基于嵌入式技术的FAST射电望远镜以太网节点控制器的研制

摘要

500米口径球面射电望远镜(FAST)的主动反射面是由2400余个索网节点组成，FAST要顺利完成观测任务，需要对2400个节点完成实时动态定位控制，因此主动反射面控制系统需要对下拉索引进行动态实时控制、准确控制和精度控制。其中精度控制在机械控制方面使用减速箱来实现，动态实时控制和准确控制使用智能节点控制器来实现。主动反射面控制系统的网络结构、系统可靠性、稳定性和准确性是射电望远镜能否完成预期目标的关键。
　　主动反射面控制系统主要由三部分组成:总控制器，通信网络和节点控制器。总控制器使用个人计算机，开发了一套用于控制所有节点的上位机软件。通信网络选择了可靠性和实时性很强的以太网作为反射面控制系统的组网方式。节点控制器是网络的通信终端也是主动反射面控制系统的直接执行者，因而节点控制器成为该系统的关键。本论文介绍了基于嵌入式技术的FAST射电望远镜以太网节点控制器开发研制的全过程。根据主动反射面控制系统的特性，节点控制器应具有嵌入式以太网通信模块，高速的工作速率和实时可靠的操作，较强的运算能力和远程更新等功能。节点控制器的设计主要分两方面:硬件电路设计和控制器程序设计。硬件电路方面主要实现了以太网接口模块、电机控制电路、电机监测电路和时钟芯片电路等的设计，制作了170套PCB电路板，并完成了对其的检测验收。控制器程序方面主要完成了基于μC/OS-Ⅱ操作系统上的各个程序模块的设计，包括以太网通信模块、电机监测和控制程序、数据信息和时间信息的读写程序、远程更新程序和自动观测模式程序等。在密云50米缩尺模型上对131个节点控制器的通信能力和控制能力等方面进行了调试，完成了控制器程序的完善和优化。
　　以太网节点控制器在密云模型中进行了运行和测试，达到了主动反射面控制系统的设计要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 课题国内外的研究现状

1．3 课题研究内容概论

1．4 论文结构

第2章 关键技术

2．1 嵌入式系统

2．2 嵌入式以太网通信技术

2．2．1 嵌入式以太网简介

2．2．2 TCP／IP协议简介

2．3 IIC总线协议简介

2．4 IAP技术简介

第3章 FAST射电望远镜以太网控制系统总体设计

3．1 系统功能概述

3．2 系统总体方案设计

第4章 控制器硬件设计与制作

4．1 控制器硬件总体设计

4．2 控制器所需器件选型

4．3 控制器电路板原理图设计

4．3．1 电源管理模块设计

4．3．2 主控芯片及其外围电路设计

4．3．3 时钟芯片电路设计

4．3．4 数码管显示电路设计

4．3．5 RS-485电路设计

4．3．6 网络通信模块电路设计

4．3．7 电机监测电路设计

4．3．8 电机控制电路设计

4．3．9 接口电路设计

第5章 控制器软件设计

5．1 控制器软件总体设计

5．2 控制器软件开发环境简介

5．3 μC／OS-Ⅱ操作系统的移植

5．4 控制器各模块软件设计与实现

5．4．1 系统时钟初始化程序设计

5．4．2 软件看门狗程序设计

5．4．3 铁电存储器读写程序设计

5．4．4 时间信息的读写程序设计

5．4．5 LED显示程序设计

5．4．6 RS-485通信程序

5．4．7 以太网通信程序设计

5．4．8 心跳包程序设计

5．4．9 节点控制器信息反馈程序设计

5．4．10 节点控制器对电机的控制程序设计

5．4．11 零点检测程序设计

5．4．12 节点自动观测模式程序设计

第6章 控制器程序远程更新

6．1 控制器远程更新概述

6．2 控制器程序远程更新上位机程序设计

6．2．1 十六进制文件格式

6．2．2 软件开发环境简介

6．2．3 远程更新工具设计

6．3 控制器程序远程更新下位机程序设计

第7章 控制器制作与调试

7．1 控制器制作

7．2 系统调试

7．2．1 硬件电路检测与调试

7．2．2 网络通信调试

7．2．3 现场主动反射面控制系统安装与调试

第8章 结束语

参考文献

致谢