太陽射電望遠(yuǎn)鏡智能跟蹤控制系統(tǒng)研究

徐偉星， 殷興輝

(河海大學(xué)， 計算機與信息學(xué)院， 南京 211100)

太陽射電望遠(yuǎn)鏡智能跟蹤控制系統(tǒng)研究

徐偉星1， 殷興輝2

(河海大學(xué)， 計算機與信息學(xué)院， 南京 211100)

針對目前太陽射電望遠(yuǎn)鏡跟蹤控制系統(tǒng)智能化程度差，專業(yè)化要求高的特點，在射電望遠(yuǎn)鏡及自動控制相關(guān)知識的基礎(chǔ)上，提出了一種提高射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)智能化控制的方案，使系統(tǒng)可靠性提高、操作更簡單和實用價值大大提高。系統(tǒng)以MSP430F169單片機為控制核心，通過驅(qū)動方位電機和俯仰電機轉(zhuǎn)動，完成射電望遠(yuǎn)鏡追蹤并觀測天體的任務(wù)。

射電望遠(yuǎn)鏡； 方位電機； 俯仰電機； MSP430F169

0 引言

隨著社會經(jīng)濟和近代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，太陽射電天文學(xué)越來越多的受到人們的關(guān)注，而作為其主要的探測工具射電望遠(yuǎn)鏡也愈加受到重視。目前所見到的射電望遠(yuǎn)鏡很多依靠靠人工配置來完成控制追蹤，操作復(fù)雜且定位精度相對較差。因此，提高射電望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)智能化和定位精度具有重要的現(xiàn)實意義。本文在理論和實驗相結(jié)合的基礎(chǔ)上，提出了一種基于單片機控制的太陽射電望遠(yuǎn)鏡智能跟蹤控制系統(tǒng)方案。經(jīng)過實時測試，該系統(tǒng)智能化程度高、運行穩(wěn)定、精度好、成本低，能夠滿足整體設(shè)計的要求。

1 系統(tǒng)工作原理及系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)工作原理

太陽射電望遠(yuǎn)鏡是接收太陽射出的無線電波，并通過無線電波來觀測太陽的望遠(yuǎn)鏡。主要由兩部 分組成：一面或多面天線和一臺高靈敏度無線電接收機。天線所起作用是收集天體的射電輻射。接收機作用是把從天線傳來的無線電波加工，并轉(zhuǎn)化成可供記錄、顯示的形式，最后由終端設(shè)備把信號記錄下來。正是在太陽射電望遠(yuǎn)鏡工作原理基礎(chǔ)上，結(jié)合實驗提出了本套系統(tǒng)的研究方案。

實驗過程中，主要將太陽的運動軌跡分解為相應(yīng)的兩個方向:水平方向和垂直兩個方向，并分別通過驅(qū)動水平電機和俯仰電機進(jìn)行追蹤。當(dāng)控制電路給單片機發(fā)送追蹤命令后，單片機控制GPS模塊獲得當(dāng)前監(jiān)測位置經(jīng)緯度和時間等信息，并通過算法計算出太陽的理論位置進(jìn)而轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的角度，所獲得的角度會與太陽前一時刻的角度作比較，所得的差值就是方位和俯仰電機所應(yīng)轉(zhuǎn)動的角度。同時，單片機會記錄下總的轉(zhuǎn)動的角度，再將總的角度與新的太陽位置對應(yīng)的角度作比較，再驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，反復(fù)比較，反復(fù)驅(qū)動電機，從而達(dá)到太陽實時的方位俯仰角度，完成對太陽的追蹤和監(jiān)測。轉(zhuǎn)臺角度主要依靠電子羅盤來反饋。

1.2 系統(tǒng)組成

太陽射電望遠(yuǎn)鏡主要由接收天線、信號接收機、轉(zhuǎn)臺、主控制單片機、從控制單片機、GPS模塊、電子羅盤等部分組成。系統(tǒng)原理圖，如圖1所示。

圖1中，轉(zhuǎn)臺包括方位控制電機和俯仰控制電機兩部分，可以分別進(jìn)行兩方向自由度轉(zhuǎn)動。主控制單片機主要進(jìn)行信息處理并控制轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)追蹤，從單片機主要完成信號采集任務(wù)。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 電子羅盤和GPS模塊

2.1 電子羅盤

在實驗過程中，對于轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動時所轉(zhuǎn)的俯仰和方位角度，主要依靠兩塊電子羅盤的反饋來獲取。本系統(tǒng)選用了型號為GY-953電子羅盤，它是一款低成本AHRS模塊，工作電壓 3-5 V，功耗小，精度高，穩(wěn)定性好，能夠在任意位置得到準(zhǔn)確的角度。其工作原理，是通過陀螺儀與加速度、磁場傳感器經(jīng)過數(shù)據(jù)融合算法最后得到角度數(shù)據(jù)，之后通過串口通信直接輸出給單片機。串口的波特率為 9600bps或115200bps，有連續(xù)輸出與詢問輸出兩種方式，可適應(yīng)不同的工作環(huán)境，無校驗位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，可以通過發(fā)送固定格式的命令字節(jié)對模塊進(jìn)行控制，模塊接收到命令后進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)輸出。單片機通過對接收到的每幀數(shù)據(jù)進(jìn)行解析得到實時的轉(zhuǎn)臺角度數(shù)據(jù)，每幀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和字節(jié)含義，如表1和表2所示。

表1 每幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表2 Byte2含義說明

2.2 GPS模塊MT-285

為了實時的獲取監(jiān)控地點的經(jīng)緯度信息和時間信息，進(jìn)而通過算法算出相應(yīng)的太陽理論的位置，我們采用了GPS模塊MT-285，其供電電壓+5 V，準(zhǔn)確度和靈敏度相對較高，配上穩(wěn)定的GPS的接收機，就會源源不斷的接收到衛(wèi)星的信號，接收到的GPS信號再通過串口傳送給單片機，再由單片機對接收到的字節(jié)流信號進(jìn)行提取。在對GPS信號進(jìn)行提取的時候，必須明確數(shù)據(jù)的幀結(jié)構(gòu)，然后才可以依據(jù)其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對所需信號的提取，實驗中GPS采用的是NMEA0183通信協(xié)議。不同的數(shù)據(jù)幀，幀頭也不相同，主要包括“GPRMC”、“GPGGA”、“GPGSA”等等。這里采用的是“GPRMC”幀頭，具體如表3所示。

表3 GPRMC幀語句解析

通過對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的語句解析，這樣就可以提取出所需的地理位置、當(dāng)前的時間等信息。

3 控制采集系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)的控制和采集部分主要通過兩片單片機來實現(xiàn)，主單片機和從單片機。主單片機主要用來控制轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動，從單片機主要用來進(jìn)行相關(guān)信號的采集。單片機的選擇上，我們選用的是美國德州儀器公司(TI)推出的MSP430F169微處理器。MSP430F169集成了16位RISC結(jié)構(gòu)CPU和靈活的時鐘系統(tǒng)，與其他單片機相比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。采用兩片單片機協(xié)同工作的方式來實現(xiàn)其功能，射電望遠(yuǎn)鏡控制和采集信號的任務(wù)就可以由每一片單片機單獨完成。

3.1 主單片機控制系統(tǒng)

主單片機控制系統(tǒng)模塊，如圖2所示。

圖3 主單片機控制系統(tǒng)模塊控制流程圖

主單片機控制系統(tǒng)模塊是整個太陽射電望遠(yuǎn)鏡智能跟蹤系統(tǒng)的核心，具體的控制流程圖，如圖3所示。

圖1 激光視覺原理

首先要進(jìn)行初始化設(shè)置，包括對時鐘進(jìn)行設(shè)置，I/O端口設(shè)置以及中斷設(shè)置。MSP430F169單片機一共有三個時鐘源：LFXT1CLK低頻時鐘源，XT2CLK高頻時鐘源，DCOCLK數(shù)字控制RC振蕩器，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。其次，設(shè)置I/O端口。MSP430F169提供了豐富的端口，每個端口都具有輸入/輸出和外部模塊功能，其中P1和P2端口還具有中斷功能，通過對各個端口控制寄存器的配置來選擇端口的功能。

另外，除了端口設(shè)置，系統(tǒng)還設(shè)置了三個中斷，分別為端口外部中斷、串行通信中斷和定時器中斷。系統(tǒng)完成初始化設(shè)置后，進(jìn)入等待循環(huán)，當(dāng)主單片機控制系統(tǒng)接收到上位機或鍵盤正確命令后，系統(tǒng)才能進(jìn)入相應(yīng)方位控制程序、俯仰控制程序或從單片機控制程序狀態(tài)。

3.2 從單片機控制系統(tǒng)

從單片機控制系統(tǒng)模塊圖,如圖4所示。

圖4 從單片機控制系統(tǒng)模塊

從單片機在整個系統(tǒng)中主要進(jìn)行信號采集的任務(wù)，它和主單片機控制系統(tǒng)一樣，需要進(jìn)行時鐘、端口等的初始化設(shè)置，這里不再贅述。主要包括溫度采集和接收機輸出信號采集。天線溫度采集運用了一片溫度傳感器DS18B20。其次，從單片機控制系統(tǒng)在觀測太陽的過程中需要不停的采集接收機輸出信號。 正常情況下，接收機輸出信號的電壓范圍是0～5 V。其輸出信號模塊電路，如圖5所示。

圖5 接收機輸出信號模塊電路

圖5中信號線ADC1即為接收機輸出信號。

4 結(jié)果分析

為了更直觀的將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，我們采用Visual C++6.0，并利用MFC選擇使用基于CFormView的單文檔框架構(gòu)建了整個上位機的界面。上位機界面顯示，如圖6所示。

整個用戶界面可分為4部分：天線控制模式窗口、當(dāng)前天線溫度和全天天線溫度顯示窗口、當(dāng)前太陽位置理論顯示窗口、太陽運動軌跡演示窗口，如圖7所示。

如圖7(a)為天線控制模式窗口，該系統(tǒng)控制模式窗口包括自動跟蹤、等待觀測和天線定標(biāo)等按鈕，點擊上述按鈕后系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)的工作模式。

以2015年12月5日11時14分07秒為例對采集到的太陽輻射天線溫度進(jìn)行分析。當(dāng)下測得的當(dāng)前和全天天線溫度如圖7(b)和圖7(c)所示。當(dāng)前天線溫度動態(tài)顯示窗口縱坐標(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UTC時間，時間寬度為200秒。圖7為當(dāng)前所測得的太陽理論位置轉(zhuǎn)化為方位和俯仰后的值以及接收機信號AD采樣所得的值。該窗口主要功能是進(jìn)行太陽運動軌跡的演示，用戶通過點擊開始演示按鈕，可以實時的觀測到太陽運動軌跡，點擊結(jié)束演示則演示結(jié)束。另外，該窗口還可以實時顯示天線的方位俯仰角度、監(jiān)測時間和當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度信息。其中AZ表示天線的方位角，EL表示俯仰角。T8為當(dāng)前時刻的北京時間，λ和φ分別表示當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度。

圖6 上位機顯示界面

(a) 天線控制模式窗口

(b) 當(dāng)前太陽天線溫度動態(tài)顯示窗口

(c) 全天天線溫度顯示窗口

(d) 太陽運動軌跡演示窗口

(e) 當(dāng)前太陽位置理論顯示窗口

通過按動天線控制按鈕窗口內(nèi)按鍵，上位機就會把命令發(fā)送給下位機，下位機接收到相應(yīng)命令后會執(zhí)行相應(yīng)操作。同時下位機會實時的向上位機反饋并將接收機輸出信號發(fā)送至上位機，上位機即據(jù)此計算出天線溫度值，并實時顯示于窗口之中。

5 總結(jié)

本文在太陽射電望遠(yuǎn)鏡理論的基礎(chǔ)上，針對市場上太陽射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的缺陷，提出了智能跟蹤控制系統(tǒng)方案，充分的利用電子羅盤和GPS模塊，通過算法換算成角度，最后通過單片機控制方位和俯仰電機的轉(zhuǎn)動至相應(yīng)的角度位置，從而實現(xiàn)了自動跟蹤觀測太陽的目的，另外通過實時的對天線溫度和接收機輸出信號的采集和記錄，可以研究太陽輻射活動的狀況，為科學(xué)研究提供有效的依據(jù)。

[1] 王錦清. 射電望遠(yuǎn)鏡實時跟蹤方法及實現(xiàn)[D]. 北京：中國科學(xué)院研究生院，2006.

[2] 陳菁術(shù)，張小溪. 基于單片機的小型恒溫箱設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014(22)：101-104.

[3] WU Zai-qun. A level control system based on the single -chip microcomputer[J]. Electronic Science and Technology，2013(6)：80-81.

[4] 張永芳，段寶巖，陳光達(dá)，等.大射電望遠(yuǎn)鏡精調(diào)平臺系統(tǒng)控制的設(shè)計與實現(xiàn).計算機工程與設(shè)計,2003(11)，8-9.

[5] 帕羅賽斯.MFC Windows程序設(shè)計(第2版)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2007.

Research on the Intelligent Tracking Control System of Solar Radio Telescope

Xu Weixing1,Yin Xinghui2

(School of Computer and Information, Hohai University, Nanjing 211100, China)

In view of the present situation about the tracking control system of rolar radio telescope with poor degree of intelligence and high professional requirements, on the base of radio telescope and automatic control knowledge, the paper proposes a scheme of improving the intelligent control of radio telescope system. The system has high reliability, simple operation, and its practical value is greatly increased. The system takes the MSP430F169 chip microprocessor as control core, drives the rotations of reversing motor and pitching motor. to complete the task of tracking and observing celestial bodies. It achieves the goal of intelligent control of radio telescopes.

Radio telescope; Reversing motor; Pitching motor; MSP430F169

國家自然科學(xué)基金項目(U1531101)

徐偉星(1991-)，男，河海大學(xué)，計算機與信息學(xué)院，碩士研究生，研究方向：射頻天線自動控制 殷興輝(1962-)，男，河海大學(xué)，計算機與信息學(xué)院，教授，研究方向：射頻與通信系統(tǒng)、電子與通信工程

1007-757X(2017)03-0007-05

TP311

A

2016.03.18)