本發(fā)明涉及監(jiān)測儀自動控制領域，特別涉及一種地基紫外吸收性氣溶膠監(jiān)測儀的控制系統(tǒng)和控制方法。

背景技術：

在儀器控制系統(tǒng)設計領域，常用的控制器有單片機、FPGA等。它們的控制原理相似但功能和接口豐富程度差異較大，如單片機內存容量較小且只具備基本的IO口，只適用于少數(shù)部件的簡單控制，而FPGA雖具有較大的內存容量，但控制邏輯較為復雜，易于發(fā)生控制時序錯誤問題，影響受控設備工作的穩(wěn)定性。

中國科學院國家空間科學中心研制的“地基紫外吸收性氣溶膠監(jiān)測儀”，通過采集紫外-可見光波段太陽光譜數(shù)據(jù)以反演紫外吸收性氣溶膠參數(shù)。該儀器硬件主體結構包括望遠鏡、探測器、太陽跟蹤器、電源模塊和環(huán)境監(jiān)測器，它們的控制方式各有不同，包括網口控制、串口控制、數(shù)字IO口控制以及USB控制。而“地基紫外吸收性氣溶膠監(jiān)測儀”的工作方式既要實現(xiàn)太陽直射光的觀測，又要實現(xiàn)天空散射光的觀測，工作流程也較為復雜。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)難以滿足該儀器內部多部件的接口需求，也不能保證儀器的運行效率和可靠性。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，為了實現(xiàn)地基紫外吸收性氣溶膠監(jiān)測儀的自動控制，使儀器能夠連續(xù)穩(wěn)定運行，并采集到有效的紫外-可見光波段太陽光譜數(shù)據(jù)，提供一種地基紫外吸收性氣溶膠監(jiān)測儀的控制系統(tǒng)及控制方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種地基紫外吸收性氣溶膠監(jiān)測儀的控制系統(tǒng)及控制方法?？刂葡到y(tǒng)包括：處理器、數(shù)據(jù)采集卡、接線盒、路由器及相應的連接線。其中系統(tǒng)通過以太網接線至路由器的LAN口，另一LAN口接入太陽跟蹤器，并利用處理器作為路由器的管理主機建立局域網，通過局域網內IP尋址的方式實現(xiàn)處理器對太陽跟蹤器的控制。系統(tǒng)對光譜儀的控制和CCD數(shù)據(jù)的采集則通過USB2.0接口實現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集卡通過接線盒設置的IO接口與望遠鏡和環(huán)境監(jiān)測設備連接，通過IO口接線盒實現(xiàn)望遠鏡入光通道的選擇、電源控制和雨雪大風環(huán)境的監(jiān)測，并將采樣望遠鏡和環(huán)境監(jiān)測設備的信息送入處理器，同時接收處理器輸出的控制信號后輸入望遠鏡和環(huán)境監(jiān)測設備執(zhí)行相應的操作。

作為上述技術方案的進一步改進，還包括望遠鏡入光通道切換裝置；所述的望遠鏡入光通道切換裝置包括：導軌、步進電機、電機驅動器、積分球、限位開關和霍爾元件；所述的積分球設置于導軌上，該積分球設有入光口和出光口，其左右兩端分別設置一磁鐵；所述的電機驅動器與接線盒連接，控制系統(tǒng)通過接線盒向電機驅動器輸出控制信號，以控制電機驅動器運行；所述的步進電機通過電機驅動器驅動積分球沿導軌移動；所述的限位開關位于導軌右端，通過與積分球碰觸后將產生的導通信號發(fā)送至控制系統(tǒng)，所述的控制系統(tǒng)通過導通信號觸發(fā)控制信號給電機驅動器，阻止積分球沿導軌繼續(xù)向右移動；所述的霍爾元件設置于積分球的上方，通過與磁鐵之間產生的霍爾效應，感應生成用于確定積分球位置的電壓信號，并將該電壓信號輸出至控制系統(tǒng)。

作為上述技術方案的進一步改進，還包括電源控制模塊，所述的電源控制模塊包括：電源、第一繼電器、第二繼電器、第一變壓器和第二變壓器；所述第一繼電器的信號輸入端和第二繼電器的信號輸入端均連接于接線盒的信號輸出端；該第一繼電器的電壓輸出端和第二繼電器的電壓輸出端分別連接第一變壓器的電壓輸入端和第二變壓器的電壓輸入端；所述的電源分三路分別為第一繼電器、第二繼電器和控制系統(tǒng)提供220V電壓；所述控制系統(tǒng)通過接線盒向第一繼電器和第二繼電器輸出控制信號，以驅動第一繼電器為光譜儀、CCD和太陽跟蹤器供電，驅動第二繼電器為第二變壓器供電；所述的第一變壓器用于將第一繼電器輸出的電壓由220V轉變?yōu)?2V后為電機驅動器供電，所述第二變壓器將第二繼電器輸出的電壓由220V轉變?yōu)?4V后為環(huán)境監(jiān)測設備供電。

作為上述技術方案的進一步改進，所述的處理器通過RJ45以太網接線與路由器連接。

基于上述地基紫外吸收性氣溶膠監(jiān)測儀的控制系統(tǒng)，本發(fā)明還同時提供了一種地基紫外吸收性氣溶膠監(jiān)測儀的控制方法，該控制方法包括：

步驟1)啟動控制系統(tǒng)，使電源控制模塊通電；

步驟2)通過電源控制模塊為太陽跟蹤器、光譜儀和CCD上電，控制積分球移向導軌右端與限位開關碰觸后停止移動，同時利用環(huán)境監(jiān)測設備監(jiān)測天氣狀況，如果天氣狀況滿足設定的系統(tǒng)運行條件，則執(zhí)行步驟3)，否則，暫停控制系統(tǒng)；

步驟3)控制積分球向左移動至其左端磁鐵與霍爾元件重合后，完成望遠鏡太陽直射口的選擇，并通過地基紫外吸收性氣溶膠監(jiān)測儀將探測獲得的光譜數(shù)據(jù)存入控制系統(tǒng)后，執(zhí)行步驟4)；

步驟4)控制積分球繼續(xù)向左移動至其右端磁鐵與霍爾元件重合后，完成望遠鏡天空散射口的選擇，并通過地基紫外吸收性氣溶膠監(jiān)測儀將探測獲得的光譜數(shù)據(jù)存入控制系統(tǒng)后，執(zhí)行步驟5)；

步驟5)判斷地基紫外吸收性氣溶膠監(jiān)測儀的工作完成狀態(tài)，如果未工作完成，控制積分球向右移動至其左端磁鐵與霍爾元件重合后，重復執(zhí)行步驟3)，否則，控制積分球移向導軌左端、太陽跟蹤器復位至正東方向及電源控制模塊斷電，關閉控制系統(tǒng)。

本發(fā)明的一種地基紫外吸收性氣溶膠監(jiān)測儀的控制系統(tǒng)及控制方法優(yōu)點在于：

1、本發(fā)明所述控制系統(tǒng)處理能力強，接口種類豐富且不沖突，各控制部件能夠穩(wěn)定協(xié)調工作。

2、本發(fā)明所述控制方法原理明確，步驟清晰。太陽跟蹤器控制部分采用局域網內尋址的方式相比傳統(tǒng)的串口方式，速度更高，保密性更好。光譜儀和CCD采用高速USB2.0數(shù)據(jù)傳輸線，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定無丟失。

3、本發(fā)明所述控制系統(tǒng)及控制方法能夠實現(xiàn)“地基紫外吸收性氣溶膠監(jiān)測儀”的準確控制，且隨著時間的延長，運行無卡頓，儀器不死機。

4、本發(fā)明克服了多種設備并行控制所產生接口混亂的問題，能夠實現(xiàn)“地基紫外吸收性氣溶膠監(jiān)測儀”的全自動化運行，提高了對該儀器的控制效率和運行穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1是地基紫外吸收性氣溶膠監(jiān)測儀主體結構與控制系統(tǒng)的連接示意圖。

圖2是本發(fā)明的一種地基紫外吸收性氣溶膠監(jiān)測儀的控制系統(tǒng)內部結構示意圖。

圖3是本發(fā)明的控制系統(tǒng)中望遠鏡入光通道切換裝置的結構示意圖。

圖4是本發(fā)明的控制系統(tǒng)中電源控制模塊的結構示意圖。

圖5是本發(fā)明的控制方法的工作流程圖。

圖6是本發(fā)明的控制系統(tǒng)的上位機軟件界面視圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明所述的一種地基紫外吸收性氣溶膠監(jiān)測儀的控制系統(tǒng)及控制方法進行詳細說明。

本發(fā)明所適用的地基紫外吸收性氣溶膠監(jiān)測儀的硬件主體結構與控制系統(tǒng)連接關系如圖1所示，儀器主體結構包括望遠鏡、探測器、電源模塊、太陽跟蹤器和環(huán)境監(jiān)測設備。其中，望遠鏡主要完成天空散射光和太陽直射光的選擇，通過光纖將望遠鏡接收的光信號傳輸至探測器；探測器通過內置的光譜儀進行分光處理后選擇紫外-可見光波段的光信號，再被CCD捕捉；電源模塊負責對儀器各部分供電；太陽跟蹤器實現(xiàn)太陽自動跟蹤和天空掃描；該太陽跟蹤器與望遠鏡相配合，當太陽跟蹤器在跟蹤太陽時，望遠鏡的太陽直射口被選通，而當太陽跟蹤器在天空掃描時，望遠鏡的天空散射口被選通；環(huán)境監(jiān)測設備負責對雨雪大風等惡劣天氣進行監(jiān)測。

圖2是本發(fā)明提供的控制系統(tǒng)的硬件結構示意圖，該控制系統(tǒng)包括：處理器、數(shù)據(jù)采集卡、路由器、接線盒和對應連接線組成。其中，處理器通過RJ45以太網接線至路由器的LAN口，路由器的另外一LAN口接入太陽跟蹤器，處理器同時作為路由器的管理主機建立局域網，并給太陽跟蹤器分配一個局域網內IP地址，處理器通過局域網內尋址的方式實現(xiàn)對太陽跟蹤器的指令控制。處理器對光譜儀和CCD的控制則通過USB2.0接口實現(xiàn)，包括光柵的選擇、光柵移動速度和中心波長等參數(shù)的設定，以及CCD制冷溫度和曝光時間的設定。數(shù)據(jù)采集卡通過IO口接線盒實現(xiàn)對外圍設備的信號采樣和控制，包括望遠鏡入光通道選擇、電源控制和環(huán)境監(jiān)測控制，并將望遠鏡和環(huán)境監(jiān)測設備的采樣信息送入處理器，在得到處理器輸出的控制信息后送回外圍設備執(zhí)行相應的操作。

圖3是本發(fā)明所述控制系統(tǒng)中望遠鏡入光通道切換裝置的結構示意圖。結構上包括：導軌、步進電機、電機驅動器、積分球、限位開關、霍爾元件及磁鐵。其中，積分球位于導軌之上，該積分球設有入光口和出光口，其左右兩端分別設置一磁鐵，受步進電機帶動。所述的電機驅動器與接線盒連接，控制系統(tǒng)通過接線盒向電機驅動器輸出控制信號，以控制電機驅動器運行；所述的電機驅動器驅動步進電機運動，所述步進電機再帶動積分球沿導軌移動。所述霍爾元件和限位開關的輸出端通過接線盒與控制系統(tǒng)相連。所述的限位開關位于導軌右端，通過與積分球碰觸后將產生的導通信號發(fā)送至控制系統(tǒng)，所述的控制系統(tǒng)通過導通信號觸發(fā)控制信號給電機驅動器，阻止積分球沿導軌繼續(xù)向右移動；所述的霍爾元件設置于積分球的上方，通過與磁鐵之間產生的霍爾效應，感應生成用于確定積分球位置的電壓信號，并將該電壓信號輸出至控制系統(tǒng)；該望遠鏡入光通道切換裝置的控制方法為：在儀器剛開機時，控制系統(tǒng)通過電機驅動器驅動步進電機向右側轉動，當積分球觸碰到位于導軌右側終點的限位開關時，限位開關導通，將導通信號送入控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再使步進電機和積分球停止運動；在儀器開始工作后，控制系統(tǒng)通過電機驅動器驅動步進電機并帶動積分球向左運動，而在積分球的底部左右兩邊各有一圓形磁鐵，當積分球運動到左側磁鐵與霍爾元件對齊時，入光口與望遠鏡的太陽直射口重合，當積分球繼續(xù)向左運動到右側磁鐵與霍爾元件對齊時，入光口與望遠鏡的天空散射口重合。因此，控制系統(tǒng)通過檢測霍爾元件探測到的位置信號，可使積分球運動到左右兩側磁鐵分別與霍爾元件對齊，即完成入光通道的選擇及控制。

基于上述結構的控制系統(tǒng)，本發(fā)明的控制系統(tǒng)還可包括電源控制模塊，圖4是本發(fā)明所述控制系統(tǒng)中電源控制模塊的結構示意圖。其中，所述的電源控制模塊包括：電源、第一繼電器、第二繼電器、第一變壓器和第二變壓器。所述第一繼電器的信號輸入端和第二繼電器的信號輸入端均連接于接線盒的信號輸出端；該第一繼電器的電壓輸出端和第二繼電器的電壓輸出端分別連接第一變壓器的電壓輸入端和第二變壓器的電壓輸入端；一級220V電源常開，分三路負責給控制系統(tǒng)、第一繼電器和第二繼電器供電。在儀器白天工作期間，控制系統(tǒng)通過接線盒控制第一繼電器使二級220V電源導通，分別給光譜儀、CCD和太陽跟蹤器供電，并經過第一變壓器由220V變壓成12V后給電機驅動器供電?？刂葡到y(tǒng)通過接線盒控制第二繼電器導通，并經過第二變壓器使220V變壓成24V后給環(huán)境監(jiān)測設備供電。若天氣惡劣時，控制第一繼電器斷開，第二繼電器仍導通，環(huán)境監(jiān)測設備一直工作直到天氣恢復，才使第一繼電器導通，使得儀器重新工作。在夜晚時，控制第一繼電器和第二繼電器均斷開，控制系統(tǒng)關機。

另外，本發(fā)明還提供了一種地基紫外吸收性氣溶膠監(jiān)測儀的控制系統(tǒng)的控制方法，圖5是本發(fā)明所述控制方法的工作流程圖，通過對處理器BIOS系統(tǒng)的設置，可使其在每天一個固定時間內開機。該控制方法具體包括以下步驟：

步驟1)啟動控制系統(tǒng)，使電源控制模塊通電。在開機后，電源控制模塊導通，環(huán)境監(jiān)測設備即開始工作。

步驟2)儀器各部件開始初始化，包括：通過電源控制模塊為太陽跟蹤器上電、光譜儀上電和CCD上電，控制積分球移向導軌右側終點與限位開關碰觸后停止移動，同時利用環(huán)境監(jiān)測設備監(jiān)測天氣狀況，如果天氣狀況滿足設定的系統(tǒng)運行條件，則執(zhí)行步驟3)，否則，暫?？刂葡到y(tǒng)。

步驟3)在初始化完成后，儀器進入工作狀態(tài)，控制系統(tǒng)通過電機驅動器帶動步進電機向左移動至積分球左側磁鐵與霍爾元件重合后，完成望遠鏡太陽直射口的選擇，之后太陽跟蹤器開始跟蹤太陽，到達跟蹤位置后探測器工作，通過光纖將太陽直射光傳輸至光譜儀經過分光處理后，選出紫外-可見光波段的光信號被CCD捕捉，并將光譜數(shù)據(jù)存入控制系統(tǒng)；在完成上述操作后執(zhí)行步驟4)。

步驟4)控制系統(tǒng)通過電機驅動器帶動步進電機繼續(xù)向左移動至積分球右側磁鐵與霍爾元件重合后，完成望遠鏡天空散射口的選擇，之后太陽跟蹤器開始掃描天空，到達掃描位置后探測器工作，通過光纖將天空散射光傳輸至光譜儀經過分光處理后，選出紫外-可見光波段的光信號被CCD捕捉，并將光譜數(shù)據(jù)存入控制系統(tǒng)，在完成上述操作后執(zhí)行步驟5)。

步驟5)判斷地基紫外吸收性氣溶膠監(jiān)測儀的工作完成狀態(tài)，如果未工作完成，控制系統(tǒng)通過電機驅動器帶動步進電機向右移動至積分球左側磁鐵與霍爾元件重合，以進行下一次太陽直射光的觀測，即重復執(zhí)行步驟3)；如果一天工作完成后，則儀器復位，包括：步進電機復位至導軌左側終點，太陽跟蹤器復位至正東方向，然后控制電源控制模塊中的第一繼電器和第二繼電器斷開，儀器斷電，控制系統(tǒng)關機。

圖6是本發(fā)明所述控制系統(tǒng)中的上位機軟件運行界面視圖，此上位機運行于控制系統(tǒng)的處理器中。根據(jù)控制系統(tǒng)各部分功能分為以下幾個模塊：儀器狀態(tài)欄主要顯示當前時間和開關機狀態(tài)；工作狀態(tài)欄顯示電壓和溫度采集結果以及當前天氣狀態(tài)；望遠鏡部分顯示各部件如電機、霍爾探測器和限位開關的通斷狀態(tài)，并指出當前的入光通道選擇；探測器部分主要設置光譜儀和CCD的工作參數(shù)，如光譜儀光柵選擇，移動速度和中心波長，CCD曝光時間和制冷溫度的設定；太陽跟蹤器部分輸入IP地址和TCP端口以建立太陽跟蹤器和處理器的局域網內通信，各顯示控件顯示太陽跟蹤器當前的運行狀態(tài)，指向位置和傳感器光強等；系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)則存放到存儲路徑中。

經過實驗驗證，利用本發(fā)明的控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)“地基紫外吸收性氣溶膠監(jiān)測儀”的全自動控制，并能得到紫外-可見光波段太陽光譜數(shù)據(jù)。

最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。