Система регистрации спектров МОРС-4 c микрокомпьютером Raspberry PI 3 Model B

Сфера применений систем регистрации спектров (СРС) типа МОРС [1] постоянно расширяется. Например, необходимо решать задачи дистанционного использования таких систем, связанных со спецификой тех или иных измерений, в частности, измерение поверхностных механических напряжений компонентов авиационных устройств в полевых условиях [2, 3]. Для некоторых измерений требуется СРС с малой длительностью кадра экспозиции (4–10 мс) и возможностью регистрировать несколько десятков тысяч последовательных кадров экспозиции.

В настоящей работе приводится описание разработанной нами системы регистрации МОРС-4 (с возможностью использовать до 4 датчиков на линейных ПЗС) с микрокомпьютером (МК) типа Raspberry Pi 3 Model B. Это недорогое устройство с достаточно широким набором входов и выходов для подключения различных устройств. Прибор МК-МОРС-4 разрабатывался по специальному техническому заданию: работа с ПЗС без стекла (рентгеновский диапазон излучения), работа с аккумулятором (без подключения к сети), перенос информации в базовый компьютер с помощью типового флеш-накопителя.

ОПИСАНИЕ БЛОК–СХЕМЫ ПРИБОРА

Блок–схема прибора МК-МОРС-4 приведена на рис. 1. Электроника управления ПЗС, микро-

б

Рис. 1. .Блок-схема прибора МК-МОРС-4 и вид его

лицевой панели.

а — блок-схема прибора с его основными компонентами: МК, электроника управления ПЗС типа МОРС-4, аккумуляторная сборка Li-Ion (2200 mAh, 12 V); б — лицевая панель прибора с тремя индикационными светодиодами 1, 2, 3 разного цвета, гнездом зарядки аккумулятора "Зарядка", тумблером отключения аккумулятора от электроники, выходами ПЗС1 и ПЗС2 для подключения ПЗС компьютер и платы управления индикацией расположены в стандартном корпусе типа G0347. Датчик с платой ПЗС располагается в специальном блоке вместе с исследуемым объектом и соединяется кабелем длиной в 10 см с разъемом "ПЗС1" на корпусе прибора. Для подзарядки аккумулятора используется типовое устройство зарядки для Li-Ion аккумуляторов. Индикаторный синий светодиод (3) указывает на наличие нормального уровня заряда аккумулятора. Аккумулятор обеспечивает не менее 3 часов непрерывной работы МК-МОРС-1. К одному из 4 USB-разъемов МК — гнезду USB-Ф подключается типовой флеш-накопитель. Второй выход МК USB-А через короткий внешний кабель и разъем USB-B используется для связи МК и платы управления ПЗС (рис. 1, а). Разъем USB-B может использоваться также для режима управления ПЗС непосредственно от компьютера и настройки платы управления ПЗС.

На лицевой панели расположены еще два индикаторных светодиода красного (2) и зеленого (1) света, которые позволяют провести оценки: сбоя МК; проведение рабочей экспозиции; нормальное завершение цикла работы.

Цикл работы заключается в следующем. В основном компьютере в определенном формате записывается задание на единичную экспозицию (длительность накопления и считывания цикла работы ПЗС, количество циклов ПЗС). После установки в разъем USB-Ф флеш-накопителя происходит считывание этой информации МК. Далее МК начинает управлять работой ПЗС в соответствии с заданием, а после завершения экспозиции информация также в определенном формате записывается на флеш-накопитель. Далее флеш-накопитель переносится в типовой компьютер, где происходит обработка полученных данных. В данной конкретной модификации МК-МОРС-4 спектр записывался в режиме "Серия", т. е. без суммирования циклов накопления. Специальная программа обработки кадров серии выделяет нужную группу кадров. Прибор является современной версией мобильного прибора, описанного в работах [2, 3].

ВЫБОР ТИПА МК

На микрокомпьютере Raspberry Pi 3 Model B установлен 4-ядерный процессор ARMv8, работающий на частоте 1.2 ГГц, что обеспечивает более чем достаточную для получения данных производительность. Микрокомпьютер имеет 1 Гб оперативной памяти, в качестве жесткого диска используется microSD-карта памяти. При использовании операционной системы Ubuntu Mate для программ пользователя доступно около 700 Мб оперативной памяти, что позволяет хранить не менее 35 000 кадров со спектрами с одного линейного ПЗС (в данном случае кадр с одного ПЗС представлен 3694 16-битными значениями). Дистрибутив Ubuntu Mate был выбран как один из самых распространенных дистрибутивов системы Linux из предлагаемых производителем МК Raspberry, готовых к установке на данный МК. Наличие USB-входов, сетевых интерфейсов и HDMI-выхода на стандартный монитор позволяет использовать МК как обычный компьютер, в то же время использование мыши, клавиатуры и монитора для конкретной модификации МК-МОРС-1 необязательно. При подключении монитора можно оперативно установить причину сбоя в МК. Помимо стандартных компьютерных интерфейсов данный микрокомпьютер имеет 28 выводов общего назначения, которые можно конфигурировать для получения или отправки сигналов. Именно к этим выводам подключена электроника управления индикаторными светодиодами. Электроника управления ПЗС данного прибора позволяет при необходимости подключить еще не менее трех датчиков на ПЗС. Связь МК и электроники управления ПЗС осуществляется через контроллер Cypress CY7C68013A.

ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ ПРОГРАММЫ МК

• 1.    Программа МК реагирует на подключение в разъемы USB МК регистратора МОРС-4 и флеш-накопителя с заданием. Обнаружив подключенный через микроконтроллер CY7C68013A регистратор, программа загружает в микроконтроллер микропрограмму (если она еще не загружена), и регистратор готов к работе по заданию. Обнаружив флеш-накопитель, программа его подключает и считывает задание, а по окончании работы отключает для обеспечения возможности его безопасного извлечения.

• 2.    После завершения получения данных программа записывает их на флеш-накопитель для дальнейшей обработки.

• 3.    Программа работает с выводами общего назначения МК для индикации режима работы путем включения и выключения индикаторных светодиодов.

• 4.    После завершения работы программа автоматически выключает МК.

• 5.    Для манипуляций с флеш-накопителем и для выключения МК программе были даны на это права в настроечных файлах системы. Для обеспечения взаимодействия операционной системы (Ubuntu) с программой в стандартных системных папках были размещены специальные скрипты, которые вызываются системой при подключении к USB-входам/ выходам МК целевых устройств. В данных скриптах содержатся команды поиска

  

  Рис. 2. Вид сигнала в спектральном окне программного обеспечения регистратора МОРС-4 при измерении механических напряжений.

  Сигнал регистрируется в каналах ПЗС с 645 по 665

  
  

• 6.    В случае возникновения ошибок программа записывает на флеш-накопитель файл с описанием ошибки (если не возникло ошибки при обращении к флеш-накопителю), одновременно индицируя ошибку с помощью индикаторного светодиода.

уже запущенной программы и обращения к ней (программа запускается автоматически сразу после загрузки системы). Таким образом, программа в составе прибора требует от пользователя минимума действий: подключить флеш-накопитель с заданием; включить прибор; дождаться завершения работы; извлечь флеш-накопитель.

ОСНОВНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИБОРА И ПРИМЕР ПРИМЕНЕНИЯ

Прибор использовался для неразрушающего экспресс-анализа остаточных и рабочих поверхностных напряжений в авиационных деталях. Компоненты прибора (излучатель, методика и конструкция) подробно описаны в работе [2]. В качестве излучающего элемента использован радионуклид Fe-55 с энергией рентгеновских квантов 5.89

и 6.45 кэВ. Для их регистрации в ПЗС типа 1304DG удаляют стекло. Типовой сигнал от МОРС-4, полученный с одного датчика при измерении механических напряжений по отраженному рентгеновскому излучению, приведен на рис. 2.

Шумы в пикселях ПЗС (в которых не регистрируется сигнал) позволяют вычислить среднеквадратичное отклонение (СКО) шума и выбрать уровень дискриминации, относительно которого и измеряется рабочий сигнал. В диапазоне длительности цикла накопления и считывания ПЗС ( Т ц ), равном 40–200 мс, шумы ПЗС практически неизменны. Для повышения точности рекомендуется в начале цикла измерений производить контроль шумовой характеристики ПЗС. Типовое значение 5 СКО шума лежит в пределах 15–20 отсчетов АЦП электроники МОРС-4.

Обработка сигналов с флеш-накопителя (в форме dat-файла) осуществляется специализированной программой в основном компьютере. Типовые спектры от детали с нормальным остаточным напряжением (МОо) и с напряженными состояниями МО+ (сжатие) и МО- (растяжение) представлены

АЦП

4095-

Рис. 3. Амплитудные распределения сигналов от деталей с нормальным остаточным напряжением (МОо) и с напряженными состояниями: МО⁺ (сжатие) и МО^- (растяжение)

на рис. 3. На начальном этапе подпрограмма обработки серии кадров выделяет и суммирует "рабочие кадры" серии. Каждое из распределений на рис. 3 — это обработанный сигнал серии из 20–50 кадров. Основной характеристикой такого сигнала является математическое ожидание (МО) некоего пространственного распределения отклика выше уровня дискриминации, т. е. центр тяжести распределения, определяемый с точностью до 0.1 пикселя. При программируемом уровне величины с/ш (равном, например, 5) программа обрабатывает шум, задает уровень дискриминации, выделяет из серии кадры, содержащие сигнал, превышающий уровень дискриминации, и суммирует такие кадры. Затем определяет параметр МО распределения. На рис. 3 приведен суммированный уровень дискриминации.

По значению МО в специализированной программе [2, 3] определяется угол дифракции облучения, величина его отклонения от нормального МОо (определяемого при отсутствии поверхностных механических напряжений в контролируемом объекте). Далее вычисляется величина и направление остаточных или рабочих поверхностных напряжений. На практике измеренное положение МО+ или МО- может отличаться от нейтрального положения МОо на величину до двух угловых градусов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Прибор типа МК-МОРС-4 может быть использован для дистанционных измерений спектров в диапазоне 200–1000 нм и в определенном рентгеновском диапазоне в труднодоступных или опасных для присутствия пользователя местах. Продемонстрированы результаты работы прибора при измерении механических напряжений по отраженному рентгеновскому сигналу от излучателя типа радионуклид Fe-55. Созданный прибор может работать с количеством линеек ПЗС от 1 до 4, но могут быть созданы модификации прибора с количеством линеек ПЗС до 24. Также возможна модификация прибора с управлением и обменом данными по компьютерной сети (по кабелю Ethernet) или по WiFi.