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(shù) 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(xué)核能技術(shù)設(shè)計(jì)研究院 , 北京 100084 ; 2 . 中國科學(xué)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(shù)進(jìn)行位置檢測的望遠(yuǎn)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(hù)簡單 , 而且具有運(yùn)行時震 動小等特點(diǎn) 。給出了由望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)動中心與圓頂球心不重合引起的偏差的計(jì)算公式 , 并對其進(jìn)行了分

2、析 。關(guān)鍵詞 : 圓頂隨動 ; as - i ; 偏差補(bǔ)償中圖分類號 : p 111文獻(xiàn)標(biāo)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(yuǎn)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(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡 , 并且能夠跟隨望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)動進(jìn)行隨動 。為了減輕觀測人員的工作 負(fù)擔(dān) , 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(guān)鍵要獲得的是當(dāng)前時刻望遠(yuǎn)鏡和圓頂天窗的具體位置 , 然后將其進(jìn)行比較 , 從而 確定圓頂是否應(yīng)該轉(zhuǎn)動以及轉(zhuǎn)動的角度 。我們可以從望遠(yuǎn)鏡的控制系統(tǒng)中取出望遠(yuǎn)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(shè)計(jì)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(fù)雜 , 而且改造后存在運(yùn)行噪音大 , 易震動等缺點(diǎn) 。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(yīng)同步器或光柵定位 , 應(yīng)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(hù)簡單 。1as - i 現(xiàn)場總線技術(shù)現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場 , 在微機(jī)化測量控制設(shè)備間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng) , 也有人稱之為開放式 , 數(shù)字化 , 多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò) 。 現(xiàn)場總線技術(shù)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(xiàng)目 : 國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)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(xué)與技術(shù).字計(jì)算和數(shù)字通

5、信能力 ; 采用可進(jìn)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(luò)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(jī)化測量控制設(shè) 備之間以及現(xiàn)場儀表與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間 , 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換 , 形成各種適應(yīng)實(shí)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(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) , 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(wù)的網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn) 。as - i 系統(tǒng)包括一個主站和若干個子站 , 所有設(shè)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(jì)算機(jī)中 , 便于利用計(jì)算機(jī)與望遠(yuǎn)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(wù) 。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(yīng) , 從而保證設(shè)備間通訊正常 。圖 1as - i 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(fù)責(zé)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(kuò)大了 as - i 總線應(yīng)用的靈活性 。as - i 設(shè)備與總線的連接采用電纜刺穿技術(shù) , 使得設(shè)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(shè)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(jì)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(yuǎn)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(yuǎn)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(shù) 國家天文臺臺刊1 卷198即望遠(yuǎn)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(dāng)失配角超出一定角度時 , 即望遠(yuǎn)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(yīng)方向的下一個傳感器位置 , 以使望遠(yuǎn)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(biāo)識物 。當(dāng)圓頂天窗轉(zhuǎn)動到某一位置時 , 金屬標(biāo)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(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)動時 , 可以通過計(jì)算得知望遠(yuǎn)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(jī) , 使圓頂向相應(yīng)的方向轉(zhuǎn)動 , 直至該方向的下消除由于圓頂運(yùn)動所造一個傳感器產(chǎn)生信號 , 即圓頂天窗達(dá)到下一個定位位置時 , 停止轉(zhuǎn)動 。就這樣 , 圓頂跟隨望遠(yuǎn)鏡一步一步地轉(zhuǎn) 動 , 從而實(shí)

10、現(xiàn)斷續(xù)式的跟蹤隨動 。圖 2圓頂驅(qū)動機(jī)構(gòu)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(yīng)增加 。圖 3望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡的一絲光線 , 望遠(yuǎn)鏡鏡筒在一個天窗孔范圍 內(nèi)所能回轉(zhuǎn)的最大角度應(yīng)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(yuǎn)鏡鏡筒直徑 , c 為望遠(yuǎn)鏡視場角的一半 。對于長焦距望遠(yuǎn)鏡 , 焦平面上視場角一般都很小 , 如 16lx200 望遠(yuǎn)鏡配備 st - 9xe 型 ccd 相機(jī)后 c 0 . 1 , 所以 c 一般可以忽略 。另外 , 由于望遠(yuǎn)鏡的鏡筒直徑所對應(yīng)的圓頂角度很小 ,所以 z 可以采用近似計(jì)算公式 : tst -2180z = 2 .(1)qz 既是望遠(yuǎn)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(shí)際安裝時

12、 , 為了進(jìn)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(chǔ)上適當(dāng)增加位置傳感器個數(shù) 。3偏差補(bǔ)償在望遠(yuǎn)鏡的安裝過程中 , 不可避免的會造成望遠(yuǎn)鏡鏡筒的光學(xué)中心和圓頂?shù)那蛐牟恢睾犀F(xiàn)象 。如果不對該偏差進(jìn)行補(bǔ)償 , 通過望遠(yuǎn)鏡指向位置計(jì)算出的圓頂天窗位置必然 產(chǎn)生較大的誤差 , 甚至?xí)霈F(xiàn)圓頂遮擋望遠(yuǎn)鏡視線的現(xiàn)象 , 因此必須通過計(jì)算 , 對中心不重合所造成的誤差給予補(bǔ)償 。當(dāng)望遠(yuǎn)鏡光學(xué)中心和圓頂球心重合時 , 望遠(yuǎn)鏡的赤道坐標(biāo)和圓頂?shù)牡仄阶鴺?biāo)的轉(zhuǎn)換 關(guān)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(yuǎn)鏡安裝地點(diǎn)的地理緯度角 ; a 為圓頂天窗中軸線的方位角 ; z 為天窗風(fēng)簾孔中心的天頂距 。當(dāng)望遠(yuǎn)鏡光學(xué)中心和圓頂球心不重合時 , 如圖 4 所示 , 設(shè)望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)中心 o在 以圓頂球心 o 為中心的直角坐標(biāo)系中的偏差坐標(biāo)為 ( x0 , y0 , z0 ) , 望遠(yuǎn)鏡鏡筒光軸線與圓頂天窗球面的交點(diǎn) s 在以 o為中心的直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為 ( x, y, z) 。因 此 , 由圖 4 可得

14、 :天文研究與技術(shù) 國家天文臺臺刊1 卷200圖 4望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡指向的方向角 ,的地平高度 , r 為圓頂?shù)那虬霃?, r 為點(diǎn) 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(yuǎn)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(dāng)望遠(yuǎn)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(yuǎn)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(jì)算網(wǎng)格中每一點(diǎn)

16、在公式 (4) 中所對應(yīng)的數(shù)值解 , 便可以得到與該網(wǎng)格所對應(yīng)的圓頂天窗的位置矩陣 。圖 5 顯示的便是望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡鏡筒指向的活動范圍內(nèi))的變化關(guān)系 。圖 5望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡指向的地平高度h 較低時 ,由望遠(yuǎn)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(dāng)望遠(yuǎn)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(yīng)該精確測量出望遠(yuǎn)鏡中心與圓頂球心的不重合度偏 差 , 然后根據(jù)公式 (5) 計(jì)算出望遠(yuǎn)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(bǔ)償 , 從而提高圓頂隨動系統(tǒng)的定位精度 。當(dāng)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(yuǎn)鏡離開天極 附近后繼續(xù)使用 。4應(yīng)用本文提供的圓頂隨動方案已經(jīng)在清華大學(xué)天體物理中心7 . 5 m 的天文圓頂上實(shí)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(jì)算機(jī) ( 裝有as - i 主站板卡) 上 。圓頂內(nèi)

18、 16lx200 望遠(yuǎn)鏡通過串口與主控電腦連接 , 望遠(yuǎn)鏡控制及 圓頂隨動軟件用 visual c + + 編寫實(shí)現(xiàn) 。整個系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果良好 。天文研究與技術(shù) 國家天文臺臺刊1 卷202參考文獻(xiàn)1周吉光 , 李自力 , 王畢. 云南天文臺 1m rcc 望遠(yuǎn)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(shù)及應(yīng)用 m .北京 : 清華大學(xué)出版社 , 1999 . 1 .龔祖同. 60 厘米試驗(yàn)天文反射望遠(yuǎn)鏡專集 m .229 - 232 .北京 : 科學(xué)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