CN103335818A

CN103335818A - 一种航天相机调焦调偏流组件通用测试设备

Info

Publication number: CN103335818A
Application number: CN2013102726780A
Authority: CN
Inventors: 王绍举; 徐伟; 朴永杰; 徐拓奇; 郑晓云; 金光
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2013-07-01
Filing date: 2013-07-01
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2033-07-01
Also published as: CN103335818B

Abstract

本发明涉及一种航天相机调焦调偏流组件通用测试设备，包括上位机和控制箱；所述上位机可以发送电机驱动指令和编码器数据采集指令；所述控制箱包括：微处理器、电机驱动电路、串口通信电路、编码器采集电路和霍尔信号采集电路；所述微处理器通过串口通信电路与所述上位机相连，经电机驱动电路控制步进电机；所述微处理器经编码器采集电路采集编码器数据；所述微处理器由霍尔采集电路采集霍尔开关信号。本发明的航天相机调焦调偏流组件通用测试设备，可针对多种不同的调焦调偏流组件，无需更改软件和硬件，就可实现开环和闭环控制，软件可现实当前编码器位置。可实现对霍尔限位开关的采集，防止驱动过程中机构卡死。

Description

一种航天相机调焦调偏流组件通用测试设备

技术领域

本发明属于航天光学遥感相机系统地面测试领域，具体涉及一种航天相机调焦调偏流组件通用测试设备。

背景技术

航天光学遥感相机（以下简称“航天相机”）是卫星或飞船上的关键有效载荷，为保证航天相机能够在轨拍摄出高分辨率和清晰的图像，需要借助调焦组件对相机进行调焦和借助调偏流组件调整相机的偏流角。在航天相机研制、检验和整机测试中，很多实验需要对相机调焦组件和调偏流组件进行控制，比如调焦组件研制完毕要对其进行检验时需对其进行开环控制，研制其结构性能是否满足设计要求。在对相机测试传递函数期间，要调整偏流角使CCD与靶标条纹对齐。

目前现有的调焦调偏流组件测试设备大多为针对特定的组件而开发的专用设备，有的采用电机驱动器加信号发生器的方式设计，控制调焦调偏流组件朝指定的方向按照一定的频率转动，这种测试设备功能单一，操作复杂；空间相机多功能调焦调偏流控制液晶显示系统（专利CN101853617A）也是一种专用系统，系统包含控制机构和驱动结构，由嵌入式微处理器控制和显示信息，可实现调焦调偏流组件的并行、单独、开环和闭环控制。该系统针对特定的组件开发，更换调焦调偏流组件后若进行闭环控制则需要重新对微处理器进行编程。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种通用、便携且功能丰富的航天相机调焦调偏流组件通用测试设备。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种航天相机调焦调偏流组件通用测试设备，包括上位机和控制箱；所述上位机可以发送电机驱动指令和编码器数据采集指令；

所述控制箱包括：微处理器、电机驱动电路、串口通信电路、编码器采集电路和霍尔信号采集电路；所述微处理器通过串口通信电路与所述上位机相连，经电机驱动电路控制步进电机；所述微处理器经编码器采集电路采集编码器数据；所述微处理器由霍尔采集电路采集霍尔开关信号。

在上述技术方案中，所述电机驱动指令包含电机转动方向、转动频率和转动步数。

在上述技术方案中，所述上位机提供测试专用软件，该测试专用软件具有公式输入接口，可对多种调焦调偏流组件进行测试。

在上述技术方案中，所述电机驱动电路包括4路独立的电机驱动，四路驱动对应四相步进电机，每相均由微处理器的一个I/O端口引出，经功率管与步进电机一相向连。

在上述技术方案中，所述编码器采集电路包括粗码放大、模数转换、精码放大、精码整形和数据锁存；编码器码头提供的编码器信号分为粗码和精码，粗码信号经粗码放大和模数转换后进入微处理器，精码信号经过精码放大、精码整形和数据缓存后进入微处理器。

在上述技术方案中，所述霍尔信号采集电路包括两路霍尔开关信号的采集，每个霍尔开关输出信号分别经电阻连接到+5V电源、连接到微处理器的I/O和连接到与门电路的输入端，与门电路输出端连接到微处理器的一个外部中断。

在上述技术方案中，所述微处理器具体是通过RS232串口连接到上位机，接收上位机指令驱动设定电机驱动频率、电机转动方向和转动步数；微处理器可根据上位机指令采集编码器数据，并将数据通过RS232串口发送到上位机；在微处理器驱动电机转动过程中，如果任何一个霍尔信号有效，则停止电机驱动，并将该霍尔有效信号标志通过RS232串口发送到上位机。

在上述技术方案中，所述上位机提供的测试专用软件通过上位机串口连接到控制箱；利用测试专用软件可对调焦调偏流组件发出开环控制命令，开环命令可设置调焦调偏流组件步进电机转动的方向、驱动频率和转动步数；利用测试专用软件可对调焦调偏流组件发出闭环控制命令，根据不同的调焦调偏流组件，通过输入驱动公式参数形成针对该机构的驱动公式，然后根据输入的闭环控制参数计算该参数对应组件编码器理论位置，然后读取组件当前编码器数据，计算二者之差，当二者之差超过设定门限时自动计算步进电机转动步数和方向，自动控制组件步进电机运动；运动完毕再次读取当前编码器数据，重新计算与理论编码器之差，如果满足设定门限则驱动完毕，否则继续之前的循环。

本发明具有以下的有益效果：

本发明的航天相机调焦调偏流组件通用测试设备，可针对多种不同的调焦调偏流组件，无需更改软件和硬件，就可实现开环和闭环控制，软件可显示当前编码器位置。可实现对霍尔限位开关的采集，防止驱动过程中机构卡死。本设备硬件结构简洁，功能简单，可靠性好而且携带方便，具有较大的经济和社会效益。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的航天相机调焦调偏流组件通用测试设备的系统结构框图。

图2是本发明的电机驱动电路原理框图。

图3是本发明的编码器采集电路原理框图。

图4是本发明的霍尔信号采集电路原理框图。

图5是本发明的微处理器主程序流程图。

图6是本发明的微处理器串口中断服务子程序程序流程图。

图7是本发明的微处理器霍尔中断服务子程序程序流程图。

图8是本发明的微处理器电机驱动定时器中断服务子程序程序流程图。

图9是本发明的PC机闭环控制指令程序流程图。

具体实施方式

本发明的发明思想为：

本发明的航天相机调焦调偏流组件通用测试设备包括上位机（PC）和控制箱两部分，PC经串口通讯电路（RS232）与微处理器进行通信，微处理器经电机驱动电路控制步进电机，微处理器经数据锁存器和模数转换电路采集编码器数据，微处理器由中断直接采集霍尔开关信号。微处理器仅需根据PC机指令发出步进电机驱动信号和采集编码器数据，因此微处理器功能简单，而且其软件后续无需更改。PC机提供测试专用软件，由该测试专用软件发出测试指令，该测试专用软件具有公式输入接口，可在软硬件都不变的前提下对多种调焦调偏流组件进行测试。

电机驱动电路包括4路独立的电机驱动，四路驱动对应四相步进电机，每相均由微处理器的一个I/O端口引出，经功率管与步进电机一相向连。步进电机+12V电源由电机驱动电路提供，功率管经反向续流二极管与+12V相连。

编码器采集电路包括粗码放大、模数转换、精码放大、精码整形和数据锁存。编码器码头提供的编码器信号分为粗码和精码，粗码信号经粗码放大和模数转换后进入微处理器，精码信号经过精码放大、精码整形和数据缓存后进入微处理器。

霍尔信号采集电路包括两路霍尔开关信号的采集，每个霍尔开关输出信号分别经电阻连接到+5V电源、连接到微处理器的I/O和连接到与门电路的输入端，与门电路输出端连接到微处理器的一个外部中断。

微处理器通过RS232串口连接到PC机，接收PC机指令设定电机驱动频率、电机转动方向和转动步数。微处理器根据PC机指令采集编码器数据，并将数据通过RS232串口发送到PC机。在微处理器驱动电机转动过程中，如果任何一个霍尔信号有效，则停止电机驱动，并将该霍尔有效信号标志通过RS232串口发送到PC机。

PC机软件通过PC机串口连接到控制箱。利用测试专用软件可对调焦调偏流组件发出开环控制命令，开环命令可设置调焦调偏流组件步进电机转动的方向、驱动频率和转动步数。利用测试专用软件可对调焦调偏流组件发出闭环控制命令，根据不同的调焦调偏流组件，通过输入驱动公式参数形成针对该组件的驱动公式，然后根据输入的闭环控制参数（比如位置或角度）计算该参数对应组件编码器理论位置，然后读取组件当前编码器数据，计算二者之差，当二者之差超过设定门限时自动计算步进电机转动步数和方向，自动控制组件步进电机运动。运动完毕再次读取当前组件的编码器数据，重新计算与理论编码器之差，如果满足设定门限则驱动完毕，否则继续之前的循环。

以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

图1至图9显示本发明的一种具体实施方式。由图1所示，本发明的航天相机调焦调偏流组件通用测试设备包括PC和控制箱两部分，PC仅需一个RS232外部接口，PC经该串口与控制箱进行通信，PC发送电机驱动指令（包含电机转动方向、转动频率和转动步数），PC发送编码器数据采集指令。控制箱包括微处理器、电机驱动电路、串口通信电路、编码器采集电路和霍尔信号采集电路。微处理器通过串口通信电路与PC相连，经电机驱动电路控制步进电机，微处理器经编码器采集电路采集编码器数据，微处理器由霍尔采集电路采集霍尔开关信号。微处理器仅需根据PC机指令发出步进电机驱动信号和采集编码器数据，因此微处理器功能简单，而且其软件后续无需更改。PC机提供测试专用软件，由该测试专用软件发出测试指令，该测试专用软件具有公式输入接口，可在软硬件都不变的前提下对多种调焦调偏流组件进行测试。

由图2所示，电机驱动电路包括4路独立的电机驱动，四路驱动对应四相步进电机，采用四相八拍控制方式。驱动电路包括电阻R11，R12，R21，R22，R31，R32，R41和R42八支，二极管D1，D2，D3和D4四支，功率管G1，G2，G3和G4四支。微处理器提供四个独立的I/O分别连接到每个功率管的栅极，每个功率管的源极均接地，漏极接二极管的P极。电阻分为两组，R11，R21，R31和R41阻值均为1.8KΩ，其一端连接到+12V，另一端连接到每个功率管的栅极；电阻R12，R22，R32和R42阻值均为10KΩ，其一端连接到地，另一端连接到每个功率管的栅极。功率管的漏极分别连接到四相步进电机的各相绕组上，步进电机的电源由电控箱的+12V提供。二极管P极连接到功率管的栅极，N极连接到+12V，二极管可防止步进电机每相绕组反压对功率管的冲击，起到反向续流的作用。

如图3所示，编码器采集电路包括粗码放大、模数转换、精码放大、精码整形和数据锁存。编码器码头提供的编码器信号分为粗码和精码，粗码信号经粗码放大和模数转换后进入微处理器，精码信号经过精码放大、精码整形和数据缓存后进入微处理器。粗码信号经过信号放大器放大后，采用模数变换器将其转换为数字信号供微处理器使用。精码信号经信号放大器放大后，再经过整形电路对信号进行整形处理，转换为数字量后连接到数据锁存器，由微处理器通过数据锁存器读取精码数据。

如图4所示，霍尔信号采集电路包括两路霍尔开关信号的采集，每个霍尔开关输出信号分别经电阻R1和R2连接到+5V电源、连接到微处理器的IO（霍尔1信号连接到P1.4，霍尔2信号连接到P1.5）和连接到与门电路的输入端，与门电路输出端连接到微处理器的一个外部中断。R1和R2电阻阻值均为1KΩ。当霍尔开关没有输出信号时，A点和B点均为高电平，二者经与门电路后输出高电平到微处理器的外部中断引脚；当霍尔开关1输出信号时，A点电平为低电平，无论霍尔开关2是否输出信号，与门电路均输出低电平，微处理器外部中断有效。微处理器通过查询IO可得知霍尔开关1有效。当霍尔开关2输出信号时，或二者均输出信号时，微处理器的外部中断信号同样有效，查询IO可得知当前有效的霍尔信号。

电控箱微处理器采用单片机AT89C52，串口转换芯片采用MAX232，与门电路采用74LS08，功率管采用2N6798，二极管采用1N5806，信号放大器采用LM124，信号整形电路采用LM139，模数转换器采用TLV2548，数据锁存采用74LS573。

下面详细介绍本发明的工作过程：

根据图5至图9所示：

5.1、电控箱采用AT89C52作为微处理器，通过串口采集PC发送的指令，设定步进电机转动的方向、步数和转动频率，采集编码器数据和霍尔有效信号，并由串口发送到PC。

5.2、本发明中电机驱动电路针对航天相机中使用最为普遍的步进电机而设计，控制方式为四相八拍，采用P1.0,P1.1,P1.2和P1.3四个IO分别连接步进电机的各相，并提供驱动信号。驱动信号见下表

序号	正转	反转
			1	1110B	1110B
2	1100B	0110B
			3	1101B	0111B
4	1001B	0011B
			5	1011B	1011B
6	0011B	1001B
			7	0111B	1101B
8	0110B	1100B

电机转动方向不同时，驱动信号的顺序不同。

5.3、电机驱动频率由单片机内部定时器0和定时器1控制，设置定时器定时周期，定时时间到则设置电机驱动信号。电机驱动驱动频率从100Hz到1000Hz可调。

5.4、微处理器通过串口接收指令和发送数据，鉴于通信数据率较低，采用的波特率为9600，通信格式是8位数据位，1未停止位，没有校验位。通信协议见下表。

5.5、上位机（PC）测试专用软件采用VC编程，主要功能包括如下几部分：

（1）串口设置、向串口发送数据和从串口接收数据；

（2）根据操作人员的选择（电机转动方向、电机驱动频率、电机转动步数）生成开环控制数据；

（3）根据操作人员的选择（调焦位置、调焦公式参数，电机驱动频率）自动计算电机转动的方向和转动步数，生成闭环调焦指令；

（4）根据操作人员的选择（调偏流角度，调偏流公式系数，电机驱动频率）自动计算电机转动的方向和转动步数，生成闭环调偏流指令；

（5）自动周期采集编码器数据；

（6）自动根据从串口接收的霍尔开关有效信号更新霍尔开关状态图标；

（7）在闭环控制模式下，自动发送电机状态采集指令，并自动接收电机状态数据，当电机转动完毕后自动采集编码器数据，并重新计算和生成新的闭环控制指令，直到达到闭环控制精度为止。

5.5.1、公式参数输入

本发明的特征之一是可在软件和硬件都不变的情况下，实现对多种调焦调偏流组件的精确闭环控制。

为了实现闭环控制，每套调焦组件或调偏流组件都有不同的驱动公式（调焦位置与其编码器的对应关系，调偏流角度与其编码器的对应关系），当前解决该问题的方法是针对每套不同的组件更改控制箱中微处理器程序。本发明针对常见的几种组件对应关系，找到它们的共同点，给出结构化的公式，测试时由操作人员选择待测试组件驱动公式的形式，在软件中输入工程参数即可，由上位机测试专用软件根据新的公式进行计算，生成闭环控制指令。控制箱仅需根据上位机的指令驱动步进电机转动即可。

常见的驱动公式如下：

（1）多项式

常见结构组件多项式公式是由实际测试数据经过多次拟合而得到的，针对这种类型的公式只需更换每个自变量前的系数就可生成一系列公式。比如某个调焦机构组件焦面位置与其编码器对应关系为一个六次多项式，

N＝t₆x⁶+t₅x⁵+t₄x⁴+t₃x³+t₂x²+t₁x+t₀，通过修改各个系数t就可构造出多种多样的不超过六阶的多项式，对于低于六阶的多项式，高次项系数输入0即可。

公式中x为结构组件输入参数，比如调焦的焦面位置参数，调偏流组件的偏流角参数，公式中最后一部分t₀表示编码器数值偏移量，对于不同的机构，由于前期装配时无法确定编码器角度与组件的对应关系，后期测试时可修改该部分使得组件对应的编码器码值在一个合理的范围内。

（2）三角函数

三角函数也是常见的结构组件多项式，不单单是三角函数，有时也有反三角函数，因此归纳为如下的形式:

N＝α+k×f1(1×f2(mθ+n)+pθ+q)+tθ+β

其中，f1()和f2()可分别选择sin(),sin^-1(),cos()和cos^-1(),对于没有的部分，其系数选为0即可。

公式中θ为结构组件输入参数，比如调焦的焦面位置参数，调偏流组件的偏流角参数，公式中β为编码器数值偏移量，对于不同的机构，由于前期装配时无法确定编码器角度与组件的对应关系，后期测试时可修改该部分使得组件对应的编码器码值在一个合理的范围内。

（3）线性函数

线性函数最为简单，也最为常见，其公式如下：

N＝α+k×θ+β

公式中为结构组件输入参数，比如调焦的焦面位置参数，调偏流组件的偏流角参数，公式中为编码器数值偏移量，对于不同的机构，由于前期装配时无法确定编码器角度与组件的对应关系，后期测试时可修改该部分使得组件对应的编码器码值在一个合理的范围内。

5.5.2、控制过程

上位机为控制箱发送指令来驱动电机转动，从而达到控制目的。调焦调偏流组件的控制分为开环控制和闭环控制两种。

开环控制就是操作人员在上位机上利用测试专用软件选择电机转动方向、驱动频率和电机转动步数，生成电机控制指令并发送该指令，由控制箱驱动结构组件步进电机完成转动即可。

闭环控制中上位机要先读取结构组件当前编码器位置，根据输入的参数计算理论编码器数值，根据二者之差计算本次电机转动的方向和步数，发送电机控制指令驱动电机转动，电机转动完毕还要读入编码器数值，判断是否满足要求（即判断实际编码器码值与理论计算编码器的码值之差是否在设定范围内），如果不满足要求则重新计算需要转动的电机步数和方向再次驱动电机，直到满足要求为止。闭环控制程序流程图如图9所示。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种航天相机调焦调偏流组件通用测试设备，其特征在于，包括上位机和控制箱；所述上位机可以发送电机驱动指令和编码器数据采集指令；

2.根据权利要求1所述的航天相机调焦调偏流组件通用测试设备，其特征在于，所述电机驱动指令包含电机转动方向、转动频率和转动步数。

3.根据权利要求1所述的航天相机调焦调偏流组件通用测试设备，其特征在于，所述上位机提供测试专用软件，该测试专用软件具有公式输入接口，可对多种调焦调偏流组件进行测试。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的航天相机调焦调偏流组件通用测试设备，其特征在于，所述电机驱动电路包括4路独立的电机驱动，四路驱动对应四相步进电机，每相均由微处理器的一个I/O端口引出，经功率管与步进电机一相向连。

5.根据权利要求1-3中任意一项所述的航天相机调焦调偏流组件通用测试设备，其特征在于，所述编码器采集电路包括粗码放大、模数转换、精码放大、精码整形和数据锁存；编码器码头提供的编码器信号分为粗码和精码，粗码信号经粗码放大和模数转换后进入微处理器，精码信号经过精码放大、精码整形和数据缓存后进入微处理器。

6.根据权利要求1-3中任意一项所述的航天相机调焦调偏流组件通用测试设备，其特征在于，所述霍尔信号采集电路包括两路霍尔开关信号的采集，每个霍尔开关输出信号分别经电阻连接到+5V电源、连接到微处理器的I/O和连接到与门电路的输入端，与门电路输出端连接到微处理器的一个外部中断。

7.根据权利要求1-3中任意一项所述的航天相机调焦调偏流组件通用测试设备，其特征在于，所述微处理器具体是通过RS232串口连接到上位机，接收上位机指令驱动设定电机驱动频率、电机转动方向和转动步数；微处理器可根据上位机指令采集编码器数据，并将数据通过RS232串口发送到上位机；在微处理器驱动电机转动过程中，如果任何一个霍尔信号有效，则停止电机驱动，并将该霍尔有效信号标志通过RS232串口发送到上位机。

8.根据权利要求3所述的航天相机调焦调偏流组件通用测试设备，其特征在于，所述上位机提供的测试专用软件通过上位机串口连接到控制箱；利用测试专用软件可对调焦调偏流组件发出开环控制命令，开环命令可设置调焦调偏流组件步进电机转动的方向、驱动频率和转动步数；利用测试专用软件可对调焦调偏流组件发出闭环控制命令，根据不同的调焦调偏流组件，通过输入驱动公式参数形成针对该机构的驱动公式，然后根据输入的闭环控制参数计算该参数对应组件编码器理论位置，然后读取组件当前编码器数据，计算二者之差，当二者之差超过设定门限时自动计算步进电机转动步数和方向，自动控制组件步进电机运动；运动完毕再次读取当前编码器数据，重新计算与理论编码器之差，如果满足设定门限则驱动完毕，否则继续之前的循环。