基于Zigbee无线网络的新一代小型化光纤定位单元设计

摘要

LAMOST(The Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope)是一个反射式施密特天文望远镜，它的最重要组成部分就是一个直径为1.75m的焦面板，并且在焦面板上安装有4000根光纤。为了4000根光纤的准确定位，在焦面板上还安装有4000个光纤定位单元，每一个光纤定位单元精确的控制着一根光纤的位置。
　　作为中国科技大学工程科学学院自主创新和设计的国家大科学工程项目，截止到2017年，LAMOST的光纤定位系统已经稳定的工作了9个年头。但随着LAMOST天文望远镜的不断优化和改进，现在对其提出了更高的观测要求。为了达到这个要求，就需要将光纤定位单元小型化设计。每一个光纤定位单元包含3部分:无线驱动板系统、双回转机械机构、2个步进电机。为了将光纤定位单元小型化设计，将步进电机的直径从10mm缩小到了6mm，但双回转机械结构的尺寸还要由无线驱动板来决定，所以小型化无线驱动板成了本毕业设计的重点和难点。
　　上一代无线驱动板的长度和宽度分别为104mm和15mm，其主要有基于Zigbee无线通信的片上系统和步进电机驱动模块两部分组成。为了将其小型化设计，本课题采取了两个步骤。第一步，用TI公司开发的基于IEEE802.15.4和Zigbee的无线单片机CC2530代替飞思卡尔公司开发的MC13213无线单片机。MC13213的尺寸为9mm×9mm，而CC2530的尺寸为6mm×6mm，不仅比MC13213尺寸小很多，而且在性能上优于MC13213。第二步，重新设计整个无线驱动板，其中包含更换更小尺寸的元器件和重新布局元器件的位置，以达到最好的通信性能。
　　最终，在满足各种功能的前提下，无线驱动板的整体尺寸相对于上一代缩小了40％，这样使得每个光纤定位单元的尺寸可以设计的更小，最终达到了光纤定位系统的小型化设计。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 LAMOST光纤定位系统简介

1．2．1 上一代光纤定位系统简介

1．2．2 上一代光纤定位系统的缺陷

1．3 小型化光纤定位系统的基本方案

1．4 本文研究内容以及行文安排

第2章 机械部分小型化设计

2．1 双回转机械结构的小型化设计

2．2．1 小型步进电机的简介

2．2．2 小型步进电机的选型依据

2．3 跑合箱电路板的优化

2．3．1 跑合箱的功能简介

2．3．2 跑合箱电路板的改进设计

第3章 无线驱动板的小型化设计

3．1 无线驱动板的小型化设计整体思路

3．1．1 无线驱动板的主要功能及组成部分

3．1．2 无线驱动板的小型化设计整体方案

3．2 Zigbee无线小模块的小型化设计

3．2．1 Zigbee无线小模块的简介

3．3 第一代无线小模块的设计及优化

3．3．1 第一代无线小模块的设计

3．3．2 第一代无线小模块的问题总结

3．4 第二代无线小模块的设计及优化

3．4．1 第二代无线小模块的设计及优化

3．4．2 第二代无线小模块的问题总结

3．5 第三代无线小模块的设计及优化

3．5．1 第三代无线小模块的设计及优化

3．5．2 第三代无线小模块的问题总结

3．6 第四代无线小模块的设计及优化

3．6．1 第四代无线小模块的设计及优化

3．6．2 第四代无线小模块的问题总结

3．7 无线小模块的测试平台搭建和通信性能测试实验

3．7．1 测试平台的搭建

3．7．2 无线通信质量测试实验

第4章 无线驱动板的整合设计

4．1 无线驱动板的其他组成部分设计

4．1．1 稳压模块的设计

4．1．2 步进电机驱动模块的设计

4．1．3 外围接口的设计

4．2 无线驱动板的整合设计

4．2．1 无线驱动板的最终方案

4．2．2 无线驱动板的问题总结

第5章 工作总结和展望

5．1 工作总结

5．2 工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果