6.1.2. Случай таймера для лазерного излучения

Рассмотрим теперь экспериментальную установку для научно-исследовательской работы, которая касалась методов задания времени облучения для записывающего лазера. В эксперименте, лазер управлялся ТТЛ-совместимым импульсом, формируемым ПК. При высоком значении импульса, лазерный затвор был открыт, при низком — закрыт. Цель экспериментов состояла в том, чтобы изучить влияние лазера на ткани глаза при глазной хирургии. В идеале, мы хотели бы привязать работу лазера к временной метке видеозаписи эксперимента. В коммерческом проекте задания времени было найдено и проверено оборудование, обеспечивающее оптимальную стоимость для малобюджетного проекта.

После рассмотрения имеющихся на рынке микросхем, были выбраны цифровые таймеры серии 74LSXX. Компоненты использовались, чтобы создать пятиразрядный счетчик, который управлял бы несколькими семисегментными дисплеями с помощью микросхем драйверов дисплея. Считывание с семисегментных дисплеев производилось оптически объективом фотокамеры, производящей запись эксперимента. Электроника счетчика/дисплея была установлена в пластмассовом корпусе, и окно было вырезано так, чтобы были видны показания дисплея, как это показано на рис. 6.3.

Рис. 6.3.  Дисковый прерыватель лазерного излучения поочередно фокусирует на исследуемой точке ткани сначала луч лазера, а затем объектив камеры. Поле обзора камеры, табло дисплея, и путь лазерного луча оптически съюстированы компанией

Поле обзора камеры, табло дисплея, и путь лазерного луча были оптически съюстированы компанией. «Дисковый прерыватель» поочередно фокусирует на исследуемой точке ткани сначала луч лазера, а затем объектив камеры. Без такой синхронизации, высокая интенсивность лазера выводила бы видеокамеру в область насыщения. Окна дискового прерывателя были расположены друг против друга, чтобы чередовать пропускание лазерного луча и подсветки для камеры. Скорость двигателя, вращающего диск прерывателя, была стабилизирована таким образом, чтобы момент появления окна, открывающего объектив камеры был синхронизован со скоростью передачи кадров камеры. Это было необходимо для создания устойчивого изображения.

В теории, открытое состояние лазерного затвора, определялось не только импульсом от ПК, но также и импульсом синхронизации. Таким образом, затвор открывался при появлении обоих сигналов на входах схемы И, и счетчик определял бы время открытия затвора.

Схема счетчик/дисплей работала очень хорошо в лаборатории фирмы-производителя. Однако, когда она была перенесена в лазерную лабораторию, в работе появились сбои. Подозрение пало на помехи, и мы стали кропотливо изолировать источники помех. Мы не делали никаких попыток стандартной защиты схемы счетчик/дисплей от помех, пока не столкнулись с этой проблемой. Было достаточно трудно ввести эту защиту после того, как схема была уже создана. Как вы думаете, что за проблема могла бы здесь быть? Какие корректирующие меры должны быть приняты?

Зная, что двигатели являются известным источником помех, мы подозревали, что источником помехи был двигатель дискового прерывателя. Часто микроконтроллеры используются, чтобы управлять двигателями. В главе 5, мы показали, как оптически изолировать схему управления от двигателя. Однако, в этом примере, схема счетчик/дисплей не имела никакого прямого подключения к электросети, питающей двигатель. Фактически, схема счетчик/дисплей и двигатель была включена от разных источников постоянного напряжения. Решение проблемы помех от этого типа двигателя была исследована более подробно. Мы использовали следующие методы, чтобы защитить схему счетчика/дисплея от помех, создаваемых двигателем:

• Сигнал управления с ПК на таймер был подан экранированным кабелем. Экран кабеля был заземлен. Кабель был проложен далеко от двигателя.

• Помехоподавляющие (шунтирующие) конденсаторы были установлены на каждой микросхеме между источником и землей в схеме счетчика/дисплея. Кроме этого, помехоподавляющие конденсаторы были установлены на шинах питания платы счетчика/дисплея.

• Пластмассовый корпус счетчика/дисплея был обмотан заземленной медной лентой. Медный экран был также установлен на окне корпуса дисплея. Он был также электрически связан с медной лентой. Экран и лента обеспечили защиту корпуса схемы счетчика/дисплея.

После применения этой защиты от помех, схема стала работать в соответствии с проектом, и эксперименты были без труда завершены.

Какой урок можно извлечь из этого проекта? Не был проведен полный анализ среды. А он должен выполняться как нечто само собой разумеющееся, когда устанавливаются исходные требования для проекта. Как нечто само собой разумеющееся, должна быть также включена в любой проект, выполняемый на интегральных микросхемах, и защита от помех. Имеются много стандартных методов снижения помех, и внутренних и внешних по отношению к схеме. В заключение, оказывается, что чрезвычайно дорого вводить защиту от помех после того, как изделие было отправлено заказчику. В вышеупомянутом сценарии, проблема возникла внезапно, во время сбора экспериментальных данных.

Мы провели изучение двух случаев, чтобы иллюстрировать следующие общие проблемы в микропроцессорных систем:

• Неподходящие методы связи микросхем;

• Проблемы помех, связанные с внешними и внутренними источниками;

• Проблемы помех, связанные с аналоговой электроникой.

Теперь, рассмотрев некоторые общие реальные проблемы, мы посвятим остальную часть главы описанию методов, которые действительно превращают проект на бумаге в проект, хорошо работающий на практике, позволяющий уйти от реальных ловушек.