一種基于ASI總線的圓頂隨動系統(tǒng)

1、vol . 1 no13sep . ,2004天文研究與技術 國家天文臺臺刊astron. r&t pnaoc第 1 卷 第 3 期2004 年 9 月一種基于 as - i 總線的圓頂隨動系統(tǒng)高杰1 , 肖宏玲1 , 姜曉軍2(1 . 清華大學核能技術設計研究院 , 北京 100084 ; 2 . 中國科學院國家天文臺 , 北京 100012)摘要 : 介紹了一種采用 as - i 現(xiàn)場總線技術進行位置檢測的望遠鏡圓頂隨動方法 。該方法采用斷續(xù)跟蹤的方式 , 不但安裝和維護簡單 , 而且具有運行時震 動小等特點 。給出了由望遠鏡轉(zhuǎn)動中心與圓頂球心不重合引起的偏差的計算公式 , 并對其進行了分

2、析 。關鍵詞 : 圓頂隨動 ; as - i ; 偏差補償中圖分類號 : p 111文獻標識碼 : a文章編號 : 1672 - 7673 (2004) 03 - 0196 - 07對于安放在天文臺圓頂內(nèi)的望遠鏡 , 為了讓圓頂不擋住視線 , 觀測時必須要求圓頂天窗時刻對準望遠鏡 , 并且能夠跟隨望遠鏡的運動進行隨動 。為了減輕觀測人員的工作 負擔 , 在普通天文圓頂上加裝一套自動圓頂隨動系統(tǒng)是十分必要的 。在圓頂隨動系統(tǒng)中 , 關鍵要獲得的是當前時刻望遠鏡和圓頂天窗的具體位置 , 然后將其進行比較 , 從而 確定圓頂是否應該轉(zhuǎn)動以及轉(zhuǎn)動的角度 。我們可以從望遠鏡的控制系統(tǒng)中取出望遠鏡的指向位

3、置 , 因此需要解決的主要問題是如何檢測圓頂天窗的位置 。國內(nèi)專業(yè)天文臺所采 用的圓頂位置檢測方法主要有齒條定位 , 超聲波定位1 和碼盤定位等 。但是對于許多已 經(jīng)建好的天文圓頂 , 尤其是中小型業(yè)余天文臺 , 在設計之初并沒有考慮到圓頂?shù)碾S動問題 , 因此為其安裝大圓周定位齒條不但施工復雜 , 而且改造后存在運行噪音大 , 易震動等缺點 。在天文觀測中 , 尤其是在長時間曝光時 , 震動會降低觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量 。而對于 專業(yè)天文圓頂經(jīng)常采用的圓感應同步器或光柵定位 , 應用于普通天文圓頂中造價又相對 較高 。為了解決這一問題 , 本文提出了一種簡單的基于 as - i 現(xiàn)場總線的定位方法 ,

4、 在一定的精度范圍內(nèi) , 此方法能夠很好的滿足隨動要求 , 而且安裝容易 , 維護簡單 。1as - i 現(xiàn)場總線技術現(xiàn)場總線是應用在生產(chǎn)現(xiàn)場 , 在微機化測量控制設備間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng) , 也有人稱之為開放式 , 數(shù)字化 , 多點通信的底層控制網(wǎng)絡 。 現(xiàn)場總線技術是將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表 , 使它們各自都具有了數(shù)基金項目 : 國家重點基礎研究項目 ( g2000077620) 資助.收稿日期 : 2004 - 03 - 08 , 修訂日期 : 2004 - 03 - 30作者簡介 : 高杰 , 男 , 碩士研究生 , 研究方向 : 核科學與技術.字計算和數(shù)字通

5、信能力 ; 采用可進行簡單連接的雙絞線等作為總線 , 把多個測量控制儀表連接成網(wǎng)絡系統(tǒng) ; 并按公開 、規(guī)范的通信協(xié)議 , 在位于現(xiàn)場的多個微機化測量控制設 備之間以及現(xiàn)場儀表與遠程監(jiān)控計算機之間 , 實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換 , 形成各種適應實際需要的自動控制系統(tǒng) 。簡而言之 , 它把單個分散的測量控制設備變成網(wǎng)絡節(jié)點 , 以現(xiàn)場總線為紐帶 , 把它們連接成可以相互溝通信息 、共同完成自控任務的網(wǎng)絡系統(tǒng)與控 制系統(tǒng)2 。as - i 即執(zhí)行器 、傳感器接口 , 是一種底層的工業(yè)級現(xiàn)場總線標準 。as - i 系統(tǒng)包括一個主站和若干個子站 , 所有設備通過一根特制的兩線扁平電纜連接在一起 , 即

6、總 線 。在圓頂隨動系統(tǒng)中我們選用 pci 接口的主站控制板 , 如圖 1 所示 , 將其安裝在普通 計算機中 , 便于利用計算機與望遠鏡控制子系統(tǒng)等其他控制部分協(xié)同工作 。as - i 主站 每 5ms 輪循訪問所有子站一遍 , 完成所有通訊任務 。as - i 子站可以自由分布 , 沒有分 支規(guī)則和終端 , 每個子站都有一個唯一的地址與其對應 , 從而保證設備間通訊正常 。圖 1as - i 系統(tǒng)結構示意圖fig. 1sketch map of as - i system在圖 1 中 , 地址號為 2 、3 、6 的從站為 as - i 傳感器 , 即其內(nèi)部自帶 as - i 通信芯片 ,

7、 它可以直接連接在總線上 ; 而地址號為 1 、8 、9 的從站為輸入或輸出模塊 , 它可以 連接普通類型的傳感器或執(zhí)行器件 , 并為它們分配地址 , 負責他們與主站以及其他從站 之間的通信 , 使用戶不必購買相對昂貴的專用 as - i 傳感器 , 從而擴大了 as - i 總線應用的靈活性 。as - i 設備與總線的連接采用電纜刺穿技術 , 使得設備安裝在幾秒鐘內(nèi)即 可完成 。在總線電纜中數(shù)字信號直接疊加在 30v 的電源電壓上 , 使其不但可以傳輸數(shù)據(jù) , 而且可以為所有設備提供電源 。在需要用簡單的主 - 從總線連接分散的 i/ o 裝置時 , as - i 總線是最經(jīng)濟的一種方 案

8、 。因此 , 在圓頂隨動系統(tǒng)中我們選用 as - i 總線系統(tǒng)用于圓頂天窗位置的檢測 。2圓頂位置檢測由于圓頂天窗的開口與望遠鏡的有效口徑相比具有一定的寬度余量 , 所以圓頂隨動系統(tǒng)可以采用斷續(xù)跟蹤的方式 , 在望遠鏡指向和圓頂天窗方位相差小于特定的角度時 ,天文研究與技術 國家天文臺臺刊1 卷198即望遠鏡在圓頂天窗的開口范圍內(nèi)活動時 , 圓頂保持靜止不動 ,成的震動 。當失配角超出一定角度時 , 即望遠鏡的指向 即將移出圓頂天窗的開口范圍時 , 圓頂天窗便轉(zhuǎn)動至相應方向的下一個傳感器位置 , 以使望遠鏡指向繼續(xù)保持在天窗開口范圍內(nèi) 。 我們在圓頂室內(nèi)的地板外緣均勻分布若干金屬傳感器 , 并

9、將所有傳感器通過一根總 線 電 纜 串 接 起 來 , 與as - i 主站相連 。然后在圓頂?shù)奶齑爸行奈恢冒卜乓粔K 金屬標識物 。當圓頂天窗轉(zhuǎn)動到某一位置時 , 金屬標識 物接近某一傳感器 , 如圖 2 所示 , 從而使其產(chǎn)生信號 , 通知主站 。主站通過該從站的地址編號便可得知現(xiàn)在圓 頂天窗的位置 。望遠鏡轉(zhuǎn)動時 , 可以通過計算得知望遠鏡指向是否移出了天窗的開口范圍 , 若移出則驅(qū)動圓頂 轉(zhuǎn)動電機 , 使圓頂向相應的方向轉(zhuǎn)動 , 直至該方向的下消除由于圓頂運動所造一個傳感器產(chǎn)生信號 , 即圓頂天窗達到下一個定位位置時 , 停止轉(zhuǎn)動 。就這樣 , 圓頂跟隨望遠鏡一步一步地轉(zhuǎn) 動 , 從而實

10、現(xiàn)斷續(xù)式的跟蹤隨動 。圖 2圓頂驅(qū)動機構driving parts of the domefig. 2可以看出 , 采用斷續(xù)跟蹤方式的隨動系統(tǒng)的定位精度很大程度上取決于位置傳感器的安裝個數(shù) ,安裝少了 , 隨動系統(tǒng)定位精度不夠 ,安裝多了 ,系統(tǒng)成本就會相應增加 。圖 3望遠鏡在天窗開口中的活動范圍the moving range of the telescope in the dome windowfig. 3所以 ,必須選擇合適的傳感器個數(shù) 。如圖 3 所示 , 為了讓圓頂不遮擋望遠鏡的一絲光線 , 望遠鏡鏡筒在一個天窗孔范圍 內(nèi)所能回轉(zhuǎn)的最大角度應該為 z , 圖中 q 為圓頂球直徑 ,

11、 s t 為圓頂天窗弧長 , t 為圓頂天窗開口角度 , t 為望遠鏡鏡筒直徑 , c 為望遠鏡視場角的一半 。對于長焦距望遠鏡 , 焦平面上視場角一般都很小 , 如 16lx200 望遠鏡配備 st - 9xe 型 ccd 相機后 c 0 . 1 , 所以 c 一般可以忽略 。另外 , 由于望遠鏡的鏡筒直徑所對應的圓頂角度很小 ,所以 z 可以采用近似計算公式 : tst -2180z = 2 .(1)qz 既是望遠鏡鏡筒在一個天窗孔范圍內(nèi)所能回轉(zhuǎn)的最大角度 , 同時也是位置傳感器所能平均分布的最大間隔角度 ,所以圓頂周圍所需的位置傳感器個數(shù)最小值 n min = 360/ z 。實際安裝時

12、 , 為了進一步提高隨動系統(tǒng)定位精度 , 并且充分考慮到整個系統(tǒng)的成本 , 可以在 n min的基礎上適當增加位置傳感器個數(shù) 。3偏差補償在望遠鏡的安裝過程中 , 不可避免的會造成望遠鏡鏡筒的光學中心和圓頂?shù)那蛐牟恢睾犀F(xiàn)象 。如果不對該偏差進行補償 , 通過望遠鏡指向位置計算出的圓頂天窗位置必然 產(chǎn)生較大的誤差 , 甚至會出現(xiàn)圓頂遮擋望遠鏡視線的現(xiàn)象 , 因此必須通過計算 , 對中心不重合所造成的誤差給予補償 。當望遠鏡光學中心和圓頂球心重合時 , 望遠鏡的赤道坐標和圓頂?shù)牡仄阶鴺说霓D(zhuǎn)換 關系如下3 := tan - 1 co ssi n t ( 2)a,co ssin co s t - si

13、nco s= tan - 1 co ssi n co s t - si nco s(3)z.co s a (co s co sco s t + sinsin)其中 , 為赤緯 ; t 為時角 ; 為望遠鏡安裝地點的地理緯度角 ; a 為圓頂天窗中軸線的方位角 ; z 為天窗風簾孔中心的天頂距 。當望遠鏡光學中心和圓頂球心不重合時 , 如圖 4 所示 , 設望遠鏡的光學中心 o在 以圓頂球心 o 為中心的直角坐標系中的偏差坐標為 ( x0 , y0 , z0 ) , 望遠鏡鏡筒光軸線與圓頂天窗球面的交點 s 在以 o為中心的直角坐標系中的坐標為 ( x, y, z) 。因 此 , 由圖 4 可得

14、 :天文研究與技術 國家天文臺臺刊1 卷200圖 4望遠鏡中心和圓頂球心的位置偏差offset of the telescope optical center from the dome centerx= r co s h sin a y= r co s h co s a z= r sin hx = x+ x0y = y+ y0z = z+ z0fig. 4(4)x2 + y2 + z2r2=xtan =y其中 , 為圓頂天窗中軸線的方位角 , a 為望遠鏡指向的方向角 ,的地平高度 , r 為圓頂?shù)那虬霃?, r 為點 s 到 o的距離 , x0 , y0 , z0 ,量獲得 , 為已知常量

15、 。公式 (4) 經(jīng)化簡后可得 :c = x0 co s h sin a + y0 co s h co s a + z0 sin hh 為望遠鏡指向r 均可以通過測r2 - ( x2 + y2 + z2) + c2 - cr =0 0 0( 5) = tan - 1 r co s h si n a + x0r co s h co s a + y0其中 , c 為中間變量 。當望遠鏡指向某一方位時 , 即在給定 h 和 a 的情況下 , 可以利用公式 (5) 求得圓頂天窗的方位角 。如果把望遠鏡指向的球面劃分成間距為0 . 01rad 的球面網(wǎng)格 , 然后利用公式 (5) 逐 個計算網(wǎng)格中每一點

16、在公式 (4) 中所對應的數(shù)值解 , 便可以得到與該網(wǎng)格所對應的圓頂天窗的位置矩陣 。圖 5 顯示的便是望遠鏡鏡簡指向方位角 與圓頂天窗位置方位角 a的差在上述網(wǎng)格內(nèi)(即望遠鏡鏡筒指向的活動范圍內(nèi))的變化關系 。圖 5望遠鏡與圓頂天窗水平方向角之差difference of the azimuths between the telescope and the domefig. 5從圖 5 我們可以看出在大部分范圍內(nèi) , 尤其是望遠鏡指向的地平高度h 較低時 ,由望遠鏡中心與圓頂球心不重合所造成鏡筒與天窗水平方位角之差很小 , 但是當望遠鏡指向接近天頂時 , 方位角之差會突然變大 , 直至出現(xiàn)飛

17、升現(xiàn)象 。所以 , 對于不同天文臺 , 首先應該精確測量出望遠鏡中心與圓頂球心的不重合度偏 差 , 然后根據(jù)公式 (5) 計算出望遠鏡在不同指向下 , 與圓頂天窗方位角之間的偏差矩陣 , 在隨動系統(tǒng)程序中予以補償 , 從而提高圓頂隨動系統(tǒng)的定位精度 。當在極靠近天頂附近處觀測時 , 可以利用圓頂天窗的轉(zhuǎn)角余量 , 暫時切換掉圓頂隨動 , 望遠鏡離開天極 附近后繼續(xù)使用 。4應用本文提供的圓頂隨動方案已經(jīng)在清華大學天體物理中心7 . 5 m 的天文圓頂上實現(xiàn) ,共使用圓頂位置檢測傳感器 36 個 , 通過一根 as - i 總線電纜串接到主控計算機 ( 裝有as - i 主站板卡) 上 。圓頂內(nèi)

18、 16lx200 望遠鏡通過串口與主控電腦連接 , 望遠鏡控制及 圓頂隨動軟件用 visual c + + 編寫實現(xiàn) 。整個系統(tǒng)實際運行效果良好 。天文研究與技術 國家天文臺臺刊1 卷202參考文獻1周吉光 , 李自力 , 王畢. 云南天文臺 1m rcc 望遠鏡電氣系統(tǒng)的改造 j .云南天文臺臺刊 , 2001 , (2) : 42 - 47 .23陽憲惠. 現(xiàn)場總線技術及應用 m .北京 : 清華大學出版社 , 1999 . 1 .龔祖同. 60 厘米試驗天文反射望遠鏡專集 m .229 - 232 .北京 : 科學出版社 , 1980 .anastrodome synchronization system ba sed on as - i fiel dbusgao j ie1 , xiao hong2ling1 , j iang xiao2jun2(1 . institute of nuclear energy technology , tsinghua university , beijing 100084 ;2 . national astronomical observatories