太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡自動(dòng)觀測(cè)控制平臺(tái)的研究與設(shè)計(jì)

目前，大型射電望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目在各國(guó)都得到了普遍的重視，在射電望遠(yuǎn)鏡的外形不斷向著高精度、大口徑發(fā)展的同時(shí)，人們對(duì)于射電望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)控制要求也越來(lái)越高，當(dāng)下，射電望遠(yuǎn)鏡的控制觀測(cè)技術(shù)也已經(jīng)開始朝著方便化、自動(dòng)化、智能化方向前進(jìn)。20世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)的不斷發(fā)展和完善，射電望遠(yuǎn)鏡的控制也由手動(dòng)控制轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制，而且還會(huì)配有使人易懂的圖形化界面，這使得射電望遠(yuǎn)鏡的自動(dòng)化控制程度越來(lái)越高，越來(lái)越精確。換句話說(shuō)，觀測(cè)者現(xiàn)在足不出戶的坐在計(jì)算機(jī)面前就可以完成使用射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)天體的任務(wù)。本文提出了一種太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡自動(dòng)觀測(cè)控制平臺(tái)的整體解決方案。

1 太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡及其自動(dòng)跟蹤原理

1.1 太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡原理

太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡不同于一般的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，它不是通過(guò)光線而是通過(guò)太陽(yáng)發(fā)射出的無(wú)線電波來(lái)觀測(cè)太陽(yáng)。設(shè)在露天的拋物面反射天線，把它所接收到的從太陽(yáng)上發(fā)出的微弱電波傳到室內(nèi)的接收機(jī)里，接收機(jī)再把電波放大并自動(dòng)記錄下來(lái)。根據(jù)這些記錄，就可以研究太陽(yáng)活動(dòng)的情況，掌握太陽(yáng)輻射能量的規(guī)律變化，來(lái)分析這些變化對(duì)地球的影響。

1.2太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡自動(dòng)跟蹤原理我們可以將太陽(yáng)的移動(dòng)視為勻速運(yùn)動(dòng)，太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)合成的，即水平方向和垂直方向。因?yàn)樘?yáng)每天的運(yùn)動(dòng)軌跡不同，因此，我們使用了自動(dòng)捕獲其運(yùn)動(dòng)軌跡的方法，其方法為：手動(dòng)按鍵，使望遠(yuǎn)鏡隨太陽(yáng)一起運(yùn)動(dòng)，在此過(guò)程中，計(jì)算機(jī)可以記錄和累加望遠(yuǎn)鏡在水平方向和垂直方向上移動(dòng)步距、移動(dòng)方向和跟隨的移動(dòng)時(shí)間。由此可以推算出射電望遠(yuǎn)鏡在水平方向和垂直方向上的移動(dòng)速率，經(jīng)過(guò)計(jì)算換算成此速率下所對(duì)應(yīng)的控制脈沖數(shù)，由此控制兩個(gè)方向的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的自動(dòng)跟蹤。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)主要由上位機(jī)、下位機(jī)、接收天線、轉(zhuǎn)臺(tái)等部分組成。其中，轉(zhuǎn)臺(tái)由方位控制電機(jī)和俯仰控制電機(jī)兩部分組成，可以進(jìn)行兩方向自由度轉(zhuǎn)動(dòng)。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1中，上位機(jī)主要負(fù)責(zé)控制下位機(jī)的工作狀態(tài)，并對(duì)下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示以及存儲(chǔ)。下位機(jī)主要是MSP430F169，主要負(fù)責(zé)控制天線的運(yùn)動(dòng)以及對(duì)數(shù)據(jù)的采集。

3 下位機(jī)設(shè)計(jì)

太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觀測(cè)的關(guān)鍵點(diǎn)是協(xié)調(diào)天線系統(tǒng)與接收機(jī)系統(tǒng)，望遠(yuǎn)鏡的控制系統(tǒng)不僅要控制驅(qū)動(dòng)天線轉(zhuǎn)臺(tái)，保證望遠(yuǎn)鏡的天線在觀測(cè)過(guò)程中始終對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，而且控制系統(tǒng)還應(yīng)在望遠(yuǎn)鏡的天線對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)后立即采樣收集望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)的輸出信號(hào)，并送往上位機(jī)供上位機(jī)軟件進(jìn)行處理，由上位機(jī)計(jì)算出太陽(yáng)的實(shí)時(shí)天線溫度，從而達(dá)到自動(dòng)觀測(cè)的目的。

本設(shè)計(jì)中采用美國(guó)德州儀器公司(TI)推出的MSP430F169微處理器，430F169集成了16位RISC結(jié)構(gòu)CPU，外設(shè)和靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)，與其他單片機(jī)相比MSP430F169大大縮小了產(chǎn)品的體積與成本，并且采用多種低功耗節(jié)能工作模式。采用兩片單片機(jī)協(xié)同工作的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。由此，望遠(yuǎn)鏡控制和采集信號(hào)的任務(wù)就可以由每一片單片機(jī)單獨(dú)完成。本論文中負(fù)責(zé)其控制轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的單片機(jī)我們稱之為主單片機(jī)，而負(fù)責(zé)信號(hào)采集的單片機(jī)我們稱之為從單片機(jī)。主單片機(jī)和從單片機(jī)分別有RS485通信線連接到上位機(jī)。主單片機(jī)接收上位機(jī)通過(guò)RS485發(fā)送的各種控制命令，同時(shí)也將天線當(dāng)前的位置發(fā)送回上位機(jī)。而從單片機(jī)根據(jù)主單片機(jī)的指示，適時(shí)的通過(guò)RS485通信線向上位機(jī)發(fā)送所采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)。

3.1 主單片機(jī)設(shè)計(jì)

主單片機(jī)的控制流程圖如圖2所示。

主單片機(jī)主要負(fù)責(zé)有關(guān)太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡控制的任務(wù)：

1)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái);

2)俯仰及方位計(jì)數(shù);

3)轉(zhuǎn)臺(tái)限位。

首先要對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行設(shè)置，這里我們將時(shí)鐘設(shè)置為高頻時(shí)鐘源XT2CLK，也就是外接的8 MHz晶振。再次，設(shè)置I/O端口。此論文中使用的端口及其方向控制如表1所示。

本論文中串行通信端口的設(shè)置為：串口波特率為115 200 bps，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，無(wú)校驗(yàn)位。還使用了3個(gè)中斷，分別是P2端口中斷、串行通信中斷和16位定時(shí)器A中斷。單片機(jī)所有的初始化完成以后，程序就進(jìn)入循壞等待狀態(tài)。只有上位機(jī)發(fā)送控制命令時(shí)，程序才會(huì)進(jìn)入相應(yīng)的俯仰控制程序、方位控制程序或從單片機(jī)控制程序。

3.2 從單片機(jī)的設(shè)計(jì)

從單片機(jī)在觀測(cè)太陽(yáng)的過(guò)程中需要不停的采集接收機(jī)輸出電壓信號(hào)，并將這些信號(hào)發(fā)送至上位機(jī)，其次還要采集天線溫度值。溫度采集模塊使用了一片溫度傳感器DS18B20從單片機(jī)與主單片機(jī)一樣，都要進(jìn)行時(shí)鐘、端口等等的設(shè)置。其流程圖如圖3所示。

接收機(jī)輸出信號(hào)采集模塊完成對(duì)接收機(jī)輸出信號(hào)的采樣，采樣率為100 Hz。接收機(jī)輸出信號(hào)的電壓范圍是0～5 V，然而由于數(shù)字衰減器的延時(shí)，太陽(yáng)有顯著活動(dòng)時(shí)，接收機(jī)的輸出信號(hào)可能大于5 V。另外，為避免接收機(jī)輸出信號(hào)在傳輸過(guò)程中引入干擾，需要在運(yùn)算放大器的前端加RC低通濾波器濾除干擾。接收機(jī)輸出信號(hào)調(diào)理模塊電路如圖4所示，圖中信號(hào)線ADC1即為接收機(jī)輸出信號(hào)。其采集到的數(shù)值會(huì)在上位機(jī)界面顯示。

4 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)與顯示

Visual C++6.0，簡(jiǎn)稱VC或者VC6.0，是微軟推出的一款C++編譯器，將“高級(jí)語(yǔ)言”翻譯為“機(jī)器語(yǔ)言(低級(jí)語(yǔ)言)”的程序。Visual C++6.0是一個(gè)功能強(qiáng)大的可視化軟件開發(fā)工具。使用其開發(fā)的Windows平臺(tái)應(yīng)用程序有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡上位機(jī)的控制界面即采用Visual C++6.0，并利用MFC的單文檔視圖框架構(gòu)建了整個(gè)上位機(jī)的界面。在軟件界面的顯示方面不僅有自動(dòng)跟蹤，而且還有手動(dòng)觀測(cè)、天線校零、天線收藏等。因此選擇使用基于CFormView的單文檔框架。

太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡自動(dòng)控制平臺(tái)的軟件界面如圖5所示。

此界面共有5個(gè)模塊分別是天線控制按鈕、當(dāng)前天線溫度動(dòng)態(tài)顯示窗口、全天天線溫度觀測(cè)動(dòng)態(tài)顯示窗口、當(dāng)前太陽(yáng)位置理論值、太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡模擬窗口。

如圖6(a)是天線控制按鈕圖，通過(guò)按動(dòng)按鈕上位機(jī)就會(huì)把命令發(fā)送給下位機(jī)，下位機(jī)接收到相應(yīng)的命令后會(huì)控制天線相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)。天線控制按鈕有自動(dòng)跟蹤、天線校零、天線收藏等等。

如圖6(b)是當(dāng)前天線溫度動(dòng)態(tài)顯示窗口，該窗口縱坐標(biāo)顯示天線溫度的變化，采用絕對(duì)溫標(biāo)，單位為開爾文(K);橫坐標(biāo)軸為時(shí)間，其時(shí)間采用協(xié)調(diào)世界時(shí)，時(shí)間寬度為200秒。橫坐標(biāo)軸采用滾動(dòng)方式顯示，每當(dāng)下位機(jī)有接收機(jī)輸出信號(hào)發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)即據(jù)此計(jì)算出天線溫度值，并顯示于窗口之中。

如圖6(c)是全天天線溫度觀測(cè)動(dòng)態(tài)顯示窗口，該窗口顯示全天的天線溫度記錄曲線?？v坐標(biāo)也是顯示天線溫度的變化，橫坐標(biāo)軸仍是時(shí)間，但時(shí)間寬度為1個(gè)小時(shí)40分鐘，其

記錄世界協(xié)調(diào)時(shí)的00：00—10：00，也就是我們現(xiàn)在的08：00-18：00即白天的時(shí)間范圍。

如圖6(d)是該部分顯示太陽(yáng)的理論位置，在太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡自動(dòng)跟蹤觀測(cè)的過(guò)程中，用戶必須了解到太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡的天線是否正確地對(duì)準(zhǔn)天體。太陽(yáng)理論位置給用戶使用射電望遠(yuǎn)鏡自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)時(shí)提供了一個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn)。我們選擇地理經(jīng)度為118.78°，地理緯度為23.50°的觀測(cè)點(diǎn)(采用地平坐標(biāo)系)，時(shí)間是在2014年3月27日11時(shí)33分59秒。圖中AD值即為接收機(jī)采集信號(hào)采集的值，其單位為毫伏。

如圖6(e)是太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡模擬窗口，此窗口有兩種顯示方式。一是自動(dòng)跟蹤觀測(cè)太陽(yáng)時(shí)，它實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前天線所對(duì)準(zhǔn)的太陽(yáng)位置。二是沒(méi)有進(jìn)行觀測(cè)太陽(yáng)時(shí)，它可以演示太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡。單擊”開始演示”后，中間曲線圖的圓點(diǎn)代表著太陽(yáng)，當(dāng)前的這一天這個(gè)圓點(diǎn)沿著此虛線移動(dòng)，這就是太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖。上面的虛線代表夏至目的太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡，下面的虛線代表冬至目的太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡。

5 結(jié)論

本文在實(shí)驗(yàn)室射電望遠(yuǎn)鏡頻譜儀的基礎(chǔ)上，提出了一種太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)平臺(tái)控制界面，完成了一系列的上位機(jī)控制下位機(jī)，下位機(jī)控制主從單片機(jī)，單片機(jī)控制方位和俯仰電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)跟蹤觀測(cè)太陽(yáng)的目的，提出了一個(gè)既方便又利于理解的控制界面，真正實(shí)現(xiàn)了觀測(cè)者足不出戶的坐在計(jì)算機(jī)面前就可以完成使用太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)天體的任務(wù)。