一种简易单星模拟器控制电路的设计

2022-07-25胡迪黄伟

科学技术创新 2022年22期

胡迪黄伟

（四川大学，四川成都 610065）

星模拟器是一种能模拟星体色温与星等的装置，它作为星敏感器的地面标定设备，为星敏感器在实验室中模拟了真实的太空环境，可对星敏感器进行测试与标定。相较于星敏感器进行太空轨道测试与标定，降低了实验风险性，也节省了经费开支[1]。常见星模拟器主要有两种类型，一种是通过分段光谱合成的模拟器[2，3]，采用该方法合成的光谱与普朗克黑体辐射曲线吻合度较高，但由于采用多路合成，其体积较大、成本较高。另一种是采用发光二极管等窄带光源或用窄带滤光片产生的色温，采用该方法产生的色温其光谱带宽较窄，但由于其装置简单、成本低，也在一些场合得到应用。本设计中的单星模拟器即为后一种类型。

1 单星模拟器基本结构

单星模拟器基本结构如图1 所示，由光源发出光线耦合进传光光纤后经准直镜准直为平行光，经安装于滚轮式滤光片座上的带通滤光片滤光，形成窄带光束。虽然每只滚轮式滤光片座上可分别安装6 片滤光片，但实际使用时每只滚轮式滤光片座上只安装5 片，在用其中一只滚轮式滤光片座上的滤光片滤光时，另一只滚轮式滤光片座则转到未安装滤光片的位置，以保证同时只有一片滤光片在滤光。这样，该装置最大只能产生10 种不同色温。

图1 单星模拟器结构图

经过带通滤光片的光线再通过两片渐变中性密度滤光片后形成不同的星等。两片渐变中性密度滤光片中的一片用于将不同色温的光强进行归一化，即根据不同色温相同星等的实际光强值来调整渐变中性密度滤光片的位置，使不同色温的光线通过该渐变中性密度滤光片后的星等都相同。另一片渐变中性密度滤光片用于实现不同星等。

光线经渐变中性密度滤光片后通过透镜汇聚进入光纤，光纤的另一端接入平行光管则可模拟出无穷远处的星体的色温与星等。

2 电路总体设计

由图1 可以看出，本单星模拟器需要4 个电机用于转动滚轮式滤光片座和渐变中性密度滤光片来形成不同的色温和星等，电机的旋转角位移可以通过编码器获得。为达到设计要求，电机均选择了基本步距角为0.36°的高分辨率型5 相步进电机CRK546PMPB，其配套驱动器为CRD5107PB，该驱动器能实现最大250 倍的细分。编码器选择了2500 线，带零位的增量式编码器，型号为HES-25-2MHT。

由于系统中有4 路电机和4 路编码器信号都需要定时器来驱动和读取信号，用1 片单片机来实现比较困难，于是选用了两片STM32F103C8T6 分别控制两路步进电机及读取两路编码器信号，两单片机之间通过串行通讯口进行通讯。STM32F103C8T6 是32 位的微控制芯片，其工作电压为2～3.6V，频率为72MHz，它的闪存高达1MB。32 位闪存微控制器工作时具有低功率、低电压，并结合了实时功能的极佳性能。另外选用了专用的驱动芯片TM1650 来接收系统中的15 个按键信号及点亮15 只LED 指示灯，该驱动芯片最大支持32 段显示及28 个按键，并支持8 级显示亮度调整。该模拟器既可通过按键设置色温、星等又可通过上位机设置色温、星等，并且系统标定需要上位机协同进行，所以系统采用RS422 串行通讯方式与上位机进行通讯。系统总体结构如图2 所示。

图2 电控系统组成

为便于软件编写，单片机MCU1 与MCU2 对编码器信号的读取均使用TIM2、TIM4 的CH1、CH2，对电机驱动均使用TIM1 的 CH2、CH4，MCU1 与MCU2 之间通讯均使用USART2。这样 MCU1 只比MCU2 多出了与上位机通讯（使用USART3）及按键显示两部分。在编写软件时，只要把与上位机通讯和按键显示部分设置为条件编译，写的程序进行简单设置后就可在MCU1 与MCU2 上通用，大大降低了软件编写的难度。

3 部分电路设计

3.1 电机控制电路

步进电机配套电机驱动器CRD5107PB 只需两路控制信号输入即可，其中一路为运行信号，当驱动器接收到一个脉冲信号后就会驱动步进电机走一步，在此使用定时器TIM1 的CH2、CH4 以PWM方式输出脉冲，为提高电机运行速度及平稳性可在软件设计时采用平滑加减速算法[4，5]。另一路控制信号为方向信号，用以控制电机正转或反转。驱动器的两路控制信号均采用光电耦合器输入，需要电流为7～20mA，因此采用集电极开路输出方式驱动，其电路如图3 所示。图中信号SM1_PLS 为单片机输出脉冲信号，SM1_DIR 为单片机输出方向信号。

图3 电机驱动电路

3.2 编码器信号输入

由于系统使用电机的电源电压为24V，为简化设计，选用的编码器（HES-25-2MHT）工作电压也可到24V。这样，电机与编码器都使用24V 作为电源，简化了电源设计。但此时编码器输出两路正交信号及零位信号均变为了24V 的信号，不能直接输入到单片机。为此，用光电耦合器作为电平转换器将24V 信号转换为3.3V 信号，其电路如图4 所示。

图4 编码器信号输入电路

3.3 与上位机通讯电路

系统采用RS422 串行通讯方式与上位机进行通讯，为提高系统抗干扰能力，对输入输出信号进行了电磁隔离。如图5 所示，单片机MCU1 输入输出的信号UART_RX、UART_TX 经ISO7221 隔离后通过协议转换芯片MAX490 转换为RS422 信号后输出。ISO7221 是双通道电容隔离数字隔离器，其两个通道一左一右放置，采用SOIC 封装，它支持3.3V 以及5.0V 的VCC 电压。MAX490 是用于将RS-485 信号转换为RS-422 信号的低功率转换芯片，它具有一个接收器和一个驱动器，该驱动器的传输速度最高可达到2.5Mbps，且其摆率不会受到限制。

图5 与上位机通讯电路

3.4 电源电路

本简易单星模拟器控制电路系统中，由于电机及驱动器供电电压为24V,所以选择系统电源电压为24V, 采用明纬24V150W 开关电源LRS-150-24。系统中其余部分电源电压主要有5V 和3.3V，如电机光电耦合器输入部分电压为5V、显示及按键驱动芯片TM1650 也需要5V 电源，而单片机、外部数据存储器需要3.3V 电源,故需要降压变换器将系统电压转换成可供其它电路元器件使用的电压。为提高转换效率，选用了DC-DC 芯片TPS5430 作为24V 转5V 的电源芯片，此芯片输入电压高达36V, 典型效率为90%左右，且具有外围电路简单，控制精度高等特点，同时还具有过流保护以及热关断功能。图6 为24V 转5V 电路，由于TPS5430 内部参考电压为1.22V, 所以要输出5V 电压R48 取10KΩ,R47 取3.24KΩ。另外，电路中需要的3.3V 由低压差线性稳压器LM1117-3.3 由5V 转换得到。

图6 电源电路

3.5 外部存储电路

本单星模拟器系统需要进行存储的数据较多，其中包括编码器本身的位置表数据、星等及色温标定所对应的编码器位置表数据等，同时这些数据可能经常需要修改。

为此，本设计采用FRAM铁电存储器作为外部存储系统，FRAM铁电存储器可读写次数高达1010次，比较适合数据需要经常修改的场合。它在工作工程中所需要的电压较低，对其写入数据时的功耗也较低，且它的写入速度非常快。与EEPROM和Flash memory 相对比，其速度增加了1000 倍以上，而功耗降低了1000-10000 倍。FRAM作为全新的非挥发性存储器，其速度快、复写频率高、功耗低，满足本次设计的外部存储要求。

本系统选择2K 字节容量的MB85RS16 作为外部存储芯片，它采用SPI 总线与单片机通讯。其电路图如图7所示。