面向多星模拟器的全色彩RGB灯电控光源

林兴泰，张 涛，黄 伟，赵成仁

（四川大学激光应用技术研究所，四川 成都 610065）

0 引 言

在各类航天飞行器高精度姿态测量中，星敏感器发挥着至关重要的作用[1]。星模拟器作为星敏感器的地面标定设备，在科研和生产实践中也展现出更多的需求。按功能的不同，星模拟器可大概分为标定型和功能检测型两大类[2]，前者通常对单个星点像的几何尺寸、星等、色温等光学参量进行高精度模拟，后者则是对天穹中星的实际位置、星的分布等进行星图的整体模拟，要求对各星点像的光学特性尽量接近。目前，在标定型星模拟器的研制方面，国内外均有较成熟的技术，但对功能检测型星模拟器的研究相对较少。当前对多星的模拟方式主要有：在不透光的分划板上刻画透光的微孔进行静态星图模拟，使用计算机控制液晶光阀开闭来完成星点的动态显示，以及直接使用高分辨率显示器显示星图等[3]。

目前的静态多星模拟器主要存在可模拟星点数有限、视场小、色温等光学参量调节灵活性差等不足，且由文献[2]的理论分析可知，在星点像的色温模拟中，通过改变三原色的比例，可以近似模拟各种色温；为此，本文讨论了一种以全色彩RGB灯作为发光器件的静态多路星模拟器电控光源。该系统可控制多达20路的全色彩RGB灯，且每路可单独控制，又通过调节各灯的R、G、B三基色驱动电流改变其输出光强，并将各色电流大小分为4个档位进行控制，使每路全色彩RGB灯光源最多可形成63（4×4×4-1）种色彩组合，达到多路、近似模拟各种色温和星等的目的。

1 系统总体设计

系统的结构组成如图1所示。系统上位机包括计算机和位于控制电箱上的控制面板，计算机上的人机界面显示清晰、易于操作，控制面板则可替代计算机的主要功能。系统主要控制部分为20个控制电路板模块和1个主控电路板模块，均位于控制电箱中。为了提高系统内部各部分的互换性，20路控制模块采用相同的软硬件设计，每个控制模块单独控制1个全色彩RGB灯，可分别设定R、G、B三色的驱动电流，使各色输出不同的光强。控制模块与灯之间通过长达2m的6芯屏蔽电缆连接，使20个灯可以布置于大空间范围内。主控模块和计算机一样，可对20路控制模块发起控制。计算机、主控模块与各控制模块间依据Modbus-RTU通信协议，通过RS485总线进行多机通信。

图1 电控光源系统结构框图

2 硬件设计

2.1 全色彩RGB灯

全色彩RGB灯是在单个LED外壳中封装了红、绿、蓝三基色LED灯的复合型LED。本文选用了制造商KING生产的型号为LF81WAEMBGMBC的全色彩RGB灯，该灯3种基色LED共阴极，且由于蓝色LED发光效率较低，故灯中集成了2个相互独立的蓝光LED。灯中R光、G光和2个B光，共4个子LED的亮度可独立调节。R、G、B三色峰值波长分别为627，565，430 nm。 其外形尺寸为 φ10 mm×15 mm，3种色光组合发射视场角为30°。

2.2 控制模块设计

控制模块的原理框图如图2所示。依据实际需要与经济性考虑，处理器采用基于ARM cortex-M3内核的STM32F103芯片，它搭载了64KB flash、7个定时计数器、2个多通道12位ADC和包含CAN总线及USB在内的9个通信接口，具有极高的性价比[4]。为提高通信可靠性，处理器与RS485总线间通过光电隔离电路和75LBC184进行耦合，75LBC184为信号差分线性转换芯片，可将TTL电平转换为RS485电平标准，且对总线上的瞬态高能噪声有抑制作用。控制模块具有掉电数据保护能力，当LED设置参数等重要数据被写入新值后，系统都即时将其写入EEPROM 24C16进行存储。拨码开关用于手动设定各控制模块编号，6位拨码开关可将主控模块和控制模块编号依次设为0～20。

图2 控制模块框图

LED的电流驱动部分如图2右侧所示。为满足4路输出的需要，采用了4通道12位数模转换芯片DAC7565。DAC7565的各路输出电压输入V/I转换电路，转换为各色LED的驱动电流。

2.3 LED恒流源设计

V/I转换电路即为驱动LED的恒流源，其原理如图3所示。流过R的电流即为LED_R的驱动电流，因而稳定加在R两端的电压，就可以输出恒流。为此，由OP2与4个68 kΩ电阻构成的等比例差动放大器，将R两端实际电压取出，与DAC的电压输出VoA通过比较器OP1进行动态比较，OP1继而控制三极管2N3904的通断，以负反馈的形式调节R两端的电压，最终形成动态平衡的恒流输出[5]。

图3 V/I转换电路原理图

另外，处理器的片载ADC取出OP2的输出电压，将该电压值除以R阻值，即得实际输出电流，系统进而通过软件实行闭环控制。

主控模块在控制模块的基础上，去掉了LED的电流驱动部分，添加了控制面板LCD显示屏和按键的支持电路，其他硬件设计与控制模块相同。

3 软件设计

系统测试软件在Windows XP环境下采用Borland公司的Delphi7进行开发。Delphi7是一个图形化用户界面的集成开发环境，其核心是由传统Pascal语言发展而来的Object Pascal，透过IDE、VCL工具与编译器，配合连接数据库的功能，构成一个面向对象的程序开发软件[6]。程序开发人员可以方便地使用Delphi7内置的各种组件，也可以自行添加ActiveX控件等到软件，利用它可以便捷地完成人机界面的设计。系统测试软件充分利用了ActiveX控件来实现多机通信，主要实现数据的输入、传送、处理、显示和记录。

3.1 通信设计

计算机通过RS-232串口转接到RS485总线上，计算机和主控模块是通信的发起方，和下位机之间为半双工应答式通信。系统测试软件通过串口控件Mscomm32.ocx发送和接受通信数据，使用该控件编程时不需要考虑API函数，极大简化了程序。软件采用内置定时器Timer组件控制通信流程，每10ms触发定时中断程序，对计算机指令及端口数据进行处理，通信流程图如图4所示。

图4 系统通信流程图

3.2 界面设计

系统测试软件的人机界面分为LED亮度设定和设备状态设定两部分。LED亮度设定将各色LED亮度值离散地划分为 0、30%、60%、100%4个档位，通过选定档位对亮度进行大幅度调整，可方便地改变R、G、B三色的光强比例，形成具有明显亮度和色度差别的光输出。20只全色彩RGB灯之间相互独立，可分别设置。图5所示为LED亮度设定界面的一部分，当R、G、B亮度值发生变化时，左侧图标亮度产生相应明暗变化，使20只灯各色亮度分布一目了然。设备状态设定界面则用于校验设备状态、调试LED驱动电路参数、设置LED参数表等，可精确设定LED 4个亮度档位的驱动电流值。

图5 控制界面局部

4 结束语

实验结果表明，在实验室环境条件下，基于全色彩RGB灯的电控光源系统单色光输出功率短期（3d）稳定性优于1/1000，充分达到了设计预期。进一步将光源装夹，将各路灯光聚焦到星点像面上，即构成静态多星模拟器。它与传统的多星模拟器相比，具有精度高、可靠性高、星点数多、像面视场大、小型化、成本低、易于拓展、操作简单等特点，目前该系统已投入使用。

[1]刘磊，张路，郑辛，等.星敏感器技术研究现状及发展趋势[J].红外与激光工程，2007，36（增刊）：529-533.

[2]陈塬，张文明.面向星模拟器的可调标准色温光源[J].光电工程，2010，37（8）：24-28.

[3]孙高飞，张国玉，郑茹，等.新敏感器标定方法的研究现状与发展趋势[J].长春理工大学学报，2010，33（4）：8-14.

[4]刘军.例说STM32[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011：2-7.

[5]陶桓齐，张小华.模拟电子技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2007：139-156.

[6]江义华.Delphi7完美经典[M].北京：中国铁道出版社，2003：2-4.