摘要：大型射电望远镜在选址、安装和校正方面要求比较高,随着天文爱好者越来越多,市场上需求越来越多的是小型的家用射电望远镜。大部分射电望远镜跟踪装置采用伺服电机驱动,然而伺服电机价格昂贵,因此,在实验室射电频谱仪的基础上,为了降低成本,选用价格相对便宜的改进直流电机驱动射电望远镜进行方位和俯仰转动,选用设计简单、运行可靠的MSP430F169单片机实现对射电望远镜的转动控制和数据信息采集。经过实验室大量实验调试,该系统工作稳定,可以达到设计目标。

　　关键词：家用射电望远镜,改进直流电机,MSP430F169,数据采集

　   Research on Radio Telescope Tracking System

　　WANG Ran

　　(Nanjing Vocational Institute of Mechatronic Technology,Nanjing Jiangsu 211100)

　　【Abstract】：Large radio telescopes require high requirements in terms of location selection,installation,and calibration.With the increasing number of astronomy enthusiasts,there is an increasing demand for small household radio telescopes in the market.Most radio telescope tracking devices are driven by servo motors,which are expensive.So,based on laboratory radio spectrometers,in order to reduce costs,relatively inexpensive improved DC motors are used to drive the radio telescope for azimuth and pitch rotation,and select the MSP430F169 microcontroller with simple design and reliable operation to achieve rotation control and data information collection of the radio telescope.Experimental results show that the system is stable,we can achieve the purpose of the design.

　　【Key words】：household radio telescope;DC motor;MSP430F169;data acquisition

　　射电望远镜实现自动跟踪太阳与信息采集的关键是协调射电望远镜系统与接收机系统。射电望远镜的控制系统一方面驱动射电望远镜转动,保证望远镜在转动过程中始终对准太阳。另一方面,控制系统还应在望远镜对准太阳以后,采集光照信号并送往上位机,供上位机软件进行处理,从而达到自动跟踪并实时显示太阳辐射能量变化规律的目的[1]。本文在原有实验室环境基础上选用MSP430F169单片机实现对射电望远镜的转动控制和数据信息采集。通过改进的直流电机驱动射电望远镜进行方位和俯仰转动。

　　1系统整体设计

　　整个系统由PC机、串口通信装置、驱动电机、单片机控制和采集系统、光电传感器、射电望远镜等装置

　　组成。PC机是整个系统的控制中心,提供人机交互界面；射电望远镜用来随时对准太阳,提供与太阳的接触面,接收太阳的光照信息；串口通信实现PC机与下位机系统之间的信息通信；驱动电机用来驱动射电望远镜进行方位和俯仰转动；主单片机控制射电望远镜进行方位和俯仰转动,从单片机进行信息采集。本系统整体框图如图1所示。

　　2硬件设计

　　为了实现自动跟踪和数据采集的目的,将硬件系统划分为两大模块,即控制射电望远镜转动模块和信号采集模块,因此采用两片单片机。当射电望远镜进行自动跟踪时,从单片机开始采集光照信号。

　　主单片机通过RS485与上位机进行通信,接收上位机发送来的控制命令,控制射电望远镜进行相应转动,并将当前射电望远镜所在的位置信息通过RS485发送回上位机,供上位机进行信息处理分析。同时主单片机还给从单片机发送相应的信息,启动从单片机。从单片机收到主单片机的信息后开始工作,并将采集到的信息数据实时地发送回上位机,供上位机进行处理和实时显示。

　　2.1单片机模块

　　本实验选择MSP430F169单片机,运算速度快,功耗低[2]。实验中单片机作用有接收PC机发送的指令信息、分析射电望远镜方位和俯仰位置并进行转动控制、记录当前方位和俯仰位置信息、从单片机接受主单片机指令后进行数据采集,并将采集到的数据上传到PC机。为了提高系统的稳定性,降低信号间的干扰,采用两片单片机进行下位机模块控制。

　　2.2驱动装置

　　想要实现射电望远镜实时跟踪太阳,需要完整的驱动装置。家用射电望远镜对位置精度和跟踪精度要求相对较低,在实验室射电频谱仪的基础上,采用改进的直流电机驱动射电望远镜进行方位和俯仰转动,直流电机比伺服电机价格便宜,可以使射电望远镜设备的整体造价有所下降。直流电机利用电磁传感器计数脉冲,使获得相对高跟踪精度变得可能。采用的改进型直流电机采用12V供电电源。因射电望远镜在方位和俯仰两个方向转动,故选用2台电机。

　　2.3脉冲信号处理模块电路设计

　　从电磁传感器采集到的位置脉冲信号和限位信号存在很多杂波,不宜直接接入单片机。因此,位置脉冲信号和限位信号在进入单片机之前要经过一定的处理,包括对信号进行滤波、电平转换和整形等,采用CD40106芯片[3]。通过电磁传感器采集到的限位脉冲信号和方位脉冲信号、俯仰脉冲信号,在进入单片机之前都会进行RC低通滤波,然后经过CD40106进行整形,最后,输入到单片机进行相关处理。

　　3软件设计

　　3.1自动跟踪单元程序设计

　　自动跟踪是PC机与主单片机之间的通信。自动跟踪控制流程如图2所示。上位机在T8（当前时刻）向主单片机查询当前望远镜的位置信息：方位位置curAZ和俯仰位置curEL,计算（T8+1S）时刻的太阳位置：方位位置revAZ和俯仰位置revEL,并通过errorAZ=abs(revAZ-curAZ)计算出当前太阳位置与望远镜位置差。当errorAZ＞20（即20个脉冲）时,上位机通过RS485将望远镜将要转动到的位置信息与快速转动指令一起发送给主单片机,主单片机驱动方位电机快速转动；当1＜errorAZ＜20时,上位机将望远镜将要转动的位置信息与方位慢速转动指令一起发送给主单片机,主单片机控制方位电机慢速转动。同时上位机实时检测串口接收到的主单片机发送来的望远镜的位置信息,将接收到的位置信息与配置文件中设定的限位值进行比较,若到达限位值,则向主单片机发送停止命令,主单片机控制方位电机停止转动。当射电望远镜触碰到硬件限位开关时,望远镜停止转动,同时下位机也会将硬件限位信息传送到上位机,上位机会在界面上弹出硬件限位对话框。若未进入限位状态,上位机要解析此位置信息,如果判断出射电望远镜没有到达指定的位置,方位电机会一直转动,上位机持续监视串口；若检测到方位位置转动到位,则方位电机停止转动。方位转动到位后再进行俯仰自动跟踪,俯仰自动跟踪与方位自动跟踪类似,此处不再叙述。射电望远镜停止转动后,会将当前射电望远镜的方位和俯仰位置信息保存下来,以便下次开启时可以直接读取当前的位置信息。本实验中选用Flash存储器。Flash存储器系统可用作代码和数据的存储,且断电后不丢失数据、容量大[4]。

　　3.2手动转动单元程序设计

　　当望远镜在跟踪过程中,进入硬件限位后,除了手动转动指令外,其他任何指令都不起作用。由于硬件限位,手动调整时不会出现电缆绕线的情况。手动转动包括方位转动和俯仰转动,同时还有快动和慢动。方位转动和俯仰转动相似,在此只介绍方位转动。

　　下位机接收到串口发送来的方位快速转动命令时,主单片机控制对应的方位控制口输出持续高电平,控制电机方位进行转动,同时主单片机每隔200ms向上位机传送望远镜的当前方位位置信息countAZ。下位机持续检测串口状态,直到凸轮压上硬件限位开关或者接收到上位机发送来的停止转动命令后,望远镜才停止转动。下位机接收到串口发送来的方位慢速转动命令时,主单片机控制对应的方位控制口输出高电平和占空比为3/8的方波,高电平持续时间为15ms,主单片机每隔200ms向上位机传送望远镜的当前位置countAZ。同时下位机持续检测串口状态,直到凸轮压上硬件限位开关或者接收到上位机发送来的停止转动命令后,望远镜才停止转动。

　　3.3停止转动单元程序设计

　　望远镜停止转动,需方位电机先停止转动,然后俯仰电机停止转动。下位机收到串口发来的方位停止命令后,控制相应的控制口置低电平,停止电机转动,延时一段时间（本程序中延时200ms）后,将当前望远镜的方位位置信息保存在Flash中,同时将当前方位位置信息发送给上位机。至此,方位停止转动结束。上位机收到下位机回传的方位完全停止的位置信息后,上位机接着向下位机发送俯仰停止命令,下位机通过串口接收到此指令后,控制相应的控制口置低电平,俯仰停止转动,电机由于惯性,会有过冲,因此等待200ms,下位机将当前俯仰位置信息发送给上位机。至此,下位机的停止转动命令执行完成。程序进入主单片机继续监视串口,等待下一个指令的到来。

　　3.4从单片机程序设计

　　从单片机主要是在射电望远镜跟踪到位之后接收主单片机的指令完成信息采集。在采集工作前,从单片机也要进行相应的初始化工作,初始化完成后开启全局中断,等待接收命令信号,若没有指令信号,从单片机会处于等待状态。当接收到指令信息后,开始采集太阳光照信息,同时将采集到的光照信息通过USB串口上传回上位机。本实验采用TSL2561芯片,此芯片集成了模数转换器,可以输出数字信号。当单片机要读取光照强度信息时,先发送地址信号,进行IIC设备的选择,TSL2561地址为0101001（二进制形式）,选中TSL2561后,就可以发送命令,命令也就是相应寄存器的地址,寄存器收到相应的指令,就可以实现数据的读取了。

　　4结语

　　射电望远镜系统在自动跟踪过程中,根据视日运动轨迹跟踪太阳的方式,通过天文学计算方式得到当前太阳的位置信息,并将其存入单片机内存,计算机通过读取系统时间,得到太阳的方位角和俯仰角[5],通过齿轮转动比与角度之间的关系,将当前太阳位置信息角度值转换成脉冲数发送给主单片机执行,同时下位机也将当前射电望远镜的位置脉冲数通过串口发送给上位机。由于方位电机和俯仰电机相同,本文以方位为例进行测试,实验室共有6台转台可供测试使用。在转台上安装码盘,上位机发送命令给下位机,驱动电机转动相应的角度,电机转动到位后观察码盘转动的角度,比较输入的角度与码盘转动的角度,观察此转台误差的大小。通过大量的实验,得出系统的误差在0.1°左右,符合实验室要求,且系统工作稳定,达到设计目标。

　参考文献

　　[1]陈国庆,韦抒,李捷.太阳能自动跟踪系统的设计与实践[J].电子世界,2012(11):116-118.

　　[2]韩勇鹏,霍利锋.基于MSP430F169的最小系统设计[J].山西农业大学学报,2007,6(6):216-218.

　　[3]宋东生.施密特触发器及其应用[J].无线电,2001(7):53-54

　　[4]郑文静,李明强,舒继武.Flash存储技术[J].计算机研究与发展,2010,47(4):716-726.

　　[5]张捍卫,许厚泽,王爱生.天文经纬度和天文方位角测定的基本原理[J].测绘科学,2008(4):157-160.