CN102346469B - 大型光电望远镜镜头机构分布控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型光电望远镜镜头机构分布控制方法，其目的是克服现存方法中所存在的一些问题，将一种通用标准总线协议引入大型光电望远镜的特定应用中，提供一种将多个机构并联入控制网络实现实时可靠控制的方法。本发明采用控制网络与外部通过接口节点连接，此接口节点和各个控制节点通过总线方式在控制网络内部进行连接。在数据协议结构上本发明设计了外部接口数据格式和控制网络内部数据格式，通过节点ID的分段设计保证每个节点编号的唯一，具体的操作对象代码与光电望远镜机构名称相对应，便于理解应用。此方法结构简洁、模块独立、通用性强、移植灵活，适用于光电望远镜上分散安装的镜头各个机构的控制。

Description

大型光电望远镜镜头机构分布控制方法及控制系统

技术领域

本发明涉及一种分布控制方法及控制系统，具体地说，是一种针对大型光电望远镜的各个镜头机构的分布控制方法及控制系统，适用于局部或整个光电望远镜镜头机构，还可将光电望远镜其它相关机构的控制包括在内。

背景技术

当前大型光电望远镜随着技术发展和研究深入，功能不断增强，机架上负荷的各种光电镜头及相关设备也随之增多，这些设备在机架上分散固定安装，使系统连接和控制的难度和复杂度增加。既有的控制方法一般有三种，第一种点对点连接，每个镜头配置一台控制器，控制器使用多个I/O对镜头的各个机构实现控制；第二种是串联网络，通过菊花链的形式将各个机构连接成网络实现控制；第三种是并联网络，各个机构连接到总线上实现控制。

第一种方法需要外部控制器具备多个输出端口以支持点对点的连接，中间连接线繁多，在光电望远镜上使用时配线和集成复杂，增加了设备不可靠因素，在程序设计上比较复杂，目前使用较少。第二种方法的问题在于如果中间一个节点出现故障，将导致这个节点及之后的所有节点将无法控制，设置整个网络都被错误数据占据导致瘫痪，并且在应用中越靠后的节点通信延迟越大，不太适应光电望远镜实时控制的发展趋势。第三种方法适合在光电望远镜上应用，以RS485总线为代表，存在的问题是半双工单主模式要求一个时刻只能有一个节点发送数据。目前在汽车电子行业广泛地采用了标准的现场总线，其中CAN总线的应用占有较大的比例，它具有成本和性能的优势，是半双工多主竞争总线模式，在容错性和抗干扰能力上表现优异，将这种技术应用到光电望远镜上能克服上述三种既有方法上的不足，在光电望远镜电子系统内发挥独特优势，并将在一段时间内满足光电望远镜发展的需求。

发明内容

本发明的目的是解决既有方法所存在的一些问题，将一种通用标准总线协议引入大型光电望远镜的特定应用中，提供一种将多个机构并联入控制网络实现实时可靠控制的方法，大型光电望远镜上采用此方法将各个分散机构互联正是通用技术与特定设备相结合的成功应用。

本发明的技术方案是，一种大型光电望远镜镜头机构分布控制方法，大型光电望远镜每个镜头机构的控制以总线方式构成控制网络，其外部与内部的通信通过总线上一个专门节点，称之为接口节点，来交换，各个分布的镜头机构的控制是通过总线上的各个专门节点，称之为控制节点，来实现。

进一步的，所述的控制网络采用现场总线连接。

进一步的，所述的现场总线连接选择现场总线的CAN总线来实现。

进一步的，所述接口节点是一块由可编程微控制器和接口外设元件开发的板卡。

进一步的，所述的板卡采用TI公司的C2000芯片作为微控制器。

进一步的，所述的控制节点是一块由可编程微控制器和其它外设元件开发的板卡。

进一步的，所述的板卡采用TI公司的C2000芯片作为微控制器。

进一步的，所述控制方法定义了两种数据格式，分别是外部接口数据格式和控制网络内部数据格式。

进一步的，所述的数据格式定义了8*8bits的外部串口数据格式和4*16bit的CAN总线内部数据格式。

进一步的，所述控制方法具体为：加电启动后所述接口节点发送内测数据将总线上的控制节点查询到并记录，进入等待循环；等待循环中有两种情况，一是接口节点接收到外部指令，进入外转内协议解析函数，然后将解析后的指令发送给指定的控制节点执行，之后进入循环等待；二是接口节点接收到内部状态，进入内转外协议解析函数，将解析后的状态送给外部，之后进入循环等待；

加电启动后所述控制节点完成一次对其所控制的机构的检测和设置，然后进入循环等待控制指令；收到指令后进入控制函数，设置控制参数并启动周期中断时钟，对机构进行过程控制，完成后送出机构状态，然后进入循环等待。

本发明提供一种大型光电望远镜镜头机构分布控制系统，其特征在于：所述控制系统包括：总线13、电源线14、接口节点4、机构单元16和电源5；在总线13和电源线14上连接了一个或者一个以上的接口节点4和两个或者两个以上的机构单元16，所述接口节点4包含的端口1是对外连接的通讯口，通过连接外部的通讯线15实现通信，所述接口节点4包含的端口3是总线接口，与总线13连接，发送控制指令并接收状态数据，所述接口节点4包含的微控制器2完成协议接口转换及其它工作；所述的机构单元16包括控制节点8、驱动器10、机构电机11和连接机构上的编码器12，其中，控制节点8中的端口6是总线接口，与总线13连接，接收控制指令并发送状态数据，控制节点8中的微控制器7实现对机构的实时控制，所述控制节点8包含的端口9是连接机构上编码器12的接口。机构电机11的驱动器10连接到控制节点8实现运动的控制，编码器12与机构电机11所连接的部件耦合以测量位移或角度数据。电源5提供整个控制系统和机构的用电，为多路输出的直流电源，与电源线14连接。

进一步的，所述的总线13为CAN总线。

本发明的控制方法在光电望远镜上应用与现有技术比较，它的有益效果是：

1.大幅简化节点间的连接关系，使用CAN总线控制网络时主干通路只有6根线，为通信2根和5V/24V电源4根，降低复杂度，提高可靠性。

2.采用的控制网络是半双工模式，多主竞争式发送数据，而且技术标准制定了协议层，具有完备的错误处理机制，数据准确可靠。各个节点相互独立，有利调试和维护，提高鲁棒性。

3.易于控制系统的扩展和剪裁，简化了添加和去除机构控制的操作，应用层的设计具有通同性，可以生产标准化模块化产品，灵活地移植到其它光电望远镜上，生产效率提升显著。

附图说明

图1是光电望远镜上分布控制结构示意图。

图中：端口1是对外连接的通讯口；微控制器2；端口3是总线接口；接口节点4；电源5；端口6是总线接口；微控制器7；控制节点8；端口9是连接机构上编码器12的接口；驱动器10；机构电机11；编码器12；总线13；电源线14；通讯线15；机构单元16。

图2是控制流程图，图2(a)是接口卡的流程，图2(b)是控制卡的流程。

图3是控制时序关系图。

图4是数据结构示意图，图4(a)是外部接口数据结构，图4(b)是控制网络内部数据结构。

图5是板卡实物图，图5(a)是接口节点板卡，图5(b)是控制节点板卡。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1中，在总线13和电源线14上连接了一个接口节点4和两个机构单元16作为整个光电望远镜分布控制结构的示意，在实际使用中将会连接多个机构单元。对于采用CAN总线实例，总线13实际是由CANL和CANH组成。接口节点4包含的端口1是对外连接的通讯口，通过连接外部的通讯线15实现通信；接口节点4包含的端口3是总线接口，与总线13连接，发送控制指令并接收状态数据；接口节点4包含的微控制器2完成协议接口转换及其它工作。电源5提供整个控制网络和机构的用电，为多路输出的直流电源，与电源线14连接。机构单元16包含的控制节点8中的端口6是总线接口，与总线13连接，接收控制指令并发送状态数据；控制节点8中的微控制器7实现对机构的实时控制；控制节点8中的端口9是连接机构上编码器12的接口；机构单元16包含的机构电机11的驱动器10连接到控制节点8实现运动的控制，编码器12与机构电机11所连接的机构部件耦合以测量位移或角度数据。

控制流程如图2所示。图2(a)是接口节点的流程。加电启动后接口节点发送内测数据将总线上的控制节点查询到并记录，进入等待循环；等待循环中有两种情况，一是接收到外部指令，进入外转内协议解析函数，然后将解析后的指令发送给指定的控制节点执行，之后进入循环等待；二是接收到内部状态，进入内转外协议解析函数，将解析后的状态送给外部，之后进入循环等待。图2(b)是控制节点的流程。加电后控制节点完成一次对其所控制的机构的检测和设置，然后进入循环等待控制指令；收到指令后进入控制函数，设置控制参数并启动周期中断时钟，对机构进行过程控制，完成后送出机构状态，然后进入循环等待。

图3所示是控制时序图，A～E波形的高电平部分表示数据有效期，其中A是序列有效周期波形，B是接口节点的波形，C～E是三个控制节点的波形。A1是一个数据序列的有效周期，在这个周期内数个指令和数据在网络上进行交换。B1-B3是接口节点发出分别对三个控制节点的指令，B4-B6是接口节点分别收到三个控制节点的状态数据。C1、D1、E1分别是控制节点收到指令后进行应答，C2、D2、E2分别是控制节点执行完毕后发出状态数据。C1-C2的时间是该控制节点执行的时间，执行完毕在C2发出状态数据，接口节点本应在B3收到状态数据，但是这时要发送优先级更高的指令，因此状态数据被延至B4接收，紧接着B3。D1-D2的时间是该控制节点执行的时间，执行完毕在D2发出状态数据，接口节点在B6接收。E1-E2的时间是该控制节点执行的时间，执行完毕在E2发出状态数据，接口节点在B5接收。虽然B2比B3先发，但是由于D2比E2后执行完，所以反而先在B5接收E2，而后在B6接收D2。

按上述建立硬件网络的连接后，本发明中指定了一套通用的数据格式来对控制网络的数据进行封装。图4为数据格式示意，分为外部接口数据格式图4(a)和控制网络内部数据格式图4(b)两种。对于外部接口数据，包括：帧头、数据帧参数、对象代码、指令代码或状态代码(指令/状态代码)、指令参数或状态参数(指令/状态参数)、校验码和帧尾；对于控制网络内部数据，包括：节点ID、数据帧参数、对象代码、指令代码或状态代码(指令/状态代码)、指令参数或状态参数(指令/状态参数)和校验码。帧头是一帧数据的起始标识。数据帧参数是数据帧单位、长度等信息。对象代码指光电望远镜某个镜头名称代码。指令代码或状态代码(指令/状态代码)分别是光电望眼镜各个机构控制指令或状态的名称。指令参数或状态参数(指令/状态参数)分别是指令或状态的附加信息和数据。校验码是数据帧的校验值，保证传输正确性。帧尾是一帧数据的结束标识。节点ID是为了在控制系统中识别节点及操作，本发明通过将其分为5个段来对网络中各个节点进行网络内唯一编码，这5个段分别是：第1段，优先级：占据2位，数值越低优先级越高，光电望远镜镜头机构控制的数据有内测、电源状态、节点配置、节点复位、机构定位、机构查询、机构中止、机构状态，其中节点配置、节点复位定为优先级0，即最高优先级，电源状态、机构中止定位优先级1，机构定位、内测定为优先级2，机构查询、机构状态定为优先级3，在发生数据竞争时，优先级高的数据先发送；第2段，发送节点ID：占据7位，为发送数据的节点编号；第3段，数据类型：占据2位，标示当前数据是单帧还是多帧，如果是多帧，是第一帧、中间帧还是最后一帧；第4段，应答：占据1位，应答标志，指示接收到本数据的节点是否需要应答；第5段，接收节点ID：占据7位，为本数据的目的地节点编号。

本发明保护的范围是包含了在上述方法所涵盖的技术范围内任何熟悉相关技术的人员所能想到的局部单元的变换和替换，以权利要求书所确定的保护范围为准。

实施例：

1.2m光电望远镜上采用CAN总线对探测器镜头各个机构进行控制，包括有粗跟踪、捕获、高灵敏、次镜、第三镜等几个主要镜头，控制的机构包括相机电源、粗跟踪镜头滤光片、粗跟踪镜头倍率、捕获镜头滤光片、高灵敏镜头光阑、高灵敏镜头调焦、次镜调焦及编码器、第三镜x、y、z三轴及三轴编码器、仪器温度等，接口节点和控制节点的板卡采用TMS320LF2407A开发，对外采用RS422连接，波特率115200bps，内部CAN总线连接，采用29位扩展ID，速率1Mbps。设计了8*8bits的外部串口数据格式和4*16bits的CAN总线内部数据格式。调试过程中，在满足硬件连接和软件协议接口的情况下即插即用，需要检测某个镜头时断开连接，其它系统正常工作不受影响，将此部分的调试时间缩短到1～3天。正式运行中，数据信息稳定可靠，网络通信故障事件目前为0。图5所示为实例所使用的板卡实物。

Claims (1)

1.一种大型光电望远镜镜头机构分布控制系统的控制方法，其特征在于：所述控制系统包括：总线（13）、电源线（14）、接口节点（4）、机构单元（16）和电源（5）；在总线（13）和电源线（14）上连接了一个或者一个以上的接口节点（4）和两个或者两个以上的机构单元（16），所述接口节点（4）包含的端口（1）是对外连接的通讯口，通过连接外部的通讯线（15）实现通信，所述接口节点（4）包含的端口（3）是总线接口，与总线（13）连接，发送控制指令并接收状态数据，所述接口节点（4）包含的微控制器（2）完成协议接口转换及其它工作；所述的机构单元（16）包括控制节点（8）、驱动器（10）、机构电机（11）和连接机构上的编码器（12），其中，控制节点（8）中的端口（6）是总线接口，与总线（13）连接，接收控制指令并发送状态数据，控制节点（8）中的微控制器（7）实现对机构的实时控制，所述控制节点（8）包含的端口（9）是连接机构上编码器（12）的接口，机构电机（11）的驱动器（10）连接到控制节点（8）实现运动的控制，编码器（12）与机构电机（11）所连接的部件耦合以测量位移或角度数据，电源（5）提供整个控制系统和机构的用电，为多路输出的直流电源，与电源线（14）连接；其中： 

接口节点的控制方式为：加电启动后接口节点发送内测数据将总线上的控制节点查询到并记录，进入等待循环；等待循环中有两种情况，一是接收到外部指令，进入外转内协议解析函数，然后将解析后的指令发送给指定的控制节点执行，之后进入循环等待；二是接收到内部状态，进入内转外协议解析函数，将解析后的状态送给外部，之后进入循环等待；控制节点的控制方式为：加电后控制节点完成一次对其所控制的机构的检测和设置，然后进入循环等待控制指令；收到指令后进入控制函数，设置控制参数并启动周期中断时钟，对机构进行过程控制，完成后送出机构状态，然后进入循环等待；所述的总线（13）为CAN总线； 

建立硬件网络的连接后，该方法指定了一套通用的数据格式来对控制网络的数据进行封装，分为外部接口数据格式和控制网络内部数据格式两种，对于外部接口数据，包括：帧头、数据帧参数、对象代码、指令代码或状态代码、指令参数或状态参数、校验码和帧尾；对于控制网络内部数据，包括：节点ID、数据帧参数、对象代码、指令代码或状态代码、指令参数或状态参数和校验码；帧头是一帧数据的起始标识，数据帧参数是数据帧单位、长度信息，对象代码指光电望远镜某个镜头名称代码，指令代码或状态代码分别是光电望眼镜各个机构控制指令或状态的名称，指令参数或状态参数分别是指令或状态的附加信息和数据，校验码是数据帧的校验值，保证传输正确性，帧尾是一帧数据的结束标识，节点ID是为了在控制系统中识别节点及操作，通过将其分为5个段来对网络中各个节点进行网络内唯一编码， 这5个段分别是：第1段，优先级：占据2位，数值越低优先级越高，光电望远镜镜头机构控制的数据有内测、电源状态、节点配置、节点复位、机构定位、机构查询、机构中止、机构状态，其中节点配置、节点复位定为优先级0，即最高优先级，电源状态、机构中止定位优先级1，机构定位、内测定为优先级2，机构查询、机构状态定为优先级3，在发生数据竞争时，优先级高的数据先发送；第2段，发送节点ID：占据7位，为发送数据的节点编号；第3段，数据类型：占据2位，标示当前数据是单帧还是多帧，如果是多帧，是第一帧、中间帧还是最后一帧；第4段，应答：占据1位，应答标志，指示接收到本数据的节点是否需要应答；第5段，接收节点ID：占据7位，为本数据的目的地节点编号； 

大型光电望远镜每个镜头机构的控制以总线方式构成控制网络，其外部与内部的通信通过总线上一个专门节点，称之为接口节点，来交换，各个分布的镜头机构的控制是通过总线上的各个专门节点，称之为控制节点，来实现；所述接口节点是一块由可编程微控制器和接口外设元件开发的板卡；所述的板卡采用TI公司的C2000芯片作为微控制器；所述的控制节点是一块由可编程微控制器和其它外设元件开发的板卡；所述的板卡采用TI公司的C2000芯片作为微控制器；所述控制方法定义了两种数据格式，分别是外部接口数据格式和控制网络内部数据格式；所述的数据格式定义了8*8bits的外部串口数据格式和4*16bit的CAN总线内部数据格式；加电启动后所述控制节点完成一次对其所控制的机构的检测和设置，然后进入循环等待控制指令；收到指令后进入控制函数，设置控制参数并启动周期中断时钟，对机构进行过程控制，完成后送出机构状态，然后进入循环等待； 

如下图所示的控制时序图，A～E波形的高电平部分表示数据有效期，其中A是序列有效周期波形，B是接口节点的波形，C～E是三个控制节点的波形；A1是一个数据序列的有效周期，在这个周期内数个指令和数据在网络上进行交换；B1-B3是接口节点发出分别对三个控制节点的指令，B4-B6是接口节点分别收到三个控制节点的状态数据；C1、D1、E1分别是控制节点收到指令后进行应答，C2、D2、E2分别是控制节点执行完毕后发出状态数据；C1-C2的时间是该控制节点执行的时间，执行完毕在C2发出状态数据，接口节点本应在B3收到状态数据，但是这时要发送优先级更高的指令，因此状态数据被延至B4接收，紧接着B3；D1-D2的时间是该控制节点执行的时间，执行完毕在D2发出状态数据，接口节点在B6接收；E1-E2的时间是该控制节点执行的时间，执行完毕在E2发出状态数据，接口节点在B5接收；虽然B2比B3先发，但是由于D2比E2后执行完，所以反而先在B5接收E2，而后在B6接收D2； 

该方法大幅简化节点间的连接关系，使用CAN总线控制网络时主干通路只有6根线，为通信2根和5V/24V电源4根，降低复杂度，提高可靠性；该方法采用的控制网络是半双工模式，多主竞争式发送数据，而且技术标准制定了协议层，具有完备的错误处理机制，数据准确可靠，各个节点相互独立，有利调试和维护，提高鲁棒性；该方法易于控制系统的扩展和剪裁，简化了添加和去除机构控制的操作，应用层的设计具有通同性，可以生产标准化模块化产品，灵活地移植到其它光电望远镜上，生产效率提升显著。 

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