一种大气相干长度测量仪机架控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种大气相干长度测量仪机架控制系统，包括中央控制器，中央控制器通过串行通讯口与上位机通讯连接，中央控制器通过方位轴驱动器与方位轴步进电机连接、通过俯仰轴驱动器与俯仰轴步进电机连接、通过调焦驱动器与调焦步进电机连接，方位轴编码器、俯仰轴编码器分别接入中央控制器。本发明主要应用于整层大气相干长度测量仪的机架控制，实现定位、跟踪及调焦功能。
【专利说明】一种大气相干长度测量仪机架控制系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及大气相干长度测量仪领域，具体是一种大气相干长度测量仪机架控制 系统。
【背景技术】
[0002] 激光在湍流大气中传输时，由于大气中折射率起伏导致光波阵面畸变，引起光束 漂移、光斑扩展和光强起伏等湍流效应。描述湍流效应时，广泛使用的参数为大气相干长度 (用r0表不），大气相干长度描述了传输路径上的综合湍流强度，是用于激光大气传输和自 适应光学研究的重要参量。
[0003] 整层大气相干长度测量仪，根据差分像运动原理通过观测恒星测量整层大气相干 长度。为实现整层大气相干长度的测量，要求大气相干长度测量仪具有实时跟踪恒星的功 能，同时，为了能够通过望远镜观测到恒星，并通过CCD成像测量相干长度，一般需要望远 镜焦距较长，因此CCD视场往往很小，这就要求大气相干长度测量仪具有较高的跟踪和定 位精度。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种大气相干长度测量仪机架控制系统，以实现大气相干长 度测量仪定位、跟踪及调焦功能。
[0005] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
[0006] -种大气相干长度测量仪机架控制系统，其特征在于：包括中央控制器，所述中 央控制器通过串行通讯口与上位机通讯连接，还包括与大气相干长度测量仪方位轴传动连 接的方位轴步进电机、与大气相干长度测量仪俯仰轴传动连接的俯仰轴步进电机、与大气 相干长度测量仪调焦轴传动连接的调焦步进电机，以及安装在方位轴处的方位轴编码器、 安装在俯仰轴处的俯仰轴编码器，所述中央控制器通过方位轴驱动器与方位轴步进电机连 接、通过俯仰轴驱动器与俯仰轴步进电机连接、通过调焦驱动器与调焦步进电机连接，所述 方位轴编码器、俯仰轴编码器分别接入中央控制器；
[0007] 所述中央控制器通过串行通讯口与上位机通讯，上位机发送定位位置或运行速度 信号至中央控制器，同时中央控制器把当前的位置和运行速度返回给上位机；
[0008] 所述中央控制器分两路分别控制方位轴和俯仰轴，一路控制方位轴步进电机驱动 器，进而控制方位轴步进电机，同时中央控制器通过方位轴编码器获得方位轴的位置及速 度信息；另一路控制俯仰轴步进电机驱动器，进而控制俯仰轴步进电机，同时中央控制器通 过俯仰轴编码器获得俯仰轴的位置及速度信息。
[0009] 所述中央控制器通过控制调焦步进电机驱动器，进而控制步进电机来调节望远镜 的焦距。
[0010] 所述的一种大气相干长度测量仪机架控制系统，其特征在于：还包括接入中央控 制器的控制手柄，中央控制器通过读取控制手柄的输入信号，实现手动控制机架的方位轴、 俯仰轴及焦距调节。
[0011] 所述的一种大气相干长度测量仪机架控制系统，其特征在于：所述中央控制器 型号为dsPIC33FJ128GP710A的带有DSP内核的单片机U1，方位轴驱动器与俯仰轴驱 动器均为型号为THB7128的步进电机驱动器U2,方位轴步进电机与俯仰轴步进电机均 为型号为42HS4813A4的两相步进电机U3,方位轴编码器和俯仰轴编码器均为型号为 AAM3810-1212-SDSGGA的绝对型多圈编码器U7,其中：
[0012] 单片机U1的RD12脚分别与步进电机驱动器U2的CW/CCW脚相连，单片机U1的 0C3脚分别与步进电机驱动器U2的CLK脚相连，单片机U1的RD6脚分别与步进电机驱动器 U2的ENABLE脚相连，单片机U1的RD13脚、RD4脚、RD5脚分别与步进电机驱动器U2的Ml 脚、M2脚、M3脚--对应相连；
[0013] 两相步进电机U3 -个绕组的两个输出端INB1与INB2分别--对应与步进电机 驱动器U2的0UT1B脚、0UT2B脚连接，两相步进电机U3另一个绕组的两个输出端INA1、INA2 分别--对应与步进电机驱动器U2的0UT1A脚、0UT2A脚连接。
[0014] 所述的一种大气相干长度测量仪机架控制系统，其特征在于：所述方位轴编码器、 俯仰轴编码器均为型号为AAM3810-1212-SDSGGA的绝对型多圈编码器U7,单片机U1通过型 号为DS8921的差分收发器U6与编码器U7连接，其中单片机U1的RB2脚与差分收发器U6 的DI脚连接，单片机U1的RB3脚与差分收发器U6的R0脚连接，差分收发器U6的RI+脚、 RI-脚分别与编码器U7的DATA+脚、DATA-脚一一对应连接，差分收发器U6D0+脚、D0-脚 分别与编码器U7的CLK+脚、CLK-脚--对应连接。
[0015] 所述的一种大气相干长度测量仪机架控制系统，其特征在于：所述调焦驱动器为 型号为ULN2003的达林顿管阵列U4,调焦步进电机为型号为28BYJ48的步进电机U5,单片 机U1的RA2脚-RA5脚与达林顿管阵列U4的IN1脚-IN4脚--对应连接，达林顿管阵列 U4的0UT1脚-0UT4脚与步进电机U5的A脚、B脚、C脚、D脚--对应连接。
[0016] 本发明采用带有DSP内核的单片机做系统的中央控制器，具有计算能力强、控制 灵活、体积小、抗干扰能力强的特点。采用步进电机驱动方位轴和俯仰轴，具有控制简单、体 积小巧、易于集成的特点。采用多圈绝对型编码器作为速度和位置检测元件，稳定可靠，精 度高，同时位置掉电不丢失的特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1为本发明电路原理框图。
[0018] 图2为本发明中方位轴、俯仰轴控制电路原理简图。
[0019] 图3为本发明调焦轴控制电路原理简图。
【具体实施方式】
[0020] 如图1所示。一种大气相干长度测量仪机架控制系统，包括中央控制器，中央控制 器通过串行通讯口与上位机通讯连接，还包括与大气相干长度测量仪方位轴传动连接的方 位轴步进电机、与大气相干长度测量仪俯仰轴传动连接的俯仰轴步进电机、与大气相干长 度测量仪调焦轴传动连接的调焦步进电机，以及安装在方位轴处的方位轴编码器、安装在 俯仰轴处的俯仰轴编码器，中央控制器通过方位轴驱动器与方位轴步进电机连接、通过俯 仰轴驱动器与俯仰轴步进电机连接、通过调焦驱动器与调焦步进电机连接，方位轴编码器、 俯仰轴编码器分别接入中央控制器；
[0021] 中央控制器通过串行通讯口与上位机通讯，上位机发送定位位置或运行速度信号 至中央控制器，同时中央控制器把当前的位置和运行速度返回给上位机；
[0022] 中央控制器分两路分别控制方位轴和俯仰轴，一路控制方位轴步进电机驱动器， 进而控制方位轴步进电机，同时中央控制器通过方位轴编码器获得方位轴的位置及速度信 息；另一路控制俯仰轴步进电机驱动器，进而控制俯仰轴步进电机，同时中央控制器通过俯 仰轴编码器获得俯仰轴的位置及速度信息。
[0023] 中央控制器通过控制调焦步进电机驱动器，进而控制步进电机来调节望远镜的焦 距。
[0024] 还包括接入中央控制器的控制手柄，中央控制器通过读取控制手柄的输入信号， 实现手动控制机架的方位轴、俯仰轴及焦距调节。
[0025] 如图2所示。中央控制器型号为dsPIC33FJ128GP710A的带有DSP内核的单片机 U1，方位轴驱动器与俯仰轴驱动器均为型号为THB7128的步进电机驱动器U2,方位轴步进 电机与俯仰轴步进电机均为型号为42HS4813A4的两相步进电机U3,方位轴编码器和俯仰 轴编码器均为型号为AAM3810-1212-SDSGGA的绝对型多圈编码器U7,其中：
[0026] 单片机U1的RD12脚分别与步进电机驱动器U2的CW/CCW脚相连，单片机U1的 0C3脚分别与步进电机驱动器U2的CLK脚相连，单片机U1的RD6脚分别与步进电机驱动器 U2的ENABLE脚相连，单片机U1的RD13脚、RD4脚、RD5脚分别与步进电机驱动器U2的Ml 脚、M2脚、M3脚--对应相连；
[0027] 两相步进电机U3 -个绕组的两个输出端INB1与INB2分别--对应与步进电机 驱动器U2的0UT1B脚、0UT2B脚连接，两相步进电机U3另一个绕组的两个输出端INA1、INA2 分别--对应与步进电机驱动器U2的0UT1A脚、0UT2A脚连接。
[0028] 方位轴编码器、俯仰轴编码器均为型号为AAM3810-1212-SDSGGA的绝对型多圈编 码器U7,单片机U1通过型号为DS8921的差分收发器U6与编码器U7连接，其中单片机U1 的RB2脚与差分收发器U6的DI脚连接，单片机U1的RB3脚与差分收发器U6的R0脚连 接，差分收发器U6的RI+脚、RI-脚分别与编码器U7的DATA+脚、DATA-脚一一对应连接， 差分收发器U6D0+脚、D0-脚分别与编码器U7的CLK+脚、CLK-脚一一对应连接。
[0029] 如图3所示。调焦驱动器为型号为ULN2003的达林顿管阵列U4,调焦步进电机为型 号为28BYJ48的步进电机U5,单片机U1的RA2脚-RA5脚与达林顿管阵列U4的IN1脚-IN4 脚--对应连接，达林顿管阵列U4的0UT1脚-0UT4脚与步进电机U5的A脚、B脚、C脚、D 脚一一对应连接。
[0030] 方位轴和俯仰轴的控制结构相同，控制方式：上位机通过串行通讯口将控制指令 发送给单片机，单片机将控制指令转换为控制步进电机驱动器运行的脉冲信号及分频比控 制信号，进而控制步进电机按照控制指令要求运行。同时，单片机采集编码器的值，通过计 算得到当前的绝对位置和运行速度，并通过串口将绝对位置和运行速度返回给上位机。上 位机控制指令包括位置定位指令和运行速度指令。位置定位指令：用于跟踪目标（恒星） 的快速切换。运行速度指令：根据实时计算的跟踪目标（恒星）速度，控制方位轴和俯仰轴 按照给定速度运行。
[0031] 如图2所示，单片机U1型号为dsPIC33FJ128GP710A，步进电机驱动器U2型号为 THB7128,两相步进电机U3型号为42HS4813A4,差分收发器U6型号为DS8921，绝对型多圈 编码器 U7 型号为 AAM3810-1212-SDSGGA。
[0032] 1、单片机选用Microchip公司的dsPIC33FJ128GP710A，是一款带DSP功能的高性 能单片机，最高40MIPS的工作速度，外围接口电路丰富，带12位高精度A/D转换器，多路 PWM输出等。
[0033] 2、步进电机驱动器选用THB7128,具有以下特点：双全桥M0SFET驱动，低导通电 阻；最高耐压4(^0(：，大电流3.3 4(峰值）；多种细分可选（1、1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、 1/64U/128);自动半流锁定功能；内置混合式衰减模式；内置输入下拉电阻；内置温度保 护及过流保护。
[0034] 3、步进电机可选用无锡三拓生产的型号为42HS4813A4的步进电机。
[0035] 4、差分收发器可选用DS8921，它是一款基于RS-422规范的差分收发器。
[0036] 5、编码器可选用艾研机电生产的型号为AAM3810-1212-SDSGGA的绝对型多圈编 码器，该编码器是一个4096*4096的多圈绝对型编码器，采用SSI接口与外部通讯，工作电 压为10 - 30伏。
[0037] 实施方式如下：
[0038] 单片机U1的79 (RD12)脚与步进电机驱动器U2的2 (CW/CCW)脚相连，用于控制步 进电机的正反转方向。单片机U1的77 (0C3)脚与步进电机驱动器U2的3 (CLK)脚相连，用 于控制步进电机的运行频率。单片机U1的83 (RD6)脚与步进电机驱动器U2的19 (ENABLE) 脚相连，用于控制步进电机驱动器的使能端。单片机U1的80(RD13)脚、81 (RD4)脚、82(RD5) 脚分别与步进电机驱动器U2的16 (Ml)脚、17 (M2)脚、18 (M3)脚相连，用于控制步进电机驱 动器U2的分频比。
[0039] INB1与INB2对应步进电机U3 -个绕组的两个输出端，INA1与INA2对应步进电 机U3另外一个绕组的两个输出端。步进电机驱动器U2的7(0UT2B)脚与步进电机U3的 1(INB2)脚相连，步进电机驱动器U2的9(0UT1B)脚与步进电机U3的2(INB1)脚相连，步 进电机驱动器U2的11 (0UT2A)脚与步进电机U3的3 (INA2)脚相连，步进电机驱动器U2的 13(0UT1A)脚与步进电机U3的4(INA1)脚相连。
[0040] 单片机U1的22(RB3)脚与差分收发器U6的2(R0)脚相连，用于单片机U1接收编 码器数据。单片机U1的23 (RB2)脚与差分收发器U6的3 (DI)脚相连，用于单片机U1输出 时钟给编码器。差分收发器U6的8(RI+)脚、7(RI_)脚分别与编码器U7的3ΦΑΤΑ+)脚、 4 (DATA-)脚相连，用于编码器U7数据输出。差分收发器U6的6 (D0+)脚、5 (D0-)脚分别与 编码器U7的1(CLK+)脚、2(CLK_)脚相连，用于编码器U7时钟输入。
[0041] 调焦的执行由单片机U1控制步进电机U5完成。上位机通过串口将调焦信息发送 给单片机U1，单片机U1根据这些信息产生控制步进电机U5运行的速度和方向信号，进而控 制调焦的步进电机U5按照给定的速度和方向运行。
[0042] 如图3所示，达林顿管阵列U4型号为ULN2003,步进电机U5型号为28BYJ48。
[0043] 这里可选用的步进电机U5是28BYJ48,它是5V电压驱动的4相5线步进电机，该 步进电机的运行电流为200晕安左右，是一款体积小巧的减速步进电机，减速比为1 :64,步 进角为5. 625/64度。转动1圈，需要360/5. 625*64 = 4096个脉冲信号。正转的通电顺 序：AB组一BC组一CD组一DA组；反转的通电顺心：AB组一AD组一CD组一CB组。
[0044] 选用的步进电机驱动器为达林顿管阵列U4。
[0045] 实施方式如下：
[0046] 单片机U1的58 (RA2)脚与达林顿管阵列U4的1 (IN1)脚相连。单片机U1的 59 (RA3)脚与达林顿管阵列U4的2 (IN2)脚相连。单片机U1的60 (RA4)脚与达林顿管阵列 U4的3 (IN3)脚相连。单片机U1的61 (RA5)脚与达林顿管阵列U4的4 (IN4)脚相连。
[0047] 达林顿管阵列U4的16 (0UT1)脚与步进电机U5的1 (A)脚相连，达林顿管阵列U4 的15 (0UT2)脚与步进电机U5的2 (B)脚相连，达林顿管阵列U4的14 (0UT3)脚与步进电机 U5的3 (C)脚相连，达林顿管阵列U4的13 (0UT4)脚与步进电机U5的4 (D)脚相连。
[0048] 控制手柄用来手动控制机架的方位轴、俯仰轴及焦距的调节。一共有八个按键，分 别是"上"、"下"、"左"、"右"、"调焦+"、"调焦速度+"、"速度"上"、"下"键用于控 制俯仰轴，"左"、"右"键用于控制方位轴，"调焦+"、"调焦用于控制焦距调节。"速度+"、 "速度键用于控制方位轴、俯仰轴及焦距调节的运行速度。
[0049] 控制手柄通过编码的方式与单片机通讯，采用这种方式的好处是既可以通过导线 连接的有线方式通讯，也可以通过红外遥控的方式通讯。其编码格式为：引导码+速度码+ 按键码+校验码+延时。
[0050] 1、数据" 0 " ： 380us高电平+380us低电平；
[0051] 2、数据 "l"：380us 高电平+1350us 低电平；
[0052] 3、引导码：3640us高电平+1800us低电平；
[0053] 4、速度码：速度码是一个8位的数据，将速度分为10个等级，编译成10个速度编 码，通过"速度+"、"速度键来调整速度等级，速度编码如下：
[0054]
【权利要求】
1. 一种大气相干长度测量仪机架控制系统，其特征在于：包括中央控制器，所述中央 控制器通过串行通讯口与上位机通讯连接，还包括与大气相干长度测量仪方位轴传动连接 的方位轴步进电机、与大气相干长度测量仪俯仰轴传动连接的俯仰轴步进电机、与大气相 干长度测量仪调焦轴传动连接的调焦步进电机，以及安装在方位轴处的方位轴编码器、安 装在俯仰轴处的俯仰轴编码器，所述中央控制器通过方位轴驱动器与方位轴步进电机连 接、通过俯仰轴驱动器与俯仰轴步进电机连接、通过调焦驱动器与调焦步进电机连接，所述 方位轴编码器、俯仰轴编码器分别接入中央控制器； 所述中央控制器通过串行通讯口与上位机通讯，上位机发送定位位置或运行速度信号 至中央控制器，同时中央控制器把当前的位置和运行速度返回给上位机； 所述中央控制器分两路分别控制方位轴和俯仰轴，一路控制方位轴步进电机驱动器， 进而控制方位轴步进电机，同时中央控制器通过方位轴编码器获得方位轴的位置及速度信 息；另一路控制俯仰轴步进电机驱动器，进而控制俯仰轴步进电机，同时中央控制器通过俯 仰轴编码器获得俯仰轴的位置及速度信息；所述中央控制器通过控制调焦步进电机驱动 器，进而控制步进电机来调节望远镜的焦距。
2. 根据权利要求1所述的一种大气相干长度测量仪机架控制系统，其特征在于：还包 括接入中央控制器的控制手柄，中央控制器通过读取控制手柄的输入信号，实现手动控制 机架的方位轴、俯仰轴及焦距调节。
3. 根据权利要求1所述的一种大气相干长度测量仪机架控制系统，其特征在于：所述 中央控制器型号为dsPIC33FJ128GP710A的带有DSP内核的单片机U1，方位轴驱动器与俯 仰轴驱动器均为型号为THB7128的步进电机驱动器U2,方位轴步进电机与俯仰轴步进电 机均为型号为42HS4813A4的两相步进电机U3,方位轴编码器和俯仰轴编码器均为型号为 AAM3810-1212-SDSGGA的绝对型多圈编码器U7,其中： 单片机U1的RD12脚分别与步进电机驱动器U2的CW/CCW脚相连，单片机U1的0C3脚 分别与步进电机驱动器U2的CLK脚相连，单片机U1的RD6脚分别与步进电机驱动器U2的 ENABLE脚相连，单片机U1的RD13脚、RD4脚、RD5脚分别与步进电机驱动器U2的Ml脚、M2 脚、M3脚--对应相连； 两相步进电机U3 -个绕组的两个输出端INB1与INB2分别--对应与步进电机驱动 器U2的0UT1B脚、0UT2B脚连接，两相步进电机U3另一个绕组的两个输出端INAUINA2分 别--对应与步进电机驱动器U2的0UT1A脚、0UT2A脚连接。
4. 根据权利要求3所述的一种大气相干长度测量仪机架控制系统，其特征在于：所述 方位轴编码器、俯仰轴编码器均为型号为AAM3810-1212-SDSGGA的绝对型多圈编码器U7， 单片机U1通过型号为DS8921的差分收发器U6与编码器U7连接，其中单片机U1的RB2脚 与差分收发器U6的DI脚连接，单片机U1的RB3脚与差分收发器U6的R0脚连接，差分收 发器U6的RI+脚、RI-脚分别与编码器U7的DATA+脚、DATA-脚一一对应连接，差分收发器 U6D0+脚、DO-脚分别与编码器U7的CLK+脚、CLK-脚--对应连接。
5. 根据权利要求3所述的一种大气相干长度测量仪机架控制系统，其特征在于：所述 调焦驱动器为型号为ULN2003的达林顿管阵列U4,调焦步进电机为型号为28BYJ48的步进 电机U5,单片机U1的RA2脚-RA5脚与达林顿管阵列U4的IN1脚-IN4脚--对应连接，达 林顿管阵列U4的0UT1脚-0UT4脚与步进电机U5的A脚、B脚、C脚、D脚--对应连接。
【文档编号】G01J9/00GK104156008SQ201410361420
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】谭逢富, 何枫, 张巳龙, 侯再红, 吴毅 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院