SKIEGO X’PERT MPD

55  Download (0)

Pełen tekst

(1)

Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica

w Krakowie

ZASTOSOWANIE RODOWISKA LABVIEW DO STEROWANIA PO- MIARAMI Z WYKORZYSTANIEM DYFRAKTOMETRU RENTGENOW-

SKIEGO X’PERT MPD

Wykonał:

Piotr Maj Promotor:

prof. dr hab.

Tomasz Stobiecki

KRAKÓW 2005

(2)

Pragn serdecznie podzi kowa :

prof. dr hab. Tomaszowi Stobieckiemu za umo liwienie mi pracy w swoim zespole, za po wi cony czas, zaanga owanie oraz cenne wskazówki mgr in . Mirosławowi oł dziowi za konsultacje oraz przekazan wiedz z zakresu elektroniki i programowania dr hab. in . Pawłowi Grybosiowi za pomoc w zrozumieniu zasad działania i komunikacji modułu do detekcji pozycyjnej mgr in . Wiesławowi Powro nikowi i mgr in . Jarkowi Kanakowi za pomoc w obsłudze dyfraktometru oraz rady zwi zane z pomiarami

(3)

Spis tre ci

1. Wst p... 4

2. Opis stanowiska do dyfrakcyjnych pomiarów rentgenowskich z układem do akwizycji danych z paskowego detektora krzemowego ... 7

2.1. Elementy stanowiska pomiarowego... 7

2.1.1. Lampa rentgenowska... 8

2.1.2. Detektory dyfraktometru i geometria pomiaru dyfrakcyjnego ... 8

2.1.3. Goniometr... 9

2.1.4. Półprzewodnikowy detektor paskowy z elektronik odczytu ... 9

2.1.5. Konwerter... 13

2.1.6. Karta pomiarowa ... 16

2.2. Elementy programowe ... 17

2.2.1. Opis rodowiska LabVIEW ... 17

2.2.2. Obsługa interfejsu szeregowego z poziomu rodowiska LabVIEW... 23

2.2.3. Konfiguracja sprz tu pomiarowego firmy National Instruments... 25

2.2.4. Obsługa karty pomiarowej z poziomu rodowiska LabVIEW... 27

2.3. Interfejsy... 31

2.3.1. RS – 232 ... 31

2.3.2. Interfejs do komunikacji z detektorem... 33

2.4. Opis działania układu do akwizycji danych z krzemowego detektora paskowego.. 34

2.4.1. Akwizycja widma z detektora paskowego ... 34

2.4.2. Obsługa programu ... 36

3. Pomiary testowe ... 47

3.1. Pomiar widma energetycznego ... 47

3.2. Pomiary widm dyfrakcyjnych układów wielowarstwowych ... 48

4. Podsumowanie ... 53

5. Literatura ... 54

(4)

1. Wst p

Metaliczne lub półprzewodnikowe układy cienkowarstwowe o grubo ciach nanome- trowych s powszechnie stosowane w nowoczesnych urz dzeniach elektronicznych charakte- ryzuj cych si wysok g sto ci upakowania informacji. Tego typu układy wielowarstwowe wytworzone pró niowymi technikami nanoszenia cienkich warstw, wymagaj dokładnej cha- rakteryzacji strukturalnej na poziomie atomowej zdolno ci rozdzielczej.

Badanie struktury krystalograficznej cienkich warstw za pomoc dyfrakcji promie- niowania rentgenowskiego, jest powszechnie stosowan metod , niemniej mała ilo materia- łu w próbce cienkowarstwowej powoduje wydłu enie si pomiaru dla osi gni cia wysokiej statystyki zlicze oraz du ej intensywno ci pików dyfrakcyjnych. Dlatego tradycyjne gazowe liczniki proporcjonalne zostaj obecnie zast pione, paskowymi detektorami półprzewodniko- wymi o wysokiej wydajno ci zlicze kwantów promieniowania rentgenowskiego.

Pozycjoczułe detektory krzemowe od wielu lat s wykorzystywane w akceleratorach wysokich energii [1]. Idea zastosowania paskowego detektora krzemowego do standardowego dyfraktometru proszkowego pojawiła si w 1996 roku [2]. W Zakładzie Elektroniki J drowej AGH skonstruowano pierwsze prototypowe moduły zawieraj ce krzemowe detektory pasko- we i elektronik odczytu [3,4], a testowe pomiary dyfrakcyjne na próbkach proszkowych i cienkich warstwach przeprowadzono na dyfraktometrze X’Pert MPD w Katedrze Elektroniki AGH [5].

Niniejsza praca magisterska omawia elektronik akwizycji danych i oprogramowanie systemu sterowania pomiarem dyfrakcyjnym za pomoc graficznego j zyka LabVIEW.

Dyfraktometr rentgenowski jest urz dzeniem, które umo liwia badanie struktur krystalograficznych materiałów za pomoc zjawiska dyfrakcji promieniowania X. Przykła- dem takiego dyfraktometru mo e by , znajduj cy si w Katedrze Elektroniki AGH, X’Pert MPD (Multi – Purpose Diffractometer) firmy Philips (rys. 1.1). Głównymi elemen- tami dyfraktometru s : lampa promieniowania X, zestaw szczelin formuj cych wi zk oraz detektory umieszczone na ramionach goniometru [6]. Próbk do bada umieszcza si na specjalnym stoliku obrotowym posiadaj cym mo li-

wo obrotów wokół osi z (k t ϕ) i x lub y (k t ψ). Naj- Rys.1.1 Zdj cie dyfraktometru X’Pert

(5)

Lampa rentgenowska (rys. 1.2) umiesz- czona jest na lewym ramieniu goniome- tru i jest sterowana przez wewn trzny sterownik dyfraktometru. U ytkownik ma mo liwo kontroli poło enia lampy poprzez sterowanie ramieniem gonio- metru.

Rys. 1.2 Lampa rentgenowska umieszczona na lewym ra- mieniu goniometru, widoczny fragment stolika na próbk

Detektory widoczne na zdj ciu (rys. 1.3) rejestruj promieniowanie ugi te. Umiesz- czone s one na prawym ramieniu gonio- metru. Górny detektor przystosowany jest do pomiarów w geometrii Bragga- Brentano natomiast detektor dolny do po- miarów cienkich warstw w tzw. Geometrii GID (Grazing Incidence Diffraction).

Rys. 1.3 Detektory umieszczone na prawym ramieniu goniometru

Ruch ramion dyfraktometru kontrolowany jest przez sterownik, który precyzyjnie ustawia zadane poło enie k towe. Ustawia on równie zadane parametry pracy detektorów oraz lampy.

Aby otrzyma dyfrakcyjne widmo w szerokim zakresie k towym, czyli otrzyma piki odbi braggowskich od płaszczyzn kryształów dowolnie zorientowanych w przestrzeni, nale-

y porusza ramieniem goniometru bardzo dokładnie wykonuj c pomiar ci gły lub krokowy (dokładno ustawienia k towego do 0,001 stopnia). Pomiary te s bardzo czasochłonne, je e- li wymagana jest odpowiednio du a statystyka zlicze dla danego kroku pomiarowego. Sche- mat toru pomiarowego uformowany zestawem szczelin przedstawiony jest na rysunku 1.4. Na zdj ciu (rys. 1.5) przedstawiono rzeczywiste tory pomiarowe dyfraktometru.

(6)

Rys. 1.4 Formowanie wi zki padaj cej i odbitej za pomoc

szczelin Rys. 1.5 Tory pomiarowe dyfraktometru

Zastosowanie wielopaskowego detektora mierz cego jednocze nie pewien zakres k - towy pozwala zaoszcz dzi czas pomiaru i uzyska wi ksz rozdzielczo k tow (rys. 1.6).

Zamontowanie paskowego detektora z elektronik odczytu na ramieniu goniometru, zbudowanie fizycznej warstwy komunikacji, oraz aplikacji pozwalaj cej na kontrolowanie detektora i wykonywanie automatycznych pomiarów w szerokim zakresie k towym jest przedmiotem mojej pracy dyplomowej.

Rys. 1.6 Pomiar przy pomocy detektora z jednym paskiem oraz z wieloma paskami

(7)

2. Opis stanowiska do dyfrakcyjnych pomiarów rentge- nowskich z układem do akwizycji danych z paskowego detektora krzemowego

2.1. Elementy stanowiska pomiarowego

W systemie mo na wyró ni elementy sprz towe pokazane na schemacie (rys. 2.1).

Rys. 2.1 Schemat poł cze elementów sprz towych systemu pomiarowego

(8)

2.1.1. Lampa rentgenowska

W dyfraktometrach X’Pert firmy Philips montowane s najcz ciej lampy rentgenow- skie, w zale no ci od emitowanej długo ci fali z anodami: miedzianymi, kobaltowymi, chro- mowymi lub molibdenowymi. Dyfraktometr X’Pert (Philips 2000), za pomoc którego prze- prowadzano pomiary w tej pracy, wyposa ony był w anod miedzian (λCu =1,54184Å) o rozmiarach 12mm×0,4mm Lampy rentgenowskie dyfraktometru X’Pert montowane s w specjalnej obudowie PW 3040/00 [6]. Lampa posiada cztery berylowe okna, którymi emito- wane jest promieniowanie. Mo e ona by obracana w obudowie tak, by emitowane promienie były skupiane w punkcie lub w linii. Ka de okno posiada sterowan , elektromagnetyczn przesłon (ang. shutter), która mo e by otwarta tylko wówczas, gdy spełnione s warunki bezpiecze stwa (zamkni te drzwi dyfraktometru, sprawne działanie wszystkich podzespo- łów). U ytkownik mo e zmienia poło enie lampy, wielko napi cia, nat enie pr du, za- mkni cie i otwarcie przesłony blokuj cej promieniowanie X. Podczas pomiarów wysokie napi cie przyło one na anod lampy wynosiło kV40 , natomiast nat enie pr du mA10 .

2.1.2. Detektory dyfraktometru i geometria pomiaru dyfrakcyjnego Zastosowane w dyfraktometrze X’Pert detektory to gazowe liczniki proporcjonalne, których zalety i wady w porównaniu z paskowym detektorem półprzewodnikowym zostały omówione w pracy doktorskiej J. Słowika [7].

Górny detektor przystosowany jest do pomiarów w geometrii Bragga-Brentano stosowanej do pomiarów próbek proszko- wych (wi zka promieniowania X zogni- skowana na szczelinie licznika, rys. 2.2)

Rys. 2.2 Geometria pomiaru za pomoc optyki Bragga- Brentano

(9)

Do pomiaru cienkich warstw pod ma- łym k tem padania wi zki pierwotnej (GID – Grazing Incidence Diffraction) u ywa si licznika dolnego. Docieraj - ca do niego odbita wi zka uformowana jest w postaci równoległych promieni, tzw. geometria płasko-równoległa (rys.

2.3).

Rys. 2.3 Geometria pomiaru płasko-równoległa GID

W przypadku pomiarów dyfrakcyjnych (roz. 3.2) z zastosowaniem półprzewodnikowego de- tektora paskowego stosowano geometri Bragga-Brentano a wi zka odbita padaj ca na detek- tor nie była formowana adnym układem szczelin (rys. 1.6).

2.1.3. Goniometr

Goniometr dyfraktometru (rys. 1.5) stanowi dwa ramiona, stronna lewym ramieniu zamontowana jest lampa rentgenowska a na prawym, niezale nie od siebie, detektory. Posia- da on równie silnik wraz ze sterownikiem, który pozwala ustawi oba ramiona niezale nie na wybrany k t z dokładno ci do 0,001 stopnia. Komendy steruj ce przetwarzane przez ste- rownik wysyłane s z komputera klasy IBM PC przez port szeregowy RS232. Informacja o poło eniu ramion dyfraktometru mo e by przesyłana z urz dzenia do komputera po tym sa- mym interfejsie szeregowym (które informacje maj by przesyłane wybiera u ytkownik).

2.1.4. Półprzewodnikowy detektor paskowy z elektronik odczytu

Moduł do detekcji pozycyjnej składa si z krzemowego detektora paskowego i elek- troniki odczytu (rys. 2.4). Detektor wytworzony jest w technologii CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) na wysoko-rezystywnym krzemie (około 4 k cm), co pozwala na uzyskanie całkowitego zubo enia detektora przy stosunkowo małym napi ciu polaryzacji [8]. Wykorzystanie krzemu i zastosowanie dobrze opanowanych procesów technologicznych,

(10)

jakie towarzysz produkcji układów scalonych w przemy le elektronicznym daje wzgl dnie niskie koszty produkcji detektora. Na zdj ciu (rys. 2.4) przedstawiono jedn z wersji detekto- ra posiadaj cego 128 pasków oraz dwa 64 kanałowe układy scalone [8].

Rys. 2.4 Prototypowy paskowy detektor krzemowy: a) sensor (128 pasków), b) elektronika odczytu

Ka dy z pasków detektora krzemowego wyposa ony w niezale ny tor elektroniki odczytu mo e by traktowany jako pojedyncza szczelina pomiarowa w metodzie tradycyjnej. Odle- gło pomi dzy paskami mo e by ró na (zazwyczaj w granicach 50−100µm) i to ona de- terminuje przestrzenn zdolno rozdzielcz detektora. Linie sił wewn trznego pola elek- trycznego w detektorze kształtuj si w taki sposób, e obszary mi dzy-paskowe s aktywne i deponowany tam ładunek dociera do elektrod (rys. 2.5).

(11)

Rys. 2.5 Schemat detektora

Do odczytu impulsów pr dowych z paskowego detektora krzemowego wykorzysty- wane s 64 – kanałowe układy scalone. Uproszczony schemat blokowy pojedynczego przy- kładowego układu scalonego przedstawiony jest na rysunku (rys. 2.6). Mo na w nim wyró - ni : 64 kanały analogowe, 128 liczników, układ wej cia/wyj cia, dekoder komend steruj - cych, przetworniki cyfrowo-analogowe oraz układ kalibracyjny [9].

Rys. 2.6 Schemat blokowy pojedynczego układu scalonego

Schemat blokowy pojedynczego kanału analogowego jest przedstawiony na rysunku (rys.2.7).

Ka dy kanał składa si z:

• wzmacniacza ładunkowego, który przekształca pr dowy impuls z detektora na skok napi cia

(12)

• układu kształtuj cego, który otrzymane na wyj ciu wzmacniacza ładunkowego impul- sy wzmacnia, filtruje i kształtuje stosownie do wymaga czasowych

• dwóch niezale nych dyskryminatorów napi cia, na wyj ciu których otrzymywana jest binarna odpowied

• dwóch niezale nych liczników zliczaj cych binarne sygnały z wyj dyskryminatorów

Zastosowane w układzie przetworniki cyfrowo-analogowe (DAC) pozwalaj na ustawienie parametrów filtracji w torach analogowych jak równie ustawienie progów dyskryminacji.

Rys 2.7 Schemat blokowy kanału analogowego

Zliczanie impulsów z wyj dyskryminatorów jest wykonywane w binarnych, n-bitowych, asynchronicznych licznikach. Uproszczony diagram bloku liczników dla o miu kanałów (ra- zem 16 liczników) jest przedstawiony na rysunku (rys. 2.8) [8].

Przychodz ce do detektora sygnały steruj ce podł czone s do dekodera komend, któ- ry rozpoznaje komendy i wysyła odpowiednie sygnały steruj ce i kontroluj ce działanie całe- go detektora, w tym równie liczników. Sygnał “gateH” i „gateL” jest u ywany do otwierania lub zamykania wej cia z wyj cia dyskryminatora górnego i dolnego. Sygnał „test” pozwala programowo zwi kszy warto liczników, a tym samym na ich niezale ne testy [9].

(13)

Rys. 2.8 Uproszczony schemat bloku liczników

2.1.5. Konwerter

Dane wysyłane z komputera przy pomocy cyfrowej karty pomiarowej s w standardzie TTL (Transistor – Transistor Logic), natomiast detektor obsługuje sygnały w standardzie LVDS (Low Voltage Differential Signal), czyli niskonapi ciowe sygnały ró nicowe. Ich zale- t jest mniejsza wra liwo na zakłócenia ni w standardzie TTL.

W ramach pracy zaprojektowano i zbudowano moduł konwertera TTL-LVDS, którego schemat blokowy przedstawiono na rysunku 2.9, a jego praktyczn realizacj na zdj ciach (rys. 2.11 i 2.12).

(14)

Rys. 2.9 Blokowy schemat konwertera TTL-LVDS

Schemat poł cze elektrycznych został wykonany w programie EAGLE Layout Editor (rys. 2.10). Do konwersji sygnałów z LVDS do TTL u yto układu DS890C031, a konwersja odwrotna u ywa dwóch układów DS890C032. Układy te mog przekształci po cztery sygna- ły jednocze nie. Odbierane linie ró nicowe danych D0 – D7 terminowane s 100 oporni- kami. Dodatkowo ka dy z układów posiada po dwa kondensatory filtruj ce o warto ciach 10nF i 100nF. Płytka posiada diod do sygnalizacji podpi tego zasilania.

(15)

Rys. 2.10 Schemat poł cze elektrycznych wykonany w EAGLE Layout Editor

Rys. 2.11 Płytka konwertera z podpi t ta m - góra Rys. 2.12 Płytka konwertera z wpi tym kablem – dół

(16)

2.1.6. Karta pomiarowa

Zastosowana w systemie komunikacji karta NI PCI 6533 (DIO-32HS) firmy National Instruments jest próbkuj c kart cyfrowego wej cia-wyj cia. Mo e ona próbkowa wej-

cie/wyj cie (zwane dalej DIO – Digital Input Output) z cz stotliwo ci do 20MHz. 32 linie DIO s podzielone na cztery 8 – bitowe porty. Próbkuj c DIO mo emy wymienione porty podzieli na dwie 8 lub 16 – bitowe grupy, lub jedn 32 – bitow grup . Ka da grupa mo e wykonywa operacje wej cia lub wyj cia u ywaj c tego samego zegara taktuj cego [10].

Rys. 2.13. Schemat blokowy karty pomiarowej NI 6533 PCI DIO 32HS

Karta akwizycji danych montowana jest do magistrali PCI komputera klasy PC (rys.

2.13). Wszelkie dane pomi dzy kart a komputerem przesyłane s dzi ki zamontowanym w karcie interfejsom pozwalaj cym odbiera , wysyła dane, obsługiwa przerwania oraz bezpo-

redni odst p do pami ci (DMA – Direct Access Memory). Pami FIFO (First Input First Output) to komórki pami ci, do których dost p jest szybszy ni do danych zapisywanych na dyskach twardych. Kolejkuj one bity, które w danym momencie nie mog by przesłane do magistrali PCI lub wystawione na pin karty. Bufory wej cia/wyj cia to komórki przechowuj - ce pojedyncze wysyłane i odbierane dane.

(17)

Karta posiada wewn trzny oscylator 20MHz, do którego synchronizowane s operacje wej cia/wyj cia. Dzi ki niemu mo na osi ga okres próbkowania do 50ns. Zamiast we- wn trznego zegara karty mo na równie wybra zegar zewn trzny, który b dzie reprezento- wany przez linie RTSI (Real-Time System Integration) przychodz ce z magistrali PCI. Wy- st puj cy w nazwie karty człon 32HS nale y interpretowa w taki sposób, e karta posiada 32 linie szybkiego wej cia/wyj cia (HS – High Speed).

2.2. Elementy programowe

2.2.1. Opis rodowiska LabVIEW

Wst p

LabVIEW jest graficznym j zykiem programowania. Programy pisane w rodowisku LabVIEW s nazywane instrumentami wirtualnymi (Virtual Instruments, w skrócie VI’s), poniewa ich wygl d i działanie imituj fizyczne instrumenty, takie jak oscyloskopy czy mul- timetry. W odró nieniu od tekstowych j zyków programowania, w których kolejne linie kodu okre laj wykonywanie programu, w LabVIEW wykonywanie aplikacji determinowane jest przez przepływ danych na diagramie (dataflow programming) [11].

Rys.2.14 Przykład programu w rodowisku LabVIEW

(18)

Panel frontowy i diagram blokowy

Program pisany w rodowisku LabVIEW zawiera dwa okna: Front Panel – pełni cy rol interfejsu u ytkownika i Block Diagram – zawieraj cy graficzny kod programu. Ka dy VI wy wietla przypisany mu obrazek (ikon ), który jest graficzn reprezentacj programu.

Panel frontowy (rys. 2.14) jest budowany przy pomocy kontrolek (controls – rys. 1.5) i wska ników (indicators), które s odpowiednio wej ciowym i wyj ciowym terminalem pro- gramu. Kontrolki to na przykład pokr tła, przyciski, numeryczne terminale. Wska nikami s : wykresy, diody LED i inne wy wietlacze.

Pokr tło Numery Suwak Wska nik Przyciski Diody Wykres Rys.2.15 Przykłady kontrolek u ywanych w rodowisku LabVIEW

Kontrolki reprezentuj wej cie instrumentu (rys. 2.16) wirtualnego i przekazuj dane do diagramu blokowego programu. Indykatory symuluj wyj cie instrumentu i wy wietlaj dane wyliczone lub wygenerowane przez kod programu.

Rys. 2.16 Przykład instrumentu wirtualnego

Diagram blokowy składa si z terminali, funkcji, struktur i przewodów. Terminale s wej ciowym i wyj ciowym portem wymieniaj cym informacj pomi dzy panelem frontowym

(19)

fikowa terminale tak, aby widoczne były na diagramie jako ikony typu danych lub jako iko- ny kontrolek widocznych na panelu frontowym (ustawienie domy lne).

Terminal kontrolki – pokr tła widziany jako obrazek typu danych (DBL – cztero baj- towa liczba zmienno przecinkowa)

Terminal tej samej kontrolki z ikon i z zaznaczonym ni ej typem danych. Terminal widziany jako ikona kontrolki jest wi kszy, ale przez to bardziej czytelny

Funkcje to programy, które jako wynik zwracaj jedn lub wi cej warto ci. W LabVIEW mo emy je podzieli na dwa rodzaje: pierwotne i tzw subVI. Funkcji pierwotnych nie mo na edytowa , nie posiadaj one panelu ani diagramu, traktuje si je jako „czarne skrzynki” wy- konywaj ce pewne obliczenia i zwracaj ce wynik. Programy zło one z funkcji pierwotnych to subVI. Mo na zobaczy ich zawarto i edytowa je. Do tej grupy zalicza si programy tworzone przez u ytkownika.

Struktury

Struktury s graficzn reprezentacj p tli, i funkcji podejmuj cych wielowariantowe de- cyzje. Podobnie jak inne elementy panelu struktury posiadaj terminale ł cz ce je z funkcja- mi, strukturami etc., zawieraj one wewn trzny diagram zwany dalej subdiagramem. Do struktur zalicza si :

• p tla FOR – wykonuje swój subdiagram okre lon ilo razy

• p tla WHILE – wykonuje swój subdiagram a do napotkania warunku stopu

• struktura CASE – zawiera wiele subdiagramów, dla ka dego przypadku inny diagram wykonywany pod zadanym warunkiem

• struktura SEQUENCE – zawiera jeden lub wi cej subdiagramów, które wykonuj si po kolei

• Struktura EVENT – struktura zdarze zawieraj ca jeden lub wi cej subdiagramów wykonuj cych si w zale no ci od interakcji u ytkownika z programem

Tworzenie kodu programów

Przepływ danych w diagramie jest reprezentowany przez przewody (wire). Na rysunku 2.14 przewód ł czy kontrolki i wska niki z funkcjami. Ka dy przewód ma pojedyncze ródło danej, ale mo e by doprowadzony do wielu funkcji lub wska ników. Przewody maj ró ne kolory, style i grubo ci w zale no ci od typu przesyłanej danej (rys. 2.17).

(20)

P tla WHILE P tla FOR Struktura EVENT Przykłady funkcji Przykłady przewodów Rys.2.17 Przykłady struktur, funkcji i przewodów u ywanych w rodowisku LabVIEW

Zbudowany program mo e by u yty jako podprogram (subVI) pod warunkiem zbu- dowania dla niego obszaru poł cze . Jest to grupa terminali odnosz cych si do kontrolek i indykatorów u ytych w programie (podobnie jak lista parametrów wywołania funkcji w j zy- kach tekstowych). Po u yciu VI’a jako subVI’a mo na podł czy dane wej ciowe i wyj cio- we do obszaru poł cze zbudowanego programu.

Ikona programu

Nie podł czony obszar poł cze (connector pane)

Podł czony obszar poł cze

Pojedyncze VI’e mo na zapisywa jako pliki lub grupowa zapisuj c grup progra- mów w bibliotece. Mo na definiowa zachowanie i wygl d ka dego programu.

Okno pomocy kontekstowej (Context Help) pokazane na rysunkach 2.18 i 2.19 wy- wietla opis wskazanej kursorem funkcji. Opis mo e by dodany do własnego VI’a.

Rys.2.18 Po najechaniu mysz na ikon

funkcji „Equal?” wy wietlany jest jej opis Rys.2.19 Opis dodany do własnego programu jest wy wietlany w oknie pomocy po najechaniu mysz na ikon VI’a

(21)

Funkcje w LabVIEW

Pisanie programu wi e si z u ywaniem ró nych funkcji, które w tradycyjnych j zy- kach tekstowych s po prostu wpisywane (np. +, =, mean()). Aby w LabVIEW u y okre lo- nej funkcji nale y j znale na palecie funkcji i umie ci na diagramie.

Paleta funkcji (Function Palette) pokazana na rysunku 2.20 jest zbiorem wszystkich do- st pnych funkcji rodowiska LabVIEW. Jako pierwsze na palecie umieszczone zostały opisa- ne wcze niej struktury. Kolejne funkcje to:

• funkcje numeryczne do arytmetycznych, trygonometrycznych, logarytmicznych, ze- spolonych operacji matematycznych na liczbach jak równie do konwersji ich typów

• funkcje logiczne pozwalaj ce na obliczanie warto ci jednej zmiennej, lub tablicy war- to ci logicznych takich jak: zmiana warto ci na przeciwn , operacje na „bramkach”

logicznych, konwersja warto ci logicznych do numerycznych i odwrotnie

• funkcje operuj ce na ci gach znaków (String). Pozwalaj one na: ł czenie, dzielenie, przeszukiwanie, zamienia- nie ci gów znaków, zamienianie ich na warto ci numeryczne i odwrotnie

• funkcje operuj ce na tablicach (Ar- ray), pozwalaj mi dzy innymi na:

utworzenie tablicy, sprawdzenie jej wymiaru, dzielenie, dodawanie, usu- wanie elementów tablicy

• funkcje operuj ce na zbiorach (Clu- ster), czyli obiektach odpowiadaj - cych strukturom j zyka C, lub rekor- dom Pascala. Pozwalaj one na wkła- danie i wyci ganie pojedynczych ele- mentów ze zbioru , konwersj zbiorów na tablice i odwrotnie

• funkcje porównuj ce słu ce do po- równywania warto ci numerycznych, Rys. 2.20 Paleta funkcji w oknie diagramu blokowego

(22)

logicznych, ci gów znaków, tablic i zbiorów. Zwracane warto ci to najcz ciej warto- ci logiczne – prawda, je eli parametry funkcji spełniaj dany warunek, fałsz, je eli tego warunku nie spełniaj

• funkcje do obsługi czasu i funkcje dialogowe stosowane do okre lania pr dko ci wy- konywania struktur, pobierania warto ci czasu z zegara systemowego, tworzenie okien dialogowych

• funkcje do operacji plikowych - słu ce mi dzy innymi do: zapisywania i odczytywa- nia z pliku, pozwalaj ce na otwieranie, zamykanie, zapisanie, odczytanie, stworzenie, usuni cie pliku, stworzenie, usuni cie, przeszukanie katalogu

• funkcje do komunikacji pozwalaj ce na wymian danych pomi dzy aplikacjami (nie- koniecznie napisanymi w LabVIEW). Znajduj si tu mi dzy innymi funkcje do ko- munikacji przez TCP/IP, UDP, IrDA, DS, Bt i inne

• funkcje do obsługi urz dze pozwalaj na komunikacje z urz dzeniem przy u yciu ar- chitektury Virtual Instrument Software Architecture (VISA). Funkcje te pozwalaj na wysyłanie i odbieranie ci gu znaków (string) oraz kontrolowanie komunikacji. W szczególno ci s to gotowe funkcje do komunikacji szeregowej przez GPIB oraz VXI

• funkcje do obsługi urz dze pomiarowych firmy NI – czyli głównie kart pomiaro- wych. Znajduj si tutaj sterowniki Traditional DAQ oraz NI DAQmx.

Wymienione wy ej funkcje mo na podzieli na dwie kategorie: funkcje do obróbki danych, oraz funkcje komunikuj ce si ze sprz tem i pozwalaj ce na zbieranie danych lub ich wysyła- nie na zewn trz komputera. Do tej kategorii nale mi dzy innymi grupy: Communication, Instrument I/O, NI Measurement.

Definicje typów

Zmienne w rodowisku LabVIEW reprezentowane s jako kontrolki, którym mo na przypisa specyficzne wła ciwo ci, takie jak np.: typ danych, warto ci maksymalne i mini- malne, wielko , kolor i wiele innych. Ustawion raz kontrolk u ytkownik mo e zapisa w pliku z rozszerzeniem „.crt”, co pozwoli u ywa jej z ustawionymi wcze niej własno ciami.

Aby zapisa wybran kontrolk nale y j zaznaczy a nast pnie w menu „Edit” wybra opcj

„Customize Control”. Pojawi si okno edycji kontrolki, gdzie mo na ustawi jej własno ci.

Dodatkowo w oknie edycji u ytkownik ma mo liwo ustawienia jednego z trzech sposobów zachowania si zmiennej: jako zwykła kontrolka, jako definicja typu (typedef) lub jako cisła

(23)

Zachowanie zmiennej jak zwykłej kontrolki pozwala wywoła j z pliku z ustawio- nymi parametrami, które pó niej mo na dowolnie zmienia w programie.

Zmienna zapisana jako definicja typu lub jako cisła definicja typu pozwala u ywa t sam kontrolk w wielu miejscach, zawsze zachowuj c te same parametry i warto ci domy l- ne w ka dym miejscu programu. Zmiana typu kontrolki zmieni j w ka dym innym miejscu.

Ró nica pomi dzy wymienionymi trybami zapisu dotyczy tych własno ci kontrolki, które nie maj wpływu na jej typ lub warto – czyli rozmiar, kolor. Zapisuj c zmienn jako definicj typu u ytkownik ma mo liwo zmieni w programie jej rozmiar, kolor. Nie mo e jednak zmieni typu ani struktury.

2.2.2. Obsługa interfejsu szeregowego z poziomu rodowiska LabVIEW

Funkcje z palety „instrument driver” rodowiska LabVIEW komunikuj ce si ze ste- rownikiem danego urz dzenia u ywaj architektury VISA – Virtual Instrument Software Ar- chitecture. Pozwala ona na komunikacj z ró nymi urz dzeniami u ywaj c jednego standar- dowego interfejsu. Funkcje VISA pozwalaj na komunikacj szeregow bez wgł biania si w sprz towe rozwi zanie problemu transmisji. Ni ej przedstawione zostały najwa niejsze funk- cje u ywane do obsługi komunikacji szeregowej.

Visa Resorce Name Control pozwala identyfikowa sesj , która zostanie otwarta i nada domy lne parametry transmisji ustawione w MAX’ie (Measurement and Automation eXplorer – rys. 2.21).

VISA Configure Serial Port – funkcja pozwalaj ca progra- mowo ustawi lub nadpisa domy lne ustawienia portu szeregowego.

VISA Open – otwiera sesj komunikacji z urz dzeniem okre lonym przez VISA resource name.

(24)

VISA Close – zamyka otwart wcze niej sesj . Nie zamkni ta sesja powoduje blokad dost pu do portu okre lonego przez VISA resource name.

VISA Write – funkcja wysyłaj ca bufor wyj ciowy do urz dzenia sprecyzowanego przez terminal VISA resource name.

VISA Read – funkcja czytaj ca dane z urz dzenia okre lonego przez terminal VISA resource na- me. „Read buffer” to ci g przeczy- tanych znaków.

W opcjach konfigurowania portu szeregowego dost pne do edycji s podstawowe parame- try transmisji portu szeregowe- go takie jak: fizyczne wyj cie portu (np. COM1 lub COM 2), szybko transmisji, ilo bitów danych, kontrola parzysto ci, ilo bitów stopu, kontrola transmisji. U ytkownik mo e równie nada nazw sesji VISA, która b dzie automa- tycznie widoczna w kontrolce VISA Resource Name na dia- gramie blokowym programu.

Rys.2.21 Okno MAX’a z rozwini tym menu i zaznaczonym portem COM1 oraz ustawienia parametrów na zakładce „Port Settings”

(25)

2.2.3. Konfiguracja sprz tu pomiarowego firmy National Instru- ments

Podczas instalacji sterowników NI-DAQ instalowany jest program Measurement & Au- tomation Explorer (MAX). Słu y on mi dzy innymi do:

• konfiguracji sprz tu firmy National Instruments

• testowania zamontowanego sprz tu

• kalibracji sprz tu

• konfiguracji oprogramowania NI

• tworzenia kanałów (channels) i w tków (tasks).

Po zamontowaniu nowego urz dzenia nale y uruchomi MAX’a, który wykryje wszystkie urz dzenia i zainstalowane oprogramowanie National Instruments. B d one dost pne w od- powiednich zakładkach menu (karty pomiarowe w „Devices and Interfaces”, oprogramowanie w „Software”).

Rys. 2.22. Okno programu MAX z zaznaczon kart DIO oraz menu spod prawego klawisza myszy

Mo liwe do wykonania funkcje dla karty PCI-6533 przy u yciu sterowników DAQmx to [10]:

(26)

• test panels – wywołanie panelu testowego pozwalaj cego na szybkie wystawienie - danego stanu na wyj cie i odczytanie stanu dowolnego wej cia (rys. 2.23)

• reset device – przy braku komunikacji z urz dzeniem (np. uruchomienie karty przy u yciu starszych sterowników) nale y je w pierwszej kolejno ci zresetowa

• rename – zmiana nazwy, pod któr jest widziane urz dzenie w oknie MAX’a

• device pinouts – wykaz nazw kolejnych wej /wyj karty.

Podobne funkcje znajduj si w obsłudze karty przy pomocy sterownika Traditional NI-DAQ. Jednak obsługa karty przy u yciu starszych sterowników mo e w szczególno ci spowodowa fakt, i nie b dzie ona mogła by obsłu ona przez sterownik nowszy. Powodem tego mo e by niepoprawne zamkni cie lub wyrejestrowanie urz dzenia. Nale y wówczas resetowa urz dzenie.

Rys. 2.23 Okno panelu testowego cyfrowej karty pomiarowej

Konfiguruj c kart pomiarow na okre lone zadania nale y odwoływa si do jej fi- zycznych wej /wyj . Mo na odwoła si do nich bezpo rednio lub po rednio przez stwo- rzenie tak zwanego kanału wirtualnego, odwołuj cego si do kanału fizycznego karty.

Kanał fizyczny jest terminalem lub pinem, który mo e mierzy lub generowa okre- lone sygnały (analogowe lub cyfrowe). Ka dy kanał fizyczny urz dzenia widziany przez DAQmx posiada niepowtarzaln nazw .

(27)

Kanał wirtualny (virtual channel) jest zbiorem wła ciwo ci, które mog zawiera :

• nazw kanału wirtualnego

• fizyczny kanał (jego nazw )

• typ pomiaru lub generowania sygnału

• informacje skaluj ce wej cie / wyj cie.

Kanał wirtualny mo na konfigurowa jako cz zadania (task), lub jako niezwi zany z ad- nym w tkiem.

Task, czyli zadanie lub w tek obsługiwane przez NI-DAQmx jest zbiorem jednego lub wi cej kanałów wirtualnych wraz z ustawionymi parametrami czasowymi (timing) urz dzenia i sposobami jego wyzwalania (triggering). Zadanie mo e by zapisane i u ywane w aplikacji jako kompletny zestaw informacji potrzebnych do wykonania operacji wej cia / wyj cia.

Wykonanie pomiaru lub generowania sygnału przy wykorzystaniu „task” powinno zawie- ra nast puj ce kroki:

1. utworzy „task” i „channels”

2. skonfigurowa (opcjonalnie) wła ciwo ci kanałów, timing, triggering 3. czyta lub zapisywa próbki

4. wyczy ci task.

W razie konieczno ci powtórzy kroki 2 i 3.

2.2.4. Obsługa karty pomiarowej z poziomu rodowiska LabVIEW

Komunikacja LabVIEW z kart pomiarow

LabVIEW zawiera szereg funkcji pozwalaj cych na konfiguracj , wysyłanie i odbie- ranie danych z karty akwizycji danych – DAQ. Karta pomiarowa umieszczona w komputerze zbiera przychodz ce do jej wej cia dane, które s nast pnie przekształcane przez oprogramo- wanie na posta wygodn dla u ytkownika. Program ma mo liwo kontrolowania urz dzenia do akwizycji danych dzi ki sterownikowi karty. Jest to specjalny zestaw instrukcji dla danego urz dzenia (karty), poprzez który mo na si z nim komunikowa .

(28)

Urz dzenia pomiarowe firmy National In- struments zawieraj tak zwany „NI-DAQ Driver So- ftware”. Jest to zbiór programów / funkcji pozwalaj - cych na kontrol urz dzenia. NI-DAQ zawiera dwa sterowniki do akwizycji danych: Traditional NI-DAQ oraz NI-DAQmx (rys. 2.24).

Traditional NI-DAQ to sterownik stary i u ywany w przypadkach, kiedy dane urz dzenie nie jest obsłu- giwane przez nowy driver NI-DAQmx, który posiada nowe funkcje i rozwini te narz dzia do kontrolowania urz dzenia. Korzy ci z wprowadzenia DAQmx to głównie:

• DAQ Assistant – interaktywny program po- zwalaj cy niedo wiadczonym u ytkownikom na szybk konfiguracj i wykonywanie opera- cji wej cia / wyj cia

• wzrost wydajno ci w porównaniu do poprzedniego sterownika (wielow tkowo , szybsze operacje wej cia wyj cia dla tych samych urz dze )

• łatwiejszy interfejs do tworzenia oprogramowania ni w wersji poprzedniej.

Opis konfiguracji karty na zastosowanie do komunikacji z detektorem

Komunikacja z modułem do detekcji pozycyjnej polega na zebraniu przez kart po- miarow odpowiedzi od modułu na wysłany do niego z karty wektor sterowania (Rys 2.25).

Zarówno wektor sterowania jak i wektor odpowiedzi maja posta sygnału cyfrowego w stan- dardzie TTL.

Rys.2.24 LabVIEW komunikuje si z kart pomiarow poprzez sterownik(driver) tej karty

(29)

Rys. 2.25 Wektor sterowania i wektor odpowiedzi przesuni te wzgl dem siebie o czas t

Odbieranie i wysyłanie danych (operacje DIO) mog by wykonywane na dwa sposoby:

nazywane dalej programowym i sprz towym.

Programowy tryb operacji wej cia/wyj cia to inaczej programowe ustawienie danej linii w stan „0” lub „1”. Okres próbkowania (T ) okre lony jako interwał czasu pomi dzy wysyła-s nymi bitami jest w tym przypadku nieznany i zale ny od wielu czynników (szybko ci proce- sora, pracy systemu operacyjnego, czy nawet rodzaju karty graficznej [12]). dana informa- cja jest zapisywana i odbierana bit po bicie, przy czym ka dy bit zarówno zapisywany jak i czytany wymaga obsługi w programie. Tryb ten jest przedstawiony na rysunku (rys. 2.26).

Prostok ty symbolizuj wykonywanie cz ci kodu programu (niekoniecznie znanego – mo e by to jaki w tek systemu). Zalet takiego rozwi zania mo e by mo liwo dowolnej kon- figuracji linii portów DIO (na wej cie lub wyj cie).

(30)

Rys.2.26 Programowy tryb operacji wej cia – wyj cia karty

Sprz towy tryb operacji wej cia/wyj cia polega na tym, e zarówno wysyłanie jak i odbieranie informacji jest realizowane przez kart DIO przy pomocy funkcji sterownika (driver’a) tej karty. Okres próbkowania jest w tym trybie stały, gdy cały wektor wyj-

ciowy jest zapisywany w buforze wyj ciowym i potem próbkowany przez kart z zadan cz stotliwo ci próbkowania zsynchronizowan do wewn trznego oscylatora karty (patrz rys 2.27 – schemat blokowy karty pomiarowej). Minimalny okres próbkowania – przy maksymalnej cz stotliwo ci 20MHz dla karty PCI DIO 6533 wynosi 50ns. Wad tej me- tody jest fakt, e nie mo na dowolnie ustawi ka dej linii – nale y pracowa na portach lub grupach portów, przy czym, ustawienie karty na dwa 16 – bitowe porty powoduje po- ł czenie portu A0 i A1 w jedn grup oraz A2 i A3 w drug grup [10].

(31)

Rys.2.27 Sprz towy tryb operacji wej cia – wyj cia karty

Zdecydowano si na zastosowanie sprz towej metody obsługi karty, poniewa pozwa- la na 1000 krotnie szybsz komunikacje ni metoda programowa. W odró nieniu od me- tody programowej pozwala ona równie zachowa stał cz stotliwo próbkowania.

2.3. Interfejsy

2.3.1. RS – 232

RS232 jest szeregowym interfejsem asynchronicznym wykorzystywanym do ł czenia komputera (np. IBM PC) z dowolnym urz dzeniem peryferyjnym. Okre lenie asynchroniczny oznacza, e przesyła si tylko sygnał danych a sygnał zegara jest odtwarzany przez odbiornik na podstawie sygnału danych i znanej pr dko ci transmisji. Okre lenie szeregowy oznacza, e poszczególne bity słowa wysyłane s jeden po drugim (jedna linia/sygnał) a nie jednocze nie (wiele linii/sygnałów). Konsekwencj braku linii zegara jest konieczno umieszczenia w sygnale danych dodatkowych bitów pozwalaj cych na synchronizacj odbiornika z nadajni- kiem (odzyskiwanie zegara) [13]. Schemat ramki danych interfejsu RS232 zamieszczono na rysunku 2.28.

(32)

Rys. 2.28 Ramka danych w standardzie RS232

Bit startu – bit słu y jedynie do synchronizacji, D0 – D7- bity danych stanowi ce jeden bajt, K – opcjonalny bit kontrolny,

Bit stopu – bit ko cz cy transmisj jednego bajtu. Mo e on by podwojony.

Parametry elektryczne interfejsu RS232

Na liniach danych obowi zuje logika ujemna (sygnały danych s aktywne w stanie niskim).

Poziomy napi (U ) sygnałów s nast puj ce: L

V U

V

V U

V

L L

15 3

3 15

+

≤ +

Sposoby przesyłania danych:

• simpleks, czyli transmisja jednokierunkowa mi dzy dwoma urz dzeniami

• pół-dupleks, czyli transmisja dwukierunkowa niejednoczesna po jednej linii transmi- syjnej

• dupleks, czyli transmisja dwukierunkowa jednoczesna polegaj ca na jednoczesnym nadawaniu w obu kierunkach.

Cechy interfejsu:

• Szybko transmisji od 1200 do 19200 b/s

• Maksymalna długo przewodu 15m

• Nadajnik mo na podł czy tylko z jednym odbiornikiem

• Do nawi zania komunikacji wystarcz dwa przewody (RxD oraz SGND).

Interfejs RS232 stanowi najcz ciej 9-stykowe ł cze szufladkowe DB-9, którego ko cówki opisane s w tabeli:

(33)

Nr Pinu Oznaczenie Opis

1 DCD ledzenie poziomu sygnału odbieranego przez DCE 2 RxD Dane odbierane przez DCE

3 TxD Dane nadawane przez DCE

4 DTR Gotowo DTE

5 SGND Masa sygnałowa

6 DCE Gotowo do pracy DCE

7 RTS danie nadawania przez DTE

8 CTS Gotowo do nadawania przez DCE

9 RI Wska nik wywoływania DCE

DTE – terminal (Data Terminal Equipment) DCE – (Data Communication Equipment)

W magistrali interfejsu mo na wyró ni trzy grupy danych:

1. linie danych (TxD i RxD)

2. linie steruj ce (DSR, DTR, RTS, CTS) 3. linia masy (SGND).

2.3.2. Interfejs do komunikacji z detektorem

Interfejs został zrealizowany przy u yciu cyfrowej karty pomiarowej NI PCI DIO- 6533 (32-HS), dzi ki czemu była mo liwo implementacji dowolnego protokołu trans- misji w standardzie TTL.

Protokół transmisji zawiera trzy główne klasy komend:

1. konfiguracyjne – ustawianie bie cych parametrów układu scalonego 2. odczytuj ce – u ywane do zbierania i czytania danych

3. testowe – u ywane do testowania i kalibrowania układu scalonego

Wszystkie komendy zbudowane s z pól jak na rysunku 2.29

(34)

Rys.2.29 Format nadawanej ramki danych na linii CMD

Nagłówek jest u ywany do detekcji pocz tku komendy. Ka dy układ scalony posiada 3- bitowy adres fizyczny. Istnieje mo liwo wysyłania do układu komend globalnych interpre- towanych przez ka dy z układów scalonych na płytce PCB bez wzgl du na warto adresu.

Kolejne bity to kod operacji definiuj cy akcj wykonywan przez układ scalony, natomiast adres i warto przetwornika DAC okre laj , który z wewn trznych przetworników jest łado- wany i jak warto ci . Po wysłaniu do układu scalonego dania wydania danych układ sca- lony wysyła dane w tak zegara na 8 liniach wyj ciowych.

2.4. Opis działania układu do akwizycji danych z krzemowego detektora paskowego

2.4.1. Akwizycja widma z detektora paskowego

Dane pomiarowe czytane z detektora paskowego przez kart pomiarow maj posta ci gu bitów (bitstream) i nie nadaj si do wy wietlania w tej postaci. Nale y te dane prze- tworzy na czyteln posta i wynik zarchiwizowa zapisuj c go do pliku. Schemat blokowy zaproponowanej struktury danych, która jest tworzona i zapisywana do pliku pokazano na rys.

2.30.

(35)

Counter Low oraz Counter High to dwie najmniejsze struktury posiadaj ce informa- cj z jednego kanału (Channel), czyli paska krzemowego.

Tablica „Channels” zawiera informacj o o miu kanałach (ł cznie 16 liczników). Ra- zem z adresem (Adress) elektronicznego sensora wysyłaj cego dane oraz wysyłanym przez ten układ elektroniczny nagłówkiem (Header) tworzy struktur o nazwie „Counter Block” – czyli grupa liczników. Posiada ona ju pewn informacj , która dostarczana jest w postaci jednego wektora o ci le okre lonej długo ci.

Dane z jednego układu scalonego (jeden układ posiada 64 kanały = 128 liczników) stanowi osiem grup liczników, które wpisywane s w tablicy. Dla jednego sensora mo na teoretycznie sprawdzi , czy w trakcie pomiaru pojawił si reset (wyzerowanie liczników) czy nie. Przyj ty w programie algorytm sprawdza, jaki procent liczników pokazuje warto mniej- sz od 2. Je eli jest on wi kszy ni 50% u ytkownik informowany jest o tym, e mógł wyst - pi bł d odczytu poprzez zapalenie lampki sygnalizacyjnej „Reset Occure?”.

Rys. 2.30. Podstawowa struktura danych pomiarowych

(36)

Bit o nazwie „Reversed?” mówi o tym, czy dany układ scalony rejestruj cy promie- niowanie jest podł czony zgodnie z wewn trzn numeracj kanałów czy te nie (rys. 2.31). Bit ten jest ustawiany raz i nie powinien by zmieniany (chyba e zmienione zostanie poł czenie sensora w detektorze lub zmieniony zostanie detektor).

Grupuj c informacj z wszystkich układów scalo- nych do tablicy otrzymamy warto pomiaru dla całego detektora (Chip). Struktura zawiera- j ca tablic pomiarów poszczególnych układów scalonych, nazw (Scan Mode) i warto (Angle) k ta, przy którym wykonany został pomiar oraz czas pomiaru to „Single Acquisi- tion”. Przechowuje ona informacj o pojedynczym pomiarze detektora.

W przypadku wykonania wi kszej liczby pomiarów nale y przechowywa informacj o nazwie mierzonej próbki oraz da u ytkownikowi mo liwo wpisania dowolnego komen- tarza ułatwiaj cego pó niejsz analiz wyników. Główna struktura nazwana jest Measure- ment, czyli pomiar zawieraj cy wymienione wcze niej informacje (rys 2.30).

2.4.2. Obsługa programu

Główne okno programu

Główne okno programu „RX64 Data Collector v.1” przedstawiono na rysunku 2.32. Wi- doczne w nim pola to wykres pokazuj cy mierzone widmo oraz panel kontrolny. Widoczne na nim elementy interfejsu u ytkownika mo na podzieli na nast puj ce grupy:

• Akcja – uruchomienie procedur pomiarowych

o ZMIERZ – przycisk powoduj cy wykonanie pojedynczego pomiaru, którego czas okre lony jest w kontrolce „Czas otwarcia przesłony”

o Zamie Pomiar – przycisk powoduj cy zamian wybranego, bł dnego pomiaru o Widmo Energetyczne – pomiar widma energetycznego, czyli wykre lenie dla ka dego paska krzemowego ilo ci zlicze w funkcji ustawionego progu dys- kryminacji

o Uruchom Viewer – wywołanie programu „Viewer” pozwalaj cego na szybkie przegl danie i edytowanie wcze niej zapisanych pomiarów

• Pomiary – operacje na tablicy zebranych pomiarów

o Zapisz Pomiar – zapisanie zebranych pomiarów do pliku o nazwie próbki Rys. 2.31 Układ poł cze układów

scalonych na detektorze

(37)

o Usu Wszystkie – usuwa wszystkie dotychczasowe pomiary wcze niej pytaj c czy na pewno usun

o Usu ostatni – usuwa wykonany ostatnio pomiar

• Konfiguracja – edycja parametrów wy wietlania i pomiaru

o Widok – wywołanie okna dialogowego, w którym ustawia si opcje wy wie- tlania tablicy pomiarów

o Detektor – wywołanie okna dialogowego, w którym ustawia si parametry de- tektora

o Scan Mode – kontrolka pozwalaj ca na wybór typu pomiaru okre lonego przez zmian jednego z k tów 2 , , lub

o Czas otwarcia przesłony [s] – okre lenie czasu wykonania pojedynczego po- miaru.

• Status – aktualny stan pomiaru

o Poł czenie z X’Pert – dioda pokazuj ca czy poł czenie z dyfraktometrem jest aktywne

o Angle – wy wietlenie aktualnej warto ci ustawionego k ta (2 , , lub ) o Shutter – wy wietlenie stanu otwarcia lub zamkni cia przesłony lampy rentge-

nowskiej

o Ilo pomiarów – wy wietlenie liczby wykonanych pomiarów

• Opis próbki –

o Nazwa – pole tekstowe na nazw mierzonej próbki; nazwa ta jest wykorzysty- wana do tworzenia katalogu i pliku

o Komentarz – pole tekstowe na dowolny komentarz u ytkownika, który zosta- nie zapisany do pliku wraz z pomiarem

(38)

Przed wykonaniem jakiejkolwiek operacji nale y poczeka , a program zainicjalizuje kar- t pomiarow oraz komunikacj szeregow (około 15 sekund). Wówczas zacznie asynchro- nicznie miga dioda sygnalizacyjna „Poł czenie z X’Pert”. Zmiana stanu diody nast puje w takt odbierania informacji od dyfraktometru.

Po nawi zaniu komunikacji z urz dzeniem program „RX64 Data Collector” automatycz- nie wykona pierwszy pomiar. Jest on od razu zapisany jako pierwszy element w tablicy prze- chowuj cej pomiary (u ytkownik zauwa y zmian licznika elementów pomiaru „Ilo pomia- rów”). Dopiero po wykonaniu tych czynno ci program jest gotowy do pracy.

Automatyczne wykonywanie pomiaru

Pomiar zostanie wykonany zawsze, je eli wykryta zostanie zmiana wybranego k ta.

Zmiana ta musi by stabilna, czyli utrzymywa si przez około trzy – cztery sekundy. Nie- zb dna jest wi c komunikacja z dyfraktometrem (miga dioda sygnalizacyjna „Komunikacja z Rys. 2.32. Główne okno programu „ RX64 Data Collector v.1”

(39)

Program „RX64 Data Collector” wykonuje pomiar dzi ki synchronizacji z firmowym programem dyfraktometru „X’Pert Data Collector”, w którym ustawia si pomiar i jego pa- rametry (czas i wielko pojedynczego kroku). Program „RX64 Data Collector” automatycz- nie rozpozna zmian k ta, zarejestruje j oraz wykona pomiar.

Wykonywany pomiar mo e uwzgl dnia zmian jednego z czterech k tów: 2 , , lub . Aby program wykrywał zmian k ta, informacja o jego aktualnej warto ci musi by prze- syłana z dyfraktometru do komputera PC. Wybrany k t ustawia si jako widoczny w progra- mie „X’Pert Data Collector” w menu Customize >> Status Bar >> Item 5.

Nale y pami ta o dwóch dodatkowych funkcjach, które umieszczone zostały dla bezpie- cze stwa przechowywania danych pomiarowych i na które u ytkownik nie ma wpływu:

• w momencie otwarcia przesłony lampy rentgenowskiej „Shutter” wyzerowane zostaj dotychczasowe pomiary

• w momencie zamkni cia przesłony do pliku zostaje zapisany wynik wykonanego po- miaru (wszystkie pomiary – patrz „zapis do pliku”)

Otwarcie i zamkni cie przesłony sygnalizowane jest w oknie „Shutter”.

Nale y pami ta o poprawnym ustawieniu czasu pojedynczego zliczania w oknie

„Czas otwarcia przesłony [s]” (jest to podawany w sekundach czas, w ci gu którego zliczane s fotony docieraj ce do detektora). Po wci ni ciu przycisku „ZMIERZ” poka e si okno sygnalizuj ce pomiar (rys. 2.33) Widoczne na rysunku pola to:

• „Czas otwarcia przesłony” – ustawiony w głównym oknie czas pomiaru

• przycisk „STOP” – jego wci ni cie umo liwia przerwanie pomiaru przed upływem zadanego czasu

• „Time” – rzeczywisty czas pomiaru.

Czas jaki nale y ustawi w kontrolce „Czas otwarcia przesłony [s]” to czas pojedynczego kroku ustawionego w programie „X’Pert Data Collector” plus 5 sekund. Jest to minimalny czas potrzebny na rozpoznanie czy ramie goniometru z detektorem ustaliło nowe poło enie.

Po upływie zadanego czasu lub przyci ni ciu STOP okno zostaje zamkni te i pojedynczy pomiar zako czony. Program „RX64 Data Collector” przetworzy wynik pomiaru według ustawie wy wietlania ustawionych przez u ytkownika, a nast pnie wy wietli go wykresie postaci wykresu w głównym oknie pomiaru. Zwi kszy si przy tym licznik pami tanych po- miarów.

Rys. 2.33. Okno sygnalizuj ce pomiar

(40)

R czne wykonywanie pomiaru

R czne wykonywanie pomiaru umo liwia przycisk „ZMIERZ”, którego wci ni cie spowoduje pojedyncze wywołanie funkcji wykonuj cej odczyt z detektora. Program nie po- siada opcji pracy wył cznie w trybie r cznym. Wykonanie pojedynczego pomiaru spowoduje dodanie go do wykonanych pomiarów – mo na wi c taki pojedynczy odczyt zapisa do pliku wpisuj c wcze niej nazw próbki oraz komentarz w odpowiednie pola.

Zmiana ustawie detektora

Zmian ustawie detektora dokonuje si po wci ni ciu przycisku „Detektor” w menu

„Konfiguracja”. Wywołane zostanie okno dialogowe umo liwiaj ce podgl d oraz edycj ak- tualnych ustawie warto ci przetworników detektora. Pola numeryczne nie pozwalaj u yt- kownikowi na wpisanie warto ci spoza zakresu danego przetwornika. W przypadku wpisania zbyt du ej lub zbyt małej warto ci program ustawi warto odpowiednio maksymaln lub minimaln . Dodatkowo – po najechaniu kursorem myszy na dowolne pole numeryczne (rys.

2.34) pojawi si ółta chmurka informuj ca o funkcji danej kontrolki oraz jej dopuszczalnych warto ciach. Widoczne przyciski pozwalaj na zapis / odczyt warto ci przetworników. Słu y do tego specjalny katalog znajduj cy si w głównym katalogu aplikacji o nazwie „Pli- ki_konfiguracyjne”.

• „Load …” pozwala wywoła zapisane wcze niej pod dowoln nazw ustawienia

• „Load Default” przywołuje domy lne warto ci przetworników. S to warto ci widzia- ne podczas wywołania okna dialogowego

• „Save As …” pozwala zapisa ustawienia pod wybran nazw w celu pó niejszego wywołania; pliki konfiguracyjne posiadaj rozszerzenie „.cfgp”

• „Set as default and EXIT” ustawia wpisane warto ci jako domy lne i zamyka okno dialogowe (przy uruchamianiu programu „RX64 Data Collector” do detektora wpisy- wane s warto ci domy lne ustawione podczas poprzedniej pracy programu).

(41)

Rys. 2.34. Okno konfiguracji ustawie detektora

Widmo Energetyczne

Prawidłowy pomiar widma energetycznego promieniowania rentgenowskiego przy pomocy detektora paskowego jest mo liwy przy odpowiednim ustawieniu progów dyskrymi- nacji (High Threshold i Low Threshold). O ustawieniu progu dyskryminacji decyduje poziom szumów i wzmocnienie toru odczytowego oraz energia padaj cego promieniowania. Aby zna- le odpowiedni warto progu dyskryminacji, nale y dokona tzw. skanu energetycznego polegaj cego na znalezieniu liczby zlicze w zale no ci od ustawionego progu dyskryminacji.

Po wykonaniu w/w wykresu tak nale y dobra progi dyskryminacji, aby dolny odpowiadał energii mniejszej od padaj cego promieniowania, a górny energii wy szej. Program pozwala- j cy wykre li widmo energetyczne dla wybranego paska detektora umieszczony jest pod przyciskiem „Widmo Energetyczne”. Wykonuje on automatycznie pomiary dla ka dego pro- gu dyskryminacji, przy czym czas wykre lenia całego widma zale y od wybranego czasu po- jedynczego pomiaru. U ytkownik wybiera w jakim zakresie zmienno ci progu dyskryminacji chce wykona skan energetyczny. Uruchomienie tego programu nie spowoduje wyzerowania tablicy pomiarów, jednak dla bezpiecze stwa u ytkownik powinien istotne pomiary wcze-

niej zapisa do pliku.

(42)

Zapis do pliku

Zapis do pliku nast puje w momencie przyci ni cia przycisku „Zapisz tablic ” w me- nu „Pomiary”. Zapisane zostaj wszystkie pomiary b d ce w tablicy. Przed zapisem do pliku nale y wpisa nazw mierzonego materiału (próbki) oraz /lub komentarz, który zostanie zapi- sany wraz z pomiarem. Nazwa materiału wykorzystywana jest do stworzenia katalogu, w któ- rym zostanie zapisany pomiar. Nazwa tworzonego katalogu jest nast puj ca: „NazwaProb- ki_DDMMMRRRR_GG.MM#No”, gdzie:

• NazwaProbk – wpisana w oknie głównym nazwa próbki

• DD – 2 – cyfrowy numer dnia

• MMM – 3 – literowy skrót miesi ca (np. sty, sie)

• RRRR – 4 – cyfrowy numer roku

• GG – 2 – cyfrowy numer godziny

• MM – 2 – cyfrowy numer minut

• #No – opcjonalny numer dodawany do nazwy, je eli w jednej minucie u ytkownik ze- chce zapisa wi cej ni jeden pomiar.

Przykład utworzonego katalogu to „A2_13lip2005_12.43”. Znajduj cy si w utworzonym katalogu plik o nazwie mierzonej próbki z rozszerzeniem „.pomr” to plik zawieraj cy dane pomiarowe.

Znajduj cy si nad przyciskiem „Zapisz pomiar” przycisk „Usu Wszystkie” wyczy ci tablic z danymi pomiarowymi. Wcze niej jednak zapyta u ytkownika, czy rzeczywi cie chce on usun dotychczasowe pomiary.

Usuwanie pojedynczych pomiarów

Przycisk „Usu jeden” pozwala usun u ytkownikowi wybrany pomiar. Po wci ni - ciu przycisku wywołane zostaje okno programu „Delete” (rys. 2.35), w którym widoczne s dwa pola na wykre lenie widma oraz panel u ytkownika. Po wywołaniu programu w obu oknach wykre lone zostaje aktualne widmo. Na wykresie górnym („Przed usuni ciem”) po- kazany zostaje dodatkowo kursor pozwalaj cy na wybranie pomiaru, który ma zosta usuni - ty. Po chwyceniu kursora przy pomocy myszy i wybraniu jednego z punktów, które nale y usun na wykresie dolnym „Po usuni ciu” automatycznie zostanie pokazany wykres bez wybranego kursorem pomiaru (pomiar nie jest jeszcze usuni ty). Dopiero przyci ni cie przy- cisku „Usu zaznaczone” spowoduje usuni cie wybranego pomiaru. Po usuni ciu pomiaru

(43)

Cofn mo na tylko jedno – ostatnie usuni cie (je eli usuni te zostan dwa pomiary pod rz d, cofn mo na tylko jeden, ostatni). Po przyci ni ciu przycisku „Cofnij usuni cie” dodany zostaje usuni ty wcze niej pomiar i przycisk staje si nie aktywny. Przyci ni cie „Stan po- cz tkowy” spowoduje anulowanie wszystkich dotychczasowych akcji. Przycisk „Powrót”

zamyka aplikacj i powraca do programu „RX64 Data Collector” zast puj c w nim stare dane pomiarowe poprawionymi w programie „Delete”.

Rys. 2.35 Okno programu Delete pozwalaj cego usuwa wybrane pomiary

(44)

Wy wietlanie wyniku pomiaru

Zmierzone widmo jest wy wietlane na wykresie w głównym oknie programu.

U ytkownik ma wiele opcji wy wietlania widma, które dost pne s pod przyciskiem „Widok”

w menu „Konfiguracja”. W oknie dialogowym (rys. 2.36) mo na ustawi , które warto ci maj by widoczne na wykresie (opcja „VIEW”):

wykres dla górnego lub dolnego progu dys- kryminacji, oba jednocze nie, ich ró nic lub wszystkie trzy mo liwo ci naraz. Za- znaczenie opcji „Show complex spectrum”

spowoduje wykre lanie wszystkich zmie- rzonych warto ci na jednym wykresie (za- gnie d enie pomiaru), przy czym istotne s tutaj warto ci wpisane w grupie „Detektor Parameters”, czyli numer paska dla k ta 2Theta oraz k towa odległo pomi dzy paskami. Tylko wprowadzenie poprawnych warto ci, które s liczbami rzeczywistymi, spowoduje wykre lenie wykresu w prawi- dłowym zakresie k towym. Odznaczenie opcji „Show complex spectrum” spowoduje wykre lanie pojedynczego pomiaru widma w funkcji numerów pasków.

U ytkownik mo e równie wybra opcj u redniania wybranych próbek na zło onym wykresie. Do wyboru s :

• No Average (brak u redniania) – pokazywane jest jedynie zag szczone widmo po- wstałe z nało enia wszystkich punktów pomiarowych pochodz cych od kolejnych pomiarów

• Average with the same No. of sample – u rednianie warto ci jednego punktu przy pomocy m punktów s siaduj cych (rys. 2.37). Liczba punktów pomiarowych pozosta- je niezmieniona

• Average with decrease No. of sample – u rednianie warto ci wybranej ilo ci m punk- tów i zast powanie ich jednym punktem (rys. 2.38)

Rys. 2.36. Okno konfiguracji wy wietlania wyniku

(45)

Rys. 2.37 U rednianie (Average with the same No. of

sample) Rys. 2.38 U rednianie (Average with decrease No. of

sample)

Liczba m jest ustawiana przez u ytkownika w oknie dialogowym „No. of samples to ave- rage”.

Oprócz bie cego podgl du widma podczas pomiaru u ytkownik ma do dys- pozycji program „Viewer”, który umo liwia szybkie przegl danie i edytowanie aktualne- go pomiaru lub wcze niej zapisanego do pliku. Okno programu Viewer pokazane jest na rysunku 2.39.

Rys. 2.39 Okno programu „Viewer”

(46)

Widoczne elementy panelu u ytkownika to:

• Czytaj – wywołanie okna dialogowego pozwalaj cego na wybranie pliku do przegl - dania

• Nadpisz obecny – pozwala w szybki sposób nadpisa ogl dany plik je li został on poddany edycji

• Zapisz – szybkie zapisanie do pliku – takie samo, jak w przypadku zapisu do pliku w programie „RX64 Data Collector” opisane wy ej

• Zapisz jako… - zapisanie edytowanego pomiaru pod now nazw w wybranym miej- scu

• Usu plik – usuni cie aktualnie edytowanego pliku i katalogu, w którym znajduje si plik

• Usu jeden pomiar – opisywana wy ej opcja pozwala usuwa pojedyncze pomiary

• Usu bł dne pomiary – usuwa wszystkie pomiary zawieraj ce bł dy i widoczne w ta- beli „Bł dne pomiary”, przy czym pomiar jest bł dny, gdy wyst pi jedna z niezgodno-

ci pomiarowych zawartych w głównej strukturze danych (rozdział 2.4.1)

• Ilo pomiarów – wska nik liczby wykonanych pomiarów

• Opcje widoku – opisane wy ej konfigurowalne opcje wy wietlania wyniku pomiaru w tym przypadku nie wywoływane po przyci ni ciu przycisku a umieszczone na panelu u ytkownika – pozwala na szybk edycj sposobu wy wietlania widma

Program „Viewer” mo e by uruchomiony bez konieczno ci otwierania programu

„RX64 Data Collector”, a jego wersja instalacyjna nie wymaga instalowania rodowiska LabVIEW. U ytkownik mo e wi c w łatwy sposób ogl da dane na dowolnym kompute- rze.

(47)

3. Pomiary testowe

W celu sprawdzenia czy system pomiarowy pracuje prawidłowo wykonano pomiary widma energetycznego promieniowania X dla monokryształu Si oraz pomiary widm dyfrak- cyjnych układów wielowarstwowych słabo i silnie steksturowanych [14].

3.1. Pomiar widma energetycznego

W rozdziale 2.4.2 opisuj cym działanie programu, w podrozdziale „Widmo Energe- tyczne” wspomniano o tym, e bardzo wa ne jest odpowiednie ustawienie progów dyskrymi- nacji układu w celu uzyskania stałej w czasie liczby zlicze [8]. Aby poprawnie ustawi te warto ci nale y zmierzy widmo energetyczne (rys.3.8), czyli warto zlicze (amplituda) w funkcji zadanego progu dyskryminacji (threshold w cyfrowych warto ciach przetwornika).

Zmierzone przykładowo widmo energetyczne promieniowania X z monokrystalicznej próbki Si dla 87 paska, któremu odpowiada 86 kanał, pokazano na rysunku 3.1

Rys. 3.1 Widmo energetyczne – ilo zlicze dla 86. kanału detektora w funkcji progu dyskryminacji

Aby optymalnie ustawi warto ci „High Threshold” i „Low Threshold” w oknie kon- figuracji detektora nale y wybra punkty wykresu, z otoczenia dla których wyst puje prze- gi cie funkcji (tutaj warto „Low Threshold” wynosi około 60 a „High Threshold” około 100). Po ustawieniu tych wła nie warto ci wykonano pomiar dyfrakcyjny dla k ta 2Theta 69o (rys. 3.2). Widmo jest reprezentowane przez odbicie braggowskie od płaszczyzny Si(400)

(48)

wiadczy przede wszystkim o bardzo dobrej zdolno ci rozdzielczej detektora paskowego jak równie pokazuje, e urz dzenia współpracuj ce z detektorem i procedury akwizycji danych pomiarowych zostały prawidłowo wykonane i oprogramowane.

) 400 (

1 Si

α

Cuk

α2

Cuk

Rys. 3.2 Dyfrakcja braggowska dla monokryształu Si od płaszczyzny Si(400). Doskonałe rozdzielenie liniiCu na kα1 i kα2.

3.2. Pomiary widm dyfrakcyjnych układów wielowarstwowych

Do dalszych pomiarów testowych wybrano układy wielowarstwowe o nanometro- wych grubo ciach subwarstw układu. Jak wiadomo intensywno pików dyfrakcyjnych od tak cienkich warstw jest bardzo mała, dlatego w takim przypadku statystyk zlicze popra- wiamy wydłu aj c czas pomiaru, przy pracy z detektorem gazowym. Takie rozwi zanie po- ci ga za sob długi czas zlicze dla zadanego k ta theta (wielogodzinny pomiar probki) i co za tym idzie szybsze zu ycie kosztownej bardzo lampy rentgenowskiej. Zast pienie gazo- wego licznika proporcjonalnego (który mo emy sobie wyobrazi jako jedno-paskowy de- tektor) półprzewodnikowym detektorem pokrywaj cym znaczny zakres k towy (3,5 stop- nia) poprawia statystyk i wielokrotnie skraca czas pomiaru. Przeprowadzono pomiary od- bicia zwierciadlanego θ-2θ (tzw. scan gonio) dla układów wielowarstwowych typu zawór spinowy [15], zbudowanych w nast puj cy sposób: podło e Si(100)/SiOx 47nm/warstw bu- forowych (A, B,)/IrMn 12nm/CoFe(2.5 15nm)/AlOx 1.4nm/NiFe 3nm/Ta 5nm, gdzie bufor typu (A) Cu 25nm a bufor typu (B) Ta 5nm/Cu 25nm (rys. 3.4). Układ wielowarstwowy z buforem A charakteryzuje si dwa rz dy wielko ci mniejsz intensywno ci pików o struk- turze kubicznej IrMn(111), Cu (111) i CoFe(110) ni układ z buforem B. wiadczy to o tym, e układ wielowarstwowy B jest silniej steksturowany ni układ A (rys. 3.3 i 3.5) [15].

(49)

40 60 80 100 101

102 103 104 105

Cu(200)

Si(200) Si(400)Kββββ Si(400)

CoFe(110)Cu(111)IrMn(111) CoFe(220)

IrMn(222) Cu(222)

A B

Intensity [counts/sec]

2 θ [deg]

IrMn 12 CoFe x AlO 1.4 NiFe 3 Ta 5

Substrate Si(100) SiO Ta 5 Cu 25

Substrate Si(100) SiO Cu 25

Rys. 3.3 Wynik pomiaru materiałów wielowarstwo-

wych A i B Rys. 3.4 Budowa testowanych materiałów –

próbki A i B (opis w tek cie pracy)

40 42 44 46

10 100 1000 10000

Cu(111)

CoFe(110) IrMn(111)

A B

Intensity [counts/sec]

2 θ [deg]

Rys. 3.5 b) Scan θ-2θ zmierzony przy u yciu detektora ga- zowego, w w skim przedziale k ta 2θ uwzgl dniaj cym piki IrMn, Cu i CoFe. Czas pomiaru wynosił około 240 min.

Pomiary obejmuj ce przedział k ta 2θ, dla których wyst puj piki IrMn(111), Cu(111) i CoFe(110) powtórzono stosuj c półprzewodnikowy detektor paskowy. Na rysunku 3.6 mo - na zauwa y wynik wykonanego kilkakrotnie pomiaru. Pomimo kilku bł dnych pomiarów wykorzystuj c funkcje usuwania pojedynczych, niemiarodajnych pomiarów oraz funkcje u redniania otrzymano wygładzony wykres. Wynik tych operacji wraz z zaznaczon na czar- ny kolor ró nic obydwu pomiarów pokazuje rysunek 3.7

antiferromagnet pinned free

buffer

a b

(50)

) 111 ( IrMn

) 111 ( Cu

) 110 ( CoFe

Rys. 3.6 Wynik 23 pomiarów próbki dobrze teksturowanej B. Kolorami zaznaczono pomiar dla dolnego progu dyskryminacji (czerwony) i dla górnego progu dyskryminacji (niebieski)

) 110 ( CoFe )

111 ( Cu

) 111 ( IrMn

Rys. 3.7 Scan θ-2θ zmierzony przy u yciu półprzewodnikowego detektora paskowego, w w skim przedziale k ta 2θ uwzgl dniaj cym piki IrMn, Cu i CoFe. Czas pomiaru wynosił 3 minuty

Na rysunku 3.8a i 3.8b przedstawiono porównanie wyników pomiaru detektorem gazowym i półprzewodnikowym detektorem paskowym, uzyskano bardzo dobr zgodno obu pomia- rów. Nale y zauwa y , e pomiar gazowym licznikiem proporcjonalnym trwał około 240 minut, natomiast pomiar paskowym detektorem krzemowym tylko 3 minuty.

Obraz

Updating...

Cytaty

Powiązane tematy :
Outline : Obsługa programu