大型望遠(yuǎn)鏡主鏡位置采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

欒紅民，張 斌，李玉霞，吳慶林，王 晶，曲云昭

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春130033;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京101400)

傳感器應(yīng)用

大型望遠(yuǎn)鏡主鏡位置采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

欒紅民1，2，張 斌1*，李玉霞1，吳慶林1，王 晶1，2，曲云昭1，2

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春130033;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京101400)

對大型望遠(yuǎn)鏡主鏡位置進(jìn)行高精度實(shí)時(shí)采集是實(shí)現(xiàn)主鏡位置控制，提高望遠(yuǎn)鏡成像質(zhì)量的前提。設(shè)計(jì)了大型望遠(yuǎn)鏡主鏡位置采集系統(tǒng)，包括位置采集模塊和上位機(jī)軟件。位置采集模塊對位移傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)理后使用24 bit的ADC芯片ADS1259實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，采用DSP處理轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)并與上位機(jī)通信，同時(shí)實(shí)現(xiàn)CAN總線組網(wǎng);上位機(jī)軟件使用python語言設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)主鏡位置信息的實(shí)時(shí)處理和顯示。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)的采集誤差小于2 μm，能夠?qū)崿F(xiàn)對望遠(yuǎn)鏡主鏡位置信號(hào)的高精度采集。

大型望遠(yuǎn)鏡;主鏡位置采集;模擬信號(hào)調(diào)理;ADS1259;python

望遠(yuǎn)鏡是進(jìn)行深空觀測與天文研究的最重要的、最基本的工具，其口徑越大，集光能力越強(qiáng)，分辨能力越高。為了使鏡面因重力引起的面形變化最小，主鏡通常采用無定向支撐系統(tǒng)［1］。采用這種支撐技術(shù)時(shí)，對于小口徑望遠(yuǎn)鏡而言，主鏡的自重較小，可以認(rèn)為，安裝完成后，主鏡相對于鏡室的位置不會(huì)隨著望遠(yuǎn)鏡觀測姿態(tài)的變化而變化。但是，隨著主鏡口徑的增大，主鏡的自重也顯著增加，而主鏡的支撐結(jié)構(gòu)不可能有無限的剛度，在望遠(yuǎn)鏡觀測姿態(tài)變化時(shí)，或者主鏡受到風(fēng)載、振動(dòng)等外界因素?cái)_動(dòng)時(shí)，主鏡就會(huì)相對于鏡室產(chǎn)生微量的位移。主鏡與鏡室的相對位置的變化，會(huì)影響望遠(yuǎn)鏡的后繼光路的對準(zhǔn)，引起離軸、離焦等像差，造成望遠(yuǎn)鏡指向誤差［2］。因此，必須對主鏡相對于鏡室的位置變化進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與控制，以保證成像質(zhì)量。

在當(dāng)今大型望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)與制造中，主鏡位置的采集及控制與主鏡的面形控制同等重要，是主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。歐南臺(tái)的VST望遠(yuǎn)鏡［3］以及 VLT望遠(yuǎn)鏡［4］、美國軍方 3.67 m AEOS望遠(yuǎn)鏡［5］以及美國的8 m GEMINI望遠(yuǎn)鏡［6］的主鏡支撐系統(tǒng)中都采取在鏡室安裝位移傳感器的方法來測量主鏡和鏡室相對位置，對主鏡位置進(jìn)行采集與控制。

本文設(shè)計(jì)了望遠(yuǎn)鏡主鏡位置采集系統(tǒng)，包括位置采集模塊和上位機(jī)軟件。位置采集模塊以ADC芯片 ADS1259為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的核心，以TMS320F28069型DSP作為處理器，實(shí)現(xiàn)對望遠(yuǎn)鏡主鏡位置信號(hào)的高精度采集;上位機(jī)軟件使用python語言進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要功能是接收主鏡位置原始信息，并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理與顯示。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠?qū)νh(yuǎn)鏡主鏡位置變化進(jìn)行準(zhǔn)確采集，可以滿足實(shí)際工作需求。該研究對于大口徑望遠(yuǎn)鏡主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)具有重大的意義，為主鏡位置控制提供了依據(jù)以及技術(shù)支撐。關(guān)于主鏡位置控制的相關(guān)問題與技術(shù)將在另外的文章中說明與討論。

1 位置采集模塊設(shè)計(jì)

位置采集模塊包括電源電路、調(diào)理電路以及數(shù)字信號(hào)傳輸電路三部分。電源電路負(fù)責(zé)產(chǎn)生合適的電壓為模擬電路以及數(shù)字電路供電;調(diào)理電路負(fù)責(zé)對位移傳感器信號(hào)進(jìn)行模擬調(diào)理，并輸入至ADC芯片完成模數(shù)轉(zhuǎn)換;數(shù)字信號(hào)傳輸電路負(fù)責(zé)對數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理與存儲(chǔ)，與上位機(jī)通信，并通過CAN總線組網(wǎng)。

1.1 電源電路設(shè)計(jì)

通過對電路進(jìn)行供電需求分析，基于性能以及復(fù)雜度的考慮，設(shè)計(jì)了如圖1所示的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，使用FI－B03D型EMI濾波器對外部輸入電源進(jìn)行濾波，防止外部電源中的噪聲信號(hào)進(jìn)入電路。使用WRF－S－3WR2型隔離型穩(wěn)壓開關(guān)電源生成3.3 V數(shù)字電源，將數(shù)字電源與模擬電源進(jìn)行隔離，以避免數(shù)字電源中的噪聲耦合至模擬電源中。模擬電路的±12 V電源和±2.5 V電源采用低噪聲雙極性LDO電源芯片LTC3260產(chǎn)生;為了提高電源效率，減小系統(tǒng)功耗，利用LMR14206將+24 V降壓到+15 V作為LTC3260的輸入電源。ADC芯片的參考電源采用TI公司的ADR431基準(zhǔn)電壓芯片提供，相對于ADC芯片的片上基準(zhǔn)，ADR431具有更小的噪聲，更高的精度和穩(wěn)定性，使測量結(jié)果精度更高。為了降低位移傳感器輸出信號(hào)中的噪聲，使用濾波后的外部電源為其供電。

1.2 調(diào)理電路設(shè)計(jì)

望遠(yuǎn)鏡位置信號(hào)主要有以下特點(diǎn):位移傳感器輸出差分信號(hào)，幅值范圍在±11.25 V之間，屬于低頻信號(hào)，能量主要在幾百赫茲以下;干擾特別強(qiáng)，既來自內(nèi)部，如主鏡支撐結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)，也來自外部，如工頻干擾或者信號(hào)接地不良等因素引起的干擾［7］。所以，需要設(shè)計(jì)調(diào)理電路對位移傳感器信號(hào)進(jìn)行縮放與濾波，以便充分利用高性能ADC，并將信號(hào)從噪聲中提取出來，最后通過ADC芯片輸出位置信息的數(shù)字信號(hào)。調(diào)理電路是位置信號(hào)采集模塊的核心部分，主要由輸入級(jí)、濾波級(jí)、ADC驅(qū)動(dòng)級(jí)以及ADC輸出級(jí)構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 調(diào)理電路結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.1 輸入級(jí)

輸入級(jí)的噪聲系數(shù)對調(diào)理電路的總噪聲系數(shù)影響最大，故要求輸入級(jí)電路必須噪聲小、增益穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)［8］。采用低噪聲儀表放大器AD8221接收位移傳感器輸出的差分信號(hào)，實(shí)現(xiàn)差分至單端的轉(zhuǎn)換，其輸入電壓噪聲密度為電路如圖3所示。

圖3 輸入級(jí)儀表放大電路

AD8221的RG端開路，設(shè)置為單位增益，可讓該電路具有80 dB以上的共模抑制能力，能夠抑制傳感器與電路之間的長導(dǎo)線可能會(huì)拾取的共模噪聲。輸入級(jí)前端采用阻容式射頻濾波器，抑制射頻噪聲，減小射頻噪聲對測量結(jié)果的干擾;此外，該濾波器還能使差分線與接地之間的交流信號(hào)保持平衡，同時(shí)也在測量帶寬內(nèi)維持了較高的輸入阻抗，避免增加信號(hào)源的負(fù)載。

1.2.2 濾波級(jí)

為了滿足ADC的量程以及限制噪聲帶寬并避免混疊，在第2級(jí)中對信號(hào)進(jìn)行縮放和濾波，放大電路與濾波電路均采用低噪聲精密運(yùn)算放大器ADA4004實(shí)現(xiàn)，其電壓噪聲密度為首先將該器件配置為反相放大器，增益為0.2，使位置傳感器信號(hào)縮放至ADC的輸入范圍;然后基于巴特沃斯低通濾波器的最平響應(yīng)的特點(diǎn)，又利用該器件設(shè)計(jì)了2極點(diǎn)單位增益Sallen-Key濾波器，對信號(hào)進(jìn)行濾波，將其從噪聲中提取出來。濾波電路如圖4所示。

由圖4可得到相關(guān)公式如下:

圖4 單位增益Sallen-Key濾波器電路

經(jīng)過計(jì)算，可得到該濾波器的截止頻率大約為1 kHz，Q值為0.71，其頻率響應(yīng)如圖5所示。該濾波器僅允許目標(biāo)頻率通過，從而防止ADC對混疊頻率進(jìn)行采樣;同時(shí)，設(shè)計(jì)成單位增益的Sallen-Key濾波器，運(yùn)算放大器被用作單位增益緩沖器，使其具有高增益精度，提高信號(hào)采集質(zhì)量［9］。

圖5 Sallen-Key濾波器頻率響應(yīng)波特圖

1.2.3 ADC驅(qū)動(dòng)級(jí)

ADC驅(qū)動(dòng)級(jí)實(shí)現(xiàn)單端至差分的轉(zhuǎn)換，并將結(jié)果輸入ADC芯片。AD8476是一款單位增益差分ADC驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)置精密激光調(diào)整匹配薄膜電阻，具有低增益誤差、低增益漂移(最大1×10－6/℃)和高共模抑制(80 dB)的特性。它可執(zhí)行單端至差分的轉(zhuǎn)換，同時(shí)提供VOCM引腳，允許將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為對ADC芯片而言的最佳電平。具體電路如圖6所示。

圖6 ADC驅(qū)動(dòng)電路

本電路中，輸出共模電平設(shè)置為0 V，考慮到前一級(jí)反相放大器的增益為0.2，當(dāng)ADC使用2.5 V基準(zhǔn)電壓時(shí)，可獲得±12.5 V可用輸入范圍，確保輸入ADC的信號(hào)具有最大的動(dòng)態(tài)范圍，并滿足位置傳感器的測量輸出幅值范圍。其輸出信號(hào)經(jīng)過RC共模濾波器濾波后，送至ADC的輸入端。

1.2.4 ADC輸出級(jí)

模數(shù)轉(zhuǎn)換使用24 bit，14 KSPS的 ADC芯片ADS1259實(shí)現(xiàn)，該器件漂移低，內(nèi)部集成一個(gè)四階穩(wěn)定Σ－Δ積分調(diào)制器，具有出色的噪聲抑制性能和線性特性，電路如圖7所示［10］。

圖7 ADC電路

ADC采用全差分輸入設(shè)計(jì)，使其具備良好的共模噪聲抑制特性，同時(shí)也將二次失真改變?yōu)楣材Ｔ肼曔M(jìn)行抑制;同時(shí)，將輸入的差分信號(hào)交叉接在ADC的差分輸入端，對前一級(jí)中的反相放大器對信號(hào)造成的反相進(jìn)行校正。其參考電源采用ADR431基準(zhǔn)電壓芯片提供，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過SPI接口輸出。

1.3 數(shù)字信號(hào)傳輸電路設(shè)計(jì)

數(shù)字信號(hào)傳輸電路的結(jié)構(gòu)如圖8所示。使用TMS320F28069型DSP作為處理器，通過SPI總線和ADS1259通信，對其進(jìn)行配置以及數(shù)據(jù)讀取;通過RS485總線與上位機(jī)通信，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行位置解算與顯示;通過I2C總線與片外存儲(chǔ)器通信，對關(guān)鍵配置數(shù)據(jù)與位置數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ);利用CAN總線實(shí)現(xiàn)分布式位置信號(hào)采集模塊組網(wǎng)［11］，各CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的ID通過讀取撥碼開關(guān)配置。

圖8 數(shù)字信號(hào)傳輸電路結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 電路布局

電路的性能依賴于合理的PCB布局，包括電源旁路、信號(hào)走線以及適當(dāng)?shù)碾娫磳雍徒拥貙拥取？紤]到所采用的器件多為表面貼裝式，電路內(nèi)接口眾多，具有大量互連，所以PCB采用四層板進(jìn)行布局，分別為信號(hào)層、電源層、接地層、信號(hào)層。

PCB采用完整的接地層，不僅用作信號(hào)電流的低阻抗返回路徑，還能將EMI/RFI輻射降至最低，同時(shí)，由于接地層的屏蔽作用，電路受外部EMI/RFI的影響也會(huì)降低。對模擬地與數(shù)字地進(jìn)行分割，并通過鐵氧體磁珠單點(diǎn)互連，防止數(shù)字地中的高頻開關(guān)噪聲串入模擬地中，同時(shí)也避免模擬地和數(shù)字地之間產(chǎn)生意外的直流電壓損壞ADC器件［12－13］。去耦電容盡量靠近電源引腳，防止產(chǎn)生額外的走線電感，模擬電源去耦至模擬地，數(shù)字電源引腳去耦至數(shù)字地。模擬信號(hào)布線盡可能短，差分信號(hào)遵循等距、等長的原則，以降低電路中信號(hào)線間的耦合電容;輸入信號(hào)線與輸出信號(hào)線盡可能遠(yuǎn)離，以避免輸出信號(hào)通過分布電容與輸入電路之間形成反饋，引起電路工作的不穩(wěn)定。

2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件使用PyQt進(jìn)行界面開發(fā)，使用python語言在Eclipse集成環(huán)境中進(jìn)行功能設(shè)計(jì)［14］，初步實(shí)現(xiàn)以下功能:接收位置信號(hào)采集模塊發(fā)送的原始數(shù)據(jù)，然后解算為實(shí)際的位置信息并以實(shí)時(shí)曲線的形式實(shí)時(shí)顯示出來;將所接收到位置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在excel中，用作后續(xù)查證。圖9為主鏡位置采集系統(tǒng)上位機(jī)軟件界面。

圖9 上位機(jī)軟件界面

上位機(jī)軟件的相關(guān)功能皆使用python各模塊中的庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)，如xlrd模塊(讀寫excel文件)、guiqwt模塊(繪制實(shí)時(shí)曲線)、pySerial模塊(讀寫RS232接口)等。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了檢測系統(tǒng)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，測試平臺(tái)由位移傳感器(NovoTechnik公司，F(xiàn)205.1g型)、供電電源、位置采集模塊以及PC組成，如圖10所示。位移傳感器有效量程為－2.5 mm～2.5 mm，靈敏度為4.5 V/mm;供電電源為24 V±20%。將位移傳感器固定后，使用FLUKE公司的數(shù)字精密臺(tái)式萬用表采集其輸出電壓作為位置采集模塊的參考;該萬用表型號(hào)為8846A，采集精度為0.002 4%。

圖10 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件組成

3.1 測試結(jié)果

將位移傳感器伸縮至不同的位置，固定好后分別使用本文設(shè)計(jì)的位置采集模塊與萬用表進(jìn)行測量，測量結(jié)果如表1所示。

表1 部分位置測量數(shù)據(jù)

由表1可以看出，采集模塊測量值與萬用表測量值的偏差小于10 mV，折算成位置誤差小于2 μm;圖11為傳感器輸出電壓值為0 V、7.733 V與－4.714 V時(shí)的測量曲線，采集頻率為100 Hz;可以看出，數(shù)據(jù)波動(dòng)小于0.2 mV，折算成位置波動(dòng)小于0.04 μm。表1和圖11表明，采集模塊的位置測量精度可以滿足大型望遠(yuǎn)鏡主鏡位置監(jiān)測需求。

圖11 位置采集模塊測量曲線

3.2 誤差影響因素分析

(1)環(huán)境因素

環(huán)境因素主要包括兩方面:①測試時(shí)人員走動(dòng)等原因造成的測試平臺(tái)低頻率的振動(dòng)所引起的誤差;②溫度因素:所使用的位移傳感器溫度漂移特性為0.45 mV/℃，該因素對長時(shí)間測量時(shí)的誤差影響較為明顯。

(2)測量因素

經(jīng)過分析，造成誤差的測量因素如下:位移傳感器本身特性，例如靈敏度、線性度、重復(fù)性等造成的誤差;位置采集模塊本身的精度所引起的誤差。

4 結(jié)束語

針對大型望遠(yuǎn)鏡主鏡位置監(jiān)測的需求，設(shè)計(jì)了位置采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對主鏡位置信號(hào)的采集與顯示。經(jīng)過測試，采集位置誤差小于2 μm，可以應(yīng)用于大型望遠(yuǎn)鏡主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)中，作為主鏡位置控制的依據(jù)。

下一步工作，是將該位置采集系統(tǒng)應(yīng)用于望遠(yuǎn)鏡主鏡支撐結(jié)構(gòu)中，將分布式位置采集模塊與上位機(jī)控制器通過CAN總線組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)主鏡軸向與徑向共6個(gè)自由度的位置信息的監(jiān)測與控制。

［1］ 范磊.2 m級(jí)地基望遠(yuǎn)鏡SiC主鏡輕量化設(shè)計(jì)及支撐技術(shù)研究［D］.長春:中科院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，2013.

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欒紅民(1987－)，男，吉林省洮南市人，長春光機(jī)所碩士研究生，主要從事電子學(xué)設(shè)計(jì)及精密跟蹤控制方向的研究，luanhongmin2016@163.com;

張 斌(1981－)，男，導(dǎo)師，吉林省長春市人，副研究員，碩士研究生導(dǎo)師，博士，主要研究方向?yàn)楣怆娡h(yuǎn)鏡伺服控制技術(shù)、主動(dòng)光學(xué)控制系統(tǒng)，13844908289@ 163.com。

Design of Primary Mirror Position Acquisition System of Large Telescope*

LUAN Hongmin1，2，ZHANG Bin1*，LI Yuxia1，WU Qinglin1，WANG Jing1，2，QU Yunzhao1，2
(1.Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China; 2.University of Science Academy of Sciences，Beijing 101400，China)

High precision primary mirror position real-time acquisition of the large telescope is the premise to realize the primary mirror position control and improve the image quality.The primary mirror position acquisition system of the large telescope is designed，including the position acquisition module and the PC software.The position acquisition module is used to condition analog signal from displacement sensor，convert analog signal to digital signal through 24 bit ADC－ADS1259，process digital signal by DSP，communicate with the PC，and set up the LAN by CAN field-bus.The PC software programed by python is used to realize primary mirror position information real-time processing and displaying.Through testing，it is found that acquisition error is less than 2 μm，and the precision of the primary mirror position acquisition system can satisfy the requirement.

large telescope;primary mirror position acquisition;analog signal conditioning;ADS1259;python

TN710;TN929.52

A

1004－1699(2017)02－0313－06

C:7230

10.3969/j.issn.1004－1699.2017.02.025

項(xiàng)目來源:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所重大創(chuàng)新項(xiàng)目專項(xiàng)基金項(xiàng)目(Y3C122E130)

2016－06－29 修改日期:2016－08－10