陶 知，陳偉民，朱慶生，周小軍，程 鐘

(1. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；2. 中國(guó)科學(xué)院南京天文儀器研制中心，江蘇 南京 210042；3. 南京中科天文儀器有限公司，江蘇 南京 210042)

云南天文臺(tái)太陽(yáng)色球望遠(yuǎn)鏡電控系統(tǒng)的改造*

陶 知1,2，陳偉民2,3，朱慶生2,3，周小軍2,3，程 鐘3

(1. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；2. 中國(guó)科學(xué)院南京天文儀器研制中心，江蘇 南京 210042；3. 南京中科天文儀器有限公司，江蘇 南京 210042)

用數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processors, DSP)控制云南天文臺(tái)太陽(yáng)色球望遠(yuǎn)鏡赤經(jīng)軸、赤緯軸及鏡蓋的步進(jìn)電機(jī)，并處理手控盒、編碼器、零點(diǎn)、限位等信號(hào)，高速端升降速平滑，避免了電機(jī)失步現(xiàn)象，低速端速度細(xì)分精度高，可實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的長(zhǎng)時(shí)間較高精度跟蹤。使用STC5204AD單片機(jī)與數(shù)字信號(hào)處理器通信，實(shí)現(xiàn)編碼器計(jì)數(shù)值及系統(tǒng)狀態(tài)的斷電記憶功能。對(duì)數(shù)字信號(hào)處理器與單片機(jī)控制伺服系統(tǒng)進(jìn)行了比較，證明數(shù)字信號(hào)處理器系統(tǒng)的性能更為優(yōu)越。

太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡；數(shù)字信號(hào)處理器DSP；伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)的主要任務(wù)是按控制命令的要求，對(duì)功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動(dòng)裝置輸出的力矩、速度和位置控制的非常靈活方便[1]。在太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡伺服系統(tǒng)中運(yùn)用DSP2812實(shí)現(xiàn)對(duì)望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)速與位置的控制，能夠較好實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的自動(dòng)指向與自動(dòng)跟蹤。同時(shí)運(yùn)用STC5204AD單片機(jī)內(nèi)部的EEPROM模塊實(shí)現(xiàn)記憶功能，在斷電瞬間保存編碼器的計(jì)數(shù)值，下次使用不必重新過零，提高了易用性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字信號(hào)處理器自20世紀(jì)80年代誕生至今得到了飛速發(fā)展，成為目前最有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)、產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)之一。TMS320C/F2812是TI公司主要針對(duì)工業(yè)控制推出的C2000系列中應(yīng)用最為廣泛的一款數(shù)字信號(hào)處理器，也是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器芯片。它不但運(yùn)行速度高，處理功能強(qiáng)大，還具有豐富的片內(nèi)外圍設(shè)備，便于接口和模塊化設(shè)計(jì)，性價(jià)比極高。

DSP2812擁有EVA、EVB兩個(gè)事件管理器和配套的16通道12位AD數(shù)據(jù)采集，使其在電機(jī)控制上得心應(yīng)手。再加上豐富的外設(shè)接口，如CAN、SCI等，在工控領(lǐng)域占有重要地位[2]。本設(shè)計(jì)就是應(yīng)用這些優(yōu)點(diǎn)在其與外圍電路的共同作用下實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的控制。

本設(shè)計(jì)的目標(biāo)是完成對(duì)云南天文臺(tái)太陽(yáng)色球望遠(yuǎn)鏡的改造。該望遠(yuǎn)鏡從出廠至今已近50年，赤經(jīng)軸為齒輪傳動(dòng)，赤緯軸為絲桿傳動(dòng)，赤經(jīng)軸采用的是110雙出軸步進(jìn)電機(jī)——110BY250A，速比為2130，赤緯軸采用的是86雙出軸步進(jìn)電機(jī)——34HS300B，速比為800。鏡蓋采用的是42步進(jìn)電機(jī)，速比為30。由于原來的望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)老舊，精度不高，誤差大，功能單一，故本次改造中運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理器設(shè)計(jì)一套新的望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)，赤經(jīng)赤緯兩軸均配置1200線編碼器，完成對(duì)太陽(yáng)的跟蹤及指向。

太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)采用微機(jī)與數(shù)字信號(hào)處理器兩級(jí)控制方式，數(shù)字信號(hào)處理器控制赤經(jīng)軸赤緯軸和鏡蓋的運(yùn)動(dòng)，及處理手控盒操作反饋，編碼器數(shù)據(jù)采集，零點(diǎn)和限位等信號(hào)的檢測(cè)。計(jì)算機(jī)計(jì)算太陽(yáng)的位置，對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行指向、跟蹤，處理誤差信號(hào)等。微機(jī)與數(shù)字信號(hào)處理器之間用串口進(jìn)行通訊，用數(shù)字信號(hào)處理器的串口a連接計(jì)算機(jī)，同時(shí)用串口b與單片機(jī)(即記憶電路)進(jìn)行通信。

系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖如圖1，具體軟件流程圖如圖2。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖
Fig.1 Designed block diagram of the control system

同時(shí)，在記憶電路部分，數(shù)字信號(hào)處理器通過串口b不斷地將當(dāng)前望遠(yuǎn)鏡的位置狀態(tài)發(fā)送給STC5204單片機(jī)，單片機(jī)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到內(nèi)部的RAM中。當(dāng)數(shù)字信號(hào)處理器檢測(cè)到電壓下降時(shí)，單片機(jī)將最后一次接收的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到內(nèi)部的EEPROM中。下次上電時(shí)，單片機(jī)將保存的數(shù)據(jù)通過串口b發(fā)送給數(shù)字信號(hào)處理器，數(shù)字信號(hào)處理器接收完數(shù)據(jù)后再開始執(zhí)行其他命令。這樣便實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的記憶功能。

2 赤經(jīng)赤緯軸伺服控制的實(shí)現(xiàn)

望遠(yuǎn)鏡的跟蹤與指向最重要的就是赤經(jīng)軸及赤緯軸的運(yùn)動(dòng)，有快、慢、微、恒四檔速度，其中快動(dòng)為1°/s，慢動(dòng)為4′/s。太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡恒動(dòng)時(shí)赤經(jīng)軸的速度雖微有變化，但仍然接近15″/s，故恒動(dòng)速度仍定為15″/s[3]，正向微動(dòng)比恒動(dòng)快5″/s，即20″/s，反向微動(dòng)比恒動(dòng)慢5″/s，即10″/s，但方向仍為正轉(zhuǎn)，保證跟蹤過程中齒輪始終緊貼一個(gè)面，避免齒隙誤差。赤緯軸微動(dòng)速度±8″/s。

要想使赤經(jīng)赤緯軸運(yùn)動(dòng)，須給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器適當(dāng)?shù)拿}沖。本系統(tǒng)使用數(shù)字信號(hào)處理器的PWM模塊產(chǎn)生脈沖控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

圖2 軟件設(shè)計(jì)流程圖

Fig.2 Designed flowchart of the software for telescope control

2.1 PWM波形的設(shè)計(jì)

PWM波形的設(shè)計(jì)中，赤經(jīng)軸采用定時(shí)器T1，赤緯采用定時(shí)器T3。將兩個(gè)定時(shí)器設(shè)置為模式2——連續(xù)增模式，即將定時(shí)器T1的控制寄存器T1CON的TMODE1和TMODE0設(shè)置為10。通過各自每一檔的速度選取合適的輸入時(shí)鐘預(yù)定標(biāo)因子P，保證每一檔速度的定時(shí)器周期寄存器T1PR/T3PR值在允許范圍內(nèi)。占空比設(shè)為50%，方便定時(shí)器比較寄存器T1CMPR/T3CMPR計(jì)數(shù)[4]。

設(shè)望遠(yuǎn)鏡要達(dá)到的速度為m°/s，電機(jī)速比為n，電機(jī)為10細(xì)分。則電機(jī)的頻率為：

(1)

其中1.8°為電機(jī)步進(jìn)角。則可算出赤經(jīng)軸每檔速度的頻率如表1。

表1 赤經(jīng)軸的頻率Table 1 Frequencies of the rotations of the right-ascension axis in various speed modes

當(dāng)T1CNT的計(jì)數(shù)方式為連續(xù)增計(jì)數(shù)時(shí)，T1PWM引腳輸出不對(duì)稱的PWM波形。當(dāng)T1CNT的值計(jì)數(shù)到和T1CMPR的值相等時(shí)，發(fā)生比較匹配事件。如果T1CON的第1位定時(shí)器比較使能位TECMPR為1，即定時(shí)器比較操作被使能，且GPTCONA的第6位比較輸出使能位TCMPOE為1，同時(shí)GPTCONA下的T1PIN引腳輸出極性為高電平或者低電平的話，T1PWM就會(huì)輸出不對(duì)稱的PWM波形，如圖3。

圖3 T1產(chǎn)生非對(duì)稱的PWM波形
Fig.3 Asymmetric PWM waveform generated to control step motors

此時(shí)的頻率為：

(2)

本設(shè)計(jì)中高速時(shí)鐘HSPCLK為75×106Hz，定時(shí)器T1的預(yù)定標(biāo)因子P設(shè)為6，再根據(jù)速度可得每檔速度的T1PR。為方便計(jì)算，本設(shè)計(jì)PWM的占空比設(shè)為50%，這樣T1CMPR的值剛好為T1PR的一半。T3PR/T3CMPR同理可得。

2.2 快動(dòng)升降速的設(shè)計(jì)

望遠(yuǎn)鏡快速時(shí)，電機(jī)頻率達(dá)11×103Hz以上。若瞬間將速度由0 Hz升至11×103Hz，由于力矩不足必將導(dǎo)致電機(jī)失步，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為保證電機(jī)更好的性能，需要用升降速來實(shí)現(xiàn)快動(dòng)。由步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性知，理想的升速曲線一般為指數(shù)曲線，在數(shù)字化系統(tǒng)中，一般是通過設(shè)置n檔速度的臺(tái)階，使其盡可能符合指數(shù)曲線規(guī)律，如圖4、5[5]。

由曲線可以看出，其斜率是由大變小的，又由于斜率k的計(jì)算方法為：

(3)

所以，在使Δf逐漸變小的同時(shí)，還要保證Δt不變，即每檔頻率的持續(xù)時(shí)間不變，這樣才能達(dá)到斜率k逐漸變小的目的。

本設(shè)計(jì)運(yùn)用指數(shù)函數(shù)計(jì)算每一檔的頻率：

f=fmax(1-e-at)(Hz)

(4)

圖4 理想曲線Fig.4 Ideal curve of increasing the step-motor frequency

圖5 實(shí)際曲線Fig.5 Actual curve of increasing the step-motor frequency

式中，fmax為最大頻率11 833.3 Hz；a為參數(shù)。設(shè)計(jì)目標(biāo)中升(降)速過程為2.5 s，若參數(shù)a為1，將t=2.5 s代入式中得到f約為11 000 Hz，基本達(dá)到最大頻率，故為方便計(jì)算，將a取為1。本設(shè)計(jì)取了100個(gè)臺(tái)階，將時(shí)間2.5 s均分100檔，每一檔代入(4)式，得到每一檔的頻率f，然后代入(2)式得到每檔頻率的T1PR和T1CMPR。若其中某幾檔的頻率相差不大，則可合并。同時(shí)定義兩個(gè)數(shù)組，將T1PR和T1CMPR的值放入其中，程序中依次調(diào)用。

在實(shí)際使用過程中，往往在選擇快動(dòng)后，在升速的臺(tái)階未全部走完便發(fā)現(xiàn)到達(dá)預(yù)定位置，不必走完剩下的升速臺(tái)階了，這時(shí)需要暫停升速，轉(zhuǎn)而降速直至恒動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)快動(dòng)的點(diǎn)動(dòng)。故在升速的程序中調(diào)用每個(gè)臺(tái)階前先判斷此時(shí)手控盒是否還在按住升速的按鈕或者此時(shí)有沒有通過串口發(fā)送停止命令，再?zèng)Q定是否走完剩下的臺(tái)階。具體邏輯程序見圖6[6]。

圖6 升速程序
Fig.6 Program of increasing the step-motor frequency

2.3 性能對(duì)比

對(duì)于單片機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理器兩者的性能，將從頻率和字長(zhǎng)兩個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比。

(1)晶振頻率：給DSP2812提供時(shí)基的是頻率為30×106Hz的晶振。當(dāng)鎖相環(huán)PLL設(shè)置成最大(10倍頻)時(shí)，即PLLCR的DIV位被設(shè)置成最大值 1010的時(shí)候，CPU的時(shí)鐘頻率將達(dá)到150×106Hz，是DSP2812所能支持的最大時(shí)鐘頻率。而平時(shí)用的51單片機(jī)等的晶振頻率一般為10×106Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于150×106Hz。

(2)計(jì)數(shù)器字長(zhǎng)：DSP2812是32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器芯片，計(jì)數(shù)器寄存器為16位，而單片機(jī)一般只有8位。

頻率精度對(duì)比：由于兩者的頻率分別為150×106Hz和10×106Hz，這使得兩者的頻率精度相差一個(gè)數(shù)量級(jí)之多。

升降平滑性對(duì)比：在單片機(jī)實(shí)現(xiàn)升降速的時(shí)候，往往計(jì)數(shù)器變化1，頻率變化很大，不能很好地?cái)M合所需的指數(shù)曲線。而用數(shù)字信號(hào)處理器擬合時(shí)，由于數(shù)字信號(hào)處理器頻率更高，字長(zhǎng)更長(zhǎng)，使得計(jì)數(shù)器變化1時(shí)，頻率變化可以很小，這樣得到的曲線較之更為平滑，系統(tǒng)更為平穩(wěn)[7]。

由于計(jì)數(shù)器字長(zhǎng)的限制，T1PR產(chǎn)生的頻率與理論值存在字長(zhǎng)誤差。太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡以恒動(dòng)速度跟蹤太陽(yáng)，故恒動(dòng)的速度直接影響著跟蹤的好壞。算出恒動(dòng)時(shí)T1PR為0x5CD9，即23769，代入返回得到此刻望遠(yuǎn)鏡每秒鐘轉(zhuǎn)過的角度約為14.998 5″/s，這樣累計(jì)5 min得到的理論誤差：

(15-14.998 5)×60×5=0.45″

(5)

可以看出，由于數(shù)字信號(hào)處理器的字長(zhǎng)有限所帶來的理論誤差在合理范圍內(nèi)，足以保證其跟蹤精度。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)

3.1 升速測(cè)試

對(duì)赤經(jīng)軸進(jìn)行10次快動(dòng)測(cè)試得到，赤經(jīng)軸頻率由0 Hz升至11×103Hz基本上在2.5 s左右，升速過程平滑，聲音可以接受，符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 指向測(cè)試

在2012年6月9日10：00～15：00這300 min內(nèi)對(duì)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行自動(dòng)指向測(cè)試，統(tǒng)計(jì)了20次的指向誤差，見圖7。由圖可以看出，誤差基本上分布在±3′左右，符合設(shè)計(jì)要求[8]。

圖7 太陽(yáng)指向誤差
Fig.7 Errors in the pointings toward the sun

3.3 恒動(dòng)測(cè)試

在2012年6月9日 14：45～14：50這300 s內(nèi)取樣1 433個(gè)點(diǎn)，分別采集了望遠(yuǎn)鏡位置和太陽(yáng)當(dāng)前位置的赤經(jīng)軸數(shù)據(jù)，計(jì)算了恒動(dòng)時(shí)5 min內(nèi)兩者之差，換算成角秒，誤差曲線如圖8。由圖可以看出，誤差大體上均勻分布在±10″之間，計(jì)算出其均方根誤差為3.735 654 36″，精度符合設(shè)計(jì)要求。

圖8 恒動(dòng)誤差曲線
Fig.8 Curve for the errors in the constant rotation of the telescope

3.4 跟蹤測(cè)試

在2012年6月10日 14：30～14：35這300 s內(nèi)取樣1 426個(gè)點(diǎn)，分別采集了望遠(yuǎn)鏡位置和太陽(yáng)當(dāng)前位置的赤經(jīng)軸數(shù)據(jù)，計(jì)算了跟蹤時(shí)5 min內(nèi)兩者之差，換算成角秒，誤差曲線如圖9。由圖可以看出，誤差大體上均勻分布在±2″之間，計(jì)算出其均方根誤差為1.348 028″。由于望遠(yuǎn)鏡比較老舊，且改造的經(jīng)費(fèi)有限，制定的技術(shù)指標(biāo)不是很高，為0.5‰，而5 min內(nèi)太陽(yáng)轉(zhuǎn)過的角度約為4 500″，1.348 028/4 500≈0.3‰，精度符合設(shè)計(jì)要求。

圖9 跟蹤誤差曲線
Fig.9 Curve for the telescope-tracking errors

由于赤緯變化較小，本設(shè)計(jì)沒有進(jìn)行跟蹤。預(yù)留了自動(dòng)導(dǎo)行接口，若以后添加自動(dòng)導(dǎo)行模塊即可進(jìn)行跟蹤。

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)使用數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)，相比較之前使用單片機(jī)控制，有諸多優(yōu)點(diǎn)。升降速穩(wěn)定，芯片接口多(有2路SCI、1路SPI、1路McBSP、1路eCAN)，部分管腳功能可以復(fù)用(有56個(gè)可獨(dú)立編程的GPIO引腳)，內(nèi)部有兩個(gè)事件管理器模塊(每個(gè)包括6路PWM/CMP、2路QEP、3路CAP和2路16位定時(shí)器)，AD轉(zhuǎn)換模塊(16路12位精度的ADC)，還有3個(gè)獨(dú)立的32位CPU定時(shí)器，不必在電腦上配插IO卡，也不再需要額外的AD轉(zhuǎn)換芯片、編碼器數(shù)據(jù)采集芯片等，一塊芯片實(shí)現(xiàn)了過去幾塊芯片的功能。

在結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方面，數(shù)字信號(hào)處理器一個(gè)工程下可以有諸多子文件，編寫查閱起來簡(jiǎn)便易行，而單片機(jī)一個(gè)工程在編譯時(shí)只能編譯一個(gè)子文件使得程序冗長(zhǎng)，查閱起來不方便。

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TheTransformationoftheControlSystemoftheYNAOSolarChromosphereTelescope

Tao Zhi1,2, Chen Weimin2,3, Zhu Qingsheng2,3, Zhou Xiaojun2,3, Cheng Zhong3

(1. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China, Email: kongxinshu0411@sina.com;2. Nanjing Astronomical-Instrument Research Center of Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210042, China;3. Nanjing CAS Corporation Limited of Astronomical Instruments, Nanjing 210042, China)

In this paper we describe a control system based on Digital Signal Processors (DSP) to control the stepper motors of the right-ascension axis, the declination axis, and the mirror cover of the YNAO (Yunnan Observatory) Solar Chromosphere Telescope. This system can process signals of the manual-control box, encoder, zero-point, positioning limits, and so on to appropriately set the speed and displacement of the telescope. Considering that stability is essential to a solar-telescope servo system we allow this system to control acceleration or deceleration in fast moving the telescope. The use of DSP in the control makes changes of high motor speeds smooth to avoid loss of synchronization of a step motor. The system with DSP brings high-precision control of low-speed motions allowing the telescope to track the sun for a long time with a high accuracy. For convenience the system includes the manual-control mode, so that the pointing and motion of the telescope can be controlled through a computer in both automatic and manual modes. The system uses communications between an STC5204AD MCU and DSP to realize the power-off memory of encoder count values and system states. We present the flowchart of the system and details of the implementation of the servo control. We also compare DSP-based and MCU-based servo systems and show that a DSP-based system is superior in performance.

Solar telescope; Digital Signal Processors (DSP); Servo system

CN53-1189/PISSN1672-7673

P111.41

A

1672-7673(2013)04-0420-07

2012-10-12；修定日期：2012-11-10

陶 知，女，碩士. 研究方向：自動(dòng)控制. Email: kongxinshu0411@sina.com