Capitolo 4 - INFN Gruppo Collegato Sanità

CAPITOLO 4
L’ELETTRONICA DI CONTROLLO DEL
SISTEMA
4.1 Introduzione
In questo capitolo verrà descritta tutta l’elettronica che, implementata nel sistema, ne
permette il pieno controllo e la gestione di tutte le funzionalità.
Le unità logiche sono di tipo embedded ed anche il resto dell’elettronica è stato studiato
appositamente per minimizzare gli ingombri ed i consumi.
4.2 L’unità di gestione e controllo del sistema
L’unità di gestione e controllo del sistema è preposta all’acquisizione dei segnali
provenienti dai sensori e dai rivelatori ed al controllo degli stessi attraverso opportuni
attuatori. Essa trova alloggio all’interno di un crate portaschede collocato all’interno del
vano musetto del velivolo (come indicato in fig.1) ed è costituita da:
•
due CPU (MESA 4C60 e 4C28 prodotte da Mesa Electronics U.S.A) 386compatibili in comunicazione tra loro via porta parallela mediante un collegamento
di tipo laplink (vedi tab.1). Entrambe le CPU sono costruite secondo lo standard
PC104, studiato appositamente per le particolari necessità imposte dalle
applicazioni embedded. Caratteristiche peculiari del bus PC104 sono le dimensioni
ridotte (solo 90x96 mm), la possibilità di self-stacking ed il consumo ridotto (solo
1-2 Watt). Sia la 4C60 che la 4C28 sono dotate di una scheda Compact Flash da 2
Gbyte, che funzionano in modalità ATA, su cui sono presenti i software di gestione
e su cui vengono memorizzati i dati acquisiti;
•
una scheda formato PC104 con una serie di DAC (DM121 prodotta da DMAMarchiori [4.2]) preposti al controllo della valvola di regolazione della portata;
105
ALLOGGIAMENTO DEL CRATE
PORTASCHEDE
Fig. 1: Disegno AUTOCAD del sistema in cui si evidenzia il posizionamento del crate.
IMAGE
Tab. 1: Connessione parallela di tipo “laplink”. [2.2]
•
una scheda (Mesa 4I22 prodotta da Mesa Electronics U.S.A) in formato PC104 per
l’input/output di segnali digitali TTL, provenienti dai vari sensori presenti nel
sistema. La scheda, inoltre, è preposta alla regolazione dell’alta tensione del
Geiger;
•
una scheda custom per la distribuzione delle tensioni di alimentazione (Scheda
Alimentazioni);
•
una scheda custom per l’appropriata conversione dei segnali provenienti dai sensori
e di quelli richiesti dagli attuatori (Scheda Servizi);
•
una scheda custom per la generazione dell’alta tensione necessaria al Geiger;
106
•
una scheda custom per la generazione delle tensioni negative necessarie ad alcuni
apparati del sistema “Sniffer” e la polarizzazione dei diodi utilizzati come sensori
di temperatura;
•
un gruppo relay di controllo delle valvole del canister e del Sampler (già descritto
nel Cap.3).
Le connessioni fisiche tra i vari sottocomponenti sono riassunte schematicamente in fig. 2,
e qui di seguito descritte.
La 4C60 è una CPU 5X86 costruita in base allo standard PC104-PLUS che incorpora tutte
le caratteristiche del PC104 con l’aggiunta di un bus PCI. È dotata di scheda video SVGA,
che può essere disabilitata se necessario, con una risoluzione fino a 1024x768 che viene
utilizzata per la visualizzazione di messaggi all’operatore su un monitor da 5”
implementato nella strumentazione di bordo dello Sky Arrow.
Dispone di una memoria interna di 8 Mbytes di tipo flash IDE compatibile, quindi
supportata senza necessità di speciali driver dalla gran parte dei sistemi operativi. La 4C60
è dotata di due porte seriali (RS232 16C550) e una porta parallela bidirezionale
(EPP/ECP/IEEE 1284). Attraverso le porte seriali essa permette la gestione del rivelatore a
ioduro di sodio (NaI) e del ricevitore GPS mod. 35 Lp prodotto da Garmin [4.3]. Essa è
alimentata dai 5Vdc forniti dalla Scheda Alimentazioni attraverso il connettore dedicato.
L’altra scheda processore, la Mesa 4C28, è dotata di chipset 386-sx compatibile a 40 MHz.
La RAM è anch’essa di 8 Mbyte flash, tipo IDE compatibile.
107
Fig. 2: Schema dell’unità di controllo e gestione del sistema Sniffer.
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La 4C28 è dotata di due porte seriali (RS232 di tipo 16C550), una porta parallela
bidirezionale, nonché di tutta la logica standard AT e di un ADC a 12 bit. Il convertitore
analogico-digitale provvede alla conversione dei segnali provenienti dai sensori che
forniscono le grandezze necessarie all’algoritmo di regolazione della portata e indicazioni
sulla velocità dell’aria all’interno del Sampler. I parametri del BIOS della 4C28 risiedono
su una piccola flash memory che può essere riprogrammata senza necessità di
aggiornamento del BIOS. La Mesa 4C28, inoltre, si interfaccia con la DM121 e la Mesa
4I22 attraverso il BUS ISA sfruttando così le sue proprietà di self-stacking. Attraverso le
sue due porte seriali permette la corretta gestione sia del rivelatore al germanio iperpuro
(attraverso l’unità multicanale Walklab) che del BGO (che trova alloggio all’interno
dell’Holder) attraverso la scheda multicanale MCA8000A. Alla CPU è altresì collegato un
tastierino a 3 pulsanti con cui l’operatore può avviare la sessione di campionamento,
interromperla ovvero richiedere il cambio anticipato del filtro.
La Scheda Servizi, alimentata dalla Scheda delle Alimentazioni, provvede alla gestione dei
segnali di comando e controllo dei vari dispositivi ed al trattamento dei segnali provenienti
dai sensori ottici in modo da renderli acquisibili dal microprocessore. Tratta
opportunamente il segnale analogico proveniente dalla sezione di conversione digitaleanalogico della scheda DM121, per la sua presentazione alla sezione di regolazione della
portata. Acquisisce inoltre il segnale di uscita dal Geiger e lo rende disponibile sul BUS
per l’ingresso al counter presente sulla 4I22. È interfacciata con tutti i dispositivi meccanici
della sezione POD tramite connettore dedicato. I segnali analogici sono presentati tramite
un secondo connettore alla Mesa 4I22. La scheda ha dimensioni standard EURO1 e
permette un interfacciamento tramite BUS EURO.
La Scheda delle Alimentazioni provvede alla generazione ed alla distribuzione delle
tensioni continue di alimentazione dei vari dispositivi. Vengono così alimentate attraverso
questa scheda: le due CPU Mesa 4C60 e 4C28, la Mesa 4I22, la Scheda Servizi e la
DM121 (±15Vdc), inoltre vengono forniti attraverso di essa i 24Vdc necessari alla
movimentazione dell’Holder e viene alimentata la schedina che fornisce l’alta tensione al
Geiger. Anche la scheda alimentazioni permette un interfacciamento tramite BUS EURO.
Tutta l’elettronica atta alla gestione ed al controllo, come già accennato, trova alloggio
all’interno di un piccolo crate appositamente studiato per minimizzare gli ingombri e
permettere il cablaggio sicuro e rapido dei vari sistemi di cui si compone il sistema Sniffer.
A tal fine il crate è dotato di un pannello-connettori (vedi fig. 3) a cui è possibile accedere
facilmente, dopo l’installazione sul velivolo, previa rimozione del musetto anteriore
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dell’aereo che funge da carter per l’Unità di campionamento e per l’Unità di gestione e
controllo del sistema.
Al pannello afferiscono i seguenti connettori:
•
connettore per Walklab DB9 maschio;
•
connettore per Walklab DB9 maschio;
•
connettore per MCA8000A DB9 maschio;
•
connettore per modulo GPS DB9 maschio;
•
connettore per anemometro DB9 femmina;
•
connettore per valvola canister DB9 femmina;
•
connettore per valvola Sampler DB9 femmina;
•
connettore per modulo preamplificatore BGO DB9 femmina;
•
connettore per sensore di temperatura T1 LEMO serie MINI 2 pin;
•
connettore per sensore di temperatura T2 LEMO serie MINI 2 pin;
•
connettore per sensore di temperatura T3 LEMO serie MINI 2 pin;
•
connettore per base NaI LEMO serie MINI 3 pin;
•
connettore per tastiera di servizio 4C60;
•
connettore non assegnato LEMO serie MINI 5 pin;
•
connettore per tastierino operatore;
•
connettore per cavo piatto da pannello 2x8 maschio per sensore di pressione;
•
connettore per cavo piatto da pannello 2x8 maschio per sensore di pressione;
•
connettore Amphenol circolare 2 pin per power.
Attraverso il connettore Amphenol lo Sky Arrow fornisce i 12 Vdc necessari
all’alimentatore che fornisce la tensione di lavoro al modulo GPS, all’anemometro ed al
gruppo relè per il pilotaggio della valvola del canister e del Sampler implementati
nell’unità di campionamento VOC-PAH, al modulo di preamplificazione del BGO, alla
scheda custom per la lettura delle temperature e la generazione delle tensioni negative
necessarie ad alcuni moduli del sistema ed alla base del rivelatore NaI. Cavi dedicati
provvedono, poi, direttamente all’alimentazione dei Walklab e dell’MCA8000A, nonché
dell’unità Sniffer-POD.
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pannello connettori
alimentatore
scheda
alta tensione
geiger
multicanale MCA8000A
Fig. 3: Crate dell’elettronica di gestione del sistema.
Il rivelatore BGO, il cui segnale viene prima preamplificato da un preamplificatore di
segnale (Spectroscopy Amplifier Mod.451 prodotto dalla Ortec), si interfaccia con la
scheda MCA8000A prodotta da Amptek che trova alloggio nel vano musetto del velivolo
ed è flangiata al crate portaschede insieme all’alimentatore (vedi fig.3). Essa ha dimensioni
ridotte (165 x 71 x 20mm), un peso di circa 300g ed un consumo inferiore ai 300mW. È
alimentata dai 12Vdc a disposizione del velivolo mediante un connettore dedicato presente
nel pannello del crate dell’elettronica ed è connessa via RS232 (COM1) alla Mesa 4C28
per mezzo di una connessione di tipo null modem secondo lo schema riportato in fig. 4:
111
IMAGE
Fig. 4: Connessione seriale di tipo “null modem”. [2.3]
L’MCA8000 permette di scegliere tra sei differenti baud rate: 4.8 Kbps (di default al
power on), 9.6 Kbps, 19.2 Kbps, 38.4 Kbps, 57.6 Kbps e 115.2 Kbps, che è possibile
settare via software e permette di memorizzare fino a 128 spettri differenti. A seconda,
inoltre, dell’ADC resolution selezionata (16K, 8K, 4K, 2K, 1K, 0.5K, 0.25K), varia il
numero di gruppi corrispondente al numero di spettri che si possono memorizzare. Il
numero massimo di canali di un singolo spettro è pari a 16384. Sempre via software è
possibile definire la threshold e scegliere per il data acquisition time tra live o real.
Due moduli Walklab, prodotti da Silena S.p.a di Milano [4.4] (alloggiati nel vano
posteriore del velivolo, alle spalle del pilota, vedi figg. 5-6) trattano, invece, i segnali
provenienti dall’HPGe e dall’NaI. Ciascuna di essi ha peso e dimensioni contenute (290 x
260 x 70 mm e 4.3 kg) ed integra tutte le funzionalità utili nella spettroscopia gamma. Ogni
Walklab è costituito da tre unità: una Control Unit, una Data acquisition Unit e una Power
Management Unit. La prima, basata sul microprocessore NEC 70270 con una frequenza di
clock di 16 MHz e 512 Kbyte di RAM, gestisce il backup della memoria. Essa si
interfaccia con la Data Acquisition Unit via ISA bus e con la CPU esterna per mezzo di un
collegamento seriale o parallelo. La Data Acquisition Unit, invece, è costituita dalla
MultiChannel Analyzer P.C. Card MOD. 9408, prodotta anch’essa da Silena S.p.a di
Milano. Anch’essa permette il settaggio via software della baud rate della threshold del
data acquisition time, ma in più consente di gestire l’alta tensione necessaria ai rivelatori;
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WALKLAB
RIVELATORE
NaI
BOTOLA
Fig. 5: Alloggiamento a bordo del rivelatore NaI e dell’unità Walklab.
walklab
BGO
preamplif.
Fig. 6: Le Unità Walklab e l’amplificatore del rivelatore BGO così come sono sistemate per
l’alloggiamento a bordo.
4.3 I segnali analogici
Tutti i segnali analogici provenienti dai sensori sono trattati dalla sezione di conversione
analogico-digitale di cui dispone la Mesa 4C28. Essa è dotata di un ADC ad otto ingressi
(multiplexati) che sono stati intestati secondo quanto riportato in tabella 2. L’ADC ha una
dinamica in tensione di 0 - 3.75 V:
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PIN
FUNZIONE
VARIABILE
SENSORE
GRANDEZZA
1
Input Common
2
Analog in 0
temp_1
diodo 1
Temperatura
3
Analog in 0
temp_2
diodo 2
Temperatura
4
Analog in 0
temp_3
diodo 3
Temperatura
5
Analog in 0
p1v1_
DM128 – 1
press. dinamica 1
6
Analog in 0
p1v2_
DM128 – 1
press. statica 1
7
Analog in 0
p2v1_
DM128 – 2
Press. dinamica 2
8
Analog in 0
p2v2_
DM128 – 2
Press. statica 2
9
Analog in 0
anesign_
10
VREF(3.75)
Veloc. aria Sampler
Tab.2: Intestazione canali dell’analog to digital converter.
4.3.1 La calibrazione dei sensori per la misura dei parametri
ambientali
Il lavoro di calibrazione dei sensori di cui dispone il sistema Sniffer ha riguardato, oltre che
la vera e propria fase di calibrazione (corrispondenza tra valori digitali e grandezze fisiche)
anche:
•
la minimizzazione del rumore, schermando opportunamente i cavi, o filtrando
elettronicamente i segnali;
•
l’accoppiamento ottimale, in modo da massimizzare la sensibilità, tra la dinamica
di ingresso dell’ADC ed i valori forniti dai sensori attraverso opportuna
amplificazione elettronica.
I sensori che necessitano di calibrazione sono i sensori di pressione e quelli di
temperatura, essendo l’anemometro a filo caldo già dotato di specifiche di calibrazione
fornite dalla casa costruttrice.
4.3.2 La calibrazione dei sensori di pressione
La calibrazione dei sensori di pressione, sia quelli statici che quelli dinamici sono state
portate a termine utilizzando un MPS-30 Air Data Test Set prodotto da DMA-Marchiori di
114
Roma. Lo strumento, attraverso un hand controller permette l’impostazione di un valore di
quota o di velocità del velivolo (a seconda che si voglia calibrare il sensore statico o
dinamico) per simulare i valori di pressione corrispondenti. La lettura del canale dell’ADC
corrispondente al sensore da calibrare è stata effettuata mediante modifica temporanea del
programma di gestione e controllo del sistema. All’interno del programma Per_4C28 è
stato inserito un loop che permetteva di leggere ripetutamente il canale relativo al sensore
da calibrare. I dati acquisiti sono stati salvati su file.
Per ciò che riguarda i sensori di pressione statica, sulla base dell’altitudine massima
raggiungibile dallo Sky Arrow, si è deciso di lavorare con valori di pressione variabili tra i
500.0 ed i 1013.2 hPa ( tra i 5575 e 0 metri di quota). Per quanto riguarda i sensori di
pressione dinamica si è considerata una variazione di pressione compresa fra gli 0 ed i 30
hPa (cioè tra gli 0.0 ed i 250 km/h). I dati ottenuti sono riportati nelle figure seguenti e
mostrano una indubbia linearità di risposta dei vari sensori in uso; ciascun valore quotato è
la media di un certo numero (dell’ordine di 100) di acquisizioni e gli errori quotati per
ciascuna misura si riferiscono alla deviazione standard rispetto al valor medio. Le rette
rappresentano il best fit dei punti.
Fig. 5: Curva di calibrazione relativa al sensore di pressione dinamica della scheda DM121 numero
1 effettuata per un valore di pressione statica corrispondente a 0 piedi di altitudine.
115
Fig. 5: Curva di calibrazione relativa al sensore di pressione statica della scheda DM121 numero 1.
Fig. 5: Curva di calibrazione relativa al sensore di pressione dinamica della scheda DM121 numero
2 effettuata per un valore di pressione statica corrispondente a 0 piedi di altitudine.
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Fig. 5: Curva di calibrazione relativa al sensore di pressione statica della scheda DM121 numero 2.
4.3.3 La calibrazione dei sensori di temperatura
La calibrazione dei sensori di temperatura è stata effettuata utilizzando un bagno termico
coibentato in cui sono stati immersi i sensori di temperatura da calibrare ed una sonda
termica calibrata (prodotta da Fluke mod. 80TK [4.5]) in grado di fornire il valore della
temperatura del bagno in gradi centigradi. La temperatura del bagno è stata fatta variare da
6.5 fino a 16 °C.
I terminali elettricamente conduttivi del diodo sono stati accuratamente sigillati con
termorestringente sigillante e della resina epossidica. Ciascun diodo è stato posto in
contatto con la parte sensibile della sonda, in modo da far si che entrambi i sensori (sonda e
diodo) fossero sensibili allo stesso volume del bagnetto.
La lettura del voltaggio fornito dai sensori a diodo veniva fatto in parallelo con la lettura
della temperatura fornita dalla sonda. La calibrazione è stata portata avanti per pochi valori
della temperatura, nella regione di maggior interesse per le misure da aereo, anche
confidenti del fatto che i diodi utilizzati hanno un comportamento lineare in funzione della
temperatura.
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In fig. 6 è riportato l’andamento della temperatura per un sensore di temperatura a diodo.
.
Fig. 6: Curva di calibrazione relativa ad un sensore di temperatura. Le curve per gli altri due
sensori hanno un andamento del tutto analogo, come è lecito aspettarsi per un sensore di
temperatura a diodo.
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