Лаборатория специализации "Информационно-измерительные и управляющие системы ядерных энергетических установок"

Abstract

Программа лаборатории специализации «Информационно-измерительные и управляющие системы ЯЭУ» разработана для специализации 1-31 04 06 01 «Ядерная физика и электроника» специальности 1-31 04 06 «Ядерная физика и технологии» и состоит из трех циклов лабораторных работ: Элементы системы автоматики и управления ЯЭУ; Архитектура однокристальных микро-ЭВМ; Технология информационно-измерительных систем. Цель лаборатории специализации состоит в приобретении практических знаний в области информационно-измерительных и управляющих систем ЯЭУ. Одной из составляющих этой области являются современные технологии проектирования электронных средств контроля и управления ЯЭУ, языки описания проектов VHDL, изучение основ работы с САПР MAX+Plus II, FPGA Advantage Mentor Graphics, приобретение практических навыков разработки сложных функциональных блоков (СФ-блоков) СБИС с использованием VHDL, изучение различных подходов в описании проектов, верификации проектов, методов повышения эффективности проектных операций с применением VHDL. Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС – Programmable Logic Devices – PLD) представляют собой новую элементную базу, обладающую гибкостью заказных БИС и доступностью традиционной "жесткой" логики. Главным отличительным свойством ПЛИС является возможность их настройки на выполнение заданных функций самим пользователем. Современные ПЛИС характеризуются низкой стоимостью (1-2 доллара США), высоким быстродействием (до 3,5 нc), значительными функцио¬нальными возможностями (одна ПЛИС может заменить несколько сот корпусов традиционной "жесткой" логики), многократностью перепрограммирования, низкой потребляемой мощностью (позволяющей использовать их в изделиях с батарейным питанием), гибкостью архитектуры и др. Доказательством перспективности новой элементной базы служит ежегодное появление новых, имеющих более совершенную архитектуру, поколений ПЛИС, а также постоянно растущий объем выпуска ПЛИС ведущими зарубежными производителями микросхем: Advanced Micro Devices (AMD), А1tега, Хilinx, Аtmel, Intel и др. Процесс проектирования цифрового устройства на основе ПЛИС заключается в описании его функционирования на входном языке используемого программного средства, выполнении автоматизированного синтеза, проведении моделирования и настройке выбранной ПЛИС с помощью программатора. При этом время разработки даже достаточно сложных проектов может составлять всего несколько часов. Для того чтобы изменить алгоритм работы устройства, достаточно перепрограммировать ПЛИС, причем отдельные ПЛИС допускают программирование (перепрограммирование) уже после их установки на плату. По существу разработка устройств на основе ПЛИС представляет собой новую технологию проектирования электронных схем, включая их изготовление и сопровождение.

Содержание лаборатории специализации включает также изучение студентами одного из современных средств микроэлектроники, входящего в состав автоматических систем контроля и управления технологическими процессами, – однокристальных микро-ЭВМ (микроконтроллеров). Создание однокристальных микро-ЭВМ является одним из активно развиваемых направлений современной микроэлектроники. Это вызвано широким применением микроконтроллеров в различных системах автоматизации, что обусловлено хорошим соотношением таких их особенностей как цена-габариты-производительность. Целью данного цикла является обучение студентов основам построения и практического использования микроконтролле-ров в качестве встроенных элементов контроля и управления в системах автоматизации, получение практических навыков и умений программирования микроконтроллеров на языках разного уровня и организации их взаимодействия с различными периферийными устройствами. В результате выполнения лабораторных работ у обучающихся должно сформироваться представление о роли и месте современных микроконтроллеров в системах управления и автоматизации производственных процессов различных технологических объектов. При проведении физических исследований возникает необходимость автоматизированного сбора и обработки экспериментальных данных, что наиболее эффективно может быть организовано с применением микроконтроллеров. Широкое применение микроконтроллеры нашли в ядерной энергетике. Ядерный реактор АЭС является сложным технологическим объектом, безопасная эксплуатация которого обеспечивается автоматизированными системами сбора и обработки физической информации. Эта задача наиболее эффективно может быть решена с применением микроконтроллеров в качестве первичного звена систем автоматизации в комплексе с персональным компьютером. По-этому знание архитектуры, особенностей программирования и сопряжения микроконтроллеров с внешними экспериментальными устройствами является необходимым условием успешной профессиональной деятельности специалиста в области ядерных технологий, имеющего квалификацию «Физик. Инже-нер». Заключительный раздел лаборатории специализации включает более глубокое изучение студентами метрологических и технических основ построения измерительных систем, необходимых для последующего усвоения ряда дисциплин специализаций. Автоматизация выполнения измерений физических величин позволяет существенно повысить точность и достоверность измерений и сократить трудоемкость и временные затраты при организации этого процесса. Рост мощности при одновременном снижении стоимости компьютеров постоянно расширяет спектр использования измерительных систем в науке, медицине, промышленности. Лаборатория специализации включает рассмотрение современных представлений о системах сбора и обработки информации и возможностях их применения. Настоящий цикл лабораторных работ базируется на дисциплинах «Ос-новы радиоэлектроники», «Основы автоматизации эксперимента».

В результате выполнения лабораторных работ в соответствии с данной программой студенты должны знать: – назначение, виды обеспечений и особенности организации современных САПР; – основные характеристики САПР Mentor Graphics, MAX+Plus II, PSpice; – маршруты проектирования СБИС с использованием языков описания проектов; – первичную абстракцию VHDL; – лексические элементы, типы данных, операции, операторы управления, процессы, пакеты, функции, основные стили описания проектов, контроль ошибок, специфику подмножеств языка VHDL в САПР Mentor Graphics и MAX+Plus II; – роль VHDL при проектировании, верификации, сопровождении и модификации проектов; – архитектуру современных микроконтроллеров; – систему команд; – средства разработки и отладки программного обеспечения; – языки программирования низкого и высокого уровня; – интерфейсы микроконтроллеров; – организацию взаимодействия микроконтроллера с периферийными устройствами и персональным компьютером; – основы системной отладки на нижнем уровне иерархии; – особенности применения системного последовательного порта; – методику оценки латентности операционной системы для определения применимости для работы реальном масштабе времени; уметь: – описывать проекты СФ-блоков в структурном, поведенческом и потоковом стилях VHDL; – создавать иерархию проекта; – обоснованно применять конструкции языка; – моделировать устройства с использованием средств VHDL; – программировать периферийные устройства микроконтроллера; – программно реализовать взаимодействие микроконтроллера для обмена данными с внешними устройствами и персональным компьютером; – использовать отладочные средства; – конфигурировать системный последовательный порт. владеть: – практическими навыками проектирования электронных средств контроля и управления ЯЭУ; – практическими навыками использования ресурсов различных семейств микроконтроллеров в качестве встроенных систем для управления и автоматизации технологических процессов; – методами оценки производительности операционных систем различных производителей.

Освоение учебной программы лаборатории специализации «Информационно-измерительные и управляющие системы ЯЭУ» направлено на формирование следующих компетенций: – уметь применять базовые научно-теоретические знания для решения теоретических и практических задач; – владеть системным и сравнительным анализом; – владеть исследовательскими навыками; – уметь работать самостоятельно;  пользоваться компьютерными методами сбора, хранения и обработки информации, системами автоматизированного программирования, научно-технической и патентной литературой;  уметь учиться, повышать свою квалификацию в течение всей жизни;  иметь навыки, связанные с использованием технических устройств, управлением информацией и работой с компьютером;  обладать навыками устной и письменной коммуникации;  обладать способностью к межличностным коммуникациям;  уметь работать в команде;  применять знания теоретических и экспериментальных основ физики, современных технологий и материалов, методов исследования физических объектов, методы измерения физических величин, методы автоматизации эксперимента;  использовать новейшие открытия в естествознании, методы научного анализа, информационные образовательные технологии, физические основы современных технологических процессов, научное оборудование и аппаратуру;  проводить планирование и реализацию физического эксперимента, оценивать функциональные возможности сложного физического оборудования;  пользоваться глобальными информационными ресурсами, компьютерными методами сбора, хранения и обработки информации, системами автоматизированного программирования, научно-технической и патентной литературой;  пользоваться государственными языками Республики Беларусь и иными иностранными языками как средством делового общения;  применять знания физических основ современных технологий, средств автоматизации, методов планирования и организации производства, правового обеспечения хозяйственной деятельности и налоговой системы, современного предпринимательства, государственного регулирования экономики и экономической политики. Общее количество часов, отводимое на изучение содержания лаборатории специализации, – 106 часов. Аудиторные занятия в виде лабораторных работ – 60 часов. Занятия проводятся в 7 семестре. Форма текущей аттестации – зачет.