基于單片機的LAMOST光纖定位單元碰撞處理系統(tǒng)仿真

劉曉杰，王 鋼

(1.中國科學院光學天文重點實驗室(國家天文臺)，北京 100012；2.中國科學院大學，北京 100049)

基于單片機的LAMOST光纖定位單元碰撞處理系統(tǒng)仿真

劉曉杰1，2，王 鋼1

(1.中國科學院光學天文重點實驗室(國家天文臺)，北京 100012；2.中國科學院大學，北京 100049)

由于超區(qū)工作，郭守敬望遠鏡(LAMOST)光纖定位單元，在定位過程中可能發(fā)生碰撞。為了安全運行提高效率，需要有一個硬件碰撞識別處理系統(tǒng)。提出了一種采用脈沖信號計數(shù)的方法。利用延時程序在單片機1的I/O口產(chǎn)生3種同頻率不同相位的脈沖。將這3種脈沖分別加在相鄰的3個光纖單元的光纖架上，由單片機2的計數(shù)器累計在設定的時間段內光纖架上的脈沖數(shù)，計數(shù)結果由單片機2處理，如果計數(shù)結果在未發(fā)生碰撞的理論值范圍內，則電機繼續(xù)沿原方向旋轉，否則說明光纖定位單元發(fā)生碰撞，電機將按原方向的反向進行轉動。對此進行了仿真實驗。

單片機；LAMOST；光纖定位單元；AT89C51；脈沖計數(shù)

CN53－1189/P ISSN1672－7673

郭守敬望遠鏡(LAMOST)是我國正在運行的大視場和大口徑的反射式施密特天文望遠鏡[1－2]。如圖1，在直徑為1.75 m的球冠形焦面板上呈蜂窩狀分布著4 000個光纖定位單元[3]，每個光纖單元由兩個步進電機驅動。每根光纖的有效覆蓋區(qū)域為Φ33 mm的圓，任意兩個相鄰圓面的中心距為25.6 mm，這樣確保整個焦面無盲區(qū)。光纖定位單元[4]采用雙回轉的運動方式，由可運轉360°的中心回轉和180°的偏心回轉組成。單元原理如圖2。光纖定位單元沒有編碼器，光纖位置通過步進電機計步得到。每個回轉有一個電零位。通過光纖回零消除光纖定位誤差的累積。由于光纖超區(qū)工作(工作區(qū)域大于光纖定位單元間隔)，當相鄰的光纖定位單元同時運轉到重疊區(qū)域時，就會發(fā)生碰撞，發(fā)生碰撞后如果不及時處理不但造成光纖定位單元系統(tǒng)的損壞還大大降低了望遠鏡的工作效率。目前，LAMOST采用軟件計算的方法使光纖定位單元在一定的安全距離之外運行，避免光纖碰撞，這會降低光纖的利用率。當操作不當或計算錯誤時會導致軟保護失效，這樣光纖定位單元仍會發(fā)生碰撞。因此需要一個能實時處理光纖定位單元之間碰撞問題的碰撞處理系統(tǒng)，保證光纖定位的安全運行。

1 光纖單元碰撞問題的分析

處理碰撞問題，需要對碰撞加以識別。圖3是光纖定位單元的工作區(qū)域的示意圖?？梢詫⒐饫w定位單元分成A，B，C 3種，并給它們加上不同的信號，當檢測到非本單元的信號時表明碰撞發(fā)生了。中國科技大學曾就光纖單元碰撞問題提出過兩種方案[5－6]:電位差方案中，給3種單元分別加上不同電壓，當發(fā)生碰撞時，電壓改變?yōu)閮煞N單元電壓的中值；波形對比方案中，給3種單元加上不同的調制信號，與參考信號對比。碰撞時2種或3種信號疊加，有別于參考信號。本文提出了脈沖計數(shù)的方案，給3種單元分別加上有一定相位差的同頻率的脈沖信號。當碰撞發(fā)生時，在設定時間內所計的脈沖將增加至正常運轉時的2到3倍。理想的碰撞處理系統(tǒng)應當能夠在電機每走一步就可以檢測碰撞問題。這樣不會損傷光纖定位單元，甚至可以保持光纖定位單元的位置，不丟步。消除碰撞后可以直接定位。

圖1 焦面板示意圖Fig.1 Illustration of optical-fiber positioning units on the focal-plane plate

圖2 光纖單元原理圖Fig.2 A schematic diagram of an optical-fiber positioning unit of two-shaft rotation

圖3 重疊區(qū)域示意圖Fig.3 Illustration of regions of three types and their overlaps involved in observation

2 碰撞處理仿真系統(tǒng)基本方案

用于檢測是否碰撞的3種脈沖信號由單片機1[7]產(chǎn)生，即單片機1的P0口3個I/O端口由內部延時程序產(chǎn)生同頻率不同相位的脈沖，將這3種脈沖分別加在3組光纖定位單元的光纖架上。由單片機1的延時程序產(chǎn)生的脈沖占空比可調性強；脈沖周期可在1 μs到1 s之間由實驗需要任意選?。徊⑶覒霉怆姼綦x芯片，可將1片單片機產(chǎn)生的3種脈沖加在4 000個光纖定位單元的偏心回轉軸上。單片機2作為驅動光纖定位單元步進電機的微控制器，設定500 μs的中斷，由計數(shù)器計算在設定時間段內光纖單元偏心回轉軸的光纖架上的脈沖個數(shù)。由單片機1發(fā)出的脈沖設定的周期是100 μs，碰撞未發(fā)生則脈沖個數(shù)等于計數(shù)時間段/脈沖周期，當發(fā)生碰撞，脈沖信號疊加，設定時間段內的脈沖數(shù)會有所增加。若是兩個光纖定位單元發(fā)生碰撞，那么脈沖數(shù)應該是設定值的兩倍，若是3個光纖碰撞到一起那么脈沖數(shù)應該是設定范圍的3倍。

碰撞處理仿真系統(tǒng)的結構如圖4，由單片機1產(chǎn)生脈沖信號加載于光纖架上，單片機2(A)、2(B)和2(C)用來驅動A，B，C 3類光纖單元的偏心回轉軸上的步進電機，計數(shù)脈沖識別碰撞，處理碰撞問題。

圖4 硬件系統(tǒng)框圖Fig.4 The block diagram of the hardware system

3 仿真系統(tǒng)硬件組成

現(xiàn)代計算機的處理速度越來越快，需要處理的問題也越來越復雜，仿真在自動控制系統(tǒng)中的作用變得越來越重要，Proteus的ISIS是一款電路分析失誤仿真系統(tǒng)[8]，可仿真各種電路和IC。為了驗證光纖定位單元碰撞處理系統(tǒng)實際電路的可行性，用Proteus對此處理系統(tǒng)進行仿真。

由單片機AT89C51作為處理器的碰撞處理系統(tǒng)利用Proteus繪制的電路原理圖如圖5。由電路圖可知，該處理系統(tǒng)主要由兩片單片機組成，單片機1用來產(chǎn)生周期為100 μs 3種不同相位的脈沖，單片機2用來在設定時間內采集單片機1產(chǎn)生的脈沖信息，控制偏心回轉軸電機的啟動和停止。除此以外，系統(tǒng)還設有LED數(shù)碼管用來顯示單片機2采集的脈沖數(shù)量。

圖5 碰撞系統(tǒng)原理圖Fig.5 The system diagram of the circuit for simulating optical-fiber collision

3.1 AT89C51單片機

AT89C51單片機是一種低電壓、高性能CMOS 8位微處理器。AT89C51采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。AT89C51是一種高效微控制器，能夠將多功能8位中央處理器和閃爍存儲組合在單個芯片中，也為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且廉價的方案。本文采用AT89C51主要是提供碰撞檢測和處理以及驅動光纖定位單元電動機所需的脈沖。由于光纖定位單元的驅動電機頻率是510 Hz，為了保證偏心回轉軸的電機在每個轉動周期內都能檢測是否發(fā)生碰撞，所以將單片機2 T0的定時時間設置為500 μs，而單片機1產(chǎn)生的脈沖周期設為100 μs。

3.2 LED顯示

顯示器用一位LED十六進制的共陰極數(shù)碼管，它顯示單片機2的定時器T1在500 μs內計數(shù)器T0所計的脈沖數(shù)。因為設定的脈沖周期是100 μs，所以一位LED數(shù)碼管就能顯示所計脈沖的正確個數(shù)。由于LED是十六進制的，所以即使相鄰光纖定位單元發(fā)生碰撞，疊加后的脈沖顯示值也不會溢出。因為是一片單片機控制一個光纖定位單元的偏心回轉軸，I/O端口有剩余，所以直接用單片機2的P0口驅動LED數(shù)碼管的8個引腳。

4 軟件系統(tǒng)

4.1 碰撞處理系統(tǒng)軟件結構

由光纖定位單元的結構可知光纖被安裝在偏心回轉軸的頂端圓域內(如圖2)，碰撞只可能發(fā)生在偏心回轉軸上，所以單片機2的主要任務是完成對加在偏心回轉軸上脈沖信號的檢測。根據(jù)反饋到單片機2的檢測結果給偏心回轉軸電機相應的指令，確保光纖運轉單元處于正常運行的狀態(tài)。單片機2的程序主要分為3部分:第1部分是單片機2計數(shù)器T0在定時器T1設定的時間內對單片機1產(chǎn)生的脈沖進行計數(shù)。第2部分是在定時器T1產(chǎn)生中斷子程序中判斷T0計數(shù)結果，如果計數(shù)結果在4～6個范圍內則證明光纖定位單元沒有發(fā)生碰撞，否則，說明光纖定位單元發(fā)生了碰撞；第3部分是設定一個碰撞標識符返回主函數(shù)，主函數(shù)用來驅動光纖定位單元的偏心回轉軸電機，如果接到了光纖定位單元碰撞指令，則對偏心回轉軸電機現(xiàn)行的運轉方向取反。程序流程如圖6。

圖6 程序流程圖Fig.6 The flowchart of the software

4.2 仿真過程

(1)在KEIL C51μVsion編譯環(huán)境下設置斷點、單步、跳步運行、復位等方式進行調試，生成.HEX文件。

(2)在Proteus中左鍵雙擊AT89C51彈出“Edit Component”窗口，并在“Program File”中添加生成的.HEX文件路徑。

(3)單擊原理圖中的運行按鈕，進行仿真，在工具欄中的Virtual Instruments Mode處添加OSCILOSCOPE示波器，觀察各路脈沖。

5 仿真結果分析

5.1 仿真結果分析

如圖7，示波器顯示的3種脈沖分別由單片機1利用延時程序在P00、P01、P02 3個I/O口產(chǎn)生。從上到下第4個脈沖為接在單片機2T0口的計數(shù)脈沖。在仿真中將疊加后的脈沖信號接入單片機2中模擬相鄰光纖定位單元碰撞現(xiàn)象，相鄰的兩個單元碰撞后仿真結果如圖8(a)，3個相鄰單元碰撞后的仿真結果如圖8(b)。疊加后的碰撞信號為圖中第4列脈沖，從圖中可看出疊加后的脈沖數(shù)是原來的兩到三倍，當脈沖疊加時，步進電機轉動方向取反。因為處理中斷代碼所用時間是25 μs，選用的51單片機的機器周期是1 μs，本套仿真系統(tǒng)可以對頻率510 Hz的光纖單元步進電機進行每步檢測。理論上能夠對頻率為1 MHz進行計數(shù)，可以對每一步進行檢測的步進電機最高運轉頻率是40 KHz。

5.2 實驗電路可行性分析

由于每個光纖定位單元碰撞處理系統(tǒng)之間是相互獨立的，對于每一個光纖定位單元來說，發(fā)生碰撞與正常運轉之間的差別只在于碰撞脈沖信號是否發(fā)生了疊加，所以只仿真了一個光纖單元。實際電路中光纖架上的碰撞信號疊加的原因:由于光纖架是金屬的，當加入脈沖信號時，整個偏心回轉軸上都有了電脈沖信號，當相鄰光纖單元碰撞接觸時，彼此的電脈沖信號就會疊加，相碰撞的2個或3個單元的光纖架的脈沖會發(fā)生變化。設想的實際碰撞系統(tǒng)方案如下:第一，由單片機1產(chǎn)生3種碰撞信號，經(jīng)過光電隔離和驅動器進行驅動后，再連接到A，B，C 3類光纖單元的光纖架上，需要經(jīng)過幾級驅動，要在實際電路中加以確定；第二，每個光纖定位單元的碰撞處理系統(tǒng)是由一片單片機2用來控制偏心回轉軸上的步進電機，單片機2從光纖定位單元實時收取脈沖信號的信息，當光纖定位單元沒有發(fā)生碰撞時，在單片機2設定的500 μs的定時中斷內所計的周期為100 μs的單片機1的脈沖數(shù)為5。整個硬件碰撞系統(tǒng)的搭建都在后臺完成，光纖單元結構上只是多了一條加載到光纖架上的脈沖導線。每個單片機2的工作目標旨在讀取它所控制的回轉軸光纖架上的脈沖數(shù)，與其他光纖單元無關，任意的光纖單元電機控制器都是相互獨立的。

圖7 偏心回轉軸上的3種脈沖Fig.7 Simulated pulses of three patterns on the off-center shaft

6 結束語

因為在實際運行中步進電機的頻率是510 Hz，為了能對電機的每一步都進行是否碰撞的檢測，就要求處理程序在2 ms內完成。脈沖頻率由于是延時程序產(chǎn)生，所以頻率的變化范圍可以從100 KHz到幾百赫茲?？紤]到芯片資源的合理利用和實驗的可靠行，選擇了每個中斷時間5個脈沖的仿真實驗。經(jīng)過多次仿真實驗表明，頻率在100 μs左右的脈沖信號能夠達到準確檢測碰撞事件的要求。本文提出的這種基于Proteus仿真的單片機對步進電機運轉控制的仿真方法，構建的仿真系統(tǒng)能處理光纖定位單元碰撞問題。單片機2根據(jù)光纖定位單元的狀態(tài)發(fā)送預設的指令，可以對光纖定位單元的偏心回轉軸電機進行停止、正反轉處理。該碰撞處理系統(tǒng)可以在相鄰的光纖定位單元間發(fā)生碰撞時令其向反方向轉動，這樣避免故障的進一步發(fā)生。通過KEIL C51uVsion3程序設計與Proteus硬件方針實現(xiàn)了所期望的控制過程。

圖8 (a)碰撞前的系統(tǒng)圖案；(b)碰撞后的系統(tǒng)圖案Fig.8 Simulation results of optical-fiber collision.(a)Pulses before collision；(b)Pulses after collision

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Simulations of Collision between Optical-Fiber Positioning Units of the LAMOST Using Single-Chip Microprocessors

Liu Xiaojie1，2，Wang Gang1
(1.Key Laboratory of Optical Astronomy，National Astronomical Observatories，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100012，China，2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China，Email:liuxiaojie10＠m(xù)ails.ucas.ac.cn)

To avoid missing survey areas，the light-collection areas of focal-plane optical fibers of the LAMOST(Large sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope)are set to overlap.Collision between adjacent optical-fiber positioning units may thus occur during their adjustments and affect the instrumental work efficiency.We propose a system based on AT89C51 microprocessors to reverse instrumental state changes caused by collision.During positioning each optical fiber is driven by two stepping motors，which control its central shaft and off-center shaft，respectively.Pulses generated by a delay procedure run in one SCM(Single-Chip Microprocessor)of the system have three patterns which have the same frequency but different phases. Such pulses serve as signals for detecting collision.The counter in each SCM controlling an optical-fiber positioning unit accumulates counts of pulses during a step of the stepping motor.A collision between two units causes pulses to be double counted，which triggers the SCMs to stop the two units and drive them backward. This collision-processing system has succeeded in boosting the work efficiency of optical fibers and improving the LAMOST observation efficiencies.As reported in the paper，we have carried out simulations to test the feasibility of the system using a PROTEUS software package.

MCU；LAMOST；Optical-fiber positioning system；AT89C51；Pulse count

TN707；TH75

A

1672－7673(2014)04－0423－07

2013－11－24；

2014－01－16

劉曉杰，女，博士.研究方向:LAMOST碰撞處理系統(tǒng)設計.Email:liuxiaojie10＠m(xù)ails.ucas.ac.cn

王 鋼，男，研究員.研究方向:天文儀器領域研究.Email:WG＠lamost.org