по ється кодом команди. Код команди - це байт, який запиту ПТК. 7 74679 8 Функції ПТК RS232. Крім того, окремі функції керування, такі як 1. При вході в режим "управління від пульту" вимикання ФНЧ каналів МКГ, включення режиму опросити стан системи. калібровки доступні лише технічному персоналу з 2. Відображати стан системи засобами індикаПТК, що виключає помилкові дії оператора систеції, наявними на Пульті. ми. 3. Перетворювати нажим кнопок оператором в Мультиплексор референсних каналів (MPK) команди і посилати їх в БУО. складається з трьох ідентичних каналів X, Y та Z, 4. Відображати зміни засобами індикації, наядо яких підключається зондова електроніка PBM. вної на Пульті. Сенсорами магнітного поля в PBM є СВКІДи посМодуль МПУ призначений для обміну цифротійного струму (ПС). MPK задає струм зміщення та вою інформацією і сигналами управління між ПК, напругу зміщення інтеграто-ра, яка визначає робоогранами керування, індикації і контролю модулів чу точку на керуючій характеристиці ПС СКВІДу. БУО, ПТК та обома Мультиплексорами. Основою Це забезпечують джерела струму і напруги зміблока є центральний МП (ЦМП), який з одного щення, побудовані на базі цифрових потенціометбоку зв'язаний через СОМ-порт з ПК, а з іншого рів та операційних підсилювачів. Стабільність робоку через канал RS232 - з мікропроцесорами бочих параметрів ПТ СКВІДу забезпечує MPK, MBK, та ПТК. Власні порти ЦМП використостабілізатор напруги. Замикання ланцюга негативвуються для зв'язку з БУО (Блоки МКГ1-МКГ4 та ного зворотнього зв'язку (НЗЗ) СКВІДPBM). Конструкція та підключення аналогічні інмагнітометра здійснюється електронним ключем шим модулям БУО. На передній панелі розташосхеми включення 33. МП по командам оператора вані кнопка та світлодіодний дисплей, призначекерує джерелами струму і напруги зміщення та ний для відображення інформації про рівень гелію. включенням НЗЗ. Крім того, МП включає генераТехнічні дані цього модуля. тор тестуючого сигнала, який формує вольт1 M30624FGAFP (Mitsubiпотокову харак-теристику ПТ СКВІДа при налагоТип мікропроцесора shi) дженні відповідного референсного каналу. 2 Тактова частота 16МГц Спільним для PBM є пристрій термоциклюван3 Тип ПЗП Flash ня СКВІДів на випадок захвату ними великого маг4 Об'єм ПЗП 256 K bytes нітного потоку. Алгоритм процедури термоциклю5 Об'єм ОЗП 20 K bytes вання закладено в програму МП, що забезпечує 6 Розрядність АЦП 10 bits X 8 channels плавне (ступінчате) зростання струму в нагрівачі, 7 Розрядність ЦАП 8 bits X 2 channels відігрівання та повернення струму зміщення до 8 Час виконання коман- 62.5 нc початкової величини. Він обмінюється Інформаціди єю з ЦМП через аналогічний МП 9 5 каналів (3 синхронних, MBK,використовуючи власний вбудований канал Послідовний ввід/вивід 2 асинхронних) RS232. Технічні дані мультиплексора референс10 Швидкість обміну по 9600 бод них каналів: каналу RS 232 1 Число каналів 3 11 Число градацій індика- 10 2 Діапазон задання струму 0 100 мкА тора зміщення 12 Напруги живлення +5V(D), ±9V(D) 3 Діапазон задання напруги 750 мВ 0 Модуль МПУ має два режими роботи: зміщення 1) OnLineMode. У цьому режимі модуль керу4 Підсилення вихідного сиг1 ється командами від ПК. Від модуля ПТК прийманалу ється тільки обмежений набір команд - перевірка 5 Струм нагрівача СКВІДів 100 мА стану магнітометра і команда, що переводить мо6 Частота генератора тесту- 4 Гц дуль в OffLineMode. ючого сигнала 2) OffLineMode. У цьому режимі модуль керу7 Напруги живлення ±12В, +5B ється командами від ПТК. 8 Тип мікропроцесора M30201F6FP Незалежно від режиму модуль реагує на нати(Mitsubishi) снення кнопок БУО. При включені живлення мо9 Тактова частота 16МГц дуль МПУ встановлюється у режим OnLine. Підк10 Тип ПЗП Flash (100 раз лючення ПТК при увімкненому живленні перезапис) переводить модуль МПУ в режим OffLine. I навпа11 Об'єм ПЗП 48 Кбайт ки, вимкнення ПТК переводить модуль МПУ в ре12 Об'єм ОЗП 2 Кбайт жим OnLine. Переключення режиму OnLine/OffLine 13 Час виконання команди 100 нс відбувається також і згідно команд від ПТК. 14 АЦП 10 біт х 8 канаПульт технічного контролю (ЛТК) виконано як лів окремий блок, який підключається через з'єднуваМультиплексор вимірювальних каналів (MBK) льний кабель до БУО. ПТК призначений для робопризначений для формування сигналів управління ти з магнітометром в автономному режимі без ПК зондовою електронікою МКГ каналів. Технічні дані: під час налагодження та обслуговування магніто1 Число каналів 4 кардіографа. Всі функції керування, такі як вми2 Діапазон задання струму 0 ± 85 мкА кання ФНЧ каналів МКГ, включення режиму калібзміщення ровки, виконуються в автономному режимі за 3 Діапазон задання напруги 100 мВ 4,25 В допомогою ПТК. Основою ПТК є МП, аналогічний зміщення такому в MPK, зв'язаний з ЦМП через канал 4 Підсилення вихідного сиг1 9 налу Струм нагрівача СКВІДів Частота генератора тестуючого сигнала Струм живлення датчика рівня гелію Напруги живлення Тип мікропроцесора 74679 10 таючого струму (ЛЗС) задається МП, який має два 5 30 мА канали RS232. По одному з них він обмінюється 6 4 Гц інформацією, а другий є каналом зв'язку. Оскільки МП має цифрову та аналогову "землі", пристрій 7 40 мА оптронної розв'язки відокремлює їх. Таким чином, запропонована в даному вина8 ±15 В, +8 В, +5 В ході система управління становить суттєвий роз9 аналогічний виток процесу керування багатоканальним магніMPK тометром. До переваг даної системи слід віднести MBK складається з 4-х ідентичних каналів гнучкість при модернізації технічних або програмМКГ1 - МКГ4, до яких підключаються відповідні них засобів. Наприклад, при зміні цільового приззондові електроніки. Керує роботою мультиплекначення магнітометра (магнітокардіограф, магнісора власний мікропроцесор. Розглянемо роботу тоенцефалограф), що призведе до модернізації мультиплексора на прикладі каналу MKГl. Для електроніки обробки та програмного забезпеченроботи СКВІД - магнітометра потрібно задати неня, необхідно перепрограму-вати тільки ЦМП, при обхідні струм зміщення та напругу зміщеня інтегмодернізації сигнальних магнітометрів - тільки МП ратора, яка визначає робочу точку на керуючій в MBK, при модернізації PBM - необхідно модерніхарактеристиці СКВІДу. У вимірювальних каналах зувати програму в MPK. Необхідність ввести нові застосовані імпульсно-релаксаційні магнітометри функції налагодження та обслуговування для пот(IPM), керуючою характеристикою яких є залежреб інженерного персоналу приведе до зміни проність частоти релаксаційних коливань (PK) від маграми в ПТК. Дана системакерування орієнтована гнітного потоку знаступним перетворенням частона використання в порівняно дешевих малоканати в напругу. Тому заданій напрузі зміщення льних магнітокардіографах які не потребують магвідповідає певна частота PK. Робочі параметри PK нітного екранування. СКВІДа забезпечують джерела струму і напруги Конкретна реалізація системи у винаході дезміщення, побудовані на базі цифрових потенціотально описана з метою ілюстрації. Зрозуміло, що метрів. Стабільність робочих параметрів СКВІДа на практиці, люди, досвідчені в СКВІД-технології забезпечує стабілізатор напруги. Замикання ланта розробці систем керування з викорис-танням цюга ЗЗ PK СКВІДу здійснюється електронним мікропроцесорів, можуть внести деякі зміни і моключем схеми включення ЗЗ. МП по командам дифікації, наприклад - величини і типи електроноператора керує джерелами струму і напруги зміних компонентів, розташування і розміри різних щення та включенням ЗЗ. Кожний MKГ канал має частин системи та функції її окремих елементів, власний пристрій термоциклювання СКВІДів на використання такої системи для керування магнівипадок захвату магнітного потоку. Алгоритм тертометром, що має іншу (ніж 4 сигнальні та 3 рефемоциклювання, закладений в програму МП, забезрентних) кількість каналів, магнітометрів, що запечує плавне (ступінчате) зростання струму в настосовуються не для вимірювання магнітного поля грівачі, відігрівання СКВІДу та повернення струму серця (магнітокардіографів), що побудовані на зміщення до початкової величини. інших типах СКВІДів, у тому числі і таких, що праГенератор тестуючого сигнала, потрібний для цюють в рідкому азоті і т.п. Проте, якщо ці різні формування герц-потокової характеристики PK модифікації зроблені без суттєвих відхилень від СКВІДу при налагодженні каналу, є спільним для даного винаходу, вони підпадають під дію цього всіх 4-х каналів. Частота генератора лінійно зросвинаходу. 11 Комп’ютерна верстка М. Клюкін 74679 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601