基于STM32的多色溫多星等輸出的單星模擬器設(shè)計

隨著近年來我國空間科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星、載人飛船等航天器需要更高的控制精度、可靠性和更長的壽命。星敏感器在各種航天器上大量應(yīng)用，其性能指標(biāo)直接影響到測量結(jié)果的可信度。單星模擬器是星敏感器的主要地面標(biāo)定設(shè)備之一，所要實現(xiàn)的功能是在實驗室內(nèi)提供與單顆真實恒星在光度特性、光譜特性等方面趨于一致的模擬恒星[1-2]。傳統(tǒng)單星模擬器大多體積大，精度低，穩(wěn)定性不夠好，可調(diào)節(jié)色溫單一，實現(xiàn)星等范圍小[3]。本項目采用模塊化設(shè)計，將多束不同窄帶光譜、不同強(qiáng)度的光線混合，并控制總體輸出光強(qiáng)，最終實現(xiàn)不同等效黑體色溫和不同星等。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1 所示，單星模擬器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由電源、光源、波段光強(qiáng)控制器、積分球、星等控制器、工控箱、PC 機(jī)7 部分組成。

1.1 光源

常見電光源有氙燈、鈉燈、鹵鎢燈、汞燈等。氙燈輻射光譜能量分布與日光相接近,色溫約6000K。連續(xù)光譜部分的光譜分布幾乎與燈輸入功率變化無關(guān)，在壽命期內(nèi)光譜能量分布也幾乎不變。氙燈具有發(fā)光譜線寬度相對較寬、光譜穩(wěn)定性高、輻射功率單位時間變化小等優(yōu)點，所以選擇氙燈[4-5]。

光源部分包括150W 氙燈、電源及控制器、反光罩、傳光光纖輸出耦合器等。

1.2 波段光強(qiáng)控制器

波段光強(qiáng)控制器，由光源經(jīng)光纖輸入光線擴(kuò)束準(zhǔn)直后通過由步進(jìn)電機(jī)控制的可變光闌，再經(jīng)過10%反射鏡后匯聚輸出。10%反射鏡反射光線由光電池測量光強(qiáng)，通過控制板反饋控制步進(jìn)電機(jī)。要將光源分成不同波長的光束，目前常見產(chǎn)生方式主要有發(fā)光二極管直接產(chǎn)生、電光源通過窄帶濾波片產(chǎn)生等方式，由于現(xiàn)有發(fā)光二管存在輸出光譜寬度窄(10~25 nm 半波長寬度)、某些特定中心波長不容易實現(xiàn)等原因，本設(shè)計中采用電光源通過窄帶濾波片產(chǎn)生。

由于需控制的窄帶光源數(shù)量較多，且各部分結(jié)構(gòu)基本相同，擬采用模塊式設(shè)計，即設(shè)計13 路相同的“波段光強(qiáng)控制器”，如圖2 所示，每一路都可實現(xiàn)對光的濾波、光強(qiáng)調(diào)整、使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，減小故障率，便于測試與維修。每路為獨立易拆換單元結(jié)構(gòu)，由支架、窄帶濾光片、分光鏡、光電池、可變光闌、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、傳光光纖輸入輸出耦合器、電信號處理模塊(實現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動控制、碼盤及光電池信號處理和上位控制系統(tǒng)的RS-485 通信等功能)等部分組成，實現(xiàn)對各路色光光功率的控制，形成等效色溫。由于峰值光譜范圍中有部分到達(dá)外區(qū)，需要部分控制器中光學(xué)元件采用石英材料，其中3 路紫外，10 路可見光或紅外。光源與波段光強(qiáng)控制器之間由一進(jìn)多出(其中石英3 路，玻璃10 路)傳光光纖連接，波段光強(qiáng)控制器與六棱鏡之間由多進(jìn)(其中石英3 路，玻璃10 路)一出傳光光纖連接。所有“波段光強(qiáng)控制器”與光源、六棱鏡、星等控制器、電

源模塊等安裝于同一平臺，通過RS485 的串行方式既可與控制電箱通信，也可與工控機(jī)通信。星等控制器的結(jié)構(gòu)與波段光強(qiáng)控制器結(jié)構(gòu)大體相同，主要區(qū)別是：增加由另一步進(jìn)電機(jī)控制的衰減

片陣列，實現(xiàn)大星等范圍的調(diào)節(jié)。通過對輸出光強(qiáng)的控制實現(xiàn)不同星等，需調(diào)整范圍為~+6.5MI，采用可變光闌加衰減片陣列方式來實現(xiàn)，衰減片陣列實現(xiàn)固定的大比例衰減，實現(xiàn)誤差在一個星等范圍內(nèi)，可變光闌實現(xiàn)一個星等范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)<1%的控制[6]。

2 硬件電路部分

如圖3 所示，硬件電路由主控芯片STM32，電源模塊，時鐘、晶振、復(fù)位模塊以及通信模塊組成。

2.1微處理器

微處理器是控制系統(tǒng)的核心，關(guān)系到整個系統(tǒng)的運行情況。經(jīng)分析比較，本系統(tǒng)采用ST 公司基于

cortex-M3 內(nèi)核的STM32 處理器。cortex-M3 內(nèi)核是專門用于設(shè)計高性能、低功耗、低成本、實時性嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的處理器核，它在提升性能的同時，又提高代碼密度的Thumb-2 指令集，同時也大幅度提高了中斷響應(yīng)的緊耦合嵌套向量中斷控制器的性能，所有新功能都同時具有業(yè)界最優(yōu)的功耗水平。

STM32 是32 位CPU 的微控制器，主頻可達(dá)72 MHz。有多達(dá)51 個快速I/O 端口，所有I/O 口均可

以映像到16 個外部中斷，幾乎所有端口都允許5 V信號輸入。每個端口都可以由軟件配置成輸出(推挽或開漏)、輸入(帶或不帶上拉或下拉)或其他的外設(shè)功能口。2 個12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，16 個外部輸入通道，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)1 MHz，轉(zhuǎn)換范圍為0~36 V;具有雙采樣和保持功能;內(nèi)部嵌入有溫度傳感器，可方便地測量處理器溫度值[7]。7 路通用DMA存儲器直接訪問，可以管理存儲器到存儲器、設(shè)備到存儲器和存儲器到設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，無須CPU 任何干預(yù)。通過DMA 可以使數(shù)據(jù)快速地移動，這就節(jié)省CPU 的資源來進(jìn)行其他操作。支持標(biāo)準(zhǔn)的20 腳JTAG仿真調(diào)試以及針對Cortex-M3 內(nèi)核的串行單線調(diào)試(SWD)功能。通常默認(rèn)的調(diào)試接口是JTAG 接口，內(nèi)部包含7 個定時器。

2.2 通信模塊設(shè)計

STM32 含有豐富的通信接口：3 個UART異步串行通信接口、2 個I2C 接口、2 個SPI 接口、1 個

CAN接口和1 個USB 接口，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信提供了保證。

如圖4 所示，本系統(tǒng)采用UART 異步串行通信接口與PC 通信。UART 首先將接收到的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)

換成串行數(shù)據(jù)來傳輸。消息幀從一個低位起始位開始，后面是5~8 個數(shù)據(jù)位，一個可用的奇偶位和一個或幾個高位停止位。接收器發(fā)現(xiàn)開始位時它就知道數(shù)據(jù)準(zhǔn)備發(fā)送，并嘗試與發(fā)送器時鐘頻率同步。在接收過程中，UART 從消息幀中去掉起始位和結(jié)束位，對進(jìn)來的字節(jié)進(jìn)行奇偶校驗，并將數(shù)據(jù)字節(jié)從串行轉(zhuǎn)換成并行。

如圖4，采用SN75LBC184 芯片，它支持64 個節(jié)點，是一款具有瞬變電壓抑制功能的差分收發(fā)器，具有內(nèi)置高能量瞬變噪聲保護(hù)裝置。這種設(shè)計特點顯著提高了抵抗數(shù)據(jù)同步傳輸電纜上瞬變噪聲的可靠性。這類電路可提供可靠的低成本的直連數(shù)據(jù)線接口，不需要任何外部元件，適用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

3 軟件系統(tǒng)

3.1 控制程序

主控流程如圖5 所示，控制程序主要包括光電池A/D參數(shù)值的讀寫和電機(jī)驅(qū)動程序兩部分。

本設(shè)計將ADS1.2 集成開發(fā)環(huán)境作為軟件開發(fā)工具，它是ARM 公司推出的ARM 核為控制器開發(fā)

工具，是由包含匯編器、C/C++編譯器和連接器的代碼生成工具[8]。

3.2 界面

為了方便靈活地設(shè)置參數(shù)，并調(diào)試電路板中各項控制數(shù)值，使用delphi7 編寫“單星模擬器控制界

面”。由于上位機(jī)CPU 與下位機(jī)(ARM)的工作頻率相差很大，且控制無高速要求，為保證通信可靠性，軟件對通信設(shè)定了一系列延時，例如當(dāng)下位機(jī)超過300 ms 無應(yīng)答時，軟件才判定通信為超時。如圖6 所示，界面既可進(jìn)行色溫設(shè)置、星等設(shè)置、系統(tǒng)全面診斷、初始化等總體操作，又可通過超級校驗碼驗證后對各個單獨的模塊進(jìn)行具體調(diào)試。色溫碼盤表、色溫光強(qiáng)表、星等碼盤表可進(jìn)行讀寫操作，寫在下一次上電生效。并可以隨時保存當(dāng)前數(shù)據(jù)到上位機(jī)，生成txt 文本，可隨時查閱修改，同時能從上位機(jī)讀取歷史保存數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

為實現(xiàn)實驗室內(nèi)模擬特定恒星光譜特性，設(shè)計了這臺單星模擬器，采用模塊化設(shè)計，將光源分成多束不同光譜、不同強(qiáng)度的光線，再混合并控制總體輸出光強(qiáng)，最終實現(xiàn)不同色溫和不同星等。理論和實驗表明，它能完成現(xiàn)場測試工作，并且在可靠性方面有了較大提高，成本也大大降低。