Ласкаво просимо до нашого посібника зі створення програмно-апаратного емулятора лічильника Гейгера GGreg20_V3 на базі ESP8266. Цей емулятор може бути корисним для тестування та налаштування лічильників Гейгера або у навчальних цілях. Давайте почнемо!

Оновлено: Під час написання цієї статті, ми подумали і вирішили зробити окремий комерційний продукт – емулятор лічильника Гейгера GCemu20_V1.

Частина 1: Вступ та загальний огляд

Загально відомо, що модуль Espressif ESP8266 має дуже якісний генератор випадкових чисел. Офіційні деталі щодо фактичної реалізації даного генератора нам знайти не вдалося, тож пропонуємо на цю тему подивитися матеріал, який було опубліковано радіоаматором і збережено в мережі інтернет:

https://web.archive.org/web/20170321162556/http://esp8266-re.foogod.com/wiki/Random_Number_Generator

Увага. У тексті застосовується два різних поняття, які мають однакову назву. Так історично склалося, що на ринку існує апаратний модуль NodeMCU, а також програмна прошивка NodeMCU.

Прошивка NodeMCU – це компільована мікропрограма з відкритим вихідним кодом, яка може записуватися на апаратні модулі з контролером ESP8266 компанії Espressif. Одним з величезної кількості продуктів на базі контролера ESP8266, є апаратний модуль NodeMCU.

Тож програмну прошивку NodeMCU можливо записати на апаратний модуль NodeMCU. У тексті цієї статті ми намагаємося, де це можливо, вказувати, що саме мається на увазі поруч з назвою NodeMCU: модуль чи прошивка.

Для чого потрібен емулятор лічильника Гейгера

Перш ніж розпочати побудову емулятора лічильника Гейгера, необхідно розглянути для чого ж і кому може бути потрібен такий програмно-апаратний комплекс.

Головна ідея будь-якого емулятора в галузі DIY-електроніки полягає у тому, щоб під час розробки IoT-пристроїв або проведення експериментів чи навчання, замість реального модуля тимчасово на певних етапах використовувати віртуальний компонент-замінник, який дозволяє відтворювати роботу та характеристики реального пристрою з високою точністю. Емулятор має спростити та прискорити розробку, а також додати зручності на початкових етапах запланованого проекту чи виконання модульних тестів.

Ось кілька думок, що розлого пояснюють мотиви, якими ми керувалися, коли задумали розробити емулятор модуля лічильника Гейгера GGreg20_V3.

1. Немає високої напруги

Емулятор GGreg20_V3, на відміну від справжнього модуля, не має високої напруги на платі, тому його дуже зручно використовувати під час розробки на столі і не боятися випадкового ураження струмом.

В той же час, з точки зору електричного інтерфейсу вихідних імпульсів, емулятор є повністю аналогічним модулем сенсора радіації, що генерує випадкові імпульси такої ж форми та тривалості, як і справжній GGreg20_V3.

2. Спрощений навчальний процес

Емулятор лічильника Гейгера добре лягає у набір для навчальних закладів. Викладач може поступово поглиблювати практичні заняття з студентами.

Спочатку всі роботи у класі можуть проводитися на безпечних і дешевих емуляторах лічильника Гейгера, а вже потім на реальних модулях з трубками Гейгера та високою напругою на боці трубки. Як у військових: ознайомлення та тренування спочатку проводиться на холостих, а вже з досвідом на бойових боєприпасах.

Емулятор повністю відтворює результати роботи справжнього модуля GGreg20_V3, тому немає проблеми недостатньої кількості реальних модулів у класі і кожен учень зможе самостійно працювати зі своїм модулем і повністю пройти процес навчання без поділу на групи чи черги, як це зазвичай буває, коли ресурси навчальних приладів та стендів у лабораторії обмежені.

3. Нижча вартість

Емулятор має нижчу вартість, ніж справжній модуль GGreg20_V3, тому його не так шкода застосовувати, у першу чергу, для налагодження та узгодження схеми або програмного забезпечення системи, що проектується чи вивчається.

Роботи з налагодження стенду чи проекту з таким емулятором можуть виконуватися без залучення відповідно кваліфікованого персоналу.

Якщо емулятором користуються студенти, то викладач може не здійснювати особливого нагляду за роботою з приладами, як це буде необхідно робити з реальним модулем лічильника Гейгера.

Емулятор, маючи низьку вартість, може закуповуватися у великих кількостях і видаватися студентам на весь час навчання, а не лише на час роботи у лабораторії навчального закладу.

4. Справжнє джерело радіації не потрібне

Коли ми працюємо зі справжнім GGreg20_V3, нам потрібно мати справжнє джерело радіації, щоб відтворити різні ситуації, які необхідно передбачити у програмному забезпеченні системи вимірювання, що проектується або тестується. Щоб придбати тестове джерело радіації, радіоаматору потрібно заздалегідь вирішити низку завдань:

• визначитися за фізико-хімічними параметрами, яке саме джерело потрібне;
• знайти постачальника та придбати тестове джерело;
• для деяких країн вимагається попередити митні служби і отримати дозвіл на ввіз через кордон;
• тестове джерело може бути лише певної потужності;
• потрібно правильно зберігати та утилізовувати такі інструменти, як радіоактивне джерело;
• вартість справжнього джерела радіації та системи зберігання перевищує в рази вартість лічильника Гейгера.

З емулятором жодної з цих проблем не буде. Прилад вміє імітувати 5 різних режимів потужності іонізуючого випромінювання. Емулятор лічильника Гейгера створює вихідні імпульси аналогічні імпульсам справжнього модуля GGreg20_V3 у діапазоні від 0 до 1.5 мкЗв/год (якщо брати за аналогічний еталон трубку СБМ-20). На виході генеруються хаотичні (із застосуванням генератора справжніх випадкових чисел ESP8266) імпульси однакової амплітуди з тривалістю повного періоду імпульсу 10 мікросекунд кожен.

5. Ресурс емулятора не виснажується

Трубка СБМ-20, яку встановлено у GGreg20_V3, має відносно великий, але все ж таки обмежений ресурс частинок, які вона може детектувати за своє життя.

Заявлений у документації ресурс трубки СБМ-20 складає не менше 2*10¹⁰ імпульсів.

Примітка 1. За фонового випромінювання 0.15 мкЗв/год з коефіцієнтом 0.0057 трубка СБМ-20 детектувати близько 27 імпульсів на хвилину.

Таким чином, за нормальних умов ресурсу трубки вистачить на 2*10¹⁰ / (27 * 60 * 24) = 20 000 000 000 / (26 * 60 * 24) = 514403 днів. І здавалося б, що це цілком достатній потенційний строк експлуатації однієї трубки.

Зовсім інша картина спостерігається, коли йдеться про експлуатацію трубки з тестовим джерелом радіації.

Наведемо приклад:

На своєму сайті компанія Images Scientific Instruments наводить перелік дозволених до ввозу граничних рівнів радіоактивного випромінювання для тестових джерел:

https://www.imagesco.com/geiger/radioactive-sources-int.html

Візьмемо два джерела з наведеного за посиланням переліку:

1. Co-60 1.00 uCi, 37000 Bq;
2. Cs-137 0.25 uCi, 9250 Bq;

Якщо припустити, що під впливом такого тестового джерела половина частинок від радіоактивних розпадів потрапляють у трубку Гейгера СБМ-20, то ресурс такої трубки складе:

1. 20 000 000 000 / (37000 / 2 * 60 * 60 * 24) = 12 днів (для Co-60);
2. 20 000 000 000 / (9250 / 2 * 60 * 60 * 24) = 50 днів (для Cs-137).

Як можемо бачити, якщо ми хочемо ставити експерименти (чи тестувати свої пристрої, у складі яких є лічильник Гейгера) на реальній трубці, то ми виснажуємо її наявний ресурс реальним джерелом радіації досить швидко.

З емулятором такої проблеми немає. Застосовувати спочатку емулятор замість трубки економічно доцільно.

6. Дані налагодження в UART

Емулятор модуля GGreg20_V3 у процесі своєї роботи виводить у порт UART-консолі оперативні дані своєї роботи (імпульси, час, кількість, цикли і т.п.), які за необхідності може реєструвати і обробляти студент, розробник чи радіоаматор щоб навчатися, або порівнювати з вимірами своєї системи, яка тестується чи розробляється.

Такої вбудованої можливості у справжнього модуля GGreg20_V3 та аналогічних модулів інших виробників немає і не може бути.

Примітка 2. Для підключення до UART-консолі, модуль ESP12.OLED, на якому базується емулятор GGreg20_V3, має на друкованій платі окремо виведені лінії інтерфейсу UART (отвори з кроком 2.54 мм під пайку). Для підключення емулятора до комп’ютера користувачеві додатково потрібно мати власний перетворювач USB-UART. Далі у тексті буде наведено схему підключення.

Продовження статті у наступних публікаціях:
Емулятор модуля лічильника Гейгера GGreg20_V3 засобами ESP8266 Частина 2 Створення емулятора
Емулятор модуля лічильника Гейгера GGreg20_V3 засобами ESP8266 Частина 3: Тестування та висновок