太陽射電望遠(yuǎn)鏡自動觀測控制平臺的研究與設(shè)計(jì)

 目前，大型射電望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目在各國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，人們對于射電望遠(yuǎn)鏡的觀測控制要求也越來越高，當(dāng)下，射電望遠(yuǎn)鏡的控制觀測技術(shù)也已經(jīng)開始朝著方便化、自動化、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)鏡的控制也由手動控制轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)自動化控制，而且還會配有使人易懂的圖形化界面，這使得射電望遠(yuǎn)鏡的自動化控制程度越來越高，越來越精確。換句話說，觀測者現(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)鏡觀測天體的任務(wù)。本文提出了一種太陽射電望遠(yuǎn)鏡自動觀測控制平臺的整體解決方案。

1 太陽射電望遠(yuǎn)鏡及其自動跟蹤原理

1.1 太陽射電望遠(yuǎn)鏡原理

太陽射電望遠(yuǎn)鏡不同于一般的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，它不是通過光線而是通過太陽發(fā)射出的無線電波來觀測太陽。設(shè)在露天的拋物面反射天線，把它所接收到的從太陽上發(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記錄下來。根據(jù)這些記錄，就可以研究太陽活動的情況，掌握太陽輻射能量的規(guī)律變化，來分析這些變化對地球的影響。

1.2太陽射電望遠(yuǎn)鏡自動跟蹤原理我們可以將太陽的移動視為勻速運(yùn)動，太陽的運(yùn)動是由兩個方向上的運(yùn)動合成的，即水平方向和垂直方向。因?yàn)樘柮刻斓倪\(yùn)動軌跡不同，因此，我們使用了自動捕獲其運(yùn)動軌跡的方法，其方法為：手動按鍵，使望遠(yuǎn)鏡隨太陽一起運(yùn)動，在此過程中，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步距、移動方向和跟隨的移動時間。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速率，經(jīng)過計(jì)算換算成此速率下所對應(yīng)的控制脈沖數(shù)，由此控制兩個方向的電機(jī)轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)對太陽的自動跟蹤。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

太陽射電望遠(yuǎn)鏡自動跟蹤系統(tǒng)主要由上位機(jī)、下位機(jī)、接收天線、轉(zhuǎn)臺等部分組成。其中，轉(zhuǎn)臺由方位控制電機(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。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)，并對下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示以及存儲。下位機(jī)主要是MSP430F169，主要負(fù)責(zé)控制天線的運(yùn)動以及對數(shù)據(jù)的采集。

3 下位機(jī)設(shè)計(jì)

太陽射電望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)自動觀測的關(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)動天線轉(zhuǎn)臺，保證望遠(yuǎn)鏡的天線在觀測過程中始終對準(zhǔn)太陽，而且控制系統(tǒng)還應(yīng)在望遠(yuǎn)鏡的天線對準(zhǔn)太陽后立即采樣收集望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)的輸出信號，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)算出太陽的實(shí)時天線溫度，從而達(dá)到自動觀測的目的。

本設(shè)計(jì)中采用美國德州儀器公司(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)同工作的方式來實(shí)現(xiàn)其功能。由此，望遠(yuǎn)鏡控制和采集信號的任務(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)臺轉(zhuǎn)動的單片機(jī)我們稱之為主單片機(jī)，而負(fù)責(zé)信號采集的單片機(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RS485發(fā)送的各種控制命令，同時也將天線當(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，適時的通過RS485通信線向上位機(jī)發(fā)送所采集到的數(shù)據(jù)信號。

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)太陽射電望遠(yuǎn)鏡控制的任務(wù)：

1)驅(qū)動轉(zhuǎn)臺;

2)俯仰及方位計(jì)數(shù);

3)轉(zhuǎn)臺限位。

首先要對時鐘進(jìn)行設(shè)置，這里我們將時鐘設(shè)置為高頻時鐘源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，無校驗(yàn)位。還使用了3個中斷，分別是P2端口中斷、串行通信中斷和16位定時器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，程序才會進(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)在觀測太陽的過程中需要不停的采集接收機(jī)輸出電壓信號，并將這些信號發(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)輸出信號采集模塊完成對接收機(jī)輸出信號的采樣，采樣率為100 Hz。接收機(jī)輸出信號的電壓范圍是0～5 V，然而由于數(shù)字衰減器的延時，太陽有顯著活動時，接收機(jī)的輸出信號可能大于5 V。另外，為避免接收機(jī)輸出信號在傳輸過程中引入干擾，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)輸出信號調(diào)理模塊電路如圖4所示，圖中信號線ADC1即為接收機(jī)輸出信號。其采集到的數(shù)值會在上位機(jī)界面顯示。

4 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)與顯示

Visual C++6.0，簡稱VC或者VC6.0，是微軟推出的一款C++編譯器，將“高級語言”翻譯為“機(jī)器語言(低級語言)”的程序。Visual C++6.0是一個功能強(qiáng)大的可視化軟件開發(fā)工具。使用其開發(fā)的Windows平臺應(yīng)用程序有著無可比擬的優(yōu)勢。太陽射電望遠(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)建了整個上位機(jī)的界面。在軟件界面的顯示方面不僅有自動跟蹤，而且還有手動觀測、天線校零、天線收藏等。因此選擇使用基于CFormView的單文檔框架。

太陽射電望遠(yuǎn)鏡自動控制平臺的軟件界面如圖5所示。

此界面共有5個模塊分別是天線控制按鈕、當(dāng)前天線溫度動態(tài)顯示窗口、全天天線溫度觀測動態(tài)顯示窗口、當(dāng)前太陽位置理論值、太陽運(yùn)動軌跡模擬窗口。

如圖6(a)是天線控制按鈕圖，通過按動按鈕上位機(jī)就會把命令發(fā)送給下位機(jī)，下位機(jī)接收到相應(yīng)的命令后會控制天線相應(yīng)的轉(zhuǎn)動。天線控制按鈕有自動跟蹤、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，采用絕對溫標(biāo)，單位為開爾文(K);橫坐標(biāo)軸為時間，其時間采用協(xié)調(diào)世界時，時間寬度為200秒。橫坐標(biāo)軸采用滾動方式顯示，每當(dāng)下位機(jī)有接收機(jī)輸出信號發(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動態(tài)顯示窗口，該窗口顯示全天的天線溫度記錄曲線。縱坐標(biāo)也是顯示天線溫度的變化，橫坐標(biāo)軸仍是時間，但時間寬度為1個小時40分鐘，其

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

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

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

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，提出了一種太陽射電望遠(yuǎn)鏡觀測平臺控制界面，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，從而實(shí)現(xiàn)了自動跟蹤觀測太陽的目的，提出了一個既方便又利于理解的控制界面，真正實(shí)現(xiàn)了觀測者足不出戶的坐在計(jì)算機(jī)面前就可以完成使用太陽射電望遠(yuǎn)鏡觀測天體的任務(wù)。