Разработка и применение компьютеризированных приборов для проведения комплексных исследований спектральными методами

• Автор: Сорокин, Алексей Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Барнаул
• Количество страниц: 185 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Перечень сокращений

Введение

Глава 1. Анализ современного состояния и тенденций развития

измерительных систем для научных исследований

1.1 Измерительные системы: принципы, интерфейсы, структуры

1.2 Эволюция функций средств измерений

1.3 Измерительное программное обеспечение

1.4 Особенности построения аналитических систем для научных исследований

1.5 Выбор и обоснование направления работы

Глава 2. Построение модели многопоточной измерительной системы

2.1 Обоснование выбора структуры системных средств
2.2 Разработка программной модели типовых измерительных задач сканирующей спектроскопии
2.3 Построение измерительного эксперимента агрегатированием
типовых задач
Глава 3. Разработка базовых компонент компьютерных приборов
3.1 Контроллер управления аналитическим оборудованием и сбора данных
3.2 Многопоточная операционная система реального времени
3.3 Средства планирования и управления измерительным экспериментом
Глава 4. Многофункциональные приборы аналитического контроля
4.1 Универсальный спектрофотометр видимого и УФ- диапазона
4.2 Спектральные установки для исследования свойств поверхности
4.3 Измерительная система для термодесорбционных исследований
4.4 Комплекс для исследования каталитических систем
Выводы
Библиографический список использованной литературы
Приложения

Список используемых сокращений:
АЦП - аналого-цифровой преобразователь;
ИВК - измерительно-вычислительный комплекс;
ИИС - информационно-измерительная система;
ИнИС - интеллектуальная измерительная система;
ИС - измерительная система;
КСД - контроллер сбора данных;
МС - масс-спектрометрия;
ОЗУ - оперативное запоминающее устройство;
ОС - операционная система;
ОС РВ - операционная система реального времени;
ПО - программное обеспечение;
РМВ - реальный масштаб времени;
РФЭС - рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия; СИ - средство измерений;
ТПД - температурно-программируемая десорбция;
ТПР - температурно-программируемая реакция;
ФСП - функционально-структурный подход;
ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь;
ШИМ - широтно-импульсная модуляция:
ОМА - прямой доступ к памяти;
РС - персональный компьютер;
8Р1 - синхронный периферийный интерфейс;
ТС11 - блок управления задачей;
Т Ргт - таблица параметров VI - виртуальный прибор.
"у..;., у
Введение
В последние годы во всех естественнонаучных дисциплинах наметилась тенденция перехода от изучения отдельных свойств модельных объектов и систем к всестороннему анализу реальных процессов в естественных условиях их протекания (in situ). Такая трансформация объектов и условий исследований необходимым образом сопровождается развитием методической и инструментальной базы научного эксперимента, в том числе изменением ее структуры в сторону возрастания доли многофункциональных измерительных средств и систем. Повышение информативности научного эксперимента при этом достигается организацией совместных измерений набором аналитических методов (как правило, спектральных) с расширением числа и разнообразия типов измерительных каналов, улучшением их динамических и метрологических характеристик.
Актуальность проблемы.
Указанные тенденции иллюстрируются приведенными ниже графиками, описывающими рост числа публикаций в отдельных областях науки (рис.1), традиционно связанных с применением физических методов анализа поверхности (рис.2). Информация для графиков получена автором посредством выборки числа работ по ключевым словам из двух баз данных («Current Contents / Engineering, Technology and Applied Sciences» и «Current Contents / Physical, Chemical and Earth Sciences»). Использованные базы данных содержат краткое описание научных сообщений, которые были опубликованы в ведущих научных журналах мира и переведенных на английский язык отечественных научных периодических изданиях.
Наблюдается скачок числа публикаций в 1996-1997 гг., особенно проявившийся в сфере исследования свойств материалов, где применение физического эксперимента всегда было востребовано наиболее широко. Вероятно, этим же фактором объясняется и его опережение по сравнению с другими разделами естественных наук. Вместе с тем, отсутствие выраженного «феномена 1996 года» на рис.2 не позволяет непосредственно связать его с какими-либо изменениями структуры аналитических методов исследования свойств материалов и их поверхности. Здесь отмечаются тенденции в сторону возрастания доли наиболее информативных методов изучения структуры и

«карманных» компьютеров [97]). Так, в работе [98] среди основных причин, мешающих широкому внедрению Windows NT в качестве ОС РВ, указаны следующие: время отклика системы не менее 1-5 мс; большой размер конечной системы (около 150 Мбайт); невозможность работы без жесткого диска (для встраиваемых приложений); большое время загрузки ПО. Там же описаны попытки фирмы VenturCom Inc. по преодолению указанных недостатков использованием специального интерфейса для разработки приложений реального времени - RTAPI (Real Time Application Program Interface). Частично решая проблемы организации вычислительного процесса в режиме РМВ (планирование системы фиксированных приоритетов, реализация механизма взаимодействия между процессами, управление прерываниями), данный подход не обеспечивает всех функций ОС РВ. Другая альтернатива предлагается фирмой Quantum Software Systems Ltd. - полная замена ОС персонального компьютера на ОС РВ [93]. Высокопроизводительная сетевая операционная система QNX поддерживает несколько стратегий планирования и в разных версиях имеет возможность установки на PC. Известны также попытки использования других систем (например, OS/2 - [99]) для решения на персональных компьютерах задач «мягкого» реального времени. Оба эти подхода оставляют нерешенной проблему использования многочисленного ПО, работающего в среде операционных систем Windows’xx, в том числе универсальных и специализированных пакетов обработки данных.
Регламентируя правила создания сложных программных комплексов, принцип структурного программирования, тем не менее, не реализует в полной мере всех возможностей модульного принципа в их синтезе (как агрегатирование аппаратуры). Так, автор [95] указывает на следующие его недостатки: трудоемкость внесения изменений, ограничения при компоновке систем из готовых модулей, проблемы переноса на другие платформы. Альтернативный подход состоит в использовании технологий объектно-ориентированного программирования, основанного не на декомпозиции функций, а на декомпозиции объектов. При этом под объектом понимают «...самодостаточный программный модуль, который обладает закрытыми данными и общедоступным интерфейсом ...и создается для выполнения определенного набора функций» [100]. Отличие состоит в степени автономности выполнения необходимых действий элементом разбиения - объект может быть создан для выполнения некоторой функции, а затем уничтожен. Другое отличие * объектно-