麗江2.4米望遠(yuǎn)鏡多波段測(cè)光觀測(cè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)*

陳林勰，王傳軍，范玉峰，丁 旭，王德清

(1. 中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)，云南 昆明 650011；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049，3. 中國(guó)科學(xué)院天體結(jié)構(gòu)與演化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650011)

麗江2.4 m望遠(yuǎn)鏡是目前我國(guó)口徑最大的通用型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，所在臺(tái)址具有優(yōu)秀的天文觀測(cè)條件，是我國(guó)重要的實(shí)測(cè)天文研究平臺(tái)之一[1]。2.4 m望遠(yuǎn)鏡承擔(dān)著大量的觀測(cè)任務(wù)，然而望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)時(shí)間有限，已經(jīng)無(wú)法滿足國(guó)內(nèi)天文研究不斷增長(zhǎng)的觀測(cè)需求[2]。在望遠(yuǎn)鏡和儀器性能已經(jīng)固定的情況下，只有提高望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間利用率，才能在有限的時(shí)間內(nèi)獲得更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)。望遠(yuǎn)鏡的卡塞格林焦點(diǎn)上配有多個(gè)不同的觀測(cè)終端 (圖1)，利用多終端快速切換系統(tǒng)(Rapid Instrument Exchange System, RIES)，可以在觀測(cè)過(guò)程中快速切換光路，使用不同的終端進(jìn)行觀測(cè)，具有很高的觀測(cè)靈活性[3]。憑借多終端的觀測(cè)模式，若實(shí)現(xiàn)對(duì)望遠(yuǎn)鏡、觀測(cè)終端、觀測(cè)目標(biāo)的合理調(diào)度，將在最大程度上提高望遠(yuǎn)鏡的時(shí)間利用率。這需要麗江2.4 m望遠(yuǎn)鏡具備一套完整的觀測(cè)控制系統(tǒng)，提供從觀測(cè)時(shí)間分配、任務(wù)調(diào)度、望遠(yuǎn)鏡及終端儀器控制，到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理和發(fā)布的一系列服務(wù)。

但是，目前麗江2.4 m望遠(yuǎn)鏡的多個(gè)終端設(shè)備中僅有云南暗弱天體光譜成像儀(Yunnan Faint Object Spectrograph and Camera, YFOSC)與望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)了一體化控制，其余的觀測(cè)終端采用各自獨(dú)立的控制系統(tǒng)和操作界面，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同終端儀器的統(tǒng)一調(diào)度與管理。而且，各不相同的控制系統(tǒng)增加了操作的復(fù)雜性，在終端切換和觀測(cè)過(guò)程中占用了較多的時(shí)間，并且操作人員的失誤甚至有可能導(dǎo)致整個(gè)觀測(cè)任務(wù)失敗。因此，有必要為麗江2.4 m望遠(yuǎn)鏡其他終端開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的儀器控制系統(tǒng)。

圖1 麗江2.4 m望遠(yuǎn)鏡儀器安裝情況

Fig.1 Installation of the observation instrument for the Lijiang 2.4 meter telescope

多波段測(cè)光系統(tǒng)(Princeton Instruments VersArray1300B CCD, PICCD)是在麗江2.4 m望遠(yuǎn)鏡上最早安裝的觀測(cè)終端，具有光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、光學(xué)效率高、濾光片類型豐富、讀出速度快等特點(diǎn)，是一套高效的測(cè)光觀測(cè)系統(tǒng)。本文以多波段測(cè)光控制系統(tǒng)為主要研究對(duì)象，基于云南暗弱天體光譜成像儀和望遠(yuǎn)鏡一體化控制系統(tǒng)的方案，設(shè)計(jì)并研發(fā)多波段測(cè)光系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)多波段測(cè)光系統(tǒng)、云南暗弱天體光譜成像儀和望遠(yuǎn)鏡統(tǒng)一的控制模式。

1 總體設(shè)計(jì)

多波段測(cè)光系統(tǒng)原有的控制系統(tǒng)(如圖2)是在WINDOWS平臺(tái)下使用MaxIm DL作為控制程序，憑借自帶的PVCAM相機(jī)驅(qū)動(dòng)程序和基于ASCOM開(kāi)發(fā)的濾光片驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的集成控制[4]。原有多波段測(cè)光系統(tǒng)的控制系統(tǒng)雖然能夠完成數(shù)據(jù)采集，但是控制系統(tǒng)與望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)相互獨(dú)立，不能實(shí)現(xiàn)與望遠(yuǎn)鏡的一體化控制，而且在觀測(cè)時(shí)需要通過(guò)遠(yuǎn)程桌面的方式登陸設(shè)備控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作，占用網(wǎng)絡(luò)帶寬，且具有一定的延時(shí)，容易引起操作失誤。因此，需要對(duì)多波段測(cè)光系統(tǒng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

圖2 原有多波段測(cè)光系統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Fig.2 The structure of the original control system of PICCD

望遠(yuǎn)鏡的多個(gè)終端設(shè)備中，云南暗弱天體光譜成像儀與望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)序列控制指令(Sequencer)與設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了一體化控制[5]。Sequencer是一系列可以序列化運(yùn)行的底層硬件控制指令程序的集合，每一個(gè)指令對(duì)應(yīng)硬件設(shè)備的一個(gè)基本操作，即使更換硬件設(shè)備依然可以沿用原有的控制指令。除了Sequencer指令，云南暗弱天體光譜成像儀和望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)還各自配備了一個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)用于記錄系統(tǒng)的各項(xiàng)信息，其他系統(tǒng)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)就可以獲取設(shè)備的信息。這種基于序列控制指令與設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合的設(shè)計(jì)，不僅使得設(shè)備的控制系統(tǒng)相互獨(dú)立又形式統(tǒng)一，而且通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備系統(tǒng)的狀態(tài)信息的集中管理，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換。

因此在現(xiàn)有硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，沿用云南暗弱天體光譜成像儀與望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)一體化控制的方案完成新多波段測(cè)光系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 新多波段測(cè)光系統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Fig.3 The structure of the new PICCD control system

新的多波段測(cè)光系統(tǒng)的控制系統(tǒng)由3部分構(gòu)成：觀測(cè)控制程序、設(shè)備控制程序和設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)。觀測(cè)控制程序基于望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)和序列控制指令對(duì)設(shè)備控制程序進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，設(shè)備控制程序根據(jù)指令控制硬件設(shè)備完成對(duì)應(yīng)的操作，設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)則保存系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中各種狀態(tài)的變化，為觀測(cè)控制程序提供系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)作為觀測(cè)數(shù)據(jù)文件中系統(tǒng)狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)來(lái)源。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 觀測(cè)控制程序

觀測(cè)控制程序部署在觀測(cè)控制計(jì)算機(jī)上，采用較為常用的Ubuntu 16.04 LST系統(tǒng)，基于Qt 5.8[6]框架與C++語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。用戶可以通過(guò)觀測(cè)控制程序?qū)ο到y(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)它實(shí)施觀測(cè)過(guò)程中的遠(yuǎn)程操作。

觀測(cè)控制程序的遠(yuǎn)程操作通過(guò)望遠(yuǎn)鏡局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，利用序列控制指令和執(zhí)行結(jié)果消息與設(shè)備控制程序進(jìn)行交互，二者之間的通訊過(guò)程如圖4。

系統(tǒng)的序列控制指令與硬件設(shè)備可執(zhí)行的操作一一對(duì)應(yīng)，多波段測(cè)光系統(tǒng)只有CCD相機(jī)和濾光片兩個(gè)設(shè)備，所以其序列控制指令比較簡(jiǎn)單，表1列舉了部分常用的序列控制指令。

圖4 觀測(cè)控制程序和設(shè)備控制程序通訊過(guò)程

Fig.4 The communication process of the observation control program and the device control program

表1 多波段測(cè)光系統(tǒng)常用序列控制指令Table 1 Common sequencer commandfor PICCD

其中darkexposeset是針對(duì)CCD相機(jī)的控制指令，filter是濾光片的控制指令。指令執(zhí)行完畢后，觀測(cè)控制程序會(huì)接收設(shè)備控制程序返回的執(zhí)行結(jié)果，結(jié)果消息根據(jù)執(zhí)行的結(jié)果分為執(zhí)行成功、執(zhí)行失敗和指令錯(cuò)誤。

觀測(cè)控制程序提供了一個(gè)主界面和兩個(gè)設(shè)置界面(如圖5)，主界面上顯示多波段測(cè)光系統(tǒng)的各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)，這些狀態(tài)參數(shù)從設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取，每秒進(jìn)行一次更新，觀測(cè)人員在主界面上的操作都會(huì)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的控制指令發(fā)送給設(shè)備控制程序。設(shè)置界面則用于設(shè)置觀測(cè)控制程序的網(wǎng)絡(luò)連接參數(shù)和系統(tǒng)的濾光片配置，保證觀測(cè)控制程序的正常運(yùn)行。

2.2 設(shè)備控制程序

設(shè)備控制程序部署在設(shè)備控制計(jì)算機(jī)上，在接收到觀測(cè)控制程序傳來(lái)的指令后，控制硬件設(shè)備執(zhí)行指令，并返回執(zhí)行的結(jié)果，程序主體流程如圖6。

受限于CCD相機(jī)驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)包PVCAM 2.7[注]https: //wenku.baidu.com/view/e432ee9f227916888586d777.html?qq-pf-to=pcqq.temporaryc2c對(duì)系統(tǒng)內(nèi)核的要求，設(shè)備控制程序在RedHat Linux 5.6平臺(tái)下開(kāi)發(fā)，整個(gè)程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，包括4個(gè)主要功能：硬件設(shè)備控制、數(shù)據(jù)封裝、網(wǎng)絡(luò)通訊和數(shù)據(jù)庫(kù)交互。

圖5 觀測(cè)控制程序界面。(a) 主界面；(b) 連接設(shè)置；(c) 濾光片輪設(shè)置
Fig.5 Interface of observation control program. (a) Main interface; (b) Service setting; (c) Filter wheel setting

圖6 設(shè)備控制程序流程圖
Fig.6 Flowchart of device control program

硬件設(shè)備控制是設(shè)備控制程序的主要部分，需根據(jù)指令開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)的函數(shù)控制硬件設(shè)備執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作。CCD相機(jī)的指令可以分為數(shù)據(jù)采集指令和參數(shù)設(shè)置指令，在PVCAM 2.7開(kāi)發(fā)包的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并完成了CCDExp()和CCDSetting()兩個(gè)接口函數(shù)用于執(zhí)行對(duì)應(yīng)的指令。濾光片輪與計(jì)算機(jī)通過(guò)串口協(xié)議進(jìn)行通訊，使用轉(zhuǎn)輪控制器內(nèi)部定義的控制命令實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)輪的控制，在設(shè)備控制程序中通過(guò)接口函數(shù)FilterGoTo()完成指令和結(jié)果消息的轉(zhuǎn)換即可實(shí)現(xiàn)對(duì)濾光片輪的控制。

數(shù)據(jù)封裝負(fù)責(zé)對(duì)從CCD讀出的無(wú)格式原始數(shù)據(jù)進(jìn)行格式封裝，生成標(biāo)準(zhǔn)的FITS文件。數(shù)據(jù)封裝通過(guò)CFITSIO[注]https: //heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/software/fitsio/c/c_user/cfitsio.html開(kāi)發(fā)包提供的函數(shù)實(shí)現(xiàn)，包括創(chuàng)建文件、文件頭添加和圖像數(shù)據(jù)寫(xiě)入3個(gè)環(huán)節(jié)。創(chuàng)建文件的文件名采用儀器縮寫(xiě)與日期時(shí)間的組合，例如由多波段測(cè)光系統(tǒng)于2017-06-22的22:30:35開(kāi)始采集的數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的文件名為PI20170622T223035.fits，其中T為日期與時(shí)間的間隔。此外，數(shù)據(jù)文件的文件頭中需要詳細(xì)完整地記錄數(shù)據(jù)采集時(shí)的各類信息，包括文件屬性、目標(biāo)源參數(shù)、望遠(yuǎn)鏡狀態(tài)、觀測(cè)條件和儀器狀態(tài)，這些信息均從對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取。

網(wǎng)絡(luò)通訊使用TCP/IP協(xié)議，完成觀測(cè)控制程序和設(shè)備控制程序的網(wǎng)絡(luò)連接，負(fù)責(zé)指令的接收、解析和反饋消息的發(fā)送。

數(shù)據(jù)庫(kù)操作在MySQL開(kāi)發(fā)包的基礎(chǔ)上完成，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的查詢和更新，主要負(fù)責(zé)更新數(shù)據(jù)庫(kù)中的系統(tǒng)狀態(tài)信息以及從各個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中提取FITS文件頭所需的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

2.3 設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)

設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)基于MySQL 5.7[注]https: //dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/建立，數(shù)據(jù)庫(kù)中保存多波段測(cè)光系統(tǒng)所有的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，在運(yùn)行過(guò)程中由設(shè)備控制程序?qū)崟r(shí)更新系統(tǒng)的狀態(tài)信息，觀測(cè)控制界面通過(guò)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取狀態(tài)信息并展示給觀測(cè)人員，同時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)也可以作為FITS文件頭信息的來(lái)源。

經(jīng)過(guò)對(duì)多波段測(cè)光控制系統(tǒng)中各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類，將其分別保存在3張狀態(tài)數(shù)據(jù)表和3張屬性數(shù)據(jù)表中。狀態(tài)數(shù)據(jù)表的表格名稱及其記錄數(shù)據(jù)類型如表2。

表2 狀態(tài)數(shù)據(jù)表Table 2 Status Table

狀態(tài)數(shù)據(jù)表用于記錄儀器的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，設(shè)備控制程序?qū)?shí)時(shí)更新這些數(shù)據(jù)。另外3張屬性數(shù)據(jù)表的表格名稱及其記錄數(shù)據(jù)類型如表3。

表3 屬性數(shù)據(jù)表Table 3 Attribute Table

屬性數(shù)據(jù)表用于記錄儀器的屬性參數(shù)，在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，無(wú)需對(duì)其進(jìn)行更新操作，只有在設(shè)備重新配置或系統(tǒng)更新時(shí)才需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。

此外，數(shù)據(jù)庫(kù)中還利用觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)置選項(xiàng)相關(guān)參數(shù)的同步更新。比如通過(guò)建立觸發(fā)器filter_info，在數(shù)據(jù)表pi_param中的數(shù)據(jù)更新之后，觸發(fā)器就會(huì)被觸發(fā)，根據(jù)當(dāng)前的濾光片位置自動(dòng)更新對(duì)應(yīng)的濾光片的波段、帶寬等數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)表中。其余還有諸如CCD快門(mén)不同讀出速度、讀出通道的噪聲等參數(shù)，也通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)。

3 系統(tǒng)測(cè)試

在完成多波段測(cè)光系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)和調(diào)試工作后，于2017年10月對(duì)多波段測(cè)光系統(tǒng)控制軟件進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行測(cè)試。整個(gè)觀測(cè)過(guò)程共采集數(shù)據(jù)72張，包括bias, dark, flat和兩組目標(biāo)的多波段測(cè)光觀測(cè)，涉及觀測(cè)過(guò)程中所有的基本操作。

在完成數(shù)據(jù)采集后，在指定的文件目錄中得到統(tǒng)一格式命名的FITS文件，數(shù)據(jù)采集時(shí)的相關(guān)信息也按照設(shè)計(jì)要求成功寫(xiě)入FITS文件，如圖7。

圖7 測(cè)試中采集的數(shù)據(jù)FITS文件
Fig.7 The FITS file of the data collected during test

在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，操作人員察覺(jué)到在觀測(cè)控制程序與設(shè)備控制程序建立連接的過(guò)程中有輕微卡頓，系統(tǒng)界面對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)變化缺少明確的提示。今后將根據(jù)用戶的要求和建議，繼續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)，使其更加貼合觀測(cè)人員的使用習(xí)慣和要求。

4 總 結(jié)

多波段測(cè)光控制系統(tǒng)的重新開(kāi)發(fā)，借鑒了云南暗弱天體光譜成像儀和望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)的集成化控制系統(tǒng)方案，通過(guò)觀測(cè)控制程序、設(shè)備控制程序和設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)3部分組成了多波段測(cè)光系統(tǒng)的控制程序。新的控制系統(tǒng)不僅完成設(shè)備的觀測(cè)控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，補(bǔ)全數(shù)據(jù)文件中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，而且具備與云南暗弱天體光譜成像儀和望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)同樣的控制模式，滿足終端設(shè)備控制系統(tǒng)集成化的要求。但是，目前系統(tǒng)依然存在不足，需要進(jìn)一步提升系統(tǒng)響應(yīng)速度，增加更豐富的狀態(tài)變化提示方法。在未來(lái)的工作中，將根據(jù)使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，逐步完善這一設(shè)計(jì)，并將其應(yīng)用到望遠(yuǎn)鏡其他的終端設(shè)備，逐步實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的集成控制。