Original title:
Komunikační a řídicí karta k elektronovému mikroskopu
Translated title:
Communication and control card for electron microscope
Authors:
Robotka, Jan ; Petyovský, Petr (referee) ; Macho, Tomáš (advisor) Document type: Master’s theses
Year:
2011
Language:
cze Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Abstract:
[cze][eng]
Hlavním cílem této práce bylo navrhnout novou komunikační a řídicí kartu pro elektronový mikroskop, případně pro další zařízení firmy Delong Instruments a.s., která se zabývá jejich vývojem a výrobou. Tato karta by měla nahradit stávající komunikační kartu, jejíž výpočetní výkon již začíná být nedostačující. Současně nahradí i řídicí a měřicí kartu s A/D a D/A převodníky. Bude tedy umožňovat nejen komunikaci s nadřazeným počítačem a ostatní elektronikou, ale i řízení dalších subsystémů elektronového mikroskopu, zjišťování jeho provozních stavů a měření vnitřních fyzikálních veličiny. V úvodu práce byly nejprve stanoveny požadavky karty, na jejichž základě byla navržena základní koncepce včetně jednoduchého blokového schématu. Důležité bylo vybrat vhodný mikrokontrolér, který bude celou kartu řídit a je tedy její nejdůležitější částí. Důraz byl kladen především na dostatečný výpočetní výkon, velkou modularitu z hlediska jeho periferií, vidinu inovace a podpory do budoucna a samozřejmě cenu. Dále bylo požadováno, aby v sobě zahrnoval rozhraní Ethernet, pomocí kterého bude karta komunikovat s nadřazeným počítačem. Vybrán byl mikrokontrolér s jádrem ARM Cortex-M3, jehož vlastnostem je věnována samostatná kapitola. Další část práce se zabývá hlavním komunikačním rozhraním karty, kterým je již zmíněné rozhraní Ethernet. Po obecném popisu je toto rozhraní stručně prostudováno v souvislosti s vybraným mikrokontrolérem a dále je řešena otázka vyšších vrstev komunikace, kterou představují protokoly rodiny TCP/IP. Nedílnou součástí práce byl výběr důležitých komponent, kterými jsou zejména A/D a D/A převodníky. Jejich parametry budou mít velký vliv na konečné vlastnosti karty. V závěrečné, stěžejní fázi bylo navrženo obvodové schéma, které je v práci detailně popsáno a vysvětleno. Toto schéma je hlavním výsledkem celé práce a je hlavním podkladem pro následnou realizaci navržené karty. Navržená karta bude schopná zpracovat a řídit 16 diferenciálních analogových vstupních signálů, 16 diferenciálních analogových výstupních signálů, 8 digitálních vstupů, 8 jednoduchých digitálních výstupů a 4 digitální výstupy spínané přes optické oddělovače. Bude komunikovat s nadřazeným počítačem přes rozhraní Ethernet rychlostí až 100 Mbit/s, s ostatní elektronikou přes sériovou linku UART s využitím optických kabelů a s dalšími zařízeními přes rozhraní RS-485 a RS-232.
The main aim of this thesis is to design a communication and control card for an electron microscope, eventually for other equipments of the company Delong Instruments a.s., which is dealing with its development and production. This card should replace existing communication card because of its low computational performance. Also, it should replace control and measure card manned with A/D and D/A converters. Thus, the new card will be providing not only the communication with a superior PC and other electronic systems, but also the control of other subsystems of the electron microscope, the determining of processional states and the measuring of internal physical quantities. At the beginning the requirements were determined and the main concept was made with the inclusion of the simple block diagram. It was very important to choose a suitable microcontroller, which will be an intelligence of the whole card and so it will be the most important component. The accent was set mainly on the sufficient computational performance, high modularity of its periphery, good vision of the future innovation and support and, of course, the price. The next requirement was the implementation of the Ethernet, which will be used for the communication between the card and the superior PC. The microcontroller which was chosen have the core architecture ARM Cortex-M3 and it is described in separate chapter. The next part of this thesis is dealing with the main communication standard of the card, which is the Ethernet. After the general description, the Ethernet was mainly discussed in context of the chosen microcontroller. The possibilities of the application of higher layer TCP/IP protocols were also discussed. Implied part of the thesis was the selection of other important components, especially A/D and D/A converters. Its characteristics will have a big effect on the characteristics of the card. In the last and the most important phase the electrical scheme was designed and it was described in detail. This scheme is the main result of this thesis and it is the main document for the future realization. Designed card will be able to process and control 16 differential analogue input signals, 16 differential analogue output signals, 8 digital inputs, 8 simple digital outputs and 4 digital outputs triggered by optocouplers. It will be able to communicate with the superior PC over the Ethernet with the maximum bit rate of 100 Mbit/s, with other electronic cards over the serial line UART through the optical fibers and with other internal and external equipments over the RS-485 and RS-232.
Keywords:
ARM; communication; Control; Cortex-M3; electron microscope; Ethernet; ARM; Cortex-M3; elektronový mikroskop; Ethernet; komunikace; Řízení
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: http://hdl.handle.net/11012/8266
guest ::
