CN114615356B - 采用模拟机进行望远镜成像系统调试的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了采用模拟机进行望远镜成像系统调试的装置，包括望远镜的观测控制系统OCS、望远镜成像终端ICS和望远镜本体控制系统TCS，TCS用于给望远镜本体发送指令并获得望远镜本体实时状态，控制望远镜的运行，ICS用于处理望远镜本体拍摄的图像，ICS与OCS信号连接，其中：还包括TCS模拟机，TCS模拟机与OCS信号连接，TCS模拟机发出模拟TCS信号的反馈数据给OCS，反馈数据具有预定的望远镜本体实时状态信息，OCS能根据反馈数据输出信息。本发明将望远镜本体与OCS之间的通讯用电脑的模拟机来代替实现本体的功能，在不接入望远镜本体的情况下即可实现成像终端与望远镜本体之间的联合调试，极大地方便了OCS的程序开发。

Description

采用模拟机进行望远镜成像系统调试的装置及方法
技术领域
本发明属于光学设备技术领域，具体涉及采用模拟机进行望远镜成像系统调试的装置及方法。
背景技术
专业天文望远镜是一个相对复杂的科学仪器设备系统，由本体，成像终端，圆顶和气象监测等各个设备组成。望远镜各组成部分中，望远镜的本体和图像成像系统所实现的功能是相对独立的，分别实现望远镜的运动指向和对某一天区进行成像观测。但是它们又是相互协同的，成像系统所产生的图像数据（天文上使用的是标准的FITS格式文件）需要与望远镜本体进行通讯，记录下此时望远镜本体的一些状态信息，例如当前的指向（赤经赤纬/地平俯仰），滤光片的波段，当前的时间，像场旋转的信息等等以便进行专业的天文分析，所以需要在OCS系统中对这两大块设备进行整体控制。在进行OCS程序调试的过程中，需要建立与成像终端与望远镜本体之间的联系，规定好这两方面的接口函数和通讯协议，对数据进行标准化操作和科学统一管理。 在实际操作中，由于成像终端和望远镜本体经常是由两个独立的机构或者厂商提供和开发，对于整个系统的集成和联合调试带来不便。
发明内容
本发明的目的是解决背景技术中的问题，提出一种采用模拟机进行望远镜成像系统调试的装置及方法。
本发明采取的技术方案为：
采用模拟机进行望远镜成像系统调试的装置，包括望远镜的观测控制系统OCS、望远镜成像终端ICS和望远镜本体控制系统TCS，TCS用于给望远镜本体发送指令并获得望远镜本体实时状态，控制望远镜的运行，ICS用于处理望远镜本体拍摄的图像，ICS与OCS信号连接，其中：还包括TCS模拟机，TCS模拟机与OCS信号连接，TCS模拟机发出模拟TCS信号的反馈数据给OCS，反馈数据具有预定的望远镜本体实时状态信息，OCS能根据反馈数据输出信息。
进一步的，TCS模拟机按照和TCS规定的协议和数据帧，发出反馈数据给OCS。
采用模拟机进行望远镜成像系统调试的装置的调试方法，包括以下步骤：
步骤1、确定TCS与OCS之间的通讯协议和数据帧的格式，改变TCS模拟机的通讯协议和数据帧的格式，使其与TCS相适应；
步骤2、TCS模拟机生成反馈数据；
步骤3、TCS模拟机数据发送；
步骤4、OCS接收反馈数据并进行解析；
步骤5、OCS与ICS通信，进行图像数据采集；
步骤6、采集图像与模拟机解析数据进行集成并输出。
步骤4中，OCS接收反馈数据并进行解析的具体步骤为：
步骤4.1、建立Socket对象；
步骤4.2、创建IP和端口号；
步骤4.3、用socket对像的Connect()方法建立与服务器的连接；
步骤4.4、用socket对像的Send()方法向模拟服务器发送消息；
步骤4.5、用socket对像的Receive()方法接收模拟服务器发出的消息；
步骤4.6、判断是否接收到消息，如接收到消息，则对消息进行切片操作分离出有效数据；
步骤4.7、将分离的数据打印显示。
本发明具有以下特点：
本发明为一种便捷高效的OCS联合调试方法，将望远镜本体与OCS之间的通讯用电脑的模拟机来代替实现本体的功能，在不接入望远镜本体的情况下即可实现成像终端与望远镜本体之间的联合调试，极大地方便了OCS的程序开发。
附图说明
图1为望远镜各组成部分示意图；
图2为现有技术中望远镜本体，成像终端与观测控制主机连接示意图
图3为本发明的结构示意图；
图4为客户端和服务器连接示意图
图5为采用网络调试助手发送望远镜数据帧示意图；
图6为OCS端数据解析程序流程图
附图标记为：OCS1、ICS2、TCS3、TCS模拟机4。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
本实施例采用模拟机进行望远镜成像系统调试的装置，包括望远镜的观测控制系统OCS1、望远镜成像终端ICS2和望远镜本体控制系统TCS3，TCS3用于给望远镜本体发送指令并获得望远镜本体实时状态，控制望远镜的运行，ICS2用于处理望远镜本体拍摄的图像，ICS2与OCS1信号连接，其中：还包括TCS模拟机4，TCS模拟机4与OCS1信号连接，TCS模拟机4发出模拟TCS信号的反馈数据给OCS1，反馈数据具有预定的望远镜本体实时状态信息，OCS1能根据反馈数据输出信息。
TCS模拟机4按照和TCS3规定的协议和数据帧，发出反馈数据给OCS1。
望远镜的观测控制系统（Observatory Control System,OCS）是望远镜整个系统的控制中心。它负责与望远镜本体控制系统(Telescope Control System,TCS)，望远镜成像终端(Instruments Control System,ICS),Weather Surveillance System(WSS)进行通讯，如图1所示。具体的，OCS与TCS和ICS之间的通讯示意图如图2：
望远镜的TCS系统负责给望远镜本体发送指令，控制望远镜的运行，这些指令可以通过TCP/IP 或者 UDP方式发送，按照一定数据格式实现特定的功能。一般的是以数据帧的形式向望远镜发出，数据帧内部包含了对望远镜控制各子设备的控制信息，如望远镜的赤经赤纬/地平俯仰电机运动的位置，滤光片的选择并运行到的位置，像场消旋电机运动的位置等。除此之外，TCS还需要将望远镜各设备的状态信息反馈给OCS端，通讯方式可以采用TCP/IP协议和数据帧的形式发出。望远镜的OCS除了接收TCS的状态信息，还需要通过调用规定好的图像采集函数执行图像采集程序，将采集后的FITS格式存盘。在存盘的过程中又要用到TCS反馈的一些望远镜状态信息，TCS发出的望远镜状态信息进行解析，分离出所需要的信息并将他们以图像头文件的形式和图像数据一起保存到FITS文件中。为了在不接入望远镜本体的情况下调试OCS系统，本发明使用电脑模拟TCS向OCS端发送望远镜的反馈信息，使得OCS获得望远镜的当前状态，并结合ICS图像采集组成OCS的调试开发平台。
本发明的望远镜成像系统调试的装置如示意图3所示，OCS端不必接入到TCS及望远镜的本体中去，可以采用模拟机，按照和TCS规定的协议和数据帧，发出相同的反馈数据给OCS,供OCS解析以获得望远镜的实时状态。
望远镜成像系统调试的装置的调试方法具体包括以下内容：
1. 数据通信方式：
在已知了TCS与OCS之间的通讯协议和数据帧的格式之后，就可以用模拟机将数据完全等效的发出，例如某大视场望远镜，其TCS反馈给OCS的数据采用TCP/IP协议传输，数据帧一共有178个字节组成，它包含了望远镜各个设备的当前的状态信息，TCS将此数据帧以25Hz的频率对外发送数据帧。此数据帧也是OCS系统判断望远镜运行是否正常的唯一途径。
2. 模拟机数据生成
根据数据帧的定义，一帧数据共有178个字节组成，各个设备状态信息所需要的字节数大小不同。为了方便整个望远镜的OCS系统整体程序的调试，也为了单独调试接收望远镜信息这一程序单元，将主机发送数据帧进行了模拟化的处理，即采用一些固定的参考值来模拟望远镜的实时数据，对这些参考值按照数据帧的格式定义进行打包，并向客户端发送。按照帧数据的定义各模拟值的设置如下：
信息头:
FCFCFCFC00000011112222011970010119700101888888889999999901000000
设备编号：5678
看门狗：00
时间类型：01
该帧数据的日期时间：2022012717491122
系统工作状态：01
定时定位系统状态授时来源：02
定时定位系统状态：01
主镜盖1状态：00
主镜盖1位置：aabbccdd11223344
调焦机构：000112786753
编码器状态：0000
编码器零位A: 0000000000001212
编码器零位E: 0000000000003434
伺服状态：D1D3
引导模式：04
测角类型：01
时间类型：01
指向测角的日期时间：2022012717501122
引导数据A: 0000000000123456
引导数据E: 0000000000654321
指向测角A:0000000000123456
指向测角E: 0000000000654321
主光学状态：01
消旋机构位置：00000000000000aa
消旋限位状态：00
消旋正在运动：00
消旋机构使能：01
滤光片机构位置：00000000000000bb
滤光片限位状态：00
滤光片正在运动：01
滤光片机构使能：01
ADC 机构A位置：00000000000000cc
ADC机构B位置：00000000000000dd
机构A限位状态：00
机构B限位状态：00
机构A正在运动：01
机构B正在运动：01
机构A使能：01
机构B使能：01
主光学状态：01
望远镜机架电源：01
主镜支撑系统电源：01
主光学控制器电源：01
主镜温控电源：01
快门电源:01
伺服A电源:01
伺服E电源:01
根据上述定义，得到一个数据帧的内容排序为：
“FCFCFCFC0000001111222201197001011970010188888888999999990100000056780001202201271749112201020100aabbccdd11223344000112786753000000000000000012120000000000003434D1D3040101202201271750112200000000001234560000000000654321000000000012345600000000006543210100000000000000aa00000100000000000000bb00010100000000000000cc00000000000000dd0000010101010101010101010101”。
3. 模拟机数据发送
为了完全模拟TCS的数据帧，在电脑模拟端需要将178Byte的数据通过TCP/IP协议对外发送。如图4所示。为了实现这个功能，在电脑模拟端可以借助于网络调试助手这个通用的工具。在网络调试助手工具中设置模拟机为TCP服务器，设置服务器的IP地址为192.168.1.201，端口号为8000，将TCS的数据帧填入数据发送窗口，在循环周期中设置循环周期为40ms（25Hz）将数据发送。如图5所示。
4. OCS端数据解析
在OCS端编写数据解析程序，将178个字节的数据按照表1定义的数据格式将望远镜各个状态的信息从一帧数据中分离出来，重新组合以获得各个设备的状态信息。OCS端的数据解析程序在Linux Ubuntu环境下采用python语言编写，具体编程的思路是：
主要是采用了Socket这个中间件工具进行网络编程，一次收取178个字节的数据。之后根据定义格式对数据进行分离解析操作。
Socket它是计算机之间进行通信的一种约定或一种方式。通过socket这种约定，一台计算机可以接收其他计算机的数据，也可以向其他计算机发送数据。程序的基本流程图如图6。执行之后，打印分离之后的望远镜状态信息结果。
5. OCS端图像数据采集
OCS除了接收TCS的状态字信息还对ICS进行控制，通过一些函数实现图像采集的功能。通过编写和封装了一些OCS与成像系统的接口函数，包括初始化成像系统（相机）Initialize_WFS()；连接相机connect()；设置相机电源开启set_ccd_power()；设置曝光时间set_expo_time_us()；设置读出速度set_readout_speed()；开始曝光start_expo()；获取曝光状态expo_status()等函数。
6. 采集图像与模拟机解析数据集成
OCS采集到图像数据之后，需要将经过程序解析之后TCS发来的状态信息再写入到图像文件（FITS）的头文件中。 FITS (Flexible Image Transport System)格式的文件是国际天文学会(IAU)确定的世界各天文台之间用于数据传输、交换的统一标准格式。它由文件头和数据两部分组成。在文件头中存储有对该文件的描述，如观测时间、观测对象、拍照温度、曝光时间等信息，同时也可以在文件头中注明观测时的视场、精度等，便于后期数据分析之用。将望远镜状态数据写入FITS头文件具体是在Linux操作系统下用Python程序是实现。
为了在望远镜OCS的调试和开发过程中，便于调试望远镜的TCS及ICS系统,在已知TCS与OCS通讯协议和数据格式的前提下，本申请单独采用了模拟机的方法来模拟TCS发出的望远镜数据帧信号，在OCS端口编写ICS图像采集程序，TCS数据帧实时接收和解析程序并将图像和解析结果相融合，将望远镜的状态写入到图像文件的头文件中，形成一个较为完整的基本观测程序。采用这种方法可以在不接入望远镜的本体实物的情况下就可以进行OCS系统的开发工作，对外部设备的依赖性大为降低，并且当OCS开发调试结束之后，OCS真正的接入到望远镜本体实物中去的时候，所开发完成的OCS系统也几乎不用做大的改动。这对于望远镜多设备控制，多数据交换的复杂系统来说提供的一个很好的集成调试方法。该方法也同样适用于具有一定通讯协议和数据格式的多个子设备的系统集成，及联合调试开发项目中。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.采用模拟机进行望远镜成像系统调试的装置，包括望远镜的观测控制系统OCS(1)、望远镜成像终端ICS(2)和望远镜本体控制系统TCS(3)，所述的TCS(3)用于给望远镜本体发送指令并获得望远镜本体实时状态，控制望远镜的运行，所述的ICS(2)用于处理望远镜本体拍摄的图像，所述的ICS(2)与OCS(1)信号连接，其特征是：还包括TCS模拟机(4)，所述的TCS模拟机(4)与OCS(1)信号连接，所述的TCS模拟机(4)发出模拟TCS信号的反馈数据给OCS(1)，反馈数据具有预定的望远镜本体实时状态信息，OCS(1)能根据反馈数据输出信息。
2.根据权利要求1所述的采用模拟机进行望远镜成像系统调试的装置，其特征是：所述的TCS模拟机(4)按照和TCS(3)规定的协议和数据帧，发出反馈数据给OCS(1)。
3.如权利要求1所述的采用模拟机进行望远镜成像系统调试的装置的调试方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤1、确定TCS(3)与OCS(1)之间的通讯协议和数据帧的格式，改变TCS模拟机(4)的通讯协议和数据帧的格式，使其与TCS(3)相适应；
步骤2、TCS模拟机(4)生成反馈数据；
步骤3、TCS模拟机(4)数据发送；
步骤4、OCS(1)接收反馈数据并进行解析；
步骤5、OCS(1)与ICS(2)通信，进行图像数据采集；
步骤6、采集图像与模拟机解析数据进行集成并输出。
4.根据权利要求3所述的采用模拟机进行望远镜成像系统调试方法，其特征是：步骤4中，OCS(1)接收反馈数据并进行解析的具体步骤为：
步骤4.1、建立Socket对象；
步骤4.2、创建IP和端口号；
步骤4.3、用socket对像的Connect()方法建立与服务器的连接；
步骤4.4、用socket对像的Send()方法向模拟服务器发送消息；
步骤4.5、用socket对像的Receive()方法接收模拟服务器发出的消息；
步骤4.6、判断是否接收到消息，如接收到消息，则对消息进行切片操作分离出有效数据；
步骤4.7、将分离的数据打印显示。
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