葛 亮，王金虎，盧曉猛

(1. 中國(guó)科學(xué)院光學(xué)天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(國(guó)家天文臺(tái))，北京 100012；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

CN 53-1189/P ISSN 1672-7673

1.26米紅外望遠(yuǎn)鏡電控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

葛 亮1,2，王金虎1，盧曉猛1

(1. 中國(guó)科學(xué)院光學(xué)天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(國(guó)家天文臺(tái))，北京 100012；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

2011年，國(guó)家天文臺(tái)興隆基地1.26 m紅外望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了全面升級(jí)改造。主要講述望遠(yuǎn)鏡電控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，用于實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡各種觀測(cè)策略和運(yùn)動(dòng)方式的自動(dòng)化操作。為了提高穩(wěn)定性和可靠性，軟件基于有限狀態(tài)機(jī)原理設(shè)計(jì)，定義了望遠(yuǎn)鏡的狀態(tài)集和動(dòng)作集，以及各個(gè)狀態(tài)間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖；同時(shí)給出了望遠(yuǎn)鏡常見(jiàn)異常及其處理方式，并在本地控制的基礎(chǔ)上提供遠(yuǎn)程控制接口，使得望遠(yuǎn)鏡可方便納入興隆基地望遠(yuǎn)鏡集中控制系統(tǒng)。該軟件及其設(shè)計(jì)思想可推廣至我國(guó)其他中小口徑望遠(yuǎn)鏡。

望遠(yuǎn)鏡控制；有限狀態(tài)機(jī)；電控系統(tǒng)

國(guó)家天文臺(tái)興隆基地1.26 m紅外望遠(yuǎn)鏡建設(shè)于1985年[1]，為我國(guó)實(shí)測(cè)紅外天文學(xué)的發(fā)展提供了寶貴的觀測(cè)資料。但是，由于技術(shù)條件所限，以及國(guó)際上對(duì)中國(guó)紅外探測(cè)器的禁運(yùn)限制，1.26 m紅外望遠(yuǎn)鏡一直采用光電倍增管探測(cè)，科學(xué)產(chǎn)出較低。同時(shí)，由于設(shè)備老化，該望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行維護(hù)難度不斷加大。因此，國(guó)家天文臺(tái)于2008年停止運(yùn)行該望遠(yuǎn)鏡。2011年，由于實(shí)測(cè)紅外天文學(xué)的發(fā)展需求，同時(shí)，高效率的面陣紅外探測(cè)器采購(gòu)渠道進(jìn)一步開(kāi)放，因此，由吳宏研究員組織，國(guó)家天文臺(tái)對(duì)1.26 m紅外望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了全面的升級(jí)改造。改造主要內(nèi)容包括：

(1)在原有機(jī)械結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)全新的望遠(yuǎn)鏡電控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制；

(2)設(shè)計(jì)新的副鏡，將原焦比F30縮短為F8,以適應(yīng)面陣探測(cè)器視場(chǎng)；

(3)定制透光學(xué)反紅外濾鏡，增配三通道光學(xué)相機(jī)和紅外相機(jī)，實(shí)現(xiàn)紅外單波段和光學(xué)多波段的同時(shí)觀測(cè)。

望遠(yuǎn)鏡升級(jí)改造于2013年完成，目前已經(jīng)投入觀測(cè)使用。本文主要介紹望遠(yuǎn)鏡電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，第1節(jié)簡(jiǎn)單介紹硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，第2節(jié)詳細(xì)介紹系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，最后是小結(jié)和工作展望。

1 硬件系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.26 m紅外望遠(yuǎn)鏡機(jī)械結(jié)構(gòu)為搖籃式赤道儀，采用齒輪渦輪傳動(dòng)方式。本次升級(jí)改造在原有機(jī)械結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)全新的電控系統(tǒng)，使望遠(yuǎn)鏡具備高度自動(dòng)化功能。其硬件系統(tǒng)主要由以下部分組成：

(1)赤經(jīng)/赤緯軸系控制子系統(tǒng)；

(2)圓頂天窗控制子系統(tǒng)。

望遠(yuǎn)鏡的基本運(yùn)動(dòng)方式為快動(dòng)方式、導(dǎo)星方式和跟蹤方式[2]，赤經(jīng)/赤緯軸系控制是望遠(yuǎn)鏡電控系統(tǒng)的核心功能，主要完成望遠(yuǎn)鏡的指向、跟蹤功能。其核心硬件控制單元為伺服控制卡，對(duì)下實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和碼盤的讀取，對(duì)上通過(guò)PCI接口實(shí)現(xiàn)與控制軟件的通信接口。本文伺服控制卡采用美國(guó)Delta Tau多軸運(yùn)動(dòng)控制卡(PMAC)， 軸系控制系統(tǒng)采用多閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)(圖1)，各控制環(huán)節(jié)的主要功能為：

(1)電流環(huán)：以電流信號(hào)作為反饋信號(hào)的控制環(huán)節(jié)，是系統(tǒng)的最內(nèi)環(huán)，調(diào)節(jié)放大器電流以保證電機(jī)轉(zhuǎn)速，本系統(tǒng)電流環(huán)在放大器內(nèi)部集成實(shí)現(xiàn)。

(2)速度環(huán)：以速度信號(hào)作為反饋信號(hào)的控制環(huán)節(jié)，用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，使得軸系按照指定速度旋轉(zhuǎn)，如果不考慮傳動(dòng)誤差(例如齒隙)，可作為系統(tǒng)的外環(huán)；

(3)位置環(huán)：以位置信號(hào)作為反饋信號(hào)的控制環(huán)節(jié)，是系統(tǒng)的外環(huán)，用于軸系位置精確控制，可消除傳動(dòng)誤差的影響。

圖1 赤經(jīng)/赤緯軸系控制系統(tǒng)框圖

Fig.1 A block diagram of the RA/DEC axis control system

1.26 m紅外望遠(yuǎn)鏡原有圓頂天窗控制為繼電器和交流異步電機(jī)組合的控制方式，本次改造將其改為可編程控制器(PLC)、變頻器和交流異步電機(jī)的控制方式[3]。核心控制單元為可編程控制器，通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)軟件的通信接口，其控制框圖如圖2。

圖2 圓頂天窗控制系統(tǒng)框圖

Fig.2 A block diagram of the dome/slit control system

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.26 m紅外望遠(yuǎn)鏡的控制軟件(TCS)為系統(tǒng)改造后重新開(kāi)發(fā)，為了便于將望遠(yuǎn)鏡納入興隆基地望遠(yuǎn)鏡集中控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程觀測(cè)，控制軟件將采用通用框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。包含驅(qū)動(dòng)層、服務(wù)層和應(yīng)用層，各層主要功能為：

(1)應(yīng)用層：提供GUI界面，實(shí)現(xiàn)與本地用戶的人機(jī)交互，包括觀測(cè)計(jì)劃輸入，望遠(yuǎn)鏡找零、復(fù)位，天窗開(kāi)關(guān)等；

(2)服務(wù)層：完成和設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、應(yīng)用層的信息交互，實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制，同時(shí)提供與上層觀測(cè)控制軟件通信的接口，執(zhí)行其指令并反饋狀態(tài)；

(3)驅(qū)動(dòng)層：實(shí)現(xiàn)與底層硬件的接口，底層硬件包括多軸運(yùn)動(dòng)控制卡、可編程控制器等，接口信息包括碼盤讀數(shù)、電機(jī)轉(zhuǎn)速等。其中與多軸運(yùn)動(dòng)控制卡通信為PCI接口，與可編程控制器通信接口為串口。

同時(shí)為了提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，控制軟件將基于有限狀態(tài)機(jī)(Finite State Machine, FSM)設(shè)計(jì)。有限狀態(tài)機(jī)是表示有限狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動(dòng)作等行為的數(shù)學(xué)模型[4]。其基本思想為：

(1)所有設(shè)備具備一個(gè)有限的狀態(tài)集，并且任何時(shí)候設(shè)備均處在狀態(tài)集中；

(2)所有設(shè)備有關(guān)的動(dòng)作均出在動(dòng)作集中，未出現(xiàn)在動(dòng)作集中的動(dòng)作設(shè)備不做任何響應(yīng)；

(3)在指定狀態(tài)下的指定動(dòng)作響應(yīng)是唯一的，且動(dòng)作響應(yīng)僅與當(dāng)前設(shè)備參數(shù)有關(guān)，與歷史參數(shù)和未來(lái)參數(shù)皆無(wú)關(guān)。

定義望遠(yuǎn)鏡的狀態(tài)集、動(dòng)作集和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，使得對(duì)于任何動(dòng)作，望遠(yuǎn)鏡響應(yīng)邏輯一致，從而保證所有狀態(tài)可控。當(dāng)然，設(shè)備故障是望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)運(yùn)行中不可避免的問(wèn)題，其形式多種多樣，無(wú)法完全定義。本軟件系統(tǒng)引進(jìn)了一個(gè)異常狀態(tài)，該異常狀態(tài)可能由于編碼器、驅(qū)動(dòng)器等錯(cuò)誤組成。因此本節(jié)首先介紹異常狀態(tài)和處理方式。

2.1 望遠(yuǎn)鏡異常和處理方式

望遠(yuǎn)鏡常見(jiàn)異常和處理方式如表1。

表1 望遠(yuǎn)鏡常見(jiàn)異常和處理方式

望遠(yuǎn)鏡是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的光機(jī)電一體的設(shè)備，所以上述異常狀態(tài)不足以包含所有可能出現(xiàn)的異常，本軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，可方便增加新的異常狀態(tài)和處理方式。

當(dāng)望遠(yuǎn)鏡處于異常狀態(tài)時(shí)，目前采用人工方式處理。隨著經(jīng)驗(yàn)的積累和完善，下一步將進(jìn)行故障自動(dòng)處理。例如在望遠(yuǎn)鏡調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在望遠(yuǎn)鏡運(yùn)動(dòng)時(shí)，軟件非正常退出后，望遠(yuǎn)鏡未收到停止指令，將繼續(xù)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)撞擊限位的風(fēng)險(xiǎn)。本文利用 “看門狗” 的硬件設(shè)計(jì)思想，增加了計(jì)時(shí)器監(jiān)測(cè)望遠(yuǎn)鏡和底層硬件間通信的時(shí)間間隔。一旦時(shí)間間隔超過(guò)一定門限，底層硬件將自動(dòng)停止望遠(yuǎn)鏡運(yùn)動(dòng)，提高了望遠(yuǎn)鏡的安全性。

2.2 有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)由3步組成，包括狀態(tài)集、動(dòng)作集和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖的設(shè)計(jì)。

望遠(yuǎn)鏡的狀態(tài)集可分為3類，分別為過(guò)程類狀態(tài)(P)、完成類狀態(tài)(F)和異常狀態(tài)(E)。望遠(yuǎn)鏡狀態(tài)集定義如表2。

表2 望遠(yuǎn)鏡狀態(tài)集

根據(jù)望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)動(dòng)需求，定義了望遠(yuǎn)鏡動(dòng)作集如表3。

表3 望遠(yuǎn)鏡動(dòng)作集

本文對(duì)每一個(gè)狀態(tài)下接收的動(dòng)作、監(jiān)測(cè)的異常和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖進(jìn)行了詳細(xì)定義，由于篇幅所限，本文僅以望遠(yuǎn)鏡最關(guān)鍵的狀態(tài)——恒速跟蹤為例介紹狀態(tài)圖。恒速跟蹤狀態(tài)指的是望遠(yuǎn)鏡跟蹤恒速運(yùn)動(dòng)天體(恒星、 月亮)時(shí)的狀態(tài)。在該狀態(tài)下望遠(yuǎn)鏡可執(zhí)行切換天區(qū)跟蹤、導(dǎo)星修正(速度、 位置)、停止觀測(cè)等動(dòng)作，隨后進(jìn)入下一工作狀態(tài)。同時(shí)該狀態(tài)下還需監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、編碼器等異常，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3。

2.3 上層接口設(shè)計(jì)

控制軟件的上層接口主要包含兩類，一類為GUI界面，用于和用戶進(jìn)行人機(jī)交互；另一類為遠(yuǎn)程控制接口，以便加入興隆基地望遠(yuǎn)鏡集中控制系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程觀測(cè)。

為了方便望遠(yuǎn)鏡操作，采用和興隆基地2.16 m望遠(yuǎn)鏡相同的GUI界面(如圖4)。

遠(yuǎn)程控制接口采用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)指令和參數(shù)的穩(wěn)定傳輸，其中望遠(yuǎn)鏡反饋參數(shù)主要包括望遠(yuǎn)鏡當(dāng)前狀態(tài)，UTC時(shí)間，望遠(yuǎn)鏡當(dāng)前位置、速度，目標(biāo)位置、速度以及跟隨誤差。指令內(nèi)容和參數(shù)完全參照望遠(yuǎn)鏡本身的動(dòng)作集和參數(shù)(見(jiàn)2.2)，例如恒速跟蹤指令需輸入赤經(jīng)、赤緯、歷元和跟蹤類型。本系統(tǒng)還具備環(huán)境監(jiān)測(cè)信息接口，使得望遠(yuǎn)鏡在惡劣天氣條件下可以自動(dòng)停止觀測(cè)，保障設(shè)備的安全。

圖3 恒速跟蹤狀態(tài)下?tīng)顟B(tài)轉(zhuǎn)換圖

Fig.3 Illustration of telescope state transitions during constant-speed tracking

圖4 望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)GUI界面

Fig.4 A screenshot of the GUI interface of the TCS

3 結(jié)論與工作展望

本文基于有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)了望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)，使得系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。軟件系統(tǒng)采用2.16 m望遠(yuǎn)鏡GUI界面設(shè)計(jì)，方便望遠(yuǎn)鏡操作；同時(shí)提供了遠(yuǎn)程控制接口，便于納入集中控制系統(tǒng)，提高觀測(cè)效率。目前該軟件系統(tǒng)已經(jīng)在1.26 m紅外望遠(yuǎn)鏡上穩(wěn)定運(yùn)行。

隨著興隆基地望遠(yuǎn)鏡集中控制計(jì)劃的推進(jìn)，1.26 m紅外望遠(yuǎn)鏡的控制軟件也將做適應(yīng)性修改，例如環(huán)境監(jiān)測(cè)信息的讀取和利用，使望遠(yuǎn)鏡盡快加入集中控制系統(tǒng)。同時(shí)可將該軟件系統(tǒng)推廣應(yīng)用到其它望遠(yuǎn)鏡平臺(tái)上。

致謝：對(duì)吳宏研究員作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人對(duì)本文的支持，興隆基地技術(shù)組對(duì)紅外望遠(yuǎn)鏡改造工作的支持與幫助，以及望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)助手柳森和馬良的辛勤工作，在此表示由衷感謝。

[1] 姚正秋, 周必方, 汪達(dá)興. 1.2 m紅外望遠(yuǎn)鏡[J]. 天文學(xué)報(bào), 1990, 31(3): 284-290. Rao Zhengqiu, Zhou Bifang, Wang Daxing. 1.2m infrared telescope[J]. Acta Astronomica Sinica, 1990, 31(3): 284-290.

[2] 程景全. 天文望遠(yuǎn)鏡原理和設(shè)計(jì)[M]. 北京: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社, 2003.

[3] 陸棟寧, 黃壘, 陳穎為, 等. 85 cm天文望遠(yuǎn)鏡圓頂和天窗自動(dòng)化系統(tǒng)研制[J]. 天文研究與技術(shù)——國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)刊, 2008, 5(4): 386-391. Lu Dongning, Huang Lei, Chen Yingwei, et al. Research and development of the dome/slit control system for the 85cm reflector of NOAC-BNU[J]. Astronomical Research & Technology ——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2008, 5(4): 386-391.

[4] Wright D R. Finite state machines[EB/OL]. 2005[2014-9-20]. http://www4.ncsu.edu/～drwrigh3/docs/courses/csc216/fsm-notes.pdf.

Design and Implementation of Software for Operations of the ServoSystem of the 1.26m Infrared Telescope of the NAO

Ge Liang1,2, Wang Jinhu1, Lu Xiaomeng1

(1. Key Laboratory of Optical Astronomy, National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, China,Email: geliang@bao.ac.cn; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The 1.26m infrared telescope at the Xinglong Observertory of the National Astronomical Observertories (NAO) of the Chinese Academy of Sciences was extensively upgraded in 2011. In this paper we focus on the softeware for operations of its new servo system，which is to be used in automated operations of the telescope for various observational approaches and action modes. The softeware was designed based on the Finite State Machine to ensure stablity and relialibility. In designing the software we have specified the needed sets of states and actions of the telescope; we have also specified transtions between the states. In addition, we present frequently encountered faults of the telescope and their solutions. The softeware supports remote control of the telescope, which makes it easy for the software to be incorporated into the centralized control system of the obserbvertory. The software and its design idea can be conveniently applied to other small- or median-sized telescopes in China.

Telescope Control System (TCS); Finite State Machine (FSM); Servo system

國(guó)家自然科學(xué)基金 (11173030) 資助.

2014-10-08；修定日期：2014-10-28 作者簡(jiǎn)介：葛 亮，男，博士. 研究方向：望遠(yuǎn)鏡控制. Email: geliang@bao.ac.cn

P111

A

1672-7673(2015)03-0317-06