太陽射電望遠鏡自動觀測控制平臺的研究與設計

王 冉，殷興輝

（河海大學 計算機與信息學院，江蘇 南京 211100）

目前，大型射電望遠鏡項目在各國都得到了普遍的重視，在射電望遠鏡的外形不斷向著高精度、大口徑發展的同時，人們對于射電望遠鏡的觀測控制要求也越來越高，當下，射電望遠鏡的控制觀測技術也已經開始朝著方便化、自動化、智能化方向前進。20世紀90年代，隨著計算機技術和嵌入式系統的不斷發展和完善，射電望遠鏡的控制也由手動控制轉向計算機自動化控制[1]，而且還會配有使人易懂的圖形化界面，這使得射電望遠鏡的自動化控制程度越來越高，越來越精確。換句話說，觀測者現在足不出戶的坐在計算機面前就可以完成使用射電望遠鏡觀測天體的任務。本文提出了一種太陽射電望遠鏡自動觀測控制平臺的整體解決方案。

1 太陽射電望遠鏡及其自動跟蹤原理

1.1 太陽射電望遠鏡原理

太陽射電望遠鏡不同于一般的光學望遠鏡，它不是通過光線而是通過太陽發射出的無線電波來觀測太陽。設在露天的拋物面反射天線，把它所接收到的從太陽上發出的微弱電波傳到室內的接收機里，接收機再把電波放大并自動記錄下來。根據這些記錄，就可以研究太陽活動的情況，掌握太陽輻射能量的規律變化，來分析這些變化對地球的影響。

1.2 太陽射電望遠鏡自動跟蹤原理

我們可以將太陽的移動視為勻速運動，太陽的運動是由兩個方向上的運動合成的，即水平方向和垂直方向。因為太陽每天的運動軌跡不同，因此，我們使用了自動捕獲其運動軌跡的方法，其方法為：手動按鍵，使望遠鏡隨太陽一起運動，在此過程中，計算機可以記錄和累加望遠鏡在水平方向和垂直方向上移動步距、移動方向和跟隨的移動時間。由此可以推算出射電望遠鏡在水平方向和垂直方向上的移動速率，經過計算換算成此速率下所對應的控制脈沖數，由此控制兩個方向的電機轉動，從而實現對太陽的自動跟蹤[2]。

2 系統總體設計

太陽射電望遠鏡自動跟蹤系統主要由上位機、下位機、接收天線、轉臺等部分組成。其中，轉臺由方位控制電機和俯仰控制電機[3]兩部分組成，可以進行兩方向自由度轉動。系統原理圖如圖1所示。

圖1 系統原理圖Fig.1 The diagram of system principle

圖1 中，上位機主要負責控制下位機的工作狀態，并對下位機上傳的數據進行處理、顯示以及存儲。下位機主要是MSP430F169，主要負責控制天線的運動以及對數據的采集。

3 下位機設計

太陽射電望遠鏡實現自動觀測的關鍵點是協調天線系統與接收機系統，望遠鏡的控制系統不僅要控制驅動天線轉臺，保證望遠鏡的天線在觀測過程中始終對準太陽，而且控制系統還應在望遠鏡的天線對準太陽后立即采樣收集望遠鏡接收機的輸出信號，并送往上位機供上位機軟件進行處理，由上位機計算出太陽的實時天線溫度，從而達到自動觀測的目的。

本設計中采用美國德州儀器公司 （TI） 推出的MSP430F169微處理器，430F169集成了 16位 RISC結構CPU，外設和靈活的時鐘系統，與其他單片機相比MSP430F169大大縮小了產品的體積與成本，并且采用多種低功耗節能工作模式。采用兩片單片機協同工作的方式來實現其功能。由此，望遠鏡控制和采集信號的任務就可以由每一片單片機單獨完成。本論文中負責其控制轉臺轉動的單片機我們稱之為主單片機，而負責信號采集的單片機我們稱之為從單片機。主單片機和從單片機分別有RS485通信線連接到上位機。主單片機接收上位機通過RS485發送的各種控制命令，同時也將天線當前的位置發送回上位機。而從單片機根據主單片機的指示，適時的通過RS485通信線向上位機發送所采集到的數據信號[4]。

3.1 主單片機設計

主單片機的控制流程圖如圖2所示。

主單片機主要負責有關太陽射電望遠鏡控制的任務：

1）驅動轉臺；

2）俯仰及方位計數；

3）轉臺限位。

首先要對時鐘進行設置，這里我們將時鐘設置為高頻時鐘源XT2CLK，也就是外接的8 MHz晶振。再次，設置I/O端口。此論文中使用的端口及其方向控制如表1所示。

圖2 主單片機控制流程圖Fig.2 Master MCU control flowchart

表1 端口及其方向控制Tab.1 Port and direction control

本論文中串行通信端口的設置為：串口波特率為115 200 bps，1位起始位，8位數據位，無校驗位。還使用了3個中斷，分別是P2端口中斷、串行通信中斷和16位定時器A中斷。單片機所有的初始化完成以后，程序就進入循壞等待狀態。只有上位機發送控制命令時，程序才會進入相應的俯仰控制程序、方位控制程序或從單片機控制程序。

3.2 從單片機的設計

從單片機在觀測太陽的過程中需要不停的采集接收機輸出電壓信號，并將這些信號發送至上位機，其次還要采集天線溫度值。溫度采集模塊使用了一片溫度傳感器DS18B20。從單片機與主單片機一樣，都要進行時鐘、端口等等的設置。其流程圖如圖3所示。

圖3 下位機流程圖Fig.3 Lower flowchart

接收機輸出信號采集模塊完成對接收機輸出信號的采樣，采樣率為100 Hz。接收機輸出信號的電壓范圍是0～5 V，然而由于數字衰減器的延時，太陽有顯著活動時，接收機的輸出信號可能大于5 V。另外，為避免接收機輸出信號在傳輸過程中引入干擾，需要在運算放大器的前端加RC低通濾波器濾除干擾。接收機輸出信號調理模塊電路如圖4所示，圖中信號線ADC1即為接收機輸出信號。其采集到的數值會在上位機界面顯示。

圖4 接收機輸出信號調理電路模塊Fig.4 Receiver output signal acquisition module

4 上位機界面設計與顯示

Visual C++6.0，簡稱VC或者VC6.0，是微軟推出的一款C++編譯器，將“高級語言”翻譯為“機器語言（低級語言）”的程序。Visual C++6.0是一個功能強大的可視化軟件開發工具。使用其開發的Windows平臺應用程序有著無可比擬的優勢。太陽射電望遠鏡上位機的控制界面即采用Visual C++6.0，并利用MFC的單文檔視圖框架構建了整個上位機的界面[5]。在軟件界面的顯示方面不僅有自動跟蹤，而且還有手動觀測、天線校零、天線收藏等。因此選擇使用基于CFormView的單文檔框架。

太陽射電望遠鏡自動控制平臺的軟件界面如圖5所示。

圖5 軟件界面顯示圖Fig.5 Software interface

此界面共有5個模塊分別是天線控制按鈕、當前天線溫度動態顯示窗口、全天天線溫度觀測動態顯示窗口、當前太陽位置理論值、太陽運動軌跡模擬窗口。

如圖6（a）是天線控制按鈕圖，通過按動按鈕上位機就會把命令發送給下位機，下位機接收到相應的命令后會控制天線相應的轉動。天線控制按鈕有自動跟蹤[6]、天線校零、天線收藏等等。

如圖 6（b）是當前天線溫度動態顯示窗口，該窗口縱坐標顯示天線溫度的變化，采用絕對溫標，單位為開爾文（K）；橫坐標軸為時間，其時間采用協調世界時，時間寬度為200秒。橫坐標軸采用滾動方式顯示，每當下位機有接收機輸出信號發送至上位機，上位機即據此計算出天線溫度值，并顯示于窗口之中。

如圖 6（c）是全天天線溫度觀測動態顯示窗口，該窗口顯示全天的天線溫度記錄曲線。縱坐標也是顯示天線溫度的變化，橫坐標軸仍是時間，但時間寬度為1個小時40分鐘，其記錄世界協調時的00:00-10:00，也就是我們現在的08：00-18：00即白天的時間范圍。

如圖 6（d）是該部分顯示太陽的理論位置，在太陽射電望遠鏡自動跟蹤觀測的過程中，用戶必須了解到太陽射電望遠鏡的天線是否正確地對準天體。太陽理論位置給用戶使用射電望遠鏡自動跟蹤太陽時提供了一個參考標準。我們選擇地理經度為118.78°，地理緯度為23.50°的觀測點（采用地平坐標系），時間是在2014年3月27日11時33分59秒。圖中AD值即為接收機采集信號采集的值，其單位為毫伏。

如圖 6（e）是太陽運動軌跡模擬窗口，此窗口有兩種顯示方式。一是自動跟蹤觀測太陽時，它實時顯示當前天線所對準的太陽位置。二是沒有進行觀測太陽時，它可以演示太陽的運動軌跡。單擊”開始演示”后，中間曲線圖的圓點代表著太陽，當前的這一天這個圓點沿著此虛線移動，這就是太陽的運動軌跡圖。上面的虛線代表夏至日的太陽運動軌跡，下面的虛線代表冬至日的太陽運動軌跡[7]。

圖6 上位機界面顯示分解圖Fig.6 PCinterface shows an exploded view

5 結 論

本文在實驗室射電望遠鏡頻譜儀的基礎上，提出了一種太陽射電望遠鏡觀測平臺控制界面，完成了一系列的上位機控制下位機，下位機控制主從單片機[8-9]，單片機控制方位和俯仰電機的轉動，從而實現了自動跟蹤觀測太陽的目的，提出了一個既方便又利于理解的控制界面，真正實現了觀測者足不出戶的坐在計算機面前就可以完成使用太陽射電望遠鏡觀測天體的任務。

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