一種簡易單星模擬器控制電路的設計

胡迪 黃偉

（四川大學，四川 成都 610065）

星模擬器是一種能模擬星體色溫與星等的裝置，它作為星敏感器的地面標定設備，為星敏感器在實驗室中模擬了真實的太空環境，可對星敏感器進行測試與標定。相較于星敏感器進行太空軌道測試與標定，降低了實驗風險性，也節省了經費開支[1]。常見星模擬器主要有兩種類型，一種是通過分段光譜合成的模擬器[2，3]，采用該方法合成的光譜與普朗克黑體輻射曲線吻合度較高，但由于采用多路合成，其體積較大、成本較高。另一種是采用發光二極管等窄帶光源或用窄帶濾光片產生的色溫，采用該方法產生的色溫其光譜帶寬較窄，但由于其裝置簡單、成本低，也在一些場合得到應用。本設計中的單星模擬器即為后一種類型。

1 單星模擬器基本結構

單星模擬器基本結構如圖1 所示，由光源發出光線耦合進傳光光纖后經準直鏡準直為平行光，經安裝于滾輪式濾光片座上的帶通濾光片濾光，形成窄帶光束。雖然每只滾輪式濾光片座上可分別安裝6 片濾光片，但實際使用時每只滾輪式濾光片座上只安裝5 片，在用其中一只滾輪式濾光片座上的濾光片濾光時，另一只滾輪式濾光片座則轉到未安裝濾光片的位置，以保證同時只有一片濾光片在濾光。這樣，該裝置最大只能產生10 種不同色溫。

圖1 單星模擬器結構圖

經過帶通濾光片的光線再通過兩片漸變中性密度濾光片后形成不同的星等。兩片漸變中性密度濾光片中的一片用于將不同色溫的光強進行歸一化，即根據不同色溫相同星等的實際光強值來調整漸變中性密度濾光片的位置，使不同色溫的光線通過該漸變中性密度濾光片后的星等都相同。另一片漸變中性密度濾光片用于實現不同星等。

光線經漸變中性密度濾光片后通過透鏡匯聚進入光纖，光纖的另一端接入平行光管則可模擬出無窮遠處的星體的色溫與星等。

2 電路總體設計

由圖1 可以看出，本單星模擬器需要4 個電機用于轉動滾輪式濾光片座和漸變中性密度濾光片來形成不同的色溫和星等，電機的旋轉角位移可以通過編碼器獲得。為達到設計要求，電機均選擇了基本步距角為0.36°的高分辨率型5 相步進電機CRK546PMPB，其配套驅動器為CRD5107PB，該驅動器能實現最大250 倍的細分。編碼器選擇了2500 線，帶零位的增量式編碼器，型號為HES-25-2MHT。

由于系統中有4 路電機和4 路編碼器信號都需要定時器來驅動和讀取信號，用1 片單片機來實現比較困難，于是選用了兩片STM32F103C8T6 分別控制兩路步進電機及讀取兩路編碼器信號，兩單片機之間通過串行通訊口進行通訊。STM32F103C8T6 是32 位的微控制芯片，其工作電壓為2～3.6V，頻率為72MHz，它的閃存高達1MB。32 位閃存微控制器工作時具有低功率、低電壓，并結合了實時功能的極佳性能。另外選用了專用的驅動芯片TM1650 來接收系統中的15 個按鍵信號及點亮15 只LED 指示燈，該驅動芯片最大支持32 段顯示及28 個按鍵，并支持8 級顯示亮度調整。該模擬器既可通過按鍵設置色溫、星等又可通過上位機設置色溫、星等，并且系統標定需要上位機協同進行，所以系統采用RS422 串行通訊方式與上位機進行通訊。系統總體結構如圖2 所示。

圖2 電控系統組成

為便于軟件編寫，單片機MCU1 與MCU2 對編碼器信號的 讀 取 均 使 用TIM2、TIM4 的CH1、CH2，對電機驅動均使用TIM1 的 CH2、CH4，MCU1 與MCU2 之間通訊均使用USART2。 這 樣 MCU1 只 比MCU2 多出了與上位機通訊（使用USART3）及按鍵顯示兩部分。在編寫軟件時，只要把與上位機通訊和按鍵顯示部分設置為條件編譯，寫的程序進行簡單設置后就可在MCU1 與MCU2 上通用，大大降低了軟件編寫的難度。

3 部分電路設計

3.1 電機控制電路

步進電機配套電機驅動器CRD5107PB 只需兩路控制信號輸入即可，其中一路為運行信號，當驅動器接收到一個脈沖信號后就會驅動步進電機走一步，在此使用定時器TIM1 的CH2、CH4 以PWM方式輸出脈沖，為提高電機運行速度及平穩性可在軟件設計時采用平滑加減速算法[4，5]。另一路控制信號為方向信號，用以控制電機正轉或反轉。驅動器的兩路控制信號均采用光電耦合器輸入，需要電流為7～20mA，因此采用集電極開路輸出方式驅動，其電路如圖3 所示。圖中信號SM1_PLS 為單片機輸出脈沖信號，SM1_DIR 為單片機輸出方向信號。

圖3 電機驅動電路

3.2 編碼器信號輸入

由于系統使用電機的電源電壓為24V，為簡化設計，選用的編碼器（HES-25-2MHT）工作電壓也可到24V。這樣，電機與編碼器都使用24V 作為電源，簡化了電源設計。但此時編碼器輸出兩路正交信號及零位信號均變為了24V 的信號，不能直接輸入到單片機。為此，用光電耦合器作為電平轉換器將24V 信號轉換為3.3V 信號，其電路如圖4 所示。

圖4 編碼器信號輸入電路

3.3 與上位機通訊電路

系統采用RS422 串行通訊方式與上位機進行通訊，為提高系統抗干擾能力，對輸入輸出信號進行了電磁隔離。如圖5 所示，單片機MCU1 輸入輸出的信號UART_RX、UART_TX 經ISO7221 隔離后通過協議轉換芯片MAX490 轉換為RS422 信號后輸出。ISO7221 是雙通道電容隔離數字隔離器，其兩個通道一左一右放置，采用SOIC 封裝，它支持3.3V 以及5.0V 的VCC 電壓。MAX490 是用于將RS-485 信號轉換為RS-422 信號的低功率轉換芯片，它具有一個接收器和一個驅動器，該驅動器的傳輸速度最高可達到2.5Mbps，且其擺率不會受到限制。

圖5 與上位機通訊電路

3.4 電源電路

本簡易單星模擬器控制電路系統中，由于電機及驅動器供電電壓為24V,所以選擇系統電源電壓為24V, 采用明緯24V150W 開關電源LRS-150-24。系統中其余部分電源電壓主要有5V 和3.3V，如電機光電耦合器輸入部分電壓為5V、顯示及按鍵驅動芯片TM1650 也需要5V 電源，而單片機、外部數據存儲器需要3.3V 電源,故需要降壓變換器將系統電壓轉換成可供其它電路元器件使用的電壓。為提高轉換效率，選用了DC-DC 芯片TPS5430 作為24V 轉5V 的電源芯片，此芯片輸入電壓高達36V, 典型效率為90%左右，且具有外圍電路簡單，控制精度高等特點，同時還具有過流保護以及熱關斷功能。圖6 為24V 轉5V 電路，由于TPS5430 內部參考電壓為1.22V, 所以要輸出5V 電壓R48 取10KΩ,R47 取3.24KΩ。另外，電路中需要的3.3V 由低壓差線性穩壓器LM1117-3.3 由5V 轉換得到。

圖6 電源電路

3.5 外部存儲電路

本單星模擬器系統需要進行存儲的數據較多，其中包括編碼器本身的位置表數據、星等及色溫標定所對應的編碼器位置表數據等，同時這些數據可能經常需要修改。

為此，本設計采用FRAM鐵電存儲器作為外部存儲系統，FRAM鐵電存儲器可讀寫次數高達1010次，比較適合數據需要經常修改的場合。它在工作工程中所需要的電壓較低，對其寫入數據時的功耗也較低，且它的寫入速度非常快。與EEPROM和Flash memory 相對比，其速度增加了1000 倍以上，而功耗降低了1000-10000 倍。FRAM作為全新的非揮發性存儲器，其速度快、復寫頻率高、功耗低，滿足本次設計的外部存儲要求。

本系統選擇2K 字節容量的MB85RS16 作為外部存儲芯片，它采用SPI 總線與單片機通訊。其電路圖如圖7所示。

圖7 外部存儲電路

4 結論

本簡易星模擬器控制電路結構簡單、工作穩定度高。控制電路采用雙單片機協同工作方式實現了4 個步進電機的驅動以及4 路編碼器信號的讀取，同時還具有按鍵、LED 指示燈以及與上位機通訊的能力。經實驗測量表明：本簡易星模擬器光強穩定度最大誤差為3.371%，星等模擬最大誤差為2.2%，滿足設計要求。