面向多星模擬器的全色彩RGB燈電控光源

林興泰，張 濤，黃 偉，趙成仁

（四川大學(xué)激光應(yīng)用技術(shù)研究所，四川 成都 610065）

0 引 言

在各類航天飛行器高精度姿態(tài)測(cè)量中，星敏感器發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]。星模擬器作為星敏感器的地面標(biāo)定設(shè)備，在科研和生產(chǎn)實(shí)踐中也展現(xiàn)出更多的需求。按功能的不同，星模擬器可大概分為標(biāo)定型和功能檢測(cè)型兩大類[2]，前者通常對(duì)單個(gè)星點(diǎn)像的幾何尺寸、星等、色溫等光學(xué)參量進(jìn)行高精度模擬，后者則是對(duì)天穹中星的實(shí)際位置、星的分布等進(jìn)行星圖的整體模擬，要求對(duì)各星點(diǎn)像的光學(xué)特性盡量接近。目前，在標(biāo)定型星模擬器的研制方面，國(guó)內(nèi)外均有較成熟的技術(shù)，但對(duì)功能檢測(cè)型星模擬器的研究相對(duì)較少。當(dāng)前對(duì)多星的模擬方式主要有：在不透光的分劃板上刻畫(huà)透光的微孔進(jìn)行靜態(tài)星圖模擬，使用計(jì)算機(jī)控制液晶光閥開(kāi)閉來(lái)完成星點(diǎn)的動(dòng)態(tài)顯示，以及直接使用高分辨率顯示器顯示星圖等[3]。

目前的靜態(tài)多星模擬器主要存在可模擬星點(diǎn)數(shù)有限、視場(chǎng)小、色溫等光學(xué)參量調(diào)節(jié)靈活性差等不足，且由文獻(xiàn)[2]的理論分析可知，在星點(diǎn)像的色溫模擬中，通過(guò)改變?nèi)谋壤梢越颇M各種色溫；為此，本文討論了一種以全色彩RGB燈作為發(fā)光器件的靜態(tài)多路星模擬器電控光源。該系統(tǒng)可控制多達(dá)20路的全色彩RGB燈，且每路可單獨(dú)控制，又通過(guò)調(diào)節(jié)各燈的R、G、B三基色驅(qū)動(dòng)電流改變其輸出光強(qiáng)，并將各色電流大小分為4個(gè)檔位進(jìn)行控制，使每路全色彩RGB燈光源最多可形成63（4×4×4-1）種色彩組合，達(dá)到多路、近似模擬各種色溫和星等的目的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。系統(tǒng)上位機(jī)包括計(jì)算機(jī)和位于控制電箱上的控制面板，計(jì)算機(jī)上的人機(jī)界面顯示清晰、易于操作，控制面板則可替代計(jì)算機(jī)的主要功能。系統(tǒng)主要控制部分為20個(gè)控制電路板模塊和1個(gè)主控電路板模塊，均位于控制電箱中。為了提高系統(tǒng)內(nèi)部各部分的互換性，20路控制模塊采用相同的軟硬件設(shè)計(jì)，每個(gè)控制模塊單獨(dú)控制1個(gè)全色彩RGB燈，可分別設(shè)定R、G、B三色的驅(qū)動(dòng)電流，使各色輸出不同的光強(qiáng)。控制模塊與燈之間通過(guò)長(zhǎng)達(dá)2m的6芯屏蔽電纜連接，使20個(gè)燈可以布置于大空間范圍內(nèi)。主控模塊和計(jì)算機(jī)一樣，可對(duì)20路控制模塊發(fā)起控制。計(jì)算機(jī)、主控模塊與各控制模塊間依據(jù)Modbus-RTU通信協(xié)議，通過(guò)RS485總線進(jìn)行多機(jī)通信。

圖1 電控光源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 全色彩RGB燈

全色彩RGB燈是在單個(gè)LED外殼中封裝了紅、綠、藍(lán)三基色LED燈的復(fù)合型LED。本文選用了制造商KING生產(chǎn)的型號(hào)為L(zhǎng)F81WAEMBGMBC的全色彩RGB燈，該燈3種基色LED共陰極，且由于藍(lán)色LED發(fā)光效率較低，故燈中集成了2個(gè)相互獨(dú)立的藍(lán)光LED。燈中R光、G光和2個(gè)B光，共4個(gè)子LED的亮度可獨(dú)立調(diào)節(jié)。R、G、B三色峰值波長(zhǎng)分別為627，565，430 nm。 其外形尺寸為 φ10 mm×15 mm，3種色光組合發(fā)射視場(chǎng)角為30°。

2.2 控制模塊設(shè)計(jì)

控制模塊的原理框圖如圖2所示。依據(jù)實(shí)際需要與經(jīng)濟(jì)性考慮，處理器采用基于ARM cortex-M3內(nèi)核的STM32F103芯片，它搭載了64KB flash、7個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器、2個(gè)多通道12位ADC和包含CAN總線及USB在內(nèi)的9個(gè)通信接口，具有極高的性價(jià)比[4]。為提高通信可靠性，處理器與RS485總線間通過(guò)光電隔離電路和75LBC184進(jìn)行耦合，75LBC184為信號(hào)差分線性轉(zhuǎn)換芯片，可將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS485電平標(biāo)準(zhǔn)，且對(duì)總線上的瞬態(tài)高能噪聲有抑制作用。控制模塊具有掉電數(shù)據(jù)保護(hù)能力，當(dāng)LED設(shè)置參數(shù)等重要數(shù)據(jù)被寫(xiě)入新值后，系統(tǒng)都即時(shí)將其寫(xiě)入EEPROM 24C16進(jìn)行存儲(chǔ)。撥碼開(kāi)關(guān)用于手動(dòng)設(shè)定各控制模塊編號(hào)，6位撥碼開(kāi)關(guān)可將主控模塊和控制模塊編號(hào)依次設(shè)為0～20。

圖2 控制模塊框圖

LED的電流驅(qū)動(dòng)部分如圖2右側(cè)所示。為滿足4路輸出的需要，采用了4通道12位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC7565。DAC7565的各路輸出電壓輸入V/I轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為各色LED的驅(qū)動(dòng)電流。

2.3 LED恒流源設(shè)計(jì)

V/I轉(zhuǎn)換電路即為驅(qū)動(dòng)LED的恒流源，其原理如圖3所示。流過(guò)R的電流即為L(zhǎng)ED_R的驅(qū)動(dòng)電流，因而穩(wěn)定加在R兩端的電壓，就可以輸出恒流。為此，由OP2與4個(gè)68 kΩ電阻構(gòu)成的等比例差動(dòng)放大器，將R兩端實(shí)際電壓取出，與DAC的電壓輸出VoA通過(guò)比較器OP1進(jìn)行動(dòng)態(tài)比較，OP1繼而控制三極管2N3904的通斷，以負(fù)反饋的形式調(diào)節(jié)R兩端的電壓，最終形成動(dòng)態(tài)平衡的恒流輸出[5]。

圖3 V/I轉(zhuǎn)換電路原理圖

另外，處理器的片載ADC取出OP2的輸出電壓，將該電壓值除以R阻值，即得實(shí)際輸出電流，系統(tǒng)進(jìn)而通過(guò)軟件實(shí)行閉環(huán)控制。

主控模塊在控制模塊的基礎(chǔ)上，去掉了LED的電流驅(qū)動(dòng)部分，添加了控制面板LCD顯示屏和按鍵的支持電路，其他硬件設(shè)計(jì)與控制模塊相同。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)測(cè)試軟件在Windows XP環(huán)境下采用Borland公司的Delphi7進(jìn)行開(kāi)發(fā)。Delphi7是一個(gè)圖形化用戶界面的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，其核心是由傳統(tǒng)Pascal語(yǔ)言發(fā)展而來(lái)的Object Pascal，透過(guò)IDE、VCL工具與編譯器，配合連接數(shù)據(jù)庫(kù)的功能，構(gòu)成一個(gè)面向?qū)ο蟮某绦蜷_(kāi)發(fā)軟件[6]。程序開(kāi)發(fā)人員可以方便地使用Delphi7內(nèi)置的各種組件，也可以自行添加ActiveX控件等到軟件，利用它可以便捷地完成人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)測(cè)試軟件充分利用了ActiveX控件來(lái)實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入、傳送、處理、顯示和記錄。

3.1 通信設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)通過(guò)RS-232串口轉(zhuǎn)接到RS485總線上，計(jì)算機(jī)和主控模塊是通信的發(fā)起方，和下位機(jī)之間為半雙工應(yīng)答式通信。系統(tǒng)測(cè)試軟件通過(guò)串口控件Mscomm32.ocx發(fā)送和接受通信數(shù)據(jù)，使用該控件編程時(shí)不需要考慮API函數(shù)，極大簡(jiǎn)化了程序。軟件采用內(nèi)置定時(shí)器Timer組件控制通信流程，每10ms觸發(fā)定時(shí)中斷程序，對(duì)計(jì)算機(jī)指令及端口數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通信流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)通信流程圖

3.2 界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)測(cè)試軟件的人機(jī)界面分為L(zhǎng)ED亮度設(shè)定和設(shè)備狀態(tài)設(shè)定兩部分。LED亮度設(shè)定將各色LED亮度值離散地劃分為 0、30%、60%、100%4個(gè)檔位，通過(guò)選定檔位對(duì)亮度進(jìn)行大幅度調(diào)整，可方便地改變R、G、B三色的光強(qiáng)比例，形成具有明顯亮度和色度差別的光輸出。20只全色彩RGB燈之間相互獨(dú)立，可分別設(shè)置。圖5所示為L(zhǎng)ED亮度設(shè)定界面的一部分，當(dāng)R、G、B亮度值發(fā)生變化時(shí)，左側(cè)圖標(biāo)亮度產(chǎn)生相應(yīng)明暗變化，使20只燈各色亮度分布一目了然。設(shè)備狀態(tài)設(shè)定界面則用于校驗(yàn)設(shè)備狀態(tài)、調(diào)試LED驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)、設(shè)置LED參數(shù)表等，可精確設(shè)定LED 4個(gè)亮度檔位的驅(qū)動(dòng)電流值。

圖5 控制界面局部

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下，基于全色彩RGB燈的電控光源系統(tǒng)單色光輸出功率短期（3d）穩(wěn)定性優(yōu)于1/1000，充分達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。進(jìn)一步將光源裝夾，將各路燈光聚焦到星點(diǎn)像面上，即構(gòu)成靜態(tài)多星模擬器。它與傳統(tǒng)的多星模擬器相比，具有精度高、可靠性高、星點(diǎn)數(shù)多、像面視場(chǎng)大、小型化、成本低、易于拓展、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，目前該系統(tǒng)已投入使用。

[1]劉磊，張路，鄭辛，等.星敏感器技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].紅外與激光工程，2007，36（增刊）：529-533.

[2]陳塬，張文明.面向星模擬器的可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)色溫光源[J].光電工程，2010，37（8）：24-28.

[3]孫高飛，張國(guó)玉，鄭茹，等.新敏感器標(biāo)定方法的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33（4）：8-14.

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[5]陶桓齊，張小華.模擬電子技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2007：139-156.

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