2018年03月23日 | 基于STM32的多色温多星等输出的单星模拟器设计

    随着近年来我国空间科学技术的快速发展，卫星、载人飞船等航天器需要更高的控制精度、可靠性和更长的寿命。星敏感器在各种航天器上大量应用，其性能指标直接影响到测量结果的可信度。单星模拟器是星敏感器的主要地面标定设备之一，所要实现的功能是在实验室内提供与单颗真实恒星在光度特性、光谱特性等方面趋于一致的模拟恒星[1-2]。传统单星模拟器大多体积大，精度低，稳定性不够好，可调节色温单一，实现星等范围小[3]。本项目采用模块化设计，将多束不同窄带光谱、不同强度的光线混合，并控制总体输出光强，最终实现不同等效黑体色温和不同星等。

    1 结构设计

    如图1 所示，单星模拟器系统总体结构由电源、光源、波段光强控制器、积分球、星等控制器、工控箱、PC 机7 部分组成。

    1.1 光源

    常见电光源有氙灯、钠灯、卤钨灯、汞灯等。氙灯辐射光谱能量分布与日光相接近,色温约6000K。连续光谱部分的光谱分布几乎与灯输入功率变化无关，在寿命期内光谱能量分布也几乎不变。氙灯具有发光谱线宽度相对较宽、光谱稳定性高、辐射功率单位时间变化小等优点，所以选择氙灯[4-5]。

    光源部分包括150W 氙灯、电源及控制器、反光罩、传光光纤输出耦合器等。

    1.2 波段光强控制器

    波段光强控制器，由光源经光纤输入光线扩束准直后通过由步进电机控制的可变光阑，再经过10%反射镜后汇聚输出。10%反射镜反射光线由光电池测量光强，通过控制板反馈控制步进电机。要将光源分成不同波长的光束，目前常见产生方式主要有发光二极管直接产生、电光源通过窄带滤波片产生等方式，由于现有发光二管存在输出光谱宽度窄(10~25 nm 半波长宽度)、某些特定中心波长不容易实现等原因，本设计中采用电光源通过窄带滤波片产生。

    由于需控制的窄带光源数量较多，且各部分结构基本相同，拟采用模块式设计，即设计13 路相同的“波段光强控制器”，如图2 所示，每一路都可实现对光的滤波、光强调整、使系统结构简化，减小故障率，便于测试与维修。每路为独立易拆换单元结构，由支架、窄带滤光片、分光镜、光电池、可变光阑、步进电机、步进电机驱动器、传光光纤输入输出耦合器、电信号处理模块(实现电机驱动控制、码盘及光电池信号处理和上位控制系统的RS-485 通信等功能)等部分组成，实现对各路色光光功率的控制，形成等效色温。由于峰值光谱范围中有部分到达外区，需要部分控制器中光学元件采用石英材料，其中3 路紫外，10 路可见光或红外。光源与波段光强控制器之间由一进多出(其中石英3 路，玻璃10 路)传光光纤连接，波段光强控制器与六棱镜之间由多进(其中石英3 路，玻璃10 路)一出传光光纤连接。所有“波段光强控制器”与光源、六棱镜、星等控制器、电

    源模块等安装于同一平台，通过RS485 的串行方式既可与控制电箱通信，也可与工控机通信。星等控制器的结构与波段光强控制器结构大体相同，主要区别是：增加由另一步进电机控制的衰减

    片阵列，实现大星等范围的调节。通过对输出光强的控制实现不同星等，需调整范围为~+6.5MI，采用可变光阑加衰减片阵列方式来实现，衰减片阵列实现固定的大比例衰减，实现误差在一个星等范围内，可变光阑实现一个星等范围内调节，可实现<1%的控制[6]。

    2 硬件电路部分

    如图3 所示，硬件电路由主控芯片STM32，电源模块，时钟、晶振、复位模块以及通信模块组成。

    2.1 微处理器

    微处理器是控制系统的核心，关系到整个系统的运行情况。经分析比较，本系统采用ST 公司基于

    cortex-M3 内核的STM32 处理器。cortex-M3 内核是专门用于设计高性能、低功耗、低成本、实时性嵌入式应用系统的处理器核，它在提升性能的同时，又提高代码密度的Thumb-2 指令集，同时也大幅度提高了中断响应的紧耦合嵌套向量中断控制器的性能，所有新功能都同时具有业界最优的功耗水平。

    STM32 是32 位CPU 的微控制器，主频可达72 MHz。有多达51 个快速I/O 端口，所有I/O 口均可

    以映像到16 个外部中断，几乎所有端口都允许5 V信号输入。每个端口都可以由软件配置成输出(推挽或开漏)、输入(带或不带上拉或下拉)或其他的外设功能口。2 个12 位模数转换器，16 个外部输入通道，转换速率可达1 MHz，转换范围为0~36 V;具有双采样和保持功能;内部嵌入有温度传感器，可方便地测量处理器温度值[7]。7 路通用DMA 存储器直接访问，可以管理存储器到存储器、设备到存储器和存储器到设备的数据传输，无须CPU 任何干预。通过DMA 可以使数据快速地移动，这就节省CPU 的资源来进行其他操作。支持标准的20 脚JTAG 仿真调试以及针对Cortex-M3 内核的串行单线调试(SWD)功能。通常默认的调试接口是JTAG 接口，内部包含7 个定时器。

    2.2 通信模块设计

    STM32 含有丰富的通信接口：3 个UART 异步串行通信接口、2 个I2C 接口、2 个SPI 接口、1 个

    CAN 接口和1 个USB 接口，为实现数据通信提供了保证。

    如图4 所示，本系统采用UART 异步串行通信接口与PC 通信。UART 首先将接收到的并行数据转

    换成串行数据来传输。消息帧从一个低位起始位开始，后面是5~8 个数据位，一个可用的奇偶位和一个或几个高位停止位。接收器发现开始位时它就知道数据准备发送，并尝试与发送器时钟频率同步。在接收过程中，UART 从消息帧中去掉起始位和结束位，对进来的字节进行奇偶校验，并将数据字节从串行转换成并行。

    如图4，采用SN75LBC184 芯片，它支持64 个节点，是一款具有瞬变电压抑制功能的差分收发器，具有内置高能量瞬变噪声保护装置。这种设计特点显著提高了抵抗数据同步传输电缆上瞬变噪声的可靠性。这类电路可提供可靠的低成本的直连数据线接口，不需要任何外部元件，适用于工业网络系统。   

    3 软件系统

    3.1 控制程序

    主控流程如图5 所示，控制程序主要包括光电池A/D 参数值的读写和电机驱动程序两部分。

    本设计将ADS1.2 集成开发环境作为软件开发工具，它是ARM 公司推出的ARM 核为控制器开发

    工具，是由包含汇编器、C/C++编译器和连接器的代码生成工具[8]。

    3.2 界面

    为了方便灵活地设置参数，并调试电路板中各项控制数值，使用delphi7 编写“单星模拟器控制界

    面”。由于上位机CPU 与下位机(ARM)的工作频率相差很大，且控制无高速要求，为保证通信可靠性，软件对通信设定了一系列延时，例如当下位机超过300 ms 无应答时，软件才判定通信为超时。如图6 所示，界面既可进行色温设置、星等设置、系统全面诊断、初始化等总体操作，又可通过超级校验码验证后对各个单独的模块进行具体调试。色温码盘表、色温光强表、星等码盘表可进行读写操作，写在下一次上电生效。并可以随时保存当前数据到上位机，生成txt 文本，可随时查阅修改，同时能从上位机读取历史保存数据。

    4 结束语

    为实现实验室内模拟特定恒星光谱特性，设计了这台单星模拟器，采用模块化设计，将光源分成多束不同光谱、不同强度的光线，再混合并控制总体输出光强，最终实现不同色温和不同星等。理论和实验表明，它能完成现场测试工作，并且在可靠性方面有了较大提高，成本也大大降低。