автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.10, диссертация на тему:Создание средств управления микропроцессорных приборов для радиационных измерений на космических аппаратах

РГ6 од

, МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 13У0 по АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ

НАУЧНО-ИНЖЕНЕРНЫЙ ЦЕНТР «СНИИП»

На правах рукописи

Чёркашнн Игорь Иванович

УДК 551.521.6

СОЗДАНИЕ СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ ПРИБОРОВ . ДЛЯ РАДИАЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ НА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ

Специальность: 05.11.10—приборы для измерения ионизирующих излучений

и рентгеновские приборы ~

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученом степени кандидата-технических наук (в форме научного доклада) „ ,

Научный руководитель доктор технических наук, - ■

профессор Хазанов Б. И,

М О с к в а - I9 9 2

Министерство РФ по атомной энергии Научно - инженерный центр "СНИИП"

На правах рукописи

Черкашин Игорь Иванович

УДК 551.521.6

СОЗДАНИЕ СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ ПРИБОРОВ ДЛЯ РАДИАЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ НА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ

:ль--:0сть : 05.11.10 - приборы для

излучений и рентгеновские пр:*/. гь

сс-г.'гыг/.ч на соискание ученой степени кандидата -:< хь;:»с наук в форме научного доклада

руководитель

профессор Хазанов Б.И.

Москва - 1992

Работа выполнена в Научно-инженерном центре "СНИИП" Министерства РФ по атомной энергии

Официальные оппоненты: доктор техн. наук, профессор, гл.н.с.

Курочкин С.С. (НИЦ "СНИИП"), кандидат физ.-мат. наук, с.н.с.

Тимофеев Г.А. (НИИЯФ МГУ) Ведущая организация: Институт космических исследований РАН

Защита состоится "_"_ 1992 года в _ часов на

заседании Специализированного ученого совета Д034.09.01 в Научно-инженерном центре "СНИИП" , в зале НТС Института по адресу:

123060 г.Москва, ул.Расплетина, д.5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЦ "СНИИП".

Диссертация разослана "22. 03 1992 г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат физ.-мат. наук

Днепровский И.С.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Изучение и освоение космического пространства стали одними из ведущих направлений современной науки и техники. Это обусловило появление специфичной области приборостроения - космического приборостроения, и, в частности, построения аппаратуры для измерения в космическом пространстве ионизирующих излучений (корпускулярного и электромагнитного). Специфика измерений, выполняемых на космических аппаратах, состоит как в своеобразии характеристик излучения (объекта измерений), так и в ограничениях габаритов аппаратуры, ее массы, потребляемой мощности, ограничении объема информации, передаваемой с аппарата на Землю, необходимости высокой надежности аппаратуры, работающей, как правило, несколько лет без возможности доступа к ней, прочности при радиационных и ме-еханических воздействиях, вояшышетк работы в глубоко!-' вакууме

Ъь последние годы аппаратура. применяемая для космических иссле-дсвйнкй , претерпела значите.;..:;;-- нения . Существенно увеличилась информативность приборов, измеряющих нередко кнегог.гр&пг-тровые распределения частиц, выявлявших корреляционные связи ме»ду измененный'. плотностей потоков части» и квантов различных энергий, вида, направленности и т д. "уу о< у ни.у все 6елсч.- ;:.•/.; :.уу: внедрение в аппаратуру средств микропроцессорной техники и построение приборов и комплексов, содержащих специализированные бортовые микроЭВМ (контр .дЛ'..;'ц), с помочь» к: торг.- ууу. -я ууиатъ укп'-анн.у уме задачи

упнт применения микропроцессорной техники показывает, что ее эф-фекаквность в большой с. лкется програм'.уым'п и аппаратными

средствами, осуществляющими управление аппаратурой. Поэтому разработка средств управления микропроцессорных приборов для измерения ионизирующих излучений в космическом пространстве устройств является одной из ключевых задач в развитии космического приборостроения.

Цель работы. Таким образом целью настоящей работы является создание комплекса специализированных средств управления микропроцессорных приборов для радиационных измерений на космических аппаратах, обеспечивающих специфические функции этих приборов и отвечающие существующим для этих приборов ограничениям, перечисленным выше.

Новизна работы состоит в разработке структуры и состава средств управления микропроцессорных приборов для радиационных измерений и пакетов управляющих программ, конкретных средств повышения работоспособности этих приборов и создании ряда практических методов свертки и выборки наиболее представительных данных и адаптивного управления режимами работы.

Научная и практическая ценность работы состоит в выработке рекомендаций по построению программно-управляемой аппаратуры для космических исследований и реализация этих рекомендаций в ряде практических разработок достаточно сложных спектрометрических приборов и комплексов.

2. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ АППАРАТУРЫ

Создание средств управления микропроцессорных приборов для космических исследованийрпределяетсяется как специфическими задачами, вкючающими в себя возможность изменения режимов работы в ходе полета, свертку данных, выделение смысловой информации, обеспечение достоверности измерений, так и существенными особенностями самой аппаратуры, размещаемой на космических аппаратах, такими как ограни чение массы, габаритов и потребляемой мощности, необходимостью имет значительную радиационную и механическую прочность, длительностью (до нескольких лет) работы без ремонта. С учетом вышеперечисленных ограничений был проведен анализ возможных путей выполнения программно-управляемых приборов и комплексов [ 1 ].

Структура и состав приборов. Проведенное рассмотрение показало,

что аппаратуру целесообразно выполнять основываясь на магистральном интерфейсе и вводя в. ее состав управляюще-вычислитсльнос устройство (УВУ) на базе микропроцессорного контроллера, включающего в себя макропроцессор, программную и оперативную память и средства защиты от сбоев, а также устройства связи с телеметрической системой (ТМС) и служебными бортовыми системами (например командно -релейной линией (КРЛ), системой бортового времени ¡1 т.п.) и устройства управления узлами детектирования и накопления [ 1 ].

Проработка схемотехнических решений всех устройств (за исключением упрвляюще-вычислительного) с учетом вышеперечисленных требований и ограничений показала оправданность их построения как периферийных программно-управляемых микропроцессорных контроллеров { 2 ].

Одним из наиболее важных элементов средств управления является

программно;; телей п.а маг-яеман мощность.

; ;: привело к м:.ми перемыч

программная память. Рассмотрение различных устрой'. памяти показало невозможность иеппльзсБания ни г:а. шп пых носителях (значительные вес, габариты, ¡¡. :: Ш'.гкгя прочность) , ни микросхем памяти - ультра-:;'. (высокая вероятность отказов при н -здействкк рад;:; необходимости применения микросхем памяти с перс-*; ками. В силу значительной, с точки зрения требований к бортовой

способы ее уменьшения, один из которых заключался в перезаписи содержимого программной памяти в малопотребляющее оперативное запоми-паь:..ео у;:р и с: но с последую:.;;:" .'ь п,:ем пр : памяти г-

цепей питания [ 3 ], а другой - г- импульсном ни.:- ь .пи питания ми к; снеп питания в момент обращение к .-:нм мпнропрор.' - '

Организация взаимодействия компонентов. Проведенный анализ возможных вариантов взаимодействия компонентов аппаратуры показал важность ограничения времени связи УВУ с остальным;: устройствами, учитывая стремление из-за ограничений потребляемой мощности снизит;

до разумных пределов тактовую частоту работы микропроцессора этого устройства. В этом случае максимальная доля времени работы микропроцессора освобождается для выполнения обработки данных(выполнения вычислений, анализа полученных данных и т.п.). Лишь при весьма значительных объемах таких операций в состав аппаратуры пришлось вводить автономный вычислитель, подключенный к магистральному интерфейсу [ 4 ).

Была признана предпочтительной такая организация работы устройств, при которой периодически (через некоторый интервал времени Т, составляющий относительно небольшую долю экспозиции измере-рений и, по крайней мере, не превосходящий минимально возможную экспозицию) УВУ пересылает данные из буферных накопителей, связанны) с детекторами излучений, в ОЗУ.

Интервал времени, за который осуществляется связь УВУ с устройством связи с ТМС, также выбирается минимальным.По сигналу прерываш при освобождении буферной памяти УВУ пересылает очередной подготовленный кадр в это устройство связи .

Проведенные оценки среднестатистического времени появления событий показали,что прямая пересылка данных из детектирующего устройства в ОЗУ по сигналу прерывания без буферизаций, либо с хранением данных (например кода амплитуды сигнала и времени события) в буфере небольшого объема целесообразны при относительно малой частоте событий (не более нескольких имп/с) [ 5 ].

При таком построении аппаратуры экспозиции измерений определялись кратными значению временного интервала Т.

По выбранной структуре были выполнены комплексы СКА-1, СКА-2, СКА-3 (с некоторыми отклонениями), спектрометры ССРГ, СЭМН (полностью) . 8 них была реализована указанная выше организация управления .

3. СВЕРТКА,ВЫБОРКА ДАННЫХ И ВЫДЕЛЕНИЕ СОБЫТИЙ

Одно из важных ограничен;'.;': г объеме выводимых данных возникает из-за относительно небольшой емкости устройства, осуществляющего промежуточное хранение информации на космических аппаратах (КА). Ти~

г

личное значение оъема данных, выводимых за сутки, составляет порядка 10 Мбайт для ИСЗ и на 1-2 порядка меньше для дальних НА. В то же время объем первичной информации, которая может быть получена в современных приборах, доходит до 100 Мбайт или даже превосходит это ?начение.

Значительное повышение эффективности аппаратуры, учитывая ограничения квоты информации, передаваемой по телеметрическому каналу связи, удалось достичь за счет использования адаптивной техники -автоматического изменения режима работы приборов при изменении характеристики объекта измерения. Особенно эффективной оказалась эта техника для приборов, определяющих сложные мнегопараметровые распределения. Приемлемость тоге или иного развитого и ри-лкэованкого метода определялась конкретней задачей эксперименте

'/вменение частоты проводимых измерений. Поскольку б '-ч-.эдаваемкх прииорах чаще всего выполняются последовательны*- измерения с интер-рыгем Т, один из выбранных путей адаптивного управления состоял в изменении периодичности проводимых измерений. Были реализованы, г.м;ркмер, следующие виды улр&г.иния в йьвисим.тт;: г? сгптояпня объекта измерения:

- изменение экспозиции измерения Т, реализованное в комплексах СУ. ?. СКА-3, ССРГ, С3!/Н;

•• изменение числа зен (у;'.":;.ных. энергетических. .¡з.мероник распределений .т.е. изменение нгепени детализации, с-нсргсткческизс или угловых распределений, ;:::;: зегре переход к ин';чл :.:. ьлгг-' пг-морениям. реализованное, например, в комплексе СКА-1.

Преобразование формата данных. Уплотнение данных в 2-3 раза было достигнуто за счет использования в созданных приборах передачи дан-

ных в формате с плавающей запятой (однобайтный с мантиссой и характеристикой, занимающими по тетраде в байте, или двухбайтный, когда мантисса и характеристика имеют байтную организацию). В связи с использованием такого формата были созданы как аппаратные средства преобразования данных в ходе их накопления, так и управляющие программы, осуществляющие переформатирование данных [ 4 ].

Выборка характерных данных. Другой путь адаптивного управления, также развитый в работе и практически реализованный, состоял в передаче по линии связи не всех данных, полученных в результате измерений, а только наиболее характерных, полученных после обработки этих данных на борту. Естественно, наибольший эффект был получен в приборах, выполнявших измерения многопараметровых распределений. Так, например, в комплексе СКА-1 были реализованы:

передача углового и энергетического распределений (сечений многомерного распределения) для значения е = е макс;

- передача энергетического распределения для угловой зоны, в которой получен максимум;

- передача углового распределения для значения энергии, при которой получен максимум.

Для аппаратуры, измеряющей однопараметровые распределения, примерами такой выполняемой обработки .также реализованной в созданных приборах, являются:

- передача экстремального значения плотности потока и значения аргумента в распределении, при котором измеряемая величина достигает максимума (например, Е = Е макс и в при Е макс );

- передача наряду со значениями максимума распределения его полуширины, а также других величин, характеризующих вид распределения (реализован в комплексе СКА-1).

Наконец, наиболее значительное сокращение объема передаваемых данных было достигнуто при вычислениях на борту и передаче обобщен-

ных параметров (свертки распределений). Такая обработка первичных данных, например, била реализована в спектрометрических комплексах:

- СКА-1, где по капа;:;, связи передавались значения плотности п ¡! температуры плазмы Т

4 ЭО , 8 1 J I J

I = у 5 £ V ( N + N )

О ¡ г г * 8

Л-1 «-1

Т =4- (И - Еп )

О о

-I 4 зо ,—. о 1 ; 1 ;

И = _£_ £ Б + N )

о

= V

А о>

8 и

г = 1

г

о У

( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 )

( 5 )

где I - время экспо:-ПтТ

зения,

с!

т

Б - чувствителг

анализатора для данного угла отбора в

Ь ~ цетры знер!Ч:-:;:чогких каналов, соответствующих центральны:.: траекториям частиц в анализаторе,

1 л

И - количогт:. ;":::'::: ■'' г. накопленное ;; од;¡ом канале .

г

2 2 к

^ох ' ' " компоненты вектора скорости плазмы так;«е

вычисляемые на борту [ 4 ];

- СКА-3, где- о; ;•!.;.•.. :. -:рсд;;яч плотность порепоеккей энергии О

Т = Е

•> Т

дтах = МАХ( т ) И тогда Q = 4г Е !Згоа> \1 > 4 га ^)

1 = 1

где ч - средний поток энергии одного из восьми азимутальных

I

п

Е

каналов,

Е4 - центры энергетических каналов, соответствующих центральны» траекториям частиц в анализаторе,

Т - длительность экспозиции измерений,

N - число импульсов, регистрируемых 1-м счетным каналом за время экспозиции Т, ш - число циклов измерений за один оборот объекта.

Определение событий. Эффективность использования информационной квоты была существенно повышена в тех случаях, когда аппаратура предназначалась для получения данных о каких-либо событиях. Все результаты измерений заносились в оперативную память прибора и в зависимости от результатов анализа либо терялись (все или большая часть), либо (когда со значительной вероятностью события идентифицировались как исследуемые) передавались на Землю по каналу связи. Эта эффективность, естественно, оказывалась тем выше, чем меньше была вероятность появления событий.

Проработанные подобные технические решения были, в частности, реализованы:

- в комплексе СКА-1, когда в течение нескольких оборотов КА ( их число задавалось командой, пересылаемой по радиоканалу) выполнялись многопараметровые измерения;

- в спектрометре ССРГ, когда при выявлении "вспышки" выводились данные, в течение определенного времени предшествующие смене режимг работы, и полученные затем в течении заданного интервала времени;

- в комплексе СКА-2, когда при выявлении "вспышки" резко, в несколько раз, менялась частота измерений.

Для спектрометра СЭМН был проработан вариант передачи данных о параметрах либо всех тяжелых частиц, регистрируемых прибором, либо каидой п-ой (п может быть равной 2,4,..) при существенном повышенш частоты регистрации событии.

Выработка управляющих роздействий. Анализ рассмотренных алгорит мов работы аппаратуры показал, что целесообразны два вида механизмов выработки управляющих воздействий.

По первому из них проводится обработка всех полученных данных в определенном (например, "медленном") режиме и в зависимости от полученных результатов изменяется режим работы прибора для последующих измерений. Такой механизм был реализован, в частности, в спектрометрических комплексах СКА-1, СКА-3. В другом варианте в приборе выделялся отдельный канал ("дежурный"), информация с которого постоянно обрабатывалась и результаты обработки являлись источником управляющего воздействия ( например, в комплексе СКА-2,спектрометре ССРГ и др.). Предпочтительность того или другЬго варианта определялась конкретными задачами эксперимента.

В качестве исходных данных для управления использовались:

- значение частоты (плотности потока), измеренное блоком детекти• рования в одной или нескольких энергетических зонах;

- скорость изменения частоты регистрации сигналов в двух последс нательных измерениях (производная), причем порог превышения задавал.-.-*: как жестко, так и по результатам вычислений среднего квадратическсг' отклонения от сосчитанного числа импульсов (например, в спектрометре

. - значения вычисленных по результатам предшествующего измерение обобщенных параметров (такой метод был реализован в комплексах СКА-1

Из других технических гелений можно упомянуть также об управлип:;: в комплексе СКА-1 а спектрометрах ССРГ и СЭМ:! переключение реаппгк приборов и комплексов самими приборами на основании анализа объема уже выведенной информации, по каналу связи (до очередного сеанса связи с Землей).

4. ОРГАНИЗАЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ И СОСТАВ УПРАВЛЯЮЩИХ ПРОГРАММ

Рассмотрение ряда вариантов построения комплекса управляющих программ на основе известных операционных систем реального времени (ОСРВ) для микроЭВМ, комплекса задач, характерных для программно-упрвляемой аппаратуры, устанавливаемой на КА, а также требований, предъявляемых к этой аппаратуре выявили неприемлемость непосред-ственого использования ОСРВ и необходимость разработки специфические управляющих программ [ 1 ].

Структура и состав управляющих программ. Проведенный анализ функций управляющих программ показал, что наиболее предпочтительна оказалась их организация в виде трехступенчатой иерархической структуры, в основании которой находится программа-диспетчер, определяющая выбор режима функционирования прибора на основании анализа некоторого набора переменных, среднюю ступень занимают программы, осуществляющие непосредственную реализацию режимов работы прибора, обработку, свертку и представление данных в форме, необходимой для передачи в канал связи, а на последней ступени находятся программы-драйверы, выполняющие функции управления внешними устройствами и сбор данных [ 6 ].

Одной из наиболее важных характеристик программного обеспечения, работающего в режиме реального времени, является длительность обработки внешнего события (прерывания). Рассмотрение показало, что наи более эффективным является алгоритм, при котором программа обработк прерывания с помощью набора переменных отмечает лишь факт возникновения прерывания, а все необходимые действия по обслуживанию выполняются в промежутках между прерываниями.

Использование связных списков таблиц условных переходов для организации управляющих программ. Реализация многорежимности работы прибора или системы с помощью управляющих программ связана с анализом некоторого, часто значительного, набора переменных, определящи возможность перехода в один из режимов. Программы такого типа,

например программа-диспетчер, состоят в основном из большого числа условных операторов. Проведенный анализ показал, что при большом числе таких операторов и сложных связях между ними управляющие программы, составленные традиционными способами (непосредственно по схеме алгоритма) имеют большой объем и трудны в отладке. Целесообразно поэтому разработку таких программ проводить с использованием связных списков таблиц условных переходов [ 7 ], что не только сокращает объем программной памяти, но и повышает надежность программного обеспечения, т.к. программа обработки таблиц занимала всего 34 ячейки программной памяти.

Регулярность структуры связных списков таблиц условных переходов позволяет автоматизировать на микроЭВМ процесс их создания. При этом время разработки и отладки управляющих программ значительно сокращается .

Использование данного способа при реализации управляющих программ, например, комплекса СКА-1 позволило разместить все программное обеспечение в объеме 7К байтов ПЗУ

5 ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ

ПРИБОРОВ

Долговременная работа (порядка нескольких лет) микропроцессорных

приборов на борту КА без ремонта и довольно т>сткке условия их эксплуатации, связанные с большими электромагнитными помехами, высокой радиацией, а также использование в их составе микропроцессорных элементов, требуют разработки специальных средств, учитывающих особенности работы такой аппаратуры и направленных на устранение возможных сбоев микропроцессора и зосстан-гление нормальной работы прибора в полете.

Из-за единичного характера выполнения рассматриваемой аппаратуры количественно оценить вероятности отказов, связанных с программным обеспечением, мало реально. Качественная оценка привела к выделению

как основных источников отказов зацикливание программ, спонтанное формирование случайной последовательности команд или интерпретации данных ОЗУ как программы из-за ошибки в адресе при выборке микропрс цессором очередной команды из программной памяти, а также ошибочное изменение данных в областях ОЗУ, не предназначенных для работы с те кущей программой.

Кроме этого усложнение алгоритмов работы приборов (адаптивное, многорежимное управление, сложные расчеты) и большой набор функциональных узлов, входящих в их состав требует разработки специальной контрольно-проверочной аппаратуры, позволяющей отлаживать и проверять функционирование как отдельных узлов, так и приборов в целом.

Программно-аппаратные средства защиты от сбоев. Анализ характера сбоев работы микропроцессорных приборов показал, что наболее приемлемыми средствами для вывода программ из бесконечного цикла и спонтанного формирования случайной последовательности команд могут служить программно-управляемые таймеры, вырабатывающие сигнал прерывания, если за установленный интервал времени от программы не поступила команда отбоя [ 6 ].

В случае нарушения естественного хода программы, связанного с попыткой интерпретации данных ОЗУ как управляющей программы,целесообразно использовать компаратор, вырабатывающий сигнал прерывания, когда адрес текущей команды попадает в область адресов ОЗУ [ 6 ].

Для того, чтобы предотвратить ошибочное изменение данных в областях ОЗУ, которые не предназначены для работы с текущей программой, был предложен метод защиты ОЗУ с помощью специальных ключей защиты (дискрипторов), по которому сигнал прерывания вырабатывается в том случае, если номер страницы ОЗУ, к которой происходит обращение не соответствует ключу защиты [ 8 ].

Ь дополнение к вышеперечисленным аппаратным средства;-; оказалось целесообразным использовать программные "ловушки", представляющие

собой команды безусловного перехода управления на начальную ячейку программной памяти. Рассмотрение показало, что наиболее приемлемо помещать такие команды или группы команд между отдельными программами или законченными функциональными частями программ (подпрограммами) .

Перечисленные программно-аппаратные средства были реализованы в комплексах спектрометрической аппаратуры СКА-1, СКА-2, СКА-3.

Система отладочных средств микропроцессорных приборов. Одной из основных проблем отладки и тестирования узлов и микропроцессорных приборов в целом является невозможность проверки всех вариантов их работы с использованием традиционных приборов поиска неисправностей (осциллографы, тестеры и т.п.). Это связано как с функциональной сложностью узлов (наличие БИС микропроцессора, ПЗУ, ОЗУ), так и с программным управлением приборами.

Рассмотрение средств отладки микропроцессорной аппаратуры показало, что для настройки и проверки узлов, не содержащих микропроцессор (например узлы оперативной и программной памяти), предпочтительно использование выпускаемых промышленностью устройств типа внутрисхемных эмуляторов, а для узлов с микропроцессорами (контроллеров) целесообразно использование индивидуально разрабатываемых специализированных устройств, позволяющих в автсматнча :ком или полуавтоматическом режимах провести полную проверку с использованием наборов тестовых последовательностей команд и сравнения результатов о эталонными значениями [ 9 ]

В ходе работы был сделан вывод, что для отладки прльоров или комплексов наиболее целесообразно разработать слстеми»:!; эмулятор, пред ставляющий собой совокупность аппаратных и программных средств на базе персональной микроЭВМ. Такой комплекс позволил смоделировать приемники результатов измерений (например, канал телеметрии), источники упрвляющих воздействий (например, командно-релейная линия) и

ряд специальных бортовых устройств (например, устройство бортового времени) [ 10 ].

С помощью указанных средств была проведена полная проверка и отладка комплексов СКА-1, СКА-2, СКА-3.

6. ПОВЫШЕНИЕ ДОСТОВЕРНОСТИ ПЕРЕДАВАЕМОЙ ИНФОРМАЦИИ

Одна из возможностей, которая может быть реализована в аппарату! с программным управлением - проведение ее самодиагностирования. 0нс основано на способности компонентов, входящих в управляюще-вычисли-тельное ядро приборов, воздействовать на тестовые генераторы и приемники реакций, встроенные в аппаратуру, или самих вырабатывать такие воздействия, сравнивать полученные реакции с эталонными и вырабатывать диагностические признаки. При этом, однако, предполага ется, что полностью работоспособна хотя бы некоторая часть ядра прибора, а также источники питания.

Проработка вопросов техничекого диагностирования рассматриваемых приборов показала, что при введении диагностирования достигаются:

- систематическая развернутая проверка в полете технического состояния аппаратуры и ее отдельных компонентов и, следовательно, проверка достоверности информации, поступающей из прибора на Землю;

- существенное упрощение процесса предполетного контроля аппаратуры и увеличение его объема (детализации) на разных этапах подготовки прибора к запуску на КА и, таким образом, создание преград к запуску неисправной аппаратуры или приборов, имеющих неявные дефекты.

После проработки основных вопросов, указанных далее, самодиагностирование было осуществлено во всех приборах и комплексах, разрабо тайных нами в последнее десятилетие [2,4,11,12].К этим вопросам относились, в частности, выбор алгоритмов проверки,создание необходимых аппаратных и программных средств, компановка результатов диагно стирования в кадры телеметрического канала, выбор моментов осущест-

ления самодиагностирования.

Из принятых общих технических решений по этим задачам можно казать следующие:

- выбор алгоритмов самодиагностирования основывался на компро-иссе между эффективностью и детальностью контроля с одной стороны и еобходимостью ограничить объем ПЗУ, занимаемый программой диагнос-ики (не более 10 - 15% от общего объема ПЗУ), а также временем их сполнения (не более нескольких минут);

- результаты диагностирования представлялись в виде свертки дан-:ых о проверке отдельных компонентов или узлов, отмечающие исправ-юсть соответствующего узла (совпадение его реакции на тестовое юздействие с эталонной) или наличие ошибки, а в некоторых случаях например, при тестировании ОЗУ) - содержащей данные о расположении [ефектных участков;

- самодиагностирование проводится автоматически каждый раз при жлючении аппаратуры (подачи питающего напряжения), а также может шициироваться командой, передаваемой по КРЛ с Земли [ 13 ] .

Диагностирование компонентов, образующих управляюще-вычислитель-юе ядро прибора Хотя известны многочисленные тесты основных {омпонентов вычислительных устройств, значительные усилия были направлены на выбор оптимальных программ проверки исходя из указан-чых выше ограничений. Данные с результатами такого выбора приведены з табл. 1.

Можно отметить, что значительнее сокращение объема прграммы проверки микропроцессора было достигнут.- за счет применения способа генерации тестовых последователи::'степ команд в ходе самой проверки ! 14 ].

Таблица 1.

Компонент Метод тестирования Представление результатов проверки Объем программы байт

Микропроцессор Проверка исполнения блоков команд, сравнение результатов с ожидаемыми Отметка о прохождении теста или ошибке 400

ОЗУ "Шахматный" и "галопирующий адресный" тесты То же; запись номеров дефектных зон 146

ПЗУ Суммирование содержимого всех ячеек памяти(игнорируя перенос),сравнение с контрол. суммой Отметка о прохождении теста или ошибке 118

Таймер Измерение по числу укладывающихся циклов длительностей всех экспозиций Запись условных результатов измерений 50

Диагностирование других компонентов. Для проверки других компонентов аппаратуры в приборы были встроены дополнительные устройстве управляемые программно: генераторы пачек импульсов (ГПИ), вырабатывавшие посылки с определенным числом импульсов N. генераторы импуль сов стабильной амплитуды (ГИСА), вырабатывавшие сигналы с заданной амплитудой, полярностью и частотой повторения, а также аналого-цифровые преобразователи (АЦП), в которых задавались диапозон значент измеряемого сигнала, соответствующий всей шкале, и полярность измеряемого сигнала. Данные с результатами выбора способов диагно-

стирования некоторых из этих компонентов приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Компонент Метод тестирования Представление результатов проверки Объем программы, байт

Счетчик импульсов Регистрация пачек сигналов ¡'ПИ в несколько импульсов, несколько сот импульсов и с числом, близким к предельному объему счета Отметка о прохождении теста или ошибке 80

Многоканальный накопитель Регистрация пачек сигналов ГП;' последовательно разных каналах Отметка о прохождении теста или ошибке 140

Узел связи с ТМС Передача тестоногс- [ Зывод тестового кадра кадра с числом в |по ТМС каждом байте,ваьечм1 порядковому номеру | 20

Усилитель-устройство отбораСселекции) Воздействие на к ход усилителя такими сигналами ГИСА,чтобы выходн';.:-1 пмпул.,-сы попадали з определенные капал-,: рьзод по ТМС спектров с реперными пиками 100

Узел вторичного питания Аналого-цифровое преобразование напряжений на шинах Вывод цифровых значений 20

Продолжение табл. 2.

Компонент Метод тестирования Представление резуль- Объем

татов проверки программы

байт

Узел высо- 20

ковольтно-

го питания Аналого-цифровое

Генератор преобразование 60

отклоняю- части То же

щих напря- напряжения

жений ана-

лизатора

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

7.1. Для достижения поставленной цели в ходе настоящей работы были:

- изучены и проанализированы требования к аппаратуре, осуществляющей измерения на космических аппаратах, структуры используемогс для этих приборов программного обеспечения, объем первичных данных, получаемых в ходе измерений, ограничения, создаваемые телеметрическими каналами связи, способы свертки данных и приемы адаптивного управления;

- оценены и сопоставлены технические решения возникающих задач с помощью аппаратных и программных средств, различные варианты построения аппаратных средств, в том числе и на разной элементной базе;

- экспериментально исследованы различные варианты построения программно-управляемых приборов для измерения ионизирующих излучений, модули управляющих программ, базовые устройства приборов связанные с управлением работой, обработкой и передачей данных.

7.2. На основании проведенной работы можно сформулировать следующие выводы и положения диссертации:

а) средства управления бортовых микропроцессорных приборов целесообразно строить на основе однотипных программно-управляемых контроллеров, выделяя управляюще-вычислительное ядро;

б) построение управляющих программ микропроцессорной аппаратуры предпочтительно вести на основе трехступенчатой иерархической структуры, а для существенного сокращения объема программной памяти и упрощения отладки программы, изобилующие условными операторами, целесообразно организовать в виде связного списка таблиц условных переходов с программой их обработки;

в) для наилучшего использования информационной квоты, выделяемой для прибора в ТМС, целесообразно осуществлять в ходе накопления данных их свертку и выделять наиболее представительные данные, формировать и передавать сечения двумерных или трехмерных распределений, полученных от детекторов, обобщенные и характерные параметры таких распределений, вводить ждущие режимы и изменять экспозиции измерений, а воздействия, управляющие режимами работы, формировать в приборе по результатам предшествующих измерений;

г) для обеспечения надежной работоспособности приборов целесообразно' использовать в аппаратуре программно-аппаратные средства защиты от сбоев, включающие в себя программируемый таймер, адресный компаратор, ключи защиты ОЗУ, программные "ловушки", а в лабораторных условиях создать комплекс имитационно-отладочных средств на Разе персональной микроЭВМ для настройки отдельных црограмкис-упрзляеках устр ;Г:ст:-> приборов в целом;

д) для повышения достоверности информации, получаемой от приборов, необходимо вводить в пакет управляющих программ специальную программу самодиагностирования, осуществляя самопроверку как после каждого вклчкния приборов, так и по командам, передаваемым с .земли

по линиям связи.

7.3. Проведенная работа позволила значительно расширить возможности приборов для космических исследований, увеличить их надежное! и содержательность передаваемой с них информации, упростить расшифровку данных, осуществить оперативный контроль за состоянием annapt туры как при ее подготовке к полету, так и в полете.

7.4. Основные положения диссертации были реализованы в спектрометрических комплексах СКА-1, СКА-2, САК-3, прошедших все предполетные испытания и подготовленные к запуску по проекту "Интербол", также в завершаемых разработках спектрометров ССРГ и СЭМН для проекта "Марс -94" и "Марс-96".

7.5. Практическая реализация выводов и положений диссертации подтвердила их правильность.

РАБОТЫ, В КОТОРЫХ ИЗЛОЖЕНЫ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

1. Создание базовых устройств корпускулярного излучения. Отчет по НИР "Орлан-Н". Per. N У50076, 1981, М.:СНИИП.

2. Спектрометр солнечного рентгеновского и гамма - излучения ССРГ ("Бокал"). Пояснительная записка к техническому проекту, 1991, М.:СНИИП.

3. Горн Л.С.,Захаров Д.С.,...Черкашин И.И. Устройство программной памяти с малой потребляемой мощностью. Вопросы атомной нуки и

техники. Сер. Ядерное приборостроение. Вып. 1(56), М.:СНИИП, 1984, с. 65-68.

4. Комплекс спектрометокческой аппаратуры СКА-1 ("Бекас"). Пояски-

£

тельная записка к эскизному пректу. Per. N Ф16929, 1983, М.:СНИИП.

5. Комплекс спектрометрической аппаратуры СКА-2 ("Перепел"). Пояс;;;

£

тельная записка к эскизному пректу. Per. N Ф19568, 1984, М.:СНИИП.

6. Хазанов Б.И..Черкашин И.И. Операционная система специализирован-

ной микро-ЭВМ. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерное приборостроение. Вып. 1(53), М : СНИИП, 1983, с. 33-40.

. Климатов A.A..Черкашин И.И. Построение упрвляющих программ с использованием таблиц операторов условных переходов. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерное приборостроение. Вып. 1(56), М.:СНИИП, 1984, с. 56-60.

. Климатов A.A..Хазанов Б.И.,Черкашин И.И. Защита от сбоев в специализированной микро-ЭВМ, выполненной на микропроцессоре К580ИК80. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерное приборостроение. Вып. 3(55), М,:СНИИП, 1983, с. 35-39.

. Попов М.Ю. .Потапов Ю.А..Черкашин И.И. Создание средств для проверки и отладки узла процессора специализированной микроЗВМ. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерное приборостроение. Вып. 2, М :ЦНИИатоминформ, 1988, с 43-49.

О Захаров Д.С.,Климатов А.А.Дазаноз Б. И .,Черкашин И И. Отладочная система для микропроцессорной измерительной аппаратуры. Вопросы атомной науки и техники. Сер Ядерное приборостроение Зып. 3, М.:ЦНИИатоминформ, 1985, с. 105-112.

1.Комплекс спектрометрической аппаратуры СКА-3 ("Сойка") Пояснительная записка к эскизному проекту. Per.N Ф19569, 1984, М.:СНИИП.

2 Спектрометр энергомассовый частиц низких энергии СЗМН ("Бисер"). Пояснительная записки к техническому проекту, 1991, М.-.СНИИП.

3.Черкашин И.И. Самодиагностирование измерительного комплекса на основе специализированной мккро-35М Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерное приборостроение. Вып. 3(51), М.:СНИИП, 1982, с 26-29

.4.Захаров Д.С. .Климашов A.A. .Черкашин И.И. Самодиагностирование микропроцессоров К580ИК80, входящих в состав специализированной микро-ЭВМ. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерное приборостроение. Вып. 2(54), М. :СНИИП, 1983, с. 31-33.