Анисимов Ю.А., Вовк Н.Н., Вострецова В.В., Колыванов А.Н., Кошкин В.В., Смирнов М.К. Разработка электронной аппаратуры для атомной отрасли // 9 международная конференция "Полярное сияние 2006", г.Санкт-Петербург, 30 января-04 февраля 2006 г.

При разработке автоматизированных систем управления различными процессами, в том числе и в атомной отрасли, особенно актуальной является задача наглядного отображения состояния параметров системы, что позволит оператору контролировать процессы, протекающие в системе, и оперативно корректировать действия автоматики, при необходимости. Решение данной задачи в атомной энергетике и ВПК осложняется еще и тем, что к аппаратуре предъявляются более жесткие требования по стойкости к воздействию ионизирующего излучения, чем к бытовой аппаратуре. Очевидно, что при разработке приборов отображения информации для предприятий этих отраслей нужен специфический подход, особенностью которого является комплексный учет влияния ионизирующего излучения на электронные схемы.
Настоящий доклад посвящен проблемам разработки блока отображения информации (БОИ) устойчивого к воздействию ионизирующего излучения. И, первой из таких проблем, которая в дальнейшем, в значительной мере, определит уровень стойкости устройства в целом - является выбор элементной базы.
Рассмотрим подробнее выбор индикаторного прибора для БОИ, для чего проведем сравнительный анализ наиболее распространенных типов индикаторов. Жидкокристаллические индикаторы обладают рядом достоинств, к числу которых относятся: малая потребляемая мощность, низкое рабочее напряжение, удобное конструктивное исполнение и долговечность. Однако этот вид индикаторов имеет сравнительно низкое быстродействие и ограниченный угол обзора. Кроме этого, они работают в ограниченном диапазоне температур и не обладают сколь либо значимой стойкостью к воздействию специальных факторов. Важным преимуществом электролюминесцентных элементов является их малая толщина и компактность. Управляются они напряжениями свыше 50-100 В и имеют ряд недостатков: относительно небольшая яркость и контрастность, чувствительность к температуре и влажности окружающей среды, незначительная долговечность. Одной из важнейших особенностей полупроводниковых индикаторов является их совместимость по уровням управляющих сигналов с выходами цифровых интегральных микросхем. Кроме того, они долговечные, но их нельзя использовать в предельных режимах. Повышение температуры окружающей среды всегда ведет к ухудшению параметров и снижению надежности. Вакуумные накаливаемые индикаторы характеризуются высокой яркостью. Однако, как и любая лампа накаливания, вакуумный накаливаемый индикатор имеет малый К.П.Д. Газоразрядные индикаторы работают при высоком напряжении (сотни вольт) и применяются в основном в приборах, работающих от сети. К числу достоинств вакуумных люминесцентных индикаторов следует отнести: относительно низкие рабочие напряжения, высокую яркость и контрастность, небольшое потребление энергии, что позволяет использовать их в устройствах, питаемых от батарей. ВЛИ имеют и некоторые недостатки: сложность конструкции, требующей большого количества элементов управления, использование нескольких источников питания, в том числе отдельного источника питания переменного тока для питания нити накала индикатора [1]. Однако такие индикаторы, по сравнению с вышеперечисленными типами, имеют самую высокую стойкость к спецфакторам, что и сыграло решающую роль при выборе индикатора. Для универсальности выводимой информации целесообразно применить матричные индикаторы, позволяющие отображать любую цифровую, буквенную или символьную комбинацию знаков. В нашем случае больше всего подходят многоместные вакуумно-люминесцентные матричные индикаторы. Встроенное МПУ, на основе однокристальной ЭВМ, упрощает управление индикацией, значительно сокращает количество используемых деталей при проектировании и позволяет обеспечить оптимальный алгоритм работы устройства. В качестве центрального процессора в устройстве было решено использовать контроллер 1880ВЕ31У, относящийся к семейству МК х51, имеющий аналогичную систему команд, организацию портов и прерываний. Данный микропроцессор обладает достаточно высокой производительностью и самой хорошей стойкостью к воздействию спецфакторов среди отечественных микроконтроллеров семейства х51.
Для хранения управляющей программы микропроцессора и таблицы перекодировки символов применено ПЗУ 1623РТ2, которое имеет достаточную информационную емкость (8К х 8), высокое быстродействие и малый ток потребления. Для реализации остальных узлов применены микросхемы серии 1554ТБМ. Цифровые микросхемы этой серии разработаны на основе улучшенной КМОП-технологии с уменьшенными топологическими размерами полупроводниковых компонентов. Это позволило наряду с более высокой степенью интеграции получить электрические параметры, которые превосходят электрические параметры ранее разработанных микросхем малой и средней степени интеграции серий ТТЛ, ТТЛШ, КМОП. К достоинствам микросхем серии 1554ТБМ также можно отнести высокое быстродействие, помехоустойчивость, малую потребляемую мощность в статическом режиме, большой допустимый ток нагрузки, а также уровень стойкости к СВФ, соответствующий уровню 2У. Кроме подбора элементной базы были рассмотрены варианты реализации блоков структурной схемы устройства, которые наиболее чувствительны к воздействию спецфакторов. Особо чувствительными параметрами в большинстве случаев являются коэффициент передачи по току и напряжение насыщения коллектор эмиттер UКЭН у биполярных транзисторов. Таким образом, часть работы сводится к тому, чтобы рассчитать возможные критические режимы работы блоков устройства, выполненных на транзисторах, с учетом изменения данных параметров схемы после воздействия спецфакторов. Кроме того, был разработан алгоритм работы всего устройства в целом и управляющей программы микроконтроллера. Программа разрабатывалась на языке "Ассемблер МСА-51", а для отладки программы использовались программно-аппаратные средства "Phyton Project-51".
Разработанное устройство обладает следующими характеристиками:

  • возможность отображения буквенно-цифровой информации, а также спецсимволов;
  • ввод информации осуществляется по последовательному интерфейсу;
  • устройство имеет встроенное запоминающее устройство, позволяющее сохранять принятую информацию;
  • уровень устойчивости к воздействию специальных факторов не менее 2У;
  • высокий контраст выводимого изображения;
  • диапазон рабочих температур от -60oС до +85oС;
  • элементная база, используемая при разработке устройства, отечественного производства.
  • гальваническая развязка по управляющим и питающим цепям.

Данное устройство может быть использовано в качестве встраиваемого индикаторного блока в различные виды электронной аппаратуры (стационарной, переносной, носимой), используемой в атомной отрасли.

ЛИТЕРАТУРА:

  1. Алиев Т.М. и др. "Системы отображения информации", М.: Высшая школа, 1988.
  2. Индикаторы знакосинтезирующие. Руководство по применению ОСТ11339.016-82; "Электорнстандарт", 1983.