0 引言

隨著近年來我國空間科學技術的快速發展，衛星、載人飛船等航天器需要更高的控制精度、可靠性和更長的壽命。星敏感器在各種航天器上大量應用，其性能指標直接影響到測量結果的可信度。單星模擬器是星敏感器的主要地面標定設備之一，所要實現的功能是在實驗室內提供與單顆真實恒星在光度特性、光譜特性等方面趨于一致的模擬恒星[1-2]。傳統單星模擬器大多體積大，精度低，穩定性不夠好，可調節色溫單一，實現星等范圍小[3]。本項目采用模塊化設計，將多束不同窄帶光譜、不同強度的光線混合，并控制總體輸出光強，最終實現不同等效黑體色溫和不同星等。

1 結構設計

如圖1 所示，單星模擬器系統總體結構由電源、光源、波段光強控制器、積分球、星等控制器、工控箱、PC 機7 部分組成。

1.1 光源

常見電光源有氙燈、鈉燈、鹵鎢燈、汞燈等。氙燈輻射光譜能量分布與日光相接近,色溫約6000K。連續光譜部分的光譜分布幾乎與燈輸入功率變化無關，在壽命期內光譜能量分布也幾乎不變。氙燈具有發光譜線寬度相對較寬、光譜穩定性高、輻射功率單位時間變化小等優點，所以選擇氙燈[4-5]。

光源部分包括150W 氙燈、電源及控制器、反光罩、傳光光纖輸出耦合器等。

1.2 波段光強控制器

波段光強控制器，由光源經光纖輸入光線擴束準直后通過由步進電機控制的可變光闌，再經過10%反射鏡后匯聚輸出。10%反射鏡反射光線由光電池測量光強，通過控制板反饋控制步進電機。要將光源分成不同波長的光束，目前常見產生方式主要有發光二極管直接產生、電光源通過窄帶濾波片產生等方式，由于現有發光二管存在輸出光譜寬度窄（10~25 nm 半波長寬度）、某些特定中心波長不容易實現等原因，本設計中采用電光源通過窄帶濾波片產生。

由于需控制的窄帶光源數量較多，且各部分結構基本相同，擬采用模塊式設計，即設計13 路相同的“波段光強控制器”，如圖2 所示，每一路都可實現對光的濾波、光強調整、使系統結構簡化，減小故障率，便于測試與維修。每路為獨立易拆換單元結構，由支架、窄帶濾光片、分光鏡、光電池、可變光闌、步進電機、步進電機驅動器、傳光光纖輸入輸出耦合器、電信號處理模塊（實現電機驅動控制、碼盤及光電池信號處理和上位控制系統的RS-485 通信等功能）等部分組成，實現對各路色光光功率的控制，形成等效色溫。由于峰值光譜范圍中有部分到達外區，需要部分控制器中光學元件采用石英材料，其中3 路紫外，10 路可見光或紅外。光源與波段光強控制器之間由一進多出（其中石英3 路，玻璃10 路）傳光光纖連接，波段光強控制器與六棱鏡之間由多進（其中石英3 路，玻璃10 路）一出傳光光纖連接。所有“波段光強控制器”與光源、六棱鏡、星等控制器、電
源模塊等安裝于同一平臺，通過RS485 的串行方式既可與控制電箱通信，也可與工控機通信。星等控制器的結構與波段光強控制器結構大體相同，主要區別是：增加由另一步進電機控制的衰減
片陣列，實現大星等范圍的調節。通過對輸出光強的控制實現不同星等，需調整范圍為~+6.5MI，采用可變光闌加衰減片陣列方式來實現，衰減片陣列實現固定的大比例衰減，實現誤差在一個星等范圍內，可變光闌實現一個星等范圍內調節，可實現＜1%的控制[6]。

2 硬件電路部分

如圖3 所示，硬件電路由主控芯片STM32，電源模塊，時鐘、晶振、復位模塊以及通信模塊組成。

2.1 微處理器

微處理器是控制系統的核心，關系到整個系統的運行情況。經分析比較，本系統采用ST 公司基于
cortex-M3 內核的STM32 處理器。cortex-M3 內核是專門用于設計高性能、低功耗、低成本、實時性嵌入式應用系統的處理器核，它在提升性能的同時，又提高代碼密度的Thumb-2 指令集，同時也大幅度提高了中斷響應的緊耦合嵌套向量中斷控制器的性能，所有新功能都同時具有業界最優的功耗水平。

STM32 是32 位CPU 的微控制器，主頻可達72 MHz。有多達51 個快速I/O 端口，所有I/O 口均可
以映像到16 個外部中斷，幾乎所有端口都允許5 V信號輸入。每個端口都可以由軟件配置成輸出（推挽或開漏）、輸入（帶或不帶上拉或下拉）或其他的外設功能口。2 個12 位模數轉換器，16 個外部輸入通道，轉換速率可達1 MHz，轉換范圍為0~36 V；具有雙采樣和保持功能；內部嵌入有溫度傳感器，可方便地測量處理器溫度值[7]。7 路通用DMA 存儲器直接訪問，可以管理存儲器到存儲器、設備到存儲器和存儲器到設備的數據傳輸，無須CPU 任何干預。通過DMA 可以使數據快速地移動，這就節省CPU 的資源來進行其他操作。支持標準的20 腳JTAG 仿真調試以及針對Cortex-M3 內核的串行單線調試（SWD）功能。通常默認的調試接口是JTAG 接口，內部包含7 個定時器。

2.2 通信模塊設計

STM32 含有豐富的通信接口：3 個UART 異步串行通信接口、2 個I2C 接口、2 個SPI 接口、1 個
CAN 接口和1 個USB 接口，為實現數據通信提供了保證。

如圖4 所示，本系統采用UART 異步串行通信接口與PC 通信。UART 首先將接收到的并行數據轉
換成串行數據來傳輸。消息幀從一個低位起始位開始，后面是5~8 個數據位，一個可用的奇偶位和一個或幾個高位停止位。接收器發現開始位時它就知道數據準備發送，并嘗試與發送器時鐘頻率同步。在接收過程中，UART 從消息幀中去掉起始位和結束位，對進來的字節進行奇偶校驗，并將數據字節從串行轉換成并行。

如圖4，采用SN75LBC184 芯片，它支持64 個節點，是一款具有瞬變電壓抑制功能的差分收發器，具有內置高能量瞬變噪聲保護裝置。這種設計特點顯著提高了抵抗數據同步傳輸電纜上瞬變噪聲的可靠性。這類電路可提供可靠的低成本的直連數據線接口，不需要任何外部元件，適用于工業網絡系統。

3 軟件系統

3.1 控制程序

主控流程如圖5 所示，控制程序主要包括光電池A/D 參數值的讀寫和電機驅動程序兩部分。

本設計將ADS1.2 集成開發環境作為軟件開發工具，它是ARM 公司推出的ARM 核為控制器開發
工具，是由包含匯編器、C/C++編譯器和連接器的代碼生成工具[8]。

3.2 界面

為了方便靈活地設置參數，并調試電路板中各項控制數值，使用delphi7 編寫“單星模擬器控制界
面”。由于上位機CPU 與下位機（ARM）的工作頻率相差很大，且控制無高速要求，為保證通信可靠性，軟件對通信設定了一系列延時，例如當下位機超過300 ms 無應答時，軟件才判定通信為超時。如圖6 所示，界面既可進行色溫設置、星等設置、系統全面診斷、初始化等總體操作，又可通過超級校驗碼驗證后對各個單獨的模塊進行具體調試。色溫碼盤表、色溫光強表、星等碼盤表可進行讀寫操作，寫在下一次上電生效。并可以隨時保存當前數據到上位機，生成txt 文本，可隨時查閱修改，同時能從上位機讀取歷史保存數據。

4 結束語

為實現實驗室內模擬特定恒星光譜特性，設計了這臺單星模擬器，采用模塊化設計，將光源分成多束不同光譜、不同強度的光線，再混合并控制總體輸出光強，最終實現不同色溫和不同星等。理論和實驗表明，它能完成現場測試工作，并且在可靠性方面有了較大提高，成本也大大降低。

STM32單片機中文官網
意法半導體/ST/STM