王 剛，林佳本，郭晶晶，張鑫偉 ，佟立越，白 陽，陳垂裕

(1. 中國科學(xué)院國家天文臺，北京 100101；2. 中國科學(xué)院太陽活動重點實驗室，北京 100101；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

觀測是太陽物理研究中最重要的技術(shù)手段之一，自1612年伽利略開始使用望遠鏡觀測太陽黑子至今，每一次太陽觀測儀器或技術(shù)的革新都極大地推動了太陽物理學(xué)研究進展[1]。懷柔太陽觀測基地(Huairou Solar Observation Station)是中國科學(xué)院國家天文臺的重要觀測基地之一。自1984年建站至今30余年，懷柔基地在太陽磁場與速度場的觀測研究領(lǐng)域已躋身世界前列[2-4]。太陽磁場望遠鏡以及多通道太陽望遠鏡[5]的研制成功，極大地推進了國內(nèi)外實測太陽物理事業(yè)的發(fā)展。

太陽望遠鏡主要由光學(xué)系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)以及電子學(xué)系統(tǒng)3部分組成。為保證望遠鏡的高質(zhì)量運行，懷柔太陽觀測基地技術(shù)團隊結(jié)合現(xiàn)有的先進技術(shù)，對望遠鏡進行了全面的升級改造[6-7]。本文介紹的多軸步進電機控制系統(tǒng)，是望遠鏡電子學(xué)系統(tǒng)的重要組成部分。以懷柔多通道太陽望遠鏡為例，儀器內(nèi)部采用17個步進電機作為驅(qū)動源，對濾光器以及偏振分析器中可移動光學(xué)器件的空間位置進行精確調(diào)整，以實現(xiàn)對不同波長磁敏感線的窄帶測量。步進電機控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性以及控制效率直接影響太陽磁場觀測數(shù)據(jù)的精度和時間分辨率。

懷柔基地早期采用的步進電機控制架構(gòu)以計算機為控制核心，集成數(shù)字輸入/輸出(I/O)卡生成控制信號，結(jié)合電機驅(qū)動器實現(xiàn)對步進電機的精確控制[8]。這種設(shè)計方式的不足之處在于：(1)系統(tǒng)整體復(fù)雜性較高；(2)系統(tǒng)可移植性較弱。為解決上述問題，懷柔基地研制出第2代濾光器電機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用嵌入式設(shè)計理念，大幅度減少對計算機的依賴性。但由于系統(tǒng)采用控制、驅(qū)動一體化集成設(shè)計，電路專用性較強，無法滿足對不同類型步進電機的通用控制。為彌補上述兩類控制系統(tǒng)存在的不足，本文在已有研究的基礎(chǔ)上，提出了一種新的控制策略，即以嵌入式系統(tǒng)作為控制核心，配合計算機和通用型驅(qū)動器實現(xiàn)對多軸步進電機的控制。系統(tǒng)的設(shè)計要求是，在保證太陽望遠鏡觀測過程中對多路步進電機所有控制功能需求的前提下，降低控制系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的可移植性、穩(wěn)定性以及擴展性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文介紹的多軸步進電機控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)采用分離式設(shè)計(圖1)，主要包括上位機、控制器以及驅(qū)動器3個模塊。分離模塊化設(shè)計方式可有效降低系統(tǒng)的耦合度，提高系統(tǒng)的可移植性以及故障排查效率，其中，電機控制器是系統(tǒng)主要的硬件設(shè)計部分。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 System structure diagram

1.1 基于現(xiàn)場可編程門陣列的片上系統(tǒng)構(gòu)建

使用Altera公司生產(chǎn)的Cyclon IV E型現(xiàn)場可編程門陣列作為片上系統(tǒng)構(gòu)建平臺，該芯片擁有15 408個邏輯單元、504 KB的嵌入式存儲器以及343個用戶輸入輸出接口。豐富的邏輯資源及接口數(shù)量為多路電機控制提供了硬件保障。選用NIOSII/e軟核作為系統(tǒng)的嵌入式微處理器，該處理器為哈佛結(jié)構(gòu)，最高工作頻率為100 MHz/s，數(shù)據(jù)總線與地址總線采用分離式設(shè)計，可在占用較少邏輯資源的前提下實現(xiàn)最優(yōu)性能。除處理器外，根據(jù)具體使用需求添加了其他知識產(chǎn)權(quán)核(Intellectual Property core, IP)，以構(gòu)建完整的片上系統(tǒng)。知識產(chǎn)權(quán)核信息與功能如表1。

表1 片上系統(tǒng)知識產(chǎn)權(quán)核信息表

1.2 板級硬件電路設(shè)計

片上系統(tǒng)構(gòu)建屬于集成電路設(shè)計范疇，即將最終的設(shè)計結(jié)果集成至芯片內(nèi)部。由于其能力有一定的限制，需設(shè)計外圍支持電路，用以實現(xiàn)信號電平轉(zhuǎn)換以及配置信息存儲。本系統(tǒng)設(shè)計的支持電路從功能上可劃分為以下幾部分：

(1)串口通信電路：采用標(biāo)準(zhǔn)的RS232串口電路與計算機實現(xiàn)控制指令及狀態(tài)數(shù)據(jù)的信息交互；

(2)控制信號放大電路：由于現(xiàn)場可編程門陣列管腳輸出信號為3.3 V TTL電平，電壓值與驅(qū)動器不匹配，選用74HC245芯片對控制信號進行放大。

(3)數(shù)據(jù)存儲電路：使用鐵電存儲器FM25L256實現(xiàn)多路步進電機位置實時存儲功能，存儲器采用I2C總線協(xié)議與片上系統(tǒng)進行連接，通信速率可達10 MB，且不存在讀寫次數(shù)上限問題，正常工作環(huán)境中的數(shù)據(jù)保存時間為10年。

(4)信號識別電路：使用上拉電阻的方式對霍爾傳感器產(chǎn)生的跳變信號進行增強，使片上系統(tǒng)中的輸入/輸出核可以準(zhǔn)確識別沿跳，進入中斷處理程序段。

1.3 控制器硬件集成

對設(shè)計完成的步進電機控制器硬件電路進行裝配集成(圖2)?？刂破靼?8路信號輸出端口、20路中斷信號輸入端口以及8路自定義擴展口。最高可實現(xiàn)14路步進電機同步控制。

圖2 步進電機控制器

Fig.2 Stepper motor controller

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

為了降低系統(tǒng)對計算機的依賴性，提高系統(tǒng)的可移植性。本文在嵌入式軟件系統(tǒng)設(shè)計中完成了包括外部信號識別、控制信號生成、數(shù)據(jù)存儲、位置信息反饋以及路徑優(yōu)化算法的所有功能。這種設(shè)計方式可以降低計算機端軟件設(shè)計的復(fù)雜度，且有利于望遠鏡自主觀測控制總系統(tǒng)的設(shè)計。由于嵌入式軟件系統(tǒng)內(nèi)容較多，本文僅介紹關(guān)鍵功能部分。

2.1 電機控制信號生成

單路步進電機所需控制信號包括：公共信號(高電平有效)、方向信號、脫機信號(低電平有效)以及脈沖信號(上跳沿有效)。利用NIOSII軟核的內(nèi)部定時器中斷處理機制，等間隔改變輸入/輸出寄存器狀態(tài)值，產(chǎn)生空比為50%的TTL脈沖電平信號。利用NIOSII對輸入/輸出寄存器狀態(tài)值進行修改，生成其他3路控制信號。

電機控制信號軟件模塊如圖3。首先對自定義的內(nèi)部指令進行解碼。解碼信息包括電機號、旋轉(zhuǎn)速度值、運動方向以及旋轉(zhuǎn)步數(shù)值。根據(jù)電機號信息使能對應(yīng)步進電機的公共端信號、拉低脫機信號并設(shè)置方向信號電平值。然后根據(jù)旋轉(zhuǎn)速度信息對定時器周期寄存器初始值進行設(shè)定。寄存器初值與步進電機旋轉(zhuǎn)速度關(guān)系式為

(1)

其中，Ω(rad/s)為步進電機旋轉(zhuǎn)角頻率；D(步/圈)為電機驅(qū)動器細分值；CLK為系統(tǒng)工作頻率(100 MHz)；n為寄存器初始設(shè)定值。完成周期設(shè)定后開啟定時器，待產(chǎn)生中斷信號后進入中斷函數(shù)體，對脈沖信號端口寄存器狀態(tài)值進行取反操作，從而產(chǎn)生周期性TTL脈沖信號。在波帶整移過程中，對超過旋轉(zhuǎn)波片光學(xué)周期(90°)部分進行取余操作，優(yōu)化了電機轉(zhuǎn)動控制，減少步數(shù)，提高執(zhí)行效率。

2.2 位置信息存儲

圖3 電機信號生成模塊軟件流程

Fig.3 Motor signal generation module software flow

為提高嵌入式系統(tǒng)的集成度，本文在硬件設(shè)計部分加入了外置存儲芯片，用于保存步進電機的位置信息。存儲芯片選用FM25L256型鐵電存儲器，支持串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface, SPI)總線通信協(xié)議，存儲器陣列為8 × 237 68 bit共256 KB。在軟件設(shè)計中編寫對應(yīng)芯片驅(qū)動模塊，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫操作。驅(qū)動指令由8位操作代碼、16位地址碼以及數(shù)據(jù)構(gòu)成。設(shè)計時需申請臨時數(shù)據(jù)存儲空間，用于存放讀出或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)。為方便其他函數(shù)的調(diào)用，將該驅(qū)動代碼部分封裝為獨立的模塊，并留出相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口及操作模式接口。當(dāng)步進電機位置變動時，對其變動后的新位置進行存儲。控制器斷電重啟時，自動讀取斷電前保存的位置信息。除此之外，還可根據(jù)不同項目需求對其他配置信息進行存儲，例如濾光器控制中的線心位置信息存儲以及定天境軸系控制中的恒動、快動以及慢動速度值的存儲。

2.3 位置信號識別

為實現(xiàn)步進電機的閉環(huán)控制，通過霍爾傳感器標(biāo)識絕對位置(亦稱機械零位)，修正電機旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的位置誤差?；魻杺鞲衅鞅举|(zhì)是一種磁場傳感器，當(dāng)受控機械結(jié)構(gòu)上的磁塊運動至識別范圍時，霍爾信號管腳會產(chǎn)生由高到低的電平跳變信號。利用NIOSII的外部中斷機制識別該跳變信號，進而反饋至步進電機控制過程。為了提高信號識別的準(zhǔn)確性，在軟件中添加了濾波代碼，消除短時強磁場或電源電壓波動產(chǎn)生的干擾信號。

3 實驗結(jié)果

為驗證本設(shè)計的功能完備性、穩(wěn)定性以及控制精度，應(yīng)用該控制系統(tǒng)完成了多通道太陽磁場望遠鏡濾光器波帶控制系統(tǒng)(17路電機)的設(shè)計及升級工作，并對系統(tǒng)更換后的設(shè)備進行了相關(guān)測試驗證。圖4為多通道望遠鏡觀測波段線心位置標(biāo)定測量數(shù)據(jù)，圖中橫坐標(biāo)為濾光器定標(biāo)位置相對偏移量，縱坐標(biāo)為探測器接收光強值。從圖4可以看出，測量曲線光強變化平滑，未出現(xiàn)單級波片(電機)控制失效的情況；測量曲線與太陽譜線吻合度較高，已實現(xiàn)波帶整移(多通道同步控制)功能。圖5為不同波段太陽磁場測量結(jié)果，說明電機控制系統(tǒng)達到了太陽觀測系統(tǒng)所需的控制精度。目前系統(tǒng)運行穩(wěn)定，并已承擔(dān)相關(guān)科研觀測工作。

圖4 (a) 517.3 nm，(b) 525 nm，(c) 524.7 nm線心標(biāo)定結(jié)果

Fig.4 Line center position

圖5 (a) 517.3 nm，(b) 525 nm，(c) 524.7 nm磁場測量數(shù)據(jù)

Fig.5 Solar magnetic field measurement data

4 結(jié) 論

采用可編程邏輯器件，結(jié)合知識產(chǎn)權(quán)核以及片上處理系統(tǒng)設(shè)計概念，實現(xiàn)了多軸步進電機控制系統(tǒng)設(shè)計。在研究過程中解決了信號識別不準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)掉電存儲以及通信過程數(shù)據(jù)丟失等問題，目前所研制的控制器單板可實現(xiàn)對12路步進電機閉環(huán)控制，且可以多塊控制器并聯(lián)使用，縮減控制系統(tǒng)的整體體積。已使用該系統(tǒng)實現(xiàn)了懷柔觀測基地多通道太陽望遠鏡濾光器波帶控制系統(tǒng)設(shè)計(17路步進電機)，新疆溫泉縣磁場望遠鏡濾光器波帶控制系統(tǒng)設(shè)計以及北京師范大學(xué)太陽塔定天境軸系控制系統(tǒng)的設(shè)計。

致謝：系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試過程得到國家天文臺懷柔觀測基地張洋、王丙祥、汪國萍等同事的大力支持，在此深表感謝。本系統(tǒng)研制過程中使用了國家天文臺所級公共技術(shù)服務(wù)中心高精度電子學(xué)系統(tǒng)研制測試平臺相關(guān)設(shè)備。