單片機(jī)在赤道式天文望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

一 前言

　　縱觀當(dāng)前國內(nèi)的望遠(yuǎn)鏡市場，大大小小的望遠(yuǎn)鏡都配上了電腦，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)控制，這樣無形之中就增加了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，使一些原本不必要配電腦的中小型望遠(yuǎn)鏡也必須得配一臺電腦，脫離了電腦，就只能進(jìn)行一些簡單的手動(dòng)操作，令人苦不堪言，本人主要就這一方面作了一些粗陋的研究，用單片機(jī)的匯編語言編制了望遠(yuǎn)鏡自動(dòng)找星的程序，實(shí)現(xiàn)了把手盒自動(dòng)找星的功能。

二 系統(tǒng)硬件概述

　　本控制系統(tǒng)的核心部分是采用雙串口的CPU（W77E58芯片），可以同時(shí)和上位機(jī)及把手盒通信，也可以單獨(dú)和他們通信，一片XC95108-84負(fù)責(zé)計(jì)數(shù)分頻等工作，一片MC146818時(shí)鐘芯片，用來產(chǎn)生恒星時(shí)，附加一些外圍接口電路，具體詳情見（圖一），因?yàn)楸疚闹亟榻B的是算法部分，因此硬件部分不再細(xì)述。

    下位機(jī)系統(tǒng)方框原理圖（圖一）

三 軟件部分

　　具體地講，軟件總的可以分為四大部分：PC機(jī)（工控機(jī)）部分，把手盒部分，下位機(jī)部分以及功放模塊部分。其中PC機(jī)和把手盒分別與下位機(jī)的主電腦CPU（W77E58）通信，由串行電纜連接，實(shí)現(xiàn)通信，功放模塊（驅(qū)動(dòng)部分）與下位機(jī)連體，由數(shù)據(jù)線直接連接，下面我們主要介紹下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)流程及算法思路：

　　1、 設(shè)計(jì)思路

　　我們應(yīng)該明確該設(shè)計(jì)的目的，即實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡自動(dòng)找星的功能，具體地說，首先得給望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行位置的準(zhǔn)確標(biāo)定，即選中天空中的某一顆已知星，由把手盒手動(dòng)操作，把它找進(jìn)望遠(yuǎn)鏡視場的正中央，放在主鏡的十字線的中心，此時(shí)把這顆星的坐標(biāo)位置由把手盒輸入進(jìn)去，定標(biāo)替換望遠(yuǎn)鏡原來的位置，然后以這顆星為基本點(diǎn)，根據(jù)時(shí)角和赤緯去找尋天空中的任意一顆未知的星，由于系統(tǒng)在程序中做進(jìn)了掉電保護(hù)模塊，因此，對望遠(yuǎn)鏡而言，調(diào)試完畢之后只需要標(biāo)定一次，以后每次關(guān)機(jī)之前系統(tǒng)都會(huì)自動(dòng)保存望遠(yuǎn)鏡當(dāng)前的實(shí)時(shí)位置，給用戶帶來了極大的方便，自動(dòng)找星時(shí)，我們給望遠(yuǎn)鏡輸入天空星體的天文坐標(biāo)（α，δ）之后，望遠(yuǎn)鏡根據(jù)當(dāng)前自身指向的天區(qū)位置以及待尋目標(biāo)星所處的天區(qū)位置選擇一條合適的路徑，驅(qū)動(dòng)赤經(jīng)、赤緯電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使其指向目標(biāo)星，讓目標(biāo)星體落入望遠(yuǎn)鏡視場，找星結(jié)束后自動(dòng)轉(zhuǎn)入跟蹤，望遠(yuǎn)鏡的指向與天體的坐標(biāo)是通過恒星時(shí)聯(lián)系起來的，因此我們需要知道恒星時(shí)，每次觀測之前要先校正一下恒星時(shí)，恒星時(shí)由程序配合手動(dòng)校正，并顯示于面板上。由公式 t+α=s①

　　其中t是星體的時(shí)角位置

　　α 是星體的赤經(jīng)值

　　s 是當(dāng)?shù)氐牡胤胶阈菚r(shí)

　　顯然我們可以把望遠(yuǎn)鏡的時(shí)角和星體的時(shí)角對應(yīng)起來，在跟蹤狀態(tài)時(shí)，為了克服地球自轉(zhuǎn)的影響，時(shí)角在以每時(shí)秒15個(gè)角秒的速度沿著反地球自轉(zhuǎn)方向勻速運(yùn)動(dòng)，因此在赤經(jīng)方面主要是實(shí)時(shí)地采集當(dāng)?shù)氐牡胤胶阈菚r(shí)，不停的刷新顯示，計(jì)算目標(biāo)星的時(shí)角，最終讓望遠(yuǎn)鏡的動(dòng)態(tài)時(shí)角值等于目標(biāo)星的時(shí)角，這樣赤經(jīng)找星完畢;在赤緯方面，因?yàn)楹阈堑某嗑暿遣蛔兊?，所以我們只需要將望遠(yuǎn)鏡的動(dòng)態(tài)赤緯顯示值不斷的靠近目標(biāo)星的赤緯值，不過對赤道式望遠(yuǎn)鏡而言，得需要考慮望遠(yuǎn)鏡的所處天區(qū)的位置以及目標(biāo)星的位置，選擇合適的找星路徑，確保望遠(yuǎn)鏡的鏡筒的姿勢正確，至于限位部分，可以根據(jù)客戶要求自行設(shè)定。

　　2 、下位機(jī)軟件流程圖

3、子程序部分

　　（1）鍵盤輸入及顯示部分

　　在該系統(tǒng)中，我們選用了8279芯片，在程序中查詢鍵值，送入固定單元，如果無鍵按下，則送#0FFH入固定單元，然后查詢此單元，如果為#0FFH，則返回，否則根據(jù)單元的鍵值內(nèi)容轉(zhuǎn)入相應(yīng)的功能子程序;而顯示部分主要把待顯示的數(shù)據(jù)經(jīng)過拆分成7位（本系統(tǒng)采用7位數(shù)碼管顯示），分別送給顯示緩沖區(qū)，由查表的方式從表中取出7個(gè)相應(yīng)的字型，送到8279數(shù)據(jù)口實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示，8279的鍵盤掃描及顯示方式是通過初始化編程來實(shí)現(xiàn)的，8279初始化部分程序如下：

　　MOV DPTR, #7FF0H; 8279芯片的狀態(tài)地址

　　MOV A, #0D1H; 清除命令

　　MOV @DPTR, A; 命令字送入

　　LL: MOV A, @DPTR; 讀8279狀態(tài)字

　　JB ACC.7, LL ; 清除等待

　　MOV A, #08H; 顯示器左邊輸入外部譯碼，雙鍵互鎖方式

　　MOV @DPTR, A; 命令字送入

　　MOV A, #2AH; 時(shí)鐘編程命令

　　MOV @DPTR,A; 命令字送入

　　RET; 返回

　　（2）MC146818時(shí)鐘部分

　　MC146818芯片是摩托羅拉公司生產(chǎn)的一種可編程的時(shí)鐘芯片，該系統(tǒng)中用它來讀寫恒星時(shí)，其中一些主要的操作就是芯片的初始化，讀時(shí)間操作，寫時(shí)間操作幾大部分，在使用該芯片進(jìn)行執(zhí)行讀/寫時(shí)間操作時(shí)，必須得注意，要首先查詢它的狀態(tài)看它是否正在刷新數(shù)據(jù)，如果是，必須等刷新數(shù)據(jù)動(dòng)作完成之后再對芯片進(jìn)行讀/寫操作，否則容易出錯(cuò)，MC146818的初始化部分程序如下：

　　MOV DPTR,#0BFCAH; A寄存器口地址

　　MOV A,#26H; 命令字

　　MOVX @DPTR,A

　　INC DPL; B寄存器口地址

　　MOV A,#1AH; 命令字

　　MOVX @DPTR,A

　　RET; 返回

　　讀時(shí)間子程序：

　　MOV DPTR, #0BFCAH

　　AA: MOVX A, @DPTR; 讀取狀態(tài)字

　　ANL A, #80H

　　JNZ AA; 芯片是否正在刷新?否，讀取數(shù)據(jù)

　　MOV DPTR, #0BFC0H;讀秒單元

　　MOVX A, @DPTR

　　MOV @R1, A

　　INC R1

　　MOV DPL, #0C2H; 讀分單元

　　MOVX A, @DPTR

　　MOV @R1,A

　　INC R1

　　MOV DPL, #0C4H; 讀時(shí)單元

　　MOVX A, @DPTR

　　MOV @R1, A

　　RET; 返回

　　寫時(shí)間的子程序同上類似，不再多述。

　　（3）串行通信子程序

　　W77E58實(shí)現(xiàn)雙串口通信，初始化完畢后進(jìn)入主流程，逐個(gè)查詢串口是否有通信數(shù)據(jù)請求，如果有則進(jìn)入通信子程序執(zhí)行并返回，否則程序直接往下執(zhí)行，把下位機(jī)的數(shù)據(jù)分別發(fā)送給把手盒和工控機(jī)，等待接收控制命令。具體的初始化程序如下：

　　MOV TCON,#50H; 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器狀態(tài)設(shè)置

　　MOV TMOD,#21H; 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器方式設(shè)置

　　MOV PCON,#00H; 電源控制器設(shè)置

　　MOV SCON,#53H; 串行口0工作方式設(shè)置

　　MOV TL1,#0FDH; 計(jì)數(shù)常數(shù)設(shè)置

　　MOV TH1,#0FDH

　　MOV SCON1,#53H; 串行口1工作方式設(shè)置

　　MOV TH0,#3CH; 計(jì)數(shù)常數(shù)設(shè)置

　　MOV TL0,#0B0H

　　RET; 返回

　?。?）標(biāo)定子程序流圖

（5）自動(dòng)找星子程序

　　首先根據(jù)輸入的目標(biāo)星的赤經(jīng)值，取出當(dāng)?shù)氐牡胤胶阈菚r(shí)S，通過計(jì)算，換算成目標(biāo)星的時(shí)角值to，然后讀取望遠(yuǎn)鏡此時(shí)的實(shí)時(shí)位置值tt，根據(jù)他們赤經(jīng)時(shí)角所處的天區(qū)差異來選擇不同的找星路徑，具體情況可以分為以下幾種：

　　1） 如果望遠(yuǎn)鏡與目標(biāo)星的時(shí)角處于同一天區(qū)（以望遠(yuǎn)鏡的中柱為軸線，分為東西兩大天區(qū)，人為設(shè)定），則先驅(qū)動(dòng)赤緯軸，再驅(qū)動(dòng)赤經(jīng)軸，直到找到目標(biāo)星，進(jìn)入跟蹤。

　　2） 如果望遠(yuǎn)鏡與目標(biāo)星的時(shí)角處于不同天區(qū)，即跨天區(qū)找星，則先驅(qū)動(dòng)赤緯軸，讓赤緯指向北極，再驅(qū)動(dòng)赤經(jīng)軸，然后再驅(qū)動(dòng)赤緯軸，直到找到目標(biāo)星，進(jìn)入跟蹤。

　　另外，由于我們的位置反饋信息是來自增量式圓光柵編碼器，而赤緯的度數(shù)始終在（-90，90）區(qū)間，因此還需要進(jìn)行一下特殊處理。

　　剩下的就是典型的追擊問題，以赤經(jīng)為例，具體流程圖如下：

四 結(jié)束語

　　經(jīng)過一個(gè)多月的實(shí)際使用觀測，望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)運(yùn)行良好，平穩(wěn)無噪音，找星定位準(zhǔn)確，精度高，能適用于各種大中小型的望遠(yuǎn)鏡。