Рубин А.Б. Современные методы биофизических исследований (Практикум по биофизике)

Подождите немного. Документ загружается.

копирование,

объединение, переименование и удаление файлов,

распечатку каталогов файлов, компоновку объектных програм-

мных модулей и библиотек в выполняемые программы (формат

загрузки); создание, коррекцию и обслуживание библиотек объект-

ных модулей, отладку в интерактивном режиме программ, написан-

ных на Макроассемблере и ФОРТРАНе; компоновку, коррекцию

загрузку

программ в абсолютном двоичном формате.

В состав ОС РАФОС

входят

такие системы программирования,

как

Макроассемблер, ФОРТРАН-IV,

БЭЙСИК.

Таким образом

ОС

РАФОС представляет собой развитую инструментальную систе-

му, что и позволило разработать на ее основе открытую для расши-

рения

специализированную систему программного обеспечения типо-

вых комплексов. Специализированная система функционирует в ди-

алоговом режиме, что создает максимальные

удобства

и упрощает

работу

исследователя по управлению экспериментом и последую-

щему анализу экспериментальных данных.

Модульность аппаратной реализации основных функций комп-

лекса послужила предпосылкой разработки программных модулей

для их обслуживания; каждой подсистеме в комплексе выделен ис-

черпывающий набор простейших операций, оформленных в виде

подпрограмм на ФОРТРАНе. Специализированные программы,

входящие в состав прикладной системы, являются реализациями

вполне законченных алгоритмов функционирования комплексов,

имеющих самостоятельное значение.

Работой всей прикладной системы в рамках ОС РАФОС управля-

ет

программа-диспетчер

в режиме диалога с исследователем, осу-

ществляемого посредством алфавитно-цифрового графического дис-

плея.

Кроме программы-диспетчера я состав прикладной системы

ПО

типового комплекса автоматизации

входят

программы управ-

ления

экспериментом и сбора данных, программы математичес-

кого анализа

результатов

измерений, вспомогательные програм-

мы (см. рис. 143).

Программы управления и сбора данных эксперимента явля-

ются наиболее оригинальной и ответственной частью специализи-

рованной

прикладной системы комплекса. Создание программ уп-

равления экспериментом

требует

не только знания

структуры

ис-

пользуемой ЭВМ, языков программирования,

всех

тонкостей систе-

мы КАМАК, но и глубокого знания архитектуры комплекса авто-

матизации и экспериментальной установки, специфики объекта и

сути

изучаемого процесса или явления, физических процессов, ле-

жащих в основе проводимых исследований. Все эти сведения явля-

ются предпосылкой для качественного создания соответствующих

программных молулей. Операции, имеющие в своем составе КАМАК-

функции,

оформлены в виде подпрограмм на Макроассемблере.

Приоритет при обслуживании LAM-запросов модулей КАМАК за-

дается соответствующим распределением векторов прерывания в

321

крейте и операциями маскирования LAM-запросов на уровне крейт-

контроллера и модулей.

Алгоритмы математической обработки экспериментальных дан-

ных также разбиваются на не зависимые и неделимые

модули,

оформленные в виде отдельных прикладных программ на уровне

объектных модулей ОС РАФОС. В базовый набор программ мате-

матической обработки типового комплекса

входят

программы циф-

ровой фильтрации (сглаживания), интегрирования, дифференциро-

вания,

определения экстремумов, вычитания, анализа кинетики

переходных процессов, сравнения спектров и др.

Вспомогательные программы позволяют записывать массивы эк-

спериментальных и расчетных данных в архив, выводить в виде гра-

фика

на экране графического дисплея, устройств печати и переда-

вать на ЭВМ большей производительности СМ-4 для более сложной

математической обработки.

Созданный

таким образом набор стандартных программ в струк-

туре

объектных модулей ОС РАФОС в дальнейшем используют при

компоновке

специализированных прикладных программ наряду со

стандартными модулями ФОРТРАНа и Макроассемблера ОС РА-

ФОС.

Работа на автоматизированном комплексе при описанной струк-

туре

программных средств производится следующим образом. При

включении микроЭВМ автоматически загружается в оперативную

память операционная система РАФОС. По окончании загрузки ОС

происходит обращение к командному файлу, что приводит к авто-

матическому вызову программы-диспетчера. В свою очередь, прог-

рамма-диспетчер вызывает на экран

пульта

оператора таблицу

режимов работы комплекса (т. е. перечень

всех

видов автома-

тической работы данного комплекса под управлением ЭВМ) и

ждет

команды оператора. Командой комплексу является число, со-

ответствующее

порядковому номеру выбранного исследователем ре-

жима работы, которое набирают на

пульте

оператора и вводят в

ЭВМ нажатием клавиши

«ВК».

После выполнения в автоматическом

режиме

всех

операций, предусмотренных данной программой, уп-

равление передается программе-диспетчеру, которая вновь вызыва-

ет на экран

пульта

оператора таблицу режимов работы.

При

работе прикладной системы супервизор монитора ОС РА-

ФОС

производит диагностику ошибок при сбойных ситуациях, не

допуская «зависания» прикладной системы, и обеспечивает

работу

таймером, что позволяет на экране оператора высвечивать текущее

время.

Для набора статистики, возможности проведения повторной

обработки, сравнения и классификации информации при однотип-

ных экспериментах и математическом моделировании

существует

возможность записи экспериментальных данных в архив, организо-

ванный

на дискетте пользователя. Запись

результатов

эксперимен-

322

та

на

дискетту пользователя

считывание

их в

оперативную память

микроЭВМ «Электроника-60» производятся

файловой

структуре

специальными

программами архивизации прикладной системы.

4. Программно-технический комплекс ЭПР-спектроскопии

Автоматизированный ЭПР-спектрометр

—

один

из

конкретных

при-

меров современных программно-технических комплексов

для про-

ведения автоматизированного биофизического эксперимента.

Структурная

схема

технических средств комплекса представлена

на

рис. 145.

По

функциональному назначению часть комплекса, связанная

управле-

нием

установкой, состоит

из

четырех

подсистем, специфичных только

для

автоматизации ЭПР-исследований: подсистемы измерения магнитного поля,

подсистемы развертки поля, подсистемы измерения частоты источника микро-

волнового излучения базового радиоспектрометра РЭ-1307

подсистемы

уп-

равления дополнительными устройствами, необходимыми

для

проведения

фотобиологических исследований.

Для обеспечения высокой точности измерений

ЭПР-спектрометре

был

применен

оригинальный вариант ЯМР-магнитометра, который собран

на

стандартной макетной плате.

Датчик магнитного поля представляет собой катушку индуктивности,

на-

мотанную

на

ампуле

водным раствором LiCI

расположенную

между

по-

Процессор

Электроники-

60"

ОЗУ

56К5

Гибкий

диск

СП-60МС

ill

Алфавитно-

цифровой

дисплей

ЧП1-52100

Последователь

ный

интерфейс

ЭВМ

см-

&.'§

LJLJ

ч_г

Радиоспектрометр

P3-IJ07

Крейт

К AM А

Частото-

мер

45-36

Само

пи-

сей,

Осцил

-•

лограср

Рис.

145.

Структурная

схема

технических средств комплекса ЭПР-спектро-

скопии

(объяснение

см.

тексте)

323

люсами магнита.

основе работы датчика лежит явление

ЯМР

протонов

вещества, помещенного

ампуле датчика.

При

этом напряженность измеряе-

мого магнитного поля

(Н)

определяется

по

формуле

Н ~ 2

nfly,

где / - час-

тота

ЯМР; у —

гиромагнитное отношение

для

протонов.

Магнитометр выполнен

по

схеме

автодинного спинового детектора, резо-

нансная

частота которого перестраивается варикапом

помощью автоматиче-

ской

системы определения условий ЯМР. Сигнал высокой частоты, пропорцио-

нальный измеренной напряженности магнитного поля, вырабатывается

ЯМР-

магнитометром, преобразуется счетчиком

помощью генератора

двоичный

16-разрядный параллельный

код и

вводится

микроЭВМ «Электроника-60»

по

программному каналу. Автоматический ЯМР-магнитометр, генератор

им-

пульсов типа

730А

16-разрядный счетчик составляют подсистему измере-

ния

магнитного поля спектрометра, обеспечивающую автоматическое изме-

рение магнитного поля

диапазоне

0,154-0,4 Тл с

максимальной скоростью

слежения

за

изменением напряженности

0,008 Тл/с.

Относительная точность

измерения напряженности магнитного поля составляет

10~". При

наличии

сменных датчиков, отличающихся величиной индуктивности катушек, диапа-

зон

измерения магнитных полей может быть расширен

от 0,25 до 1 Тл.

Управление магнитным полем обеспечивается подсистемой раз-

вертки поля, в которую кроме ЭВМ и крейт-контроллера

входят

мо-

дуль

цифро-аналогового преобразователя 2 ЦАП-10 и

модуль

ори-

гинальной разработки «Управление установкой». Для получения

симметричной развертки относительно предварительно установлен-

ной

величины магнитного поля

выходы

двух

цифро-аналоговых пре-

образователей модуля 2 ЦАП-10 подключены к разноименным вхо-

дам суммирующего операционного усилителя модуля «Управление

установкой». Таким образом, для увеличения магнитного поля отно-

сительно среднего значения ЭВМ управляет работой первого

цифро-

аналогового преобразователя, для уменьшения магнитного поля •—

второго. Число возможных шагов (дискретов) развертки в одну сто-

рону составляет 1024.

Среднее значение магнитного поля устанавливается с помощью

стандартных переключателей блока управления величиной магнит-

ного поля спектрометра, при этом значении величины поля визуаль-

но

контролируется на экране дисплея. Для измерения масштаба од-

ного дискрета развертки поля и соответственно для измерения амп-

литуды

развертки на передней панели модуля «Управление

уста-

новкой» предусмотрен переключатель диапазонов развертки.

Подсистема измерения напряженности магнитного поля, под-

система развертки поля и система установки тока электромагнита

радиоспектрометра в совокупности

образуют

прецизионную безгис-

терезисную систему управления магнитным полем. Применение та-

кой

системы позволяет устанавливать с высокой точностью маг-

нитное поле требуемой напряженности и осуществлять программно-

управляемую развертку поля по заданному закону изменения в

диапазонах ±5; ±10; ±20; ±50; ±100 мТл с дискретностью раз-

вертки поля

0,005;

0,01; 0,02; 0,05; 0,1 мТл.

Для точности определения условий ЭПР необходимо знать не

только значение напряженности магнитного поля, но и

частоту

СВЧ-энергии,

поглощаемой исследуемым образцом. Для этого рабо-

324

чую

частоту

клистрона радиоспектрометра РЭ-1307 измеряют часто-

томером

43-38

приставкой ЯЗЧ-43.

По

требованию

ЭВМ

происходит запуск частотомера

ввод измеренного значения часто-

ты посредством модулей «Преобразователь логических уравнений»

«Входной

регистр-305»

магистраль КАМАК,

затем

в ЭВМ.

Входной сигнал прибора преобразуется аналого-цифровым

пре-

образователем АЦП-14

временем выборки

20 мкс и

временем

пре-

образования

2 мс.

Подсистема управления дополнительными

уст-

ройствами

служит

для

включения

выключения

программно-за-

данные моменты времени устройств, необходимых

для

проведения

конкретных экспериментов (источник возбуждающего света,

регу-

ляторы температуры, смесители, дозаторы

и т. д.).

Подсистема

состоит

из

устройств дешифрования

усиления команд ЭВМ,

рас-

положенных конструктивно

модуле

«Управление установкой».

Программное обеспечение комплекса ЭПР-спектроскопии,

вы-

полненное

соответствии

типовой структурой, обеспечивает

уп-

равление работой комплекса

режиме измерений, математическую

обработку, оперативное отображение

архивизацию

результатов

из-

мерений,

также проверку работоспособности основных узлов.

При

включении

ЭВМ

«Электроника-60» автоматически происходят

загрузка

оперативную память

ЭВМ

операционной системы,

вы-

зов программы-диспетчера

отображение

на

экране алфавитно-

цифрового дисплея набора режимов работы комплекса.

Режимы

работы комплекса

—

запись спектра

2 —

регистрация кинетики

—

интегрирование

4 —

анализ кинетики

—

вычитание спектров

6 —

сглаживание

—

определение параметров спект-

8 —

вывод

на

графдисплей

ров

—

вывод

на

экран осциллографа

—

вывод

на

самописец

11 —вывод

на

принтер

—

обращение

архиву

—

передача данных

на

СМ-4

99 —

конец работы

Обобщенная

схема

проведения экспериментов

на

комплексе

при-

ведена

на рис. 146.

Учитывая,

что при

весьма широком разнообра-

зии

биофизических исследований, проводимых методами спектро-

скопического анализа, процесс регистрации экспериментальных

дан-

ных сводится

записи спектров исследуемых соединений

или

кине-

тики

изменения

их

концентрации, программа обслуживания

экспе-

риментов обеспечивает

два

вида автоматической работы комплекса:

проведение исследований,

результате

которых происходит запись

спектра

ЭПР

(программа SPECTR),

проведение экспериментов,

связанных

измерением

регистрацией кинетики ЭПР-сигналов

(программа

K.INET).

При

этом

обе

программы обеспечивают

как

однократную запись,

так и

накопление сигналов

заданном диапа-

зоне спектра

или

интервале времени. Программы SPECTR

325

Задание режима

биофизического

эксперимента

ПрограммаSPECTR/^

^^^Лрограмма

KINET

Запись

ЭПР-спектра

Регистрация

кинетики

сигнала

ЭПР

Однократно

накоплением

накоп-

Однократно

/гением

накоплением

Рис.

146.

Обобщенная схема проведения эксперимента

на

комплексе

ЭПР-

спектроскопии

K.INET

состоят из

двух

частей: в первой части происходит настрой-

ка

программ на эксперимент, вторая часть обеспечивает непосред-

ственное

проведение измерений без вмешательства оператора.

Ниже

подробно рассмотрен алгоритм программы управления

комплексом

в режиме записи спектра. Схема программы SPECTR

приведена на рис. 147.

В соответствии

таблицей режимов программа SPECTR вызывается

на-

жатием клавиши

«1» на

пульте

алфавитно-цифрового дисплея.

На

первом

эта-

пе после вызова программы производится настройка комплекса

на

работу

по

записи

спектра

режиме диалога

исследователем.

При

этом программа

про-

веряет, включен

ли

радиоспектрометр

режим автоматического управления

от ЭВМ. Если управление радиоспектрометром

не

включено,

на

экран пульта

оператора выводится сообщение «Включите управление установкой»

и про-

грамма переходит

режим ожидания. Исследователь должен включить тумб-

лер управления, расположенный

на

модуле

«Управление установкой».

Если

управление радиоспектрометром включено,

то

программа автома-

тически производит: определение установленного диапазона развертки

маг-

нитного

поля; размаскирование

приведение

рабочее состояние аппарату-

ры КАМАК; периодическое измерение

вывод значений напряженности

маг-

нитного

поля

правый верхний

угол

экрана; вывод

на

экран пульта опера-

тора сообщения исследователю

виде следующих команд:

«Н

= ХХХХ, XX ГС».

«Диапазон развертки магнитного поля

— XXX ГС».

«Проверьте

выставьте регулировки управления радиоспектрометра

комплекса».

«Установите напряженность магнитного поля».

«Введите

число накоплений».

«Нажмите клавишу

«ВК».

По

получении сообщения исследователь должен проверить

и при

необ-

ходимости настроить приемный

СВЧ-тракты радиоспектрометра, устано-

вить необходимое значение напряженности магнитного поля переключате-

лями

«Магнитное поле эрстеды» радиоспектрометра, установить необходимый

диапазон

развертки магнитного поля переключателем «Диапазон» модуля

«Управление установкой», ввести требуемое число накоплений

Л/ и

нажать

клавишу

«ВК»-

326

нет

Определение

диапазона

развертки

РазмаснироВание

КАМАК

Режим

диалога

Измерение

Вывод

Н на

экран

Холостой

цикл

разверт

ки

магнитною

поля

Измерение

Холостой

проход

на

кон,

определение

ср

Измерение

пц

Определение

Холостой

проход

на

нач

Автоматический

режим

Запись

спектра

/Определение

ср

Вычисление

поправки

Суммиродание

спектра

Коррекция

ср

Измерение

частоты

клистрона

Усреднение спектра

Вывод

спектра

на

гра-

фический дисплей

Аппроксимация

магнитного

поля

прямой линией

зующую

программу

Рис.

147.

Схема программы

возврат

ореони-\

327

После

этого программа обеспечивает работу комплекса

по

записи спект-

ра

ЭПР в

автоматическом режиме,

не

требуя вмешательства исследователя.

Процесс

записи спектра включает следующие операции, показанные

на

рис.

147.

Вычисление напряженности магнитного поля

середине развертки

ср

проводят

по

формуле:

ср

= £

/M),

где H

—

значение напряжен-

ности

магнитного поля, измеренное

на i-м

шаге развертки;

М = 1024 — чис-

ло шагов развертки магнитного поля.

Затем измеряют напряженность магнитного поля

конечной точке

раз-

вертки

//цон.

шаг

развертки

(ДЛ)

вычисляют

по

формуле:

м/2

где

#21-! и #

i —

значения напряженности магнитного поля, измеренной

на

нечетных

четных шагах развертки соответственно.

Далее программа обеспечивает холостой проход

на

начало развертки;

рабочий проход развертки магнитного поля

измерением

.и

запоминанием

величины сигнала

ЭПР и

напряженности магнитного поля

на

каждом шаге

развертки

вычислением

ср

;

проверку числа произведенных циклов записи

спектра. Если число циклов

не

равно заданному

N, то

происходят определе-

ние

поправки

АЯ

ср

коррекция развертки магнитного поля, преобразование

спектра

из

целочисленных значений

формат числа

плавающей запятой

перепись

суммированием спектра

определенную часть памяти

ЭВМ,

используемую

как

аккумулятор. Затем цикл записи спектра повторяется.

Если

записанный спектр

был

последним

N/, — N, то

производится

из-

мерение частоты

СВЧ-энергии клистрона; усреднение спектра; вывод спект-

ра

на

экран графического дисплея

для

визуального контроля

аппроксима-

ция

измеренных значений напряженности магнитного поля

прямой

ли-

нией:

Hi = Ai + В, где Н\ —

пересчитанные значения магнитного поля;

= 1,2, .... М; М —

количество отсчетов напряженности магнитного поля.

Отображение спектра

на

экране происходит

до тех

пор, пока исследова-

тель

не

нажмет клавишу

«ВК»

на

пульте

оператора, после чего вывод спектра

прекращается

происходит возврат

программу-диспетчер, которая выво-

дит

на

экран пульта оператора таблицу режимов работы комплекса. После

этого

зависимости

от

конкретно поставленной цели исследователь может

прекратить

работу,

записать данные

архив, записать график

виде твердой

копии

на

бумаге, подвергнуть полученные данные любому виду математиче-

ской

обработки

соответствии

имеющимися программами.

Математическое обеспечение комплекса включает

базовый

набор

программ:

цифровой фильтрации (сглаживания) экспериментальных

данных, определения параметров спектра, интегрирования, диффе-

ренцирования,

вычитания и суммирования, анализа кинетики пере-

ходных

процессов, моделирования спектров ЭПР. Последние две

программы позволяют довести анализ экспериментальных данных до

получения математической модели, описывающей исследуемый про-

цесс.

Программа математического анализа кинетики переходных про-

цессов позволяет вычислить параметры модели для случая, когда

переходный процесс может быть представлен в виде суммы

экспо-

нент.

ходе

анализа определяются показатели экспонент (величи-

на,

обратная константе скоростей протекающих реакций), началь-

328

Рис.

148.

Кинетика тем нового восста-

новления

фотоокисленного катион-ра-

дикала бактериохлорофилла (оригиналь-

ная

запись регистрируемого сигнала

протокола математического анализа)

ные концентрации реагентов и среднеквадратичная ошибка. На

рис.

148 приведены оригинальная запись кинетики темнового вос-

становления фотоокисленного катион-радикала бактериохлорофил-

ла, полученная на комплексе под управлением программы K.INET,

результаты

математического анализа этой кривой на ЭВМ с по-

мощью программы анализа кинетики переходных процессов. ЭВМ

выводит

следующую

информацию:

СИСТЕМА

ПОИСКА

ЭПР

РЕАЛЬНЫЙ

МАСШТАБ ГРАФИКА

МАКСИМУМ

= 955

МИНИМУМ

= 695

АМПЛИТУДА

••=

260

KINET.998,

ТЕМ—120, TIME

15,

TIME CONST, ACCUM

100,

IMP

LAMP

ВЫВОД РЕЗУЛЬТАТОВ:

с -685

225,

25331 Ql = —0. 01052

ERROR

= 16.82853

Gl Q2 Al A2

ERROR

—0,00052 —0.02048 23.96071 240.04871 2.97213

329

ВЫВОД

РЕЗУЛЬТАТОВ:

с =

680

22912296

—0.00920

ERROR=

20.75949

Gl G2 Al A2

ERROR

—0.01880 —0.00029 248.68269

26.7185!

3.95814

ВЫВОД

РЕЗУЛЬТАТОВ:

с =

689

231.54625

Gl-=

—0.01174

ERROR=

13.81586

Gl G2 Al A2

ERROR

—0.02050

—0.00067

239.85002

20.11756 2.97106

При

анализе спектров

ЭПР

реализован иной

подход

—

парамет-

ры модели

задают

на

основе априорных сведений,

по ним

рассчиты-

вают

модельный спектр, сопоставляемый

экспериментальным.

Модельный

экспериментальный спектры «подгоняются»

отож-

дествляются после того,

как их

отличие становится менее заданной

ошибки.

5. Порядок работы на программно-техническом комплексе

Р-спектроскопии

Программное обеспечение комплекса функционирует

под

управле-

нием

операционной системы РТ-11 (РАФОС).

связи

этим, перед

тем

как

приступить

работе

на

комплексе, рекомендуется ознако-

миться

командами монитора операционной системы РАФОС. Кроме

того, необходимо прочитать инструкцию

по

работе

на

ЭПР-спектро-

метре РЭ-1307.

Включение и запуск комплекса. 1.

Включить стойку нажатием

кнопки,

находящейся

правом верхнем

углу, при

этом загорается

лампа сигнализации включения питания.

2. Включить радиоспектрометр

последовательности: включить

тумблер

«Стойка»; включить

тумблер

«Магнит».

3. Включить крейт К.АМАК. переводом

тумблера

крейта

верх-

нее положение.

включении питания сигнализирует лампа.

левый дисковод (ДХ

) накопителя

на

гибком магнитном диске

вставить системный диск,

на

котором находятся

ОС и

загрузочный

модуль

необходимой программы,

правый

(ДХ,)

—рабочий диск.

Для предохранения

выхода

из

строя накопителя

на

магнитном

ди-

ске

гибких дисков рекомендуется ознакомиться

правилами

их эк-

сплуатации. Соответственно рабочим сторонам дисков нажимаются

кнопки

определения рабочих сторон

на

панели накопителя

на дис-

ках

(на

панели приведены схематические правила).

5. Включить дисплей переводом

тумблера,

находящегося

на об-

ратной стороне корпуса. Нажать клавиши «ON-LINE»

«ROLL».

6. Включить

ЭВМ

«Электроника-60»

путем

последовательного

перевода

вертикальное положение клавиш «Программа»

«Пита-

ние», находящихся

на

пульте. Признаком включения является

по-

330