add report (russian)

Report/main.tex

@@ -0,0 +1,542 @@
+\documentclass[a4paper,12pt]{extarticle}
+\usepackage{/home/eddy/ed}
+\graphicspath{{./pic/}}
+\nocolon
+\title{\textbf{Технический отчет~\No\,xxx}\\Система температурного мониторинга\\ главного зеркала БТА}
+\makeatletter
+\def\maketitle{%
+  \vskip 3em%
+  \begin{center}%
+  \let \footnote \thanks
+    {\LARGE \@title \par}%
+    \vskip 1.5em%
+    {\large
+      \lineskip .5em%
+      \begin{tabular}[t]{c}%
+        \@author
+      \end{tabular}\par}%
+    \vskip 1em%
+    {\large \@date}%
+  \end{center}%
+  \par
+  \vskip 1.5em}
+\makeatother
+
+\author{Емельянов~Э.В.}
+\begin{document}
+\noindent
+\begin{tabular}{p{0.6\textwidth}p{0.3\textwidth}}
+& \textbf{Утверждаю}\\
+& Директор САО РАН\\[2em]
+& \hrulefill~~Власюк~В.В.\\[1em]
+& <<\rule{7mm}{0.4pt}>>~\hrulefill~\number\year\,г. \\
+\end{tabular}
+
+\maketitle
+\tableofcontents\newpage
+
+Длительное время температура главного зеркала (далее ГЗ) БТА фактически определялась лишь по показаниям
+одного датчика ввиду того, что использовалась некалиброванная система из терморезисторов, наклеенных на нижнюю
+поверхность зеркала. Разброс показаний терморезисторов доходил до $3\degr$C, что не позволяло использовать
+систему для исследования влияния температурных градиентов на форму поверхности ГЗ.
+
+Для объективной аттестации реставрированного ГЗ \No1 необходимо было исключить возможность влияния тепловых
+неоднородностей на форму зеркала, поэтому возникла потребность в создании новой системы теплового мониторинга.
+
+\section{Выбор типа термодатчиков}
+Согласно документации\footnote{Большой Азимутальный Телескоп (БТА). Техническое описание (Книга~--~1).~---
+ЛОМО.}, в главном зеркале БТА высверлено 60~глухих отверстий диаметром 310\,мм и глубиной 430\,мм для
+размещения механизмов разгрузки (57~разгрузок) и фиксирующих опор (3~опоры); 6~площадок глубиной около 20\,мм
+для упора домкратов; 1~сквозное отверстие диаметром 360\,мм в центре для центрирующего стакана. Верхняя часть
+каждой разгрузки отделена от зеркала воздушным промежутком, толщина которого более чем достаточна для
+установки температурного датчика на поверхности стекла.
+
+При размещении в отверстиях разгрузок термодатчиков появится возможность мониторинга распределения
+температурных градиентов по поверхности зеркала. Температурный коэффициент линейного расширения
+боросиликатного стекла имеет значение от $3\cdot10^{-6}\,\degr\text{C}^{-1}$
+до~$7\cdot10^{-6}\,\degr\text{C}^{-1}$.
+Для $\alpha_L=5\cdot10^{-6}\,\degr\text{C}^{-1}$ при радиальном градиенте температуры отклонение формы
+поверхности зеркала между двумя выбранными точками на одну длину волны ($\lambda=500\,$нм) будет наблюдаться
+при разности температур между этими точками $\sim0.15\degr$C. Таким образом, регистрация температур зеркала
+БТА требуется с крайне высокой точностью (не хуже~$0.1\degr$C).
+
+\subsection{Аналоговые температурные датчики}
+\subsubsection{Термопары}
+Термопары применяются обычно для измерения высоких (тысячи Кельвин) температур. Для измерения абсолютных
+температур с высокой точностью термопары обычно не применяют. Однако, термопары "--- хорошее средство для
+измерения разностей температур с высокой точностью (вплоть до $\pm0.01\degr$C).
+
+В аризонской обсерватории <<Multiple Mirror Telescope>> использовалась система мониторинга градиентов
+температуры по составному главному зеркалу (диаметром 6.5~метров, в дальнейшем составное зеркало было
+заменено монолитным) на основе дифференциальных измерений с использованием термопар.
+
+Высокоточное измерение температуры при помощи термопар "--- технически сложная задача. Ее реализация требует
+значительно б\'ольших затрат времени и средств по сравнению с альтернативными методиками.
+
+\subsubsection{Терморезисторы}
+Компания U.S. Sensor предлагает терморезисторы, имеющие погрешность $\pm0.05\degr$C на интервале
+температур~$0\div50\degr$C с различными значениями сопротивления при температуре~$25\degr$C (от $2.252\,$кОм
+для PR222J2 до $50\,$кОм для  PR503J2. Цена одного такого датчика "--- около \$20.
+
+Еще один вариант высокоточных термосопротивлений от этой компании "--- USP3021 и USP3986 (сопротивление,
+соответственно, $10\,$кОм и $100\,$кОм) с заявленной точностью не меньше~$\pm0.01\degr$C! Однако, и цена этих
+датчиков соответствует точности: около \$500 за штуку.
+
+Pico Technology предлагает погружные терморезисторы серии PT100 в металлическом корпусе --- SE012, точность
+которых по заявлению производителя не ниже~$\pm0.03\degr$C! Стоимость "--- около \$80 за штуку.
+Компания предлагает и терморезисторы <<потребительского класса>> "--- SE011, обладающих
+точностью~$\pm0.15\degr$C по цене около \$40.
+
+Для разрабатывающегося в САО РАН ИК-спектрофотометра IRBIS мониторинг температуры <<холодных>> узлов прибора
+было решено выполнять при помощи изготавливаемых компанией Honeywell платиновых терморезисторов HEL-705,
+позволяющих выполнять надежные измерения температуры и в диапазоне кипящего жидкого азота. Гарантированная
+производителем точность (без калибровки) составляет $0.2\%$ (т.е. $\pm0.15\,$K при температуре жидкого азота
+и $\pm0.60\,$K при комнатной температуре). Цена одного такого термодатчика составляет порядка \$45.
+Однако, проведенные в 2013--2014\,гг. испытания показали, что после калибровка датчиков в совокупности с
+высокоточной методикой измерения их сопротивления позволяет увеличить точность до $\pm0.05\degr$C в диапазоне
+температур около $40\degr$C (например, от $-20\degr$C до $20\degr$C, чего вполне достаточно для работы с
+ГЗ БТА).
+
+\begin{pict}
+\includegraphics[width=0.7\textwidth]{TRD_hot}
+\caption{Показания восьми некалиброванных терморезисторов HEL-705 при комнатной температуре.}
+\label{trdhot}
+\end{pict}
+
+\begin{pict}
+\includegraphics[width=0.7\textwidth]{TRD_cold}
+\caption{Показания двух некалиброванных терморезисторов HEL-705 при температуре жидкого азота.}
+\label{trdcold}
+\end{pict}
+
+Для высокоточного измерения сопротивлений термодатчиков применялась схема, в которой каждый из проводников
+подсоединенных по трехпроводной схеме датчиков коммутировался отдельным мультиплексором, а для уменьшения
+воздействия внутреннего сопротивления мультиплексора производились замеры с изменяемым опорным током и сменой
+входных каналов 24-битного АЦП AD7794\footnote{Henry He, <<Minimizing Errors in Multiplexed 3-Wire RTD
+Data-Acquisition Systems>>,\\
+http://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/minimizing-errors-in-multiplexed-3-wire-rtd.html}.
+
+При комнатной температуре производились долговременные измерения показаний восьми тщательно
+теплоизолировынных датчиков HEL-705 (см. рис.~\ref{trdhot}), также наблюдались изменения показаний двух
+термодатчиков, помещенных в закрытую пенопластовой термоизоляцией (вследствие чего температура кипения
+азота в емкости была выше, чем в открытой емкости) емкость с жидким азотом (см. рис.~\ref{trdcold}).
+
+Численное моделирование показало, что в ограниченном диапазоне температур при помощи калибровки можно
+добиться достаточно высокой точности измерения. Так, после простой линейной калибровки по точкам кипения
+жидкого азота при давлении 680\,мм.рт.ст. (температура кипения азота при этом давлении составляет
+$76.43\,$K\footnote{George T. Armstrong, <<Vapour Pressure of Nitrogen>>, J.Res.Nat'l.Bur.Stand. 53, 263
+(1954).}) и плавления льда удалось обеспечить точность в широком диапазоне не хуже $\pm0.13\degr$C.
+
+Основной проблемой использования терморезистивных датчиков для построения карт распределения температуры в
+толще ГЗ БТА является крайне высокая стоимость терморезисторов и систем регистрации температуры с требуемой
+точностью.
+
+
+\subsection{Цифровые температурные датчики}
+В отличие от аналоговых термодатчиков, требующих наличия крайне сложной системы регистрации температур,
+цифровые термодатчики фактически всю схему регистрации содержат внутри себя, что позволяет значительно
+упростить электронику регистрирующей системы. Поэтому на техническом совете в декабре 2014\,года автором и
+был озвучен выбор в пользу цифровых термодатчиков.
+
+Популярные недорогие 1-wire термодатчики (например, датчики DS18S20) имеют низкую точность ($\pm0.5\degr$C с
+возможностью улучшения до $\pm0.25\degr$C при калибровке), что не позволяет использовать их в данной задаче,
+однако, промышленностью выпускаются специализированные калиброванные цифровые датчики.
+
+\subsubsection{TSic-506}
+\begin{pict}
+\includegraphics[width=0.7\textwidth]{Tsic506}
+\caption{Отклонения показаний трех датчиков TSic-506 от среднего значения в диапазоне от $11\degr$C до
+$22\degr$C.}
+\label{tsic}
+\end{pict}
+Компания <<IST innovative sensor technology>> производит цифровые датчики TSic\texttrademark~506F с
+интерфейсом ZACwire, обеспечивающих (по утверждению производителя) точность измерения температуры не
+хуже~$\pm0.1\degr$C в диапазоне $5\div45\degr$C. Стандартный интервал измерений~--- $-10\div60\degr$C. Цена
+одного такого датчика --- около \$12.
+
+В 2013~г. в лабораторных условиях были испытаны три термодатчика TSic-506. Дискрет измерения температуры у
+данных датчиков составляет $0.034\degr$C. Показания датчиков снимались в диапазоне температур от~$11\degr$C
+до~$22\degr$C. Без калибровки разброс датчиков составил $\pm0.1\degr$C. После линейной калибровки
+среднеквадратичное отклонение показаний датчиков составило не выше $0.2\degr$C (см. рис.~\ref{tsic}) с
+воспроизводимостью не хуже $\pm0.05\degr$C. Однако, полный диапазон работы этих датчиков не позволяет быть
+уверенным, что при работе в зимний период температура зеркала не выйдет за нижний предел их рабочей
+температуры. Кроме того, формфактор TO-92, в котором выпускаются данные датчики, затрудняет осуществление
+надежного температурного контакта между ними и поверхностью зеркала.
+
+\subsubsection{TSYS-01}
+<<TE Connectivity>> производит цифровые термодатчики TSYS-01 в удобном для выполнения надежного теплового
+контакта корпусе QFN-16. Заявленная производителем точность работы датчика во всем рабочем диапазоне (от~
+$-40\degr$C до~$125\degr$C) составляет не хуже~$\pm0.1\degr$C, а в диапазоне от~$5\degr$C до $40\degr$C
+гарантируется точность не хуже $\pm0.05\degr$C. Цена датчика~--- около~\$12.
+
+\begin{pict}
+\includegraphics[width=0.7\textwidth]{T12_100pts}
+\caption{Скользящее среднее для разницы показаний двух термодатчиков TSYS-01.}
+\label{tsysmean}
+\end{pict}
+
+\begin{pict}
+\includegraphics[width=0.7\textwidth]{T12_diff}
+\caption{Разность показаний пары TSYS-01 без усреднения.}
+\label{tsysdiff}
+\end{pict}
+
+Для анализа возможностей применения данных датчиков на ГЗ БТА в 2016--2017\,гг. было проведено их
+исследование. Интерфейс работы датчиков "--- SPI или I2C (был выбран второй вариант, как требующий наименьшего
+количества проводников). От стабильности источника питания датчиков (3.3\,В) зависит точность их показаний,
+поэтому датчики запитывались от отдельного LDO.
+
+Показания двух тщательно термоизолированных датчиков, приклеенных к пластине из боросиликатного стекла
+отличались крайне незначительно: на рис.~\ref{tsysmean} приведены графики температур, усредненные по
+100~точкам, а на рис.~\ref{tsysdiff} "--- <<сырые>> разности температур без усреднения. Такие высокие
+точности показаний датчиков без калибровки, простота опроса термодатчиков, а также возможность использования
+достаточно длинных проводников для подключения датчиков к контроллерам (до 5\,м при скорости I2C 10\,кГц)
+позволили остановить свой выбор именно на них.
+
+\section{Система температурного контроля}
+\subsection{Организация системы}
+Для подключения отдельного датчика к микроконтроллеру необходимо как минимум четыре проводника: два
+сигнальных проводника шины I2C, питание и общий провод (<<земля>>). У датчиков имеется дополнительный вход,
+позволяющий посредством подключения к нему общего или питания изменять младший бит адреса датчика (т.е. на
+одной шине I2C одновременно может работать пара датчиков, либо же при помощи пятого сигнального проводника
+можно выбирать нужный термодатчик). Чтобы подключение датчиков можно было выполнить стандартной витой парой
+из двух пар проводников, был выбран вариант подключения датчиков попарно. Кроме того, как показали
+исследования работы множества датчиков, одновременно подключенных к одной шине I2C, из-за наличия входной
+емкости на затворах транзисторов каждого датчика уже наличие шестнадцати датчиков на шине требует снижения
+сопротивления подтяжек на сигнальных входах с 4.7\,кОм до 750\,Ом (а это привело бы к увеличению
+тепловыделения и уменьшению предельной длины соединительных проводников). В результате была выбрана
+попарная схема подключения датчиков (с разными младшими адресами). Предельная длина проводников при этом не
+уменьшилась, составляя 5\,м для тактовой частоты шины I2C 10\,кГц.
+
+Ограничение на максимальную длину сигнальных проводников не позволяет установить контроллер термодатчиков вне
+оправы ГЗ БТА (кроме того, в этом случае к контроллеру шел бы жгут из не менее 30~кабелей). Было принято
+решение использовать топологию <<звезда>>: к каждому контроллеру подключается до восьми пар термодатчиков, а
+между собой все контроллеры соединяются при помощи шины CAN, не имеющей столь малого ограничения на
+предельную длину линии данных. Адресация контроллеров в CAN-шине задается при помощи микропереключателей или
+перемычек. Один из контроллеров выполняет роль ведущего, позволяя выполнять опрос всех контроллеров сети.
+
+\begin{pict}
+\includegraphics[width=0.7\textwidth]{LUT}
+\caption{Печатные платы прототипов контроллеров температур и креплений датчиков.}
+\label{lut}
+\end{pict}
+
+В 2017~году были изготовлены прототипы печатных плат для монтажа термодатчиков и плат контроллеров (см.
+рис.~\ref{lut}). За основу плат контроллеров был взят микроконтроллер STM32F042, имеющий аппаратные
+интерфейсы CAN и USB (второй необходим для подключения к управляющему компьютеру). Для коммутации шины I2C
+(что необходимо для переключения между разными парами термодатчиков) использованы аналоговые восьмиканальные
+мультиплексоры 74HC4051, переключающие оба сигнальных проводника шины I2C на нужную пару термодатчиков.
+
+Соединение контроллеров между собой выполняется при помощи стандартной витой пары пятой категории (четыре
+пары проводников): одна пара используется для CAN-шины и по три проводника для питания (12\,В). Импульсный
+источник питания на основе LM2576 преобразует 12\,В в 5\,В, которые при помощи раздельных LDO LM1117
+преобразуются в 3.3\,В питания микроконтроллера с периферией и термодатчиков. Все сигнальные входы защищены
+при помощи супрессоров. Вход питания защищен от переполюсовки при помощи <<идеального диода>> на основе
+полевого транзистора AO3407, а от короткого замыкания "--- при помощи плавкого предохранителя на
+0.5\,А\footnote{Все принципиальные схемы, печатные платы и исходные коды для данного проекта находятся в
+репозитории https://github.com/eddyem/tsys01}.
+
+\begin{pict}
+\includegraphics[width=0.7\textwidth]{thermocontr}
+\caption{Термоконтроллеры в сборе на CAN-шине.}
+\label{thermocontr}
+\end{pict}
+
+Для анализа потребления и потерь на линии связи уровень входного напряжения питания измеряется при помощи
+внутреннего АЦП микроконтроллера, а для измерения силы тока используется датчик MAX471. Также внутренним АЦП
+микроконтроллера измеряется уровень напряжения питания термодатчиков и уровень напряжения 5\,В после
+импульсного источника питания. Переключатель напряжения на основе TPS2051 позволяет управлять питанием
+термодатчиков, отключая его в случае необходимости, а также служит предохранителем, отключая питание датчиков
+в случае, если потребление превысит 0.5\,А (для защиты компонент контроллера в случае короткого замыкания по
+питанию при <<горячем>> подключении или отключении датчиков).
+
+Диагностика работы контроллеров выполняется посредством трех светодиодов. Отдельно стоящий в верхней части
+платы светодиод является индикатором наличия напряжения питания микроконтроллера. Под микроконтроллером
+распаяны еще два сигнальных светодиода: верхний является показателем активности микроконтроллера, мерцая один
+раз в секунду; нижний светодиод загорается при наличии стабильного соединения на CAN-шине.
+
+\subsection{Установка и отладка системы}
+Установка и отладка системы сбора данных началась с мая 2018~года "--- после замены ГЗ БТА. Для того, чтобы
+иметь возможность аттестовать точности показаний датчиков в широких температурных диапазонах и произвести при
+необходимости их калибровку был изготовлен стенд с мультиплексором на основе восьми 74HC4051, позволяющим при
+помощи одного микроконтроллера работать с 96~термодатчиками.
+
+\begin{pict}
+\includegraphics[width=0.7\textwidth]{stand_test}
+\caption{Подготовка стенда для аттестации термодатчиков.}
+\label{senstest}
+\end{pict}
+
+На 18-мм плиту из дюралюминия было установлено 42~пары термодатчиков (в 40~парах термодатчики пары находились
+в непосредственной близости друг от друга на расстоянии около 1.5\,см). На рис.~\ref{senstest} приведено
+изображение конструкции во время монтажа последнего ряда термодатчиков на пластину. Пластина со стороны
+датчиков была закрыта многослойной изоляцией из пенополиэтилена и помещена в бокс из листовой теплоизоляции.
+По углам и в центре пластины были наклеены терморезисторы HEL-705 для независимого определения температуры в
+разных частях пластины.
+
+Далее внутрь бокса заливался жидкий азот, охлаждающий пластину с термодатчиками, а поверх бокса
+устанавливалась емкость с жидким азотом, чтобы исключить появление инея и водяного конденсата на платах с
+термодатчиками и электрических контактах.
+
+К сожалению, из-за огромного количества проводников не удалось обеспечить равномерного распределения
+температуры по поверхности пластины: при пассивном нагреве пластины до $-30\degr$C, когда и начались
+измерения показаний термодатчиков, разница температур между противоположными краями пластины (по длине)
+составила более $1.5\degr$C. Такой высокий градиент температуры не позволил осуществить массовую аттестацию
+термодатчиков, однако, учитывая малое расстояние между датчиками каждой конкретной пары, появилась
+возможность отбраковать те пары, где показания в диапазоне от $-30\degr$C до комнатной температуры отличались
+больше, чем на $0.05\degr$C. После того, как пластина в среднем нагрелась до $10\degr$C, градиент по ее длине
+снизился до $0.5\degr$C, а по ширине "--- до $0.1\degr$C, что позволило исследовать поведение
+пар термодатчиков в группах по 6--8~пар.
+
+\begin{pict}
+\includegraphics[width=0.4\textwidth]{Tsens0location}\hspace{2em}
+\includegraphics[width=0.4\textwidth]{Tsens1location}
+\caption{Расположение датчиков пары.}
+\label{senspair}
+\end{pict}
+
+В результате было отобрано 30~пар термодатчиков с разбросом показаний внутри пары не выше $\pm0.025\degr$C и
+среднеквадратичным отклонением от среднего для всех пар не выше $0.05\degr$C. 28~пар термодатчиков
+установлено в разгрузках ГЗ БТА, одна пара измеряет температуру внутри вспомогательного помещения фокуса~Н2
+(где расположена система регистрации) и еще одна пара оставлена в качестве резервной.
+На рис.~\ref{senspair} приведены фотографии расположения термодатчиков одной из пар: один датчик приклеен к
+донышку углубления под разгрузку (таким образом измеряя температуру на расстоянии около 20\,см от поверхности
+зеркала), второй наклеен на заднюю часть зеркала вблизи соответствующей разгрузки.
+
+\begin{pict}
+\includegraphics[width=0.7\textwidth]{Controllers}
+\caption{Расположение термодатчиков в разгрузках ГЗ БТА.}
+\label{sensloc}
+\end{pict}
+
+На рис.~\ref{sensloc} приведено расположение термодатчиков (залитые розовым окружности) и контроллеров
+(окружности с нумерацией внутри) на главном зеркале. Расположение изображения соответствует виду из стакана
+первичного фокуса. Рядом с каждой разгрузкой указан ее номер. Цветной заливкой зеркало разделено на четыре
+сектора, отображающих группы датчиков, подключенных к одному контроллеру.
+Для обеспечения возможности контроля дрейфа разностей показаний термодатчиков в разгрузках \No15 и \No9
+пары термодатчиков продублированы. Обеспечить сверку показаний датчиков с реальными температурами можно при
+помощи четырех терморезисторов HEL-705, установленных в разгрузках \No\No~40, 46, 52 и~58. Изготовлен
+макет аналоговой части системы регистрации данных с терморезисторов на трех низкоомных
+мультиплексорах NX3L4051 и АЦП AD7794.
+
+\begin{pict}
+\includegraphics[width=0.5\textwidth]{hand_meter}
+\caption{Устройство для ручного измерения температур ГЗ БТА.}
+\label{handmeter}
+\end{pict}
+
+\begin{pict}
+\includegraphics[width=0.45\textwidth]{T0-180529}\hfil
+\includegraphics[width=0.45\textwidth]{T1-180529}
+\caption{Карты температур, построенные вручную 18~марта 2018~г. Слева "--- температура в глубине зеркала,
+справа "--- на его нижней поверхности.}
+\label{mirhandtemps}
+\end{pict}
+
+К середине мая датчики были установлены на ГЗ БТА и специалисты СЭК БТА занялись установкой разгрузок. До
+окончания работ по установке разгрузок не было возможности смонтировать коммуникационные линии в оправе
+зеркал, поэтому на макетной плате было собрано простое устройство, позволяющее вручную измерять температуры
+для каждой пары датчиков (см. рис.~\ref{handmeter}). На рис.~\ref{mirhandtemps} изображена одна из
+температурных карт, построенных вручную.
+
+\begin{pict}
+\includegraphics[width=0.6\textwidth]{CANbusBoard}
+\caption{Прототип для отладки CAN и USB интерфейсов.}
+\label{canusblut}
+\end{pict}
+
+В июне--июле 2018~г. производилась отладка аппаратного и программного обеспечения системы мониторинга. Был
+сформирован протокол передачи данных по CAN-шине, отлажен конечный автомат измерения температур в каждой из
+двенадцати пар точек, завершена аппаратная отладка пяти распаянных плат контроллеров термодатчиков.
+Для упрощения разработки программной части интерфейсов CAN и USB изготовлена отладочная плата (см.
+рис.~\ref{canusblut}). Отладка на отдельной плате позволила уменьшить риск повреждения элементов основных
+контроллеров на стадии разработки программной части, не связанной с опросом термодатчиков. На момент
+написания данной документации разработка USB-CDC интерфейса еще не закончена, поэтому основной контроллер
+соединен с управляющим компьютером посредством переходника UART$\leftrightarrow$USB.
+
+Контроллеры термодатчиков были смонтированы в оправе ГЗ БТА в августе 2018~г. Из вспомогательного помещения в
+опоре фокуса Н2 в пространство между ГЗ БТА и его оправой были проложены коммуникационные линии на основе
+витой пары cat5. Произведено временное закрепление коммуникационных линий и контроллеров в оправе ГЗ БТА.
+Окончательное решение об местах установки термодатчиков и контроллеров, а также их количестве должно быть
+вынесено после окончания периода пробной эксплуатации системы температурного мониторинга.
+
+\begin{pict}
+\includegraphics[width=0.32\textwidth]{T0}\hfil
+\includegraphics[width=0.32\textwidth]{T1}\hfil
+\includegraphics[width=0.32\textwidth]{Tgrad}
+\caption{Карты распределения температуры, генерируемые системой сбора данных. Слева "--- температура в толще
+зеркала, в центре "--- температура на его нижней поверхности, справа "--- градиент температуры по толщине
+(температура в толще минус температура на дне).}
+\label{tempgraphs}
+\end{pict}
+
+В августе 2018~г. был смонтирован компьютер системы сбора данных (Orage Pi Zero) в совокупности с блоками
+питания и основным контроллером "--- в металлическом коробе, установленном на стене вспомогательного
+помещения третьего этажа стойки фокуса Н2 телескопа. После отладки алгоритма опроса термодатчиков были
+написаны сетевые демоны, позволяющие получить доступ извне к собранным системой данным.
+
+Основной сетевой демон системы сбора работает на машине mirtemp.sao.ru, обслуживая порт 4444. Один раз в
+минуту демон дает команду запуска измерения температур и считывает полученные данные. Накопленные за 15~минут
+данные усредняются и по ним при помощи утилиты gnuplot строятся графические карты распределения температур
+(см. рис.~\ref{tempgraphs}), доступ к которым можно получить через веб. Последние считанные данные доступны
+как из клиентского приложения, так и из любого браузера: по адресу mirtemp.sao.ru:4444/T0 можно получить
+таблицу распределения температур в толще зеркала, mirtemp.sao.ru:4444/T1 "--- на дне
+зеркала, mirtemp.sao.ru:4444/T2 "--- в помещении Н2, mirtemp.sao.ru:4444/Tgrad "--- разницу между T0 и~T1,
+mirtemp.sao.ru:4444/Tmean "--- среднюю арифметическую температуру (рассчитанную по всем последним
+данным с отбраковкой измерений, отличающихся от медианной температуры больше, чем на $3\sigma$).
+Формат записей таков: в первой и второй колонке указаны координаты (в метрах) точки измерения температуры; в
+третьей колонке "--- ее значение; а в четвертой "--- время, когда было произведено измерение (в формате UNIX
+time). Графики усредненных последних 15~измерений не содержат времени последнего измерения и доступны по
+адресам http://mirtemp.sao.ru/T0, http://mirtemp.sao.ru/T1 и http://mirtemp.sao.ru/Tgrad.
+
+На основе образцов исходных кодов систем сбора метеорологических данных для СУ БТА, предоставленных
+с.н.с.~лабории информатики В.С.~Шергиным, разработан интерфейс, обеспечивающий передачу средней температуры
+зеркала в систему управления телескопом.
+
+\section{Заключение}
+В ходе эксплуатации системы регистрации температур ГЗ БТА до начала работ по его алюминированию
+выявлено, что выбрано недостаточное количество опорных точек: для построения более точной карты распределения
+температур желательно разместить термодатчики в каждой разгрузке зеркала. Кроме того, градиент по толще
+зеркала не играет такой важной роли, как радиальный градиент. Видоизменить существующую систему можно,
+используя датчики с нижней поверхности зеркала и дополнительные датчики. Использующихся четырех контроллеров
+при этом хватит в~т.ч. для контрольного дублирования датчиков в четырех точках.
+
+% https://latex.org/forum/viewtopic.php?t=7732
+\makeatletter
+\newcommand\appendix@section[1]{%
+\refstepcounter{section}%
+\orig@section*{Приложение \@Alph\c@section: #1}%
+\addcontentsline{toc}{section}{Приложение \@Alph\c@section: #1}%
+}
+\let\orig@section\section
+\g@addto@macro\appendix{\let\section\appendix@section}
+\makeatother
+\appendix
+
+\section{Программные протоколы}
+\subsection{Протокол обмена данными по последовательному интерфейсу}
+Связь управляющего компьютера с любым контроллером системы сбора возможна либо через последовательный порт
+(отладочный интерфейс USART1 выведен на платах контроллеров) при помощи переходников
+USART$\leftrightarrow$USB, либо при помощи соединения через USB (в разработке). Соединение через
+последовательный интерфейс выполняется на скорости 115200~бод в формате 8N1.
+
+Рабочий протокол включает в себя служебные команды, предназначенные для отладки. Формат команды:
+\verb'[<num>]<char><endline>', где \verb'<char>' "--- символ команды (большая или малая латинская буква), а
+\verb'<endline>' "--- символ завершения строки (\verb'\n'). Если параметр \verb'[<num>]' опущен (т.е. команда
+состоит из одного символа), результат зависит от регистра команды: команда в верхнем регистре инициализирует
+широковещательную передачу соответствующего сообщения всем контроллерам сети, а также локальный ее запуск;
+команда в нижнем регистре запускается только локально на данном контроллере (существуют также команды,
+не имеющие <<локального>> варианта).
+
+При необходимости послать сетевую команду конкретному контроллеру используется расширенный формат команд. В
+этом случае параметр \verb'[<num>]' является числом от 1 до 7, а команда "--- только в верхнем регистре.
+Данный вариант команд доступен для исполнения лишь с ведущего контроллера, имеющего номер 0. Если номер
+контроллера отличается от нуля, сетевые команды (как конкретному контроллеру, так и широковещательные) для
+него недоступны (исключение сделано для отладочных команд \textbf{B} и \textbf{D}).
+
+Далее приводится список основных команд. Если команда пишется в обоих регистрах, то доступны как сетевые, так
+и локальные ее варианты, для команд только в нижнем регистре доступен лишь локальный вариант, а только в
+верхнем "--- лишь сетевой. Команды, использующиеся исключительно для отладки, отмечены как [\textit{отладка}].
+
+\begin{description}
+\item[B] [\textit{отладка}] посылка широковещательного тестового сообщения по CAN-шине;
+\item[c] [\textit{отладка}] отобразить коэффициенты заводской калибровки для всех подключенных термодатчиков;
+\item[D] [\textit{отладка}] послать по CAN-шине тестовое сообщение ведущему контроллеру;
+\item[Ee] выйти из режима сканирования температуры;
+\item[Ff] отключить питание термодатчиков (не рекомендуется часто отключать питание, иначе датчики быстро
+        выйдут из строя);
+\item[g] отобразить адрес платы, считанный с перемычек при последней процедуре инициализации CAN;
+\item[Hh] переключить I2C в режим скорости 100\,кГц (не рекомендуется для длинных линий);
+\item[i] переинициализировать CAN (полезно для смены адреса платы <<на горячую>>);
+\item[Ll] переключить I2C в режим скорости 10\,кГц (режим по умолчанию);
+\item[P] ping "--- запрос на существование в сети контроллера с соответствующим адресом (либо
+        широковещательный ping всех, существующих в сети контроллеров);
+\item[Rr] переинициализация I2C;
+\item[Ss] войти в режим сканирования температуры (не чаще, чем 1~раз в 15~секунд автоматически запускается
+        процесс измерения температуры с выдачей данных в CAN-шину);
+\item[Tt] запуск одиночного измерения температуры (стандартная команда для измерений по запросу с ведущего
+        контроллера);
+\item[u] проверить состояние CAN-шины (были ли ошибки в последних транзакциях);
+\item[Vv] переключить I2C в режим наименьшей скорости (около 5.8~кГц);
+\item[Z] запросить состояние термодатчиков.
+\end{description}
+
+\subsection{Протокол пересылки данных по CAN-шине}
+Данные по шине CAN передаются пакетами переменной длины: от одного до семи байт. В каждом пакете нулевым
+байтом является маркер типа пакета: данные (\verb'0x5A') или команда (\verb'0xA5'). В штатном режиме
+эксплуатации ведущий контроллер отсылает только команды, а ведомые "--- только данные, однако, в тестовом
+режиме ведомый контроллер может также пересылать данные. В случае отправки команды пакет имеет длину два
+байта и байтом~1 следует передающаяся команда.
+
+Перечень команд (числовое значение команды, мнемоническое обозначение, расшифровка):
+\begin{description}
+\item[0x00] \verb'CMD_PING' ожидание пакета данных с эхом этой команды (используется для проверки
+        существования контроллера на шине);
+\item[0x01] \verb'CMD_START_MEASUREMENT' начать одиночное измерение температуры;
+\item[0x02] \verb'CMD_SENSORS_STATE' получить состояние датчиков;
+\item[0x03] \verb'CMD_START_SCAN' войти в режим непрерывного измерения температуры;
+\item[0x04] \verb'CMD_STOP_SCAN' выйти из предыдущего режима;
+\item[0x05] \verb'CMD_SENSORS_OFF' отключить питание датчиков;
+\item[0x06] \verb'CMD_LOWEST_SPEED' минимальная скорость I2C;
+\item[0x07] \verb'CMD_LOW_SPEED' низкая скорость I2C;
+\item[0x08] \verb'CMD_HIGH_SPEED' высокая скорость I2C;
+\item[0x09] \verb'CMD_REINIT_I2C' реинициализация шины I2C;
+\item[0xDA] \verb'CMD_DUMMY0' тестовая команда;
+\item[0xAD] \verb'CMD_DUMMY1' тестовая команда.
+\end{description}
+
+Формат данных имеет следующую структуру:
+\begin{description}
+\item[байт 1] номер контроллера (установленный перемычками на плате, т.е. число от~0 до~7);
+\item[байт 2] полученная команда, ответ на которую отправляется в пакете;
+\item[байты 3..7] данные (в ответе на команду \verb'CMD_PING' эти байты отсутствуют).
+\end{description}
+
+Ответом на команду \verb'CMD_SENSORS_STATE' является число, характеризующее состояние датчиков у данного
+контроллера:
+\begin{description}
+\item[0x00] \verb'SENS_INITING' питание включено, происходит инициализация;
+\item[0x01] \verb'SENS_RESETING' процедура обнаружения датчиков командой сброса;
+\item[0x02] \verb'SENS_GET_COEFFS' получение калибровочных коэффициентов обнаруженных датчиков;
+\item[0x03] \verb'SENS_SLEEPING' <<спящее>> состояние между измерениями;
+\item[0x04] \verb'SENS_START_MSRMNT' всем датчикам отправлена команда начала измерений температуры;
+\item[0x05] \verb'SENS_WAITING' ожидание окончания измерений температуры;
+\item[0x06] \verb'SENS_GATHERING' сбор температуры с обнаруженных термодатчиков;
+\item[0x07] \verb'SENS_OFF' питание датчиков отключено;
+\item[0x08] \verb'SENS_OVERCURNT' обнаружено короткое замыкание либо превышение допустимого тока, питание
+        датчиков временно отключено;
+\item[0x09] \verb'SENS_OVERCURNT_OFF' попытка включения питания датчиков более 32~раз закончилась состоянием
+        \verb'SENS_OVERCURNT', питание отключено вплоть до получения внешней команды инициализации (команда
+        \verb'CMD_START_MEASUREMENT').
+\end{description}
+
+После окончания измерений температурных данных каждый ведомый контроллер пересылает значения температур со
+всех обнаруженных термодатчиков ведущему. Формат температурных данных имеет следующую структуру:
+\begin{description}
+\item[байт 3] номер датчика ($10\cdot N + M$, где $N$~-- номер канала мультиплексора, $M$~-- номер датчика
+        в паре, т.е. 0, 1, 10, 11, 20, \ldots , 71);
+\item[байт 4] старший байт данных;
+\item[байт 5] младший байт данных.
+\end{description}
+Температура передается в формате \verb'int16_t', в сотых долях градуса Цельсия. Например, температуре
+$-12.56\degr$C соответствует число $-1256$, а температуре $18.98\degr$C "--- число~$1898$.
+При считывании данных через последовательный интерфейс в случае ошибки измерений (значение температуры,
+полученное с шины, лежит вне допустимого диапазона) возвращается число -30000, а при ошибке передачи команды
+считывания измеренных данных "--- число -31000.
+
+\vspace{3em}
+
+\hfill\parbox{0.4\textwidth}{
+\rule{20mm}{0.4pt}~~/Емельянов~Э.В./\\[1em]
+<<\rule{7mm}{0.4pt}>>~\rule{30mm}{0.4pt}~\number\year\,г. \\
+}
+
+
+\end{document}
+
+
+\begin{pict}
+\includegraphics[width=0.7\textwidth]{}
+\caption{.}
+\label{}
+\end{pict}

STM32/TSYS_controller/Readme.md

@@ -43,9 +43,20 @@ Variable data length: from 1 to 7 bytes.
 First byte of every sequence is command mark (0xA5) or data mark (0x5A).
 
 Commands:
-- CMD_PING - send from master to receive answer in data packet if target alive.
+-    CMD_PING                request for PONG cmd
-- CMD_START_MEASUREMENT - start single temperature measurement.
+-    CMD_START_MEASUREMENT   start single temperature measurement
-- CMD_SENSORS_STATE - state of sensors.
+-    CMD_SENSORS_STATE       get sensors state
+-    CMD_START_SCAN          run scan mode 
+-    CMD_STOP_SCAN           stop scan mode
+-    CMD_SENSORS_OFF         turn off power of sensors
+-    CMD_LOWEST_SPEED        lowest I2C speed
+-    CMD_LOW_SPEED           low I2C speed (10kHz)
+-    CMD_HIGH_SPEED          high I2C speed (100kHz)
+-    CMD_REINIT_I2C          reinit I2C with current speed
+
+Dummy commands for test purposes:
+-    CMD_DUMMY0 = 0xDA,
+-    CMD_DUMMY1 = 0xAD
 
 Data format:
 - 1 byte - Controller number