一種簡易單星模擬器控制電路的設(shè)計(jì)

胡迪 黃偉

（四川大學(xué)，四川 成都 610065）

星模擬器是一種能模擬星體色溫與星等的裝置，它作為星敏感器的地面標(biāo)定設(shè)備，為星敏感器在實(shí)驗(yàn)室中模擬了真實(shí)的太空環(huán)境，可對(duì)星敏感器進(jìn)行測試與標(biāo)定。相較于星敏感器進(jìn)行太空軌道測試與標(biāo)定，降低了實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)性，也節(jié)省了經(jīng)費(fèi)開支[1]。常見星模擬器主要有兩種類型，一種是通過分段光譜合成的模擬器[2，3]，采用該方法合成的光譜與普朗克黑體輻射曲線吻合度較高，但由于采用多路合成，其體積較大、成本較高。另一種是采用發(fā)光二極管等窄帶光源或用窄帶濾光片產(chǎn)生的色溫，采用該方法產(chǎn)生的色溫其光譜帶寬較窄，但由于其裝置簡單、成本低，也在一些場合得到應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中的單星模擬器即為后一種類型。

1 單星模擬器基本結(jié)構(gòu)

單星模擬器基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由光源發(fā)出光線耦合進(jìn)傳光光纖后經(jīng)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直為平行光，經(jīng)安裝于滾輪式濾光片座上的帶通濾光片濾光，形成窄帶光束。雖然每只滾輪式濾光片座上可分別安裝6 片濾光片，但實(shí)際使用時(shí)每只滾輪式濾光片座上只安裝5 片，在用其中一只滾輪式濾光片座上的濾光片濾光時(shí)，另一只滾輪式濾光片座則轉(zhuǎn)到未安裝濾光片的位置，以保證同時(shí)只有一片濾光片在濾光。這樣，該裝置最大只能產(chǎn)生10 種不同色溫。

圖1 單星模擬器結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)過帶通濾光片的光線再通過兩片漸變中性密度濾光片后形成不同的星等。兩片漸變中性密度濾光片中的一片用于將不同色溫的光強(qiáng)進(jìn)行歸一化，即根據(jù)不同色溫相同星等的實(shí)際光強(qiáng)值來調(diào)整漸變中性密度濾光片的位置，使不同色溫的光線通過該漸變中性密度濾光片后的星等都相同。另一片漸變中性密度濾光片用于實(shí)現(xiàn)不同星等。

光線經(jīng)漸變中性密度濾光片后通過透鏡匯聚進(jìn)入光纖，光纖的另一端接入平行光管則可模擬出無窮遠(yuǎn)處的星體的色溫與星等。

2 電路總體設(shè)計(jì)

由圖1 可以看出，本單星模擬器需要4 個(gè)電機(jī)用于轉(zhuǎn)動(dòng)滾輪式濾光片座和漸變中性密度濾光片來形成不同的色溫和星等，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角位移可以通過編碼器獲得。為達(dá)到設(shè)計(jì)要求，電機(jī)均選擇了基本步距角為0.36°的高分辨率型5 相步進(jìn)電機(jī)CRK546PMPB，其配套驅(qū)動(dòng)器為CRD5107PB，該驅(qū)動(dòng)器能實(shí)現(xiàn)最大250 倍的細(xì)分。編碼器選擇了2500 線，帶零位的增量式編碼器，型號(hào)為HES-25-2MHT。

由于系統(tǒng)中有4 路電機(jī)和4 路編碼器信號(hào)都需要定時(shí)器來驅(qū)動(dòng)和讀取信號(hào)，用1 片單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)比較困難，于是選用了兩片STM32F103C8T6 分別控制兩路步進(jìn)電機(jī)及讀取兩路編碼器信號(hào)，兩單片機(jī)之間通過串行通訊口進(jìn)行通訊。STM32F103C8T6 是32 位的微控制芯片，其工作電壓為2～3.6V，頻率為72MHz，它的閃存高達(dá)1MB。32 位閃存微控制器工作時(shí)具有低功率、低電壓，并結(jié)合了實(shí)時(shí)功能的極佳性能。另外選用了專用的驅(qū)動(dòng)芯片TM1650 來接收系統(tǒng)中的15 個(gè)按鍵信號(hào)及點(diǎn)亮15 只LED 指示燈，該驅(qū)動(dòng)芯片最大支持32 段顯示及28 個(gè)按鍵，并支持8 級(jí)顯示亮度調(diào)整。該模擬器既可通過按鍵設(shè)置色溫、星等又可通過上位機(jī)設(shè)置色溫、星等，并且系統(tǒng)標(biāo)定需要上位機(jī)協(xié)同進(jìn)行，所以系統(tǒng)采用RS422 串行通訊方式與上位機(jī)進(jìn)行通訊。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 電控系統(tǒng)組成

為便于軟件編寫，單片機(jī)MCU1 與MCU2 對(duì)編碼器信號(hào)的 讀 取 均 使 用TIM2、TIM4 的CH1、CH2，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)均使用TIM1 的 CH2、CH4，MCU1 與MCU2 之間通訊均使用USART2。 這 樣 MCU1 只 比MCU2 多出了與上位機(jī)通訊（使用USART3）及按鍵顯示兩部分。在編寫軟件時(shí)，只要把與上位機(jī)通訊和按鍵顯示部分設(shè)置為條件編譯，寫的程序進(jìn)行簡單設(shè)置后就可在MCU1 與MCU2 上通用，大大降低了軟件編寫的難度。

3 部分電路設(shè)計(jì)

3.1 電機(jī)控制電路

步進(jìn)電機(jī)配套電機(jī)驅(qū)動(dòng)器CRD5107PB 只需兩路控制信號(hào)輸入即可，其中一路為運(yùn)行信號(hào)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)后就會(huì)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)走一步，在此使用定時(shí)器TIM1 的CH2、CH4 以PWM方式輸出脈沖，為提高電機(jī)運(yùn)行速度及平穩(wěn)性可在軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用平滑加減速算法[4，5]。另一路控制信號(hào)為方向信號(hào)，用以控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)器的兩路控制信號(hào)均采用光電耦合器輸入，需要電流為7～20mA，因此采用集電極開路輸出方式驅(qū)動(dòng)，其電路如圖3 所示。圖中信號(hào)SM1_PLS 為單片機(jī)輸出脈沖信號(hào)，SM1_DIR 為單片機(jī)輸出方向信號(hào)。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3.2 編碼器信號(hào)輸入

由于系統(tǒng)使用電機(jī)的電源電壓為24V，為簡化設(shè)計(jì)，選用的編碼器（HES-25-2MHT）工作電壓也可到24V。這樣，電機(jī)與編碼器都使用24V 作為電源，簡化了電源設(shè)計(jì)。但此時(shí)編碼器輸出兩路正交信號(hào)及零位信號(hào)均變?yōu)榱?4V 的信號(hào)，不能直接輸入到單片機(jī)。為此，用光電耦合器作為電平轉(zhuǎn)換器將24V 信號(hào)轉(zhuǎn)換為3.3V 信號(hào)，其電路如圖4 所示。

圖4 編碼器信號(hào)輸入電路

3.3 與上位機(jī)通訊電路

系統(tǒng)采用RS422 串行通訊方式與上位機(jī)進(jìn)行通訊，為提高系統(tǒng)抗干擾能力，對(duì)輸入輸出信號(hào)進(jìn)行了電磁隔離。如圖5 所示，單片機(jī)MCU1 輸入輸出的信號(hào)UART_RX、UART_TX 經(jīng)ISO7221 隔離后通過協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片MAX490 轉(zhuǎn)換為RS422 信號(hào)后輸出。ISO7221 是雙通道電容隔離數(shù)字隔離器，其兩個(gè)通道一左一右放置，采用SOIC 封裝，它支持3.3V 以及5.0V 的VCC 電壓。MAX490 是用于將RS-485 信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS-422 信號(hào)的低功率轉(zhuǎn)換芯片，它具有一個(gè)接收器和一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器的傳輸速度最高可達(dá)到2.5Mbps，且其擺率不會(huì)受到限制。

圖5 與上位機(jī)通訊電路

3.4 電源電路

本簡易單星模擬器控制電路系統(tǒng)中，由于電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器供電電壓為24V,所以選擇系統(tǒng)電源電壓為24V, 采用明緯24V150W 開關(guān)電源LRS-150-24。系統(tǒng)中其余部分電源電壓主要有5V 和3.3V，如電機(jī)光電耦合器輸入部分電壓為5V、顯示及按鍵驅(qū)動(dòng)芯片TM1650 也需要5V 電源，而單片機(jī)、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器需要3.3V 電源,故需要降壓變換器將系統(tǒng)電壓轉(zhuǎn)換成可供其它電路元器件使用的電壓。為提高轉(zhuǎn)換效率，選用了DC-DC 芯片TPS5430 作為24V 轉(zhuǎn)5V 的電源芯片，此芯片輸入電壓高達(dá)36V, 典型效率為90%左右，且具有外圍電路簡單，控制精度高等特點(diǎn)，同時(shí)還具有過流保護(hù)以及熱關(guān)斷功能。圖6 為24V 轉(zhuǎn)5V 電路，由于TPS5430 內(nèi)部參考電壓為1.22V, 所以要輸出5V 電壓R48 取10KΩ,R47 取3.24KΩ。另外，電路中需要的3.3V 由低壓差線性穩(wěn)壓器LM1117-3.3 由5V 轉(zhuǎn)換得到。

圖6 電源電路

3.5 外部存儲(chǔ)電路

本單星模擬器系統(tǒng)需要進(jìn)行存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)較多，其中包括編碼器本身的位置表數(shù)據(jù)、星等及色溫標(biāo)定所對(duì)應(yīng)的編碼器位置表數(shù)據(jù)等，同時(shí)這些數(shù)據(jù)可能經(jīng)常需要修改。

為此，本設(shè)計(jì)采用FRAM鐵電存儲(chǔ)器作為外部存儲(chǔ)系統(tǒng)，F(xiàn)RAM鐵電存儲(chǔ)器可讀寫次數(shù)高達(dá)1010次，比較適合數(shù)據(jù)需要經(jīng)常修改的場合。它在工作工程中所需要的電壓較低，對(duì)其寫入數(shù)據(jù)時(shí)的功耗也較低，且它的寫入速度非?？?。與EEPROM和Flash memory 相對(duì)比，其速度增加了1000 倍以上，而功耗降低了1000-10000 倍。FRAM作為全新的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，其速度快、復(fù)寫頻率高、功耗低，滿足本次設(shè)計(jì)的外部存儲(chǔ)要求。

本系統(tǒng)選擇2K 字節(jié)容量的MB85RS16 作為外部存儲(chǔ)芯片，它采用SPI 總線與單片機(jī)通訊。其電路圖如圖7所示。

圖7 外部存儲(chǔ)電路

4 結(jié)論

本簡易星模擬器控制電路結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定度高。控制電路采用雙單片機(jī)協(xié)同工作方式實(shí)現(xiàn)了4 個(gè)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)以及4 路編碼器信號(hào)的讀取，同時(shí)還具有按鍵、LED 指示燈以及與上位機(jī)通訊的能力。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測量表明：本簡易星模擬器光強(qiáng)穩(wěn)定度最大誤差為3.371%，星等模擬最大誤差為2.2%，滿足設(shè)計(jì)要求。