一種大氣相干長度測量儀機架控制系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種大氣相干長度測量儀機架控制系統，包括中央控制器，中央控制器通過串行通訊口與上位機通訊連接，中央控制器通過方位軸驅動器與方位軸步進電機連接、通過俯仰軸驅動器與俯仰軸步進電機連接、通過調焦驅動器與調焦步進電機連接，方位軸編碼器、俯仰軸編碼器分別接入中央控制器。本發明主要應用于整層大氣相干長度測量儀的機架控制，實現定位、跟蹤及調焦功能。
【專利說明】一種大氣相干長度測量儀機架控制系統
【技術領域】
[0001] 本發明涉及大氣相干長度測量儀領域，具體是一種大氣相干長度測量儀機架控制 系統。
【背景技術】
[0002] 激光在湍流大氣中傳輸時，由于大氣中折射率起伏導致光波陣面畸變，引起光束 漂移、光斑擴展和光強起伏等湍流效應。描述湍流效應時，廣泛使用的參數為大氣相干長度 (用r0表不），大氣相干長度描述了傳輸路徑上的綜合湍流強度，是用于激光大氣傳輸和自 適應光學研究的重要參量。
[0003] 整層大氣相干長度測量儀，根據差分像運動原理通過觀測恒星測量整層大氣相干 長度。為實現整層大氣相干長度的測量，要求大氣相干長度測量儀具有實時跟蹤恒星的功 能，同時，為了能夠通過望遠鏡觀測到恒星，并通過CCD成像測量相干長度，一般需要望遠 鏡焦距較長，因此CCD視場往往很小，這就要求大氣相干長度測量儀具有較高的跟蹤和定 位精度。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是提供一種大氣相干長度測量儀機架控制系統，以實現大氣相干長 度測量儀定位、跟蹤及調焦功能。
[0005] 為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為：
[0006] -種大氣相干長度測量儀機架控制系統，其特征在于：包括中央控制器，所述中 央控制器通過串行通訊口與上位機通訊連接，還包括與大氣相干長度測量儀方位軸傳動連 接的方位軸步進電機、與大氣相干長度測量儀俯仰軸傳動連接的俯仰軸步進電機、與大氣 相干長度測量儀調焦軸傳動連接的調焦步進電機，以及安裝在方位軸處的方位軸編碼器、 安裝在俯仰軸處的俯仰軸編碼器，所述中央控制器通過方位軸驅動器與方位軸步進電機連 接、通過俯仰軸驅動器與俯仰軸步進電機連接、通過調焦驅動器與調焦步進電機連接，所述 方位軸編碼器、俯仰軸編碼器分別接入中央控制器；
[0007] 所述中央控制器通過串行通訊口與上位機通訊，上位機發送定位位置或運行速度 信號至中央控制器，同時中央控制器把當前的位置和運行速度返回給上位機；
[0008] 所述中央控制器分兩路分別控制方位軸和俯仰軸，一路控制方位軸步進電機驅動 器，進而控制方位軸步進電機，同時中央控制器通過方位軸編碼器獲得方位軸的位置及速 度信息；另一路控制俯仰軸步進電機驅動器，進而控制俯仰軸步進電機，同時中央控制器通 過俯仰軸編碼器獲得俯仰軸的位置及速度信息。
[0009] 所述中央控制器通過控制調焦步進電機驅動器，進而控制步進電機來調節望遠鏡 的焦距。
[0010] 所述的一種大氣相干長度測量儀機架控制系統，其特征在于：還包括接入中央控 制器的控制手柄，中央控制器通過讀取控制手柄的輸入信號，實現手動控制機架的方位軸、 俯仰軸及焦距調節。
[0011] 所述的一種大氣相干長度測量儀機架控制系統，其特征在于：所述中央控制器 型號為dsPIC33FJ128GP710A的帶有DSP內核的單片機U1，方位軸驅動器與俯仰軸驅 動器均為型號為THB7128的步進電機驅動器U2,方位軸步進電機與俯仰軸步進電機均 為型號為42HS4813A4的兩相步進電機U3,方位軸編碼器和俯仰軸編碼器均為型號為 AAM3810-1212-SDSGGA的絕對型多圈編碼器U7,其中：
[0012] 單片機U1的RD12腳分別與步進電機驅動器U2的CW/CCW腳相連，單片機U1的 0C3腳分別與步進電機驅動器U2的CLK腳相連，單片機U1的RD6腳分別與步進電機驅動器 U2的ENABLE腳相連，單片機U1的RD13腳、RD4腳、RD5腳分別與步進電機驅動器U2的Ml 腳、M2腳、M3腳--對應相連；
[0013] 兩相步進電機U3 -個繞組的兩個輸出端INB1與INB2分別--對應與步進電機 驅動器U2的0UT1B腳、0UT2B腳連接，兩相步進電機U3另一個繞組的兩個輸出端INA1、INA2 分別--對應與步進電機驅動器U2的0UT1A腳、0UT2A腳連接。
[0014] 所述的一種大氣相干長度測量儀機架控制系統，其特征在于：所述方位軸編碼器、 俯仰軸編碼器均為型號為AAM3810-1212-SDSGGA的絕對型多圈編碼器U7,單片機U1通過型 號為DS8921的差分收發器U6與編碼器U7連接，其中單片機U1的RB2腳與差分收發器U6 的DI腳連接，單片機U1的RB3腳與差分收發器U6的R0腳連接，差分收發器U6的RI+腳、 RI-腳分別與編碼器U7的DATA+腳、DATA-腳一一對應連接，差分收發器U6D0+腳、D0-腳 分別與編碼器U7的CLK+腳、CLK-腳--對應連接。
[0015] 所述的一種大氣相干長度測量儀機架控制系統，其特征在于：所述調焦驅動器為 型號為ULN2003的達林頓管陣列U4,調焦步進電機為型號為28BYJ48的步進電機U5,單片 機U1的RA2腳-RA5腳與達林頓管陣列U4的IN1腳-IN4腳--對應連接，達林頓管陣列 U4的0UT1腳-0UT4腳與步進電機U5的A腳、B腳、C腳、D腳--對應連接。
[0016] 本發明采用帶有DSP內核的單片機做系統的中央控制器，具有計算能力強、控制 靈活、體積小、抗干擾能力強的特點。采用步進電機驅動方位軸和俯仰軸，具有控制簡單、體 積小巧、易于集成的特點。采用多圈絕對型編碼器作為速度和位置檢測元件，穩定可靠，精 度高，同時位置掉電不丟失的特點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發明電路原理框圖。
[0018] 圖2為本發明中方位軸、俯仰軸控制電路原理簡圖。
[0019] 圖3為本發明調焦軸控制電路原理簡圖。
【具體實施方式】
[0020] 如圖1所示。一種大氣相干長度測量儀機架控制系統，包括中央控制器，中央控制 器通過串行通訊口與上位機通訊連接，還包括與大氣相干長度測量儀方位軸傳動連接的方 位軸步進電機、與大氣相干長度測量儀俯仰軸傳動連接的俯仰軸步進電機、與大氣相干長 度測量儀調焦軸傳動連接的調焦步進電機，以及安裝在方位軸處的方位軸編碼器、安裝在 俯仰軸處的俯仰軸編碼器，中央控制器通過方位軸驅動器與方位軸步進電機連接、通過俯 仰軸驅動器與俯仰軸步進電機連接、通過調焦驅動器與調焦步進電機連接，方位軸編碼器、 俯仰軸編碼器分別接入中央控制器；
[0021] 中央控制器通過串行通訊口與上位機通訊，上位機發送定位位置或運行速度信號 至中央控制器，同時中央控制器把當前的位置和運行速度返回給上位機；
[0022] 中央控制器分兩路分別控制方位軸和俯仰軸，一路控制方位軸步進電機驅動器， 進而控制方位軸步進電機，同時中央控制器通過方位軸編碼器獲得方位軸的位置及速度信 息；另一路控制俯仰軸步進電機驅動器，進而控制俯仰軸步進電機，同時中央控制器通過俯 仰軸編碼器獲得俯仰軸的位置及速度信息。
[0023] 中央控制器通過控制調焦步進電機驅動器，進而控制步進電機來調節望遠鏡的焦 距。
[0024] 還包括接入中央控制器的控制手柄，中央控制器通過讀取控制手柄的輸入信號， 實現手動控制機架的方位軸、俯仰軸及焦距調節。
[0025] 如圖2所示。中央控制器型號為dsPIC33FJ128GP710A的帶有DSP內核的單片機 U1，方位軸驅動器與俯仰軸驅動器均為型號為THB7128的步進電機驅動器U2,方位軸步進 電機與俯仰軸步進電機均為型號為42HS4813A4的兩相步進電機U3,方位軸編碼器和俯仰 軸編碼器均為型號為AAM3810-1212-SDSGGA的絕對型多圈編碼器U7,其中：
[0026] 單片機U1的RD12腳分別與步進電機驅動器U2的CW/CCW腳相連，單片機U1的 0C3腳分別與步進電機驅動器U2的CLK腳相連，單片機U1的RD6腳分別與步進電機驅動器 U2的ENABLE腳相連，單片機U1的RD13腳、RD4腳、RD5腳分別與步進電機驅動器U2的Ml 腳、M2腳、M3腳--對應相連；
[0027] 兩相步進電機U3 -個繞組的兩個輸出端INB1與INB2分別--對應與步進電機 驅動器U2的0UT1B腳、0UT2B腳連接，兩相步進電機U3另一個繞組的兩個輸出端INA1、INA2 分別--對應與步進電機驅動器U2的0UT1A腳、0UT2A腳連接。
[0028] 方位軸編碼器、俯仰軸編碼器均為型號為AAM3810-1212-SDSGGA的絕對型多圈編 碼器U7,單片機U1通過型號為DS8921的差分收發器U6與編碼器U7連接，其中單片機U1 的RB2腳與差分收發器U6的DI腳連接，單片機U1的RB3腳與差分收發器U6的R0腳連 接，差分收發器U6的RI+腳、RI-腳分別與編碼器U7的DATA+腳、DATA-腳一一對應連接， 差分收發器U6D0+腳、D0-腳分別與編碼器U7的CLK+腳、CLK-腳一一對應連接。
[0029] 如圖3所示。調焦驅動器為型號為ULN2003的達林頓管陣列U4,調焦步進電機為型 號為28BYJ48的步進電機U5,單片機U1的RA2腳-RA5腳與達林頓管陣列U4的IN1腳-IN4 腳--對應連接，達林頓管陣列U4的0UT1腳-0UT4腳與步進電機U5的A腳、B腳、C腳、D 腳一一對應連接。
[0030] 方位軸和俯仰軸的控制結構相同，控制方式：上位機通過串行通訊口將控制指令 發送給單片機，單片機將控制指令轉換為控制步進電機驅動器運行的脈沖信號及分頻比控 制信號，進而控制步進電機按照控制指令要求運行。同時，單片機采集編碼器的值，通過計 算得到當前的絕對位置和運行速度，并通過串口將絕對位置和運行速度返回給上位機。上 位機控制指令包括位置定位指令和運行速度指令。位置定位指令：用于跟蹤目標（恒星） 的快速切換。運行速度指令：根據實時計算的跟蹤目標（恒星）速度，控制方位軸和俯仰軸 按照給定速度運行。
[0031] 如圖2所示，單片機U1型號為dsPIC33FJ128GP710A，步進電機驅動器U2型號為 THB7128,兩相步進電機U3型號為42HS4813A4,差分收發器U6型號為DS8921，絕對型多圈 編碼器 U7 型號為 AAM3810-1212-SDSGGA。
[0032] 1、單片機選用Microchip公司的dsPIC33FJ128GP710A，是一款帶DSP功能的高性 能單片機，最高40MIPS的工作速度，外圍接口電路豐富，帶12位高精度A/D轉換器，多路 PWM輸出等。
[0033] 2、步進電機驅動器選用THB7128,具有以下特點：雙全橋M0SFET驅動，低導通電 阻；最高耐壓4(^0(：，大電流3.3 4(峰值）；多種細分可選（1、1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、 1/64U/128);自動半流鎖定功能；內置混合式衰減模式；內置輸入下拉電阻；內置溫度保 護及過流保護。
[0034] 3、步進電機可選用無錫三拓生產的型號為42HS4813A4的步進電機。
[0035] 4、差分收發器可選用DS8921，它是一款基于RS-422規范的差分收發器。
[0036] 5、編碼器可選用艾研機電生產的型號為AAM3810-1212-SDSGGA的絕對型多圈編 碼器，該編碼器是一個4096*4096的多圈絕對型編碼器，采用SSI接口與外部通訊，工作電 壓為10 - 30伏。
[0037] 實施方式如下：
[0038] 單片機U1的79 (RD12)腳與步進電機驅動器U2的2 (CW/CCW)腳相連，用于控制步 進電機的正反轉方向。單片機U1的77 (0C3)腳與步進電機驅動器U2的3 (CLK)腳相連，用 于控制步進電機的運行頻率。單片機U1的83 (RD6)腳與步進電機驅動器U2的19 (ENABLE) 腳相連，用于控制步進電機驅動器的使能端。單片機U1的80(RD13)腳、81 (RD4)腳、82(RD5) 腳分別與步進電機驅動器U2的16 (Ml)腳、17 (M2)腳、18 (M3)腳相連，用于控制步進電機驅 動器U2的分頻比。
[0039] INB1與INB2對應步進電機U3 -個繞組的兩個輸出端，INA1與INA2對應步進電 機U3另外一個繞組的兩個輸出端。步進電機驅動器U2的7(0UT2B)腳與步進電機U3的 1(INB2)腳相連，步進電機驅動器U2的9(0UT1B)腳與步進電機U3的2(INB1)腳相連，步 進電機驅動器U2的11 (0UT2A)腳與步進電機U3的3 (INA2)腳相連，步進電機驅動器U2的 13(0UT1A)腳與步進電機U3的4(INA1)腳相連。
[0040] 單片機U1的22(RB3)腳與差分收發器U6的2(R0)腳相連，用于單片機U1接收編 碼器數據。單片機U1的23 (RB2)腳與差分收發器U6的3 (DI)腳相連，用于單片機U1輸出 時鐘給編碼器。差分收發器U6的8(RI+)腳、7(RI_)腳分別與編碼器U7的3ΦΑΤΑ+)腳、 4 (DATA-)腳相連，用于編碼器U7數據輸出。差分收發器U6的6 (D0+)腳、5 (D0-)腳分別與 編碼器U7的1(CLK+)腳、2(CLK_)腳相連，用于編碼器U7時鐘輸入。
[0041] 調焦的執行由單片機U1控制步進電機U5完成。上位機通過串口將調焦信息發送 給單片機U1，單片機U1根據這些信息產生控制步進電機U5運行的速度和方向信號，進而控 制調焦的步進電機U5按照給定的速度和方向運行。
[0042] 如圖3所示，達林頓管陣列U4型號為ULN2003,步進電機U5型號為28BYJ48。
[0043] 這里可選用的步進電機U5是28BYJ48,它是5V電壓驅動的4相5線步進電機，該 步進電機的運行電流為200暈安左右，是一款體積小巧的減速步進電機，減速比為1 :64,步 進角為5. 625/64度。轉動1圈，需要360/5. 625*64 = 4096個脈沖信號。正轉的通電順 序：AB組一BC組一CD組一DA組；反轉的通電順心：AB組一AD組一CD組一CB組。
[0044] 選用的步進電機驅動器為達林頓管陣列U4。
[0045] 實施方式如下：
[0046] 單片機U1的58 (RA2)腳與達林頓管陣列U4的1 (IN1)腳相連。單片機U1的 59 (RA3)腳與達林頓管陣列U4的2 (IN2)腳相連。單片機U1的60 (RA4)腳與達林頓管陣列 U4的3 (IN3)腳相連。單片機U1的61 (RA5)腳與達林頓管陣列U4的4 (IN4)腳相連。
[0047] 達林頓管陣列U4的16 (0UT1)腳與步進電機U5的1 (A)腳相連，達林頓管陣列U4 的15 (0UT2)腳與步進電機U5的2 (B)腳相連，達林頓管陣列U4的14 (0UT3)腳與步進電機 U5的3 (C)腳相連，達林頓管陣列U4的13 (0UT4)腳與步進電機U5的4 (D)腳相連。
[0048] 控制手柄用來手動控制機架的方位軸、俯仰軸及焦距的調節。一共有八個按鍵，分 別是"上"、"下"、"左"、"右"、"調焦+"、"調焦速度+"、"速度"上"、"下"鍵用于控 制俯仰軸，"左"、"右"鍵用于控制方位軸，"調焦+"、"調焦用于控制焦距調節。"速度+"、 "速度鍵用于控制方位軸、俯仰軸及焦距調節的運行速度。
[0049] 控制手柄通過編碼的方式與單片機通訊，采用這種方式的好處是既可以通過導線 連接的有線方式通訊，也可以通過紅外遙控的方式通訊。其編碼格式為：引導碼+速度碼+ 按鍵碼+校驗碼+延時。
[0050] 1、數據" 0 " ： 380us高電平+380us低電平；
[0051] 2、數據 "l"：380us 高電平+1350us 低電平；
[0052] 3、引導碼：3640us高電平+1800us低電平；
[0053] 4、速度碼：速度碼是一個8位的數據，將速度分為10個等級，編譯成10個速度編 碼，通過"速度+"、"速度鍵來調整速度等級，速度編碼如下：
[0054]
【權利要求】
1. 一種大氣相干長度測量儀機架控制系統，其特征在于：包括中央控制器，所述中央 控制器通過串行通訊口與上位機通訊連接，還包括與大氣相干長度測量儀方位軸傳動連接 的方位軸步進電機、與大氣相干長度測量儀俯仰軸傳動連接的俯仰軸步進電機、與大氣相 干長度測量儀調焦軸傳動連接的調焦步進電機，以及安裝在方位軸處的方位軸編碼器、安 裝在俯仰軸處的俯仰軸編碼器，所述中央控制器通過方位軸驅動器與方位軸步進電機連 接、通過俯仰軸驅動器與俯仰軸步進電機連接、通過調焦驅動器與調焦步進電機連接，所述 方位軸編碼器、俯仰軸編碼器分別接入中央控制器； 所述中央控制器通過串行通訊口與上位機通訊，上位機發送定位位置或運行速度信號 至中央控制器，同時中央控制器把當前的位置和運行速度返回給上位機； 所述中央控制器分兩路分別控制方位軸和俯仰軸，一路控制方位軸步進電機驅動器， 進而控制方位軸步進電機，同時中央控制器通過方位軸編碼器獲得方位軸的位置及速度信 息；另一路控制俯仰軸步進電機驅動器，進而控制俯仰軸步進電機，同時中央控制器通過俯 仰軸編碼器獲得俯仰軸的位置及速度信息；所述中央控制器通過控制調焦步進電機驅動 器，進而控制步進電機來調節望遠鏡的焦距。
2. 根據權利要求1所述的一種大氣相干長度測量儀機架控制系統，其特征在于：還包 括接入中央控制器的控制手柄，中央控制器通過讀取控制手柄的輸入信號，實現手動控制 機架的方位軸、俯仰軸及焦距調節。
3. 根據權利要求1所述的一種大氣相干長度測量儀機架控制系統，其特征在于：所述 中央控制器型號為dsPIC33FJ128GP710A的帶有DSP內核的單片機U1，方位軸驅動器與俯 仰軸驅動器均為型號為THB7128的步進電機驅動器U2,方位軸步進電機與俯仰軸步進電 機均為型號為42HS4813A4的兩相步進電機U3,方位軸編碼器和俯仰軸編碼器均為型號為 AAM3810-1212-SDSGGA的絕對型多圈編碼器U7,其中： 單片機U1的RD12腳分別與步進電機驅動器U2的CW/CCW腳相連，單片機U1的0C3腳 分別與步進電機驅動器U2的CLK腳相連，單片機U1的RD6腳分別與步進電機驅動器U2的 ENABLE腳相連，單片機U1的RD13腳、RD4腳、RD5腳分別與步進電機驅動器U2的Ml腳、M2 腳、M3腳--對應相連； 兩相步進電機U3 -個繞組的兩個輸出端INB1與INB2分別--對應與步進電機驅動 器U2的0UT1B腳、0UT2B腳連接，兩相步進電機U3另一個繞組的兩個輸出端INAUINA2分 別--對應與步進電機驅動器U2的0UT1A腳、0UT2A腳連接。
4. 根據權利要求3所述的一種大氣相干長度測量儀機架控制系統，其特征在于：所述 方位軸編碼器、俯仰軸編碼器均為型號為AAM3810-1212-SDSGGA的絕對型多圈編碼器U7， 單片機U1通過型號為DS8921的差分收發器U6與編碼器U7連接，其中單片機U1的RB2腳 與差分收發器U6的DI腳連接，單片機U1的RB3腳與差分收發器U6的R0腳連接，差分收 發器U6的RI+腳、RI-腳分別與編碼器U7的DATA+腳、DATA-腳一一對應連接，差分收發器 U6D0+腳、DO-腳分別與編碼器U7的CLK+腳、CLK-腳--對應連接。
5. 根據權利要求3所述的一種大氣相干長度測量儀機架控制系統，其特征在于：所述 調焦驅動器為型號為ULN2003的達林頓管陣列U4,調焦步進電機為型號為28BYJ48的步進 電機U5,單片機U1的RA2腳-RA5腳與達林頓管陣列U4的IN1腳-IN4腳--對應連接，達 林頓管陣列U4的0UT1腳-0UT4腳與步進電機U5的A腳、B腳、C腳、D腳--對應連接。
【文檔編號】G01J9/00GK104156008SQ201410361420
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月25日 優先權日:2014年7月25日
【發明者】譚逢富, 何楓, 張巳龍, 侯再紅, 吳毅 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院