和壽圣，范玉峰，王傳軍

(中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)， 云南 昆明 650011)

基于ASCOM標(biāo)準(zhǔn)的CCD自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)*

和壽圣，范玉峰，王傳軍

(中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)， 云南 昆明 650011)

天文觀測(cè)效率很大程度上取決于天文儀器的自動(dòng)化程度。針對(duì)2.4 m望遠(yuǎn)鏡原有CCD觀測(cè)系統(tǒng)無(wú)法自動(dòng)控制濾光片的缺陷，設(shè)計(jì)了基于ASCOM標(biāo)準(zhǔn)的濾光片驅(qū)動(dòng)，采用MaxIm DL軟件集成控制CCD相機(jī)和濾光片。重點(diǎn)介紹了ASCOM驅(qū)動(dòng)的工作原理、設(shè)計(jì)方法以及MaxIm DL軟件集成控制的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明系統(tǒng)工作正常、穩(wěn)定性好，完全滿(mǎn)足CCD自動(dòng)觀測(cè)的需要，有效提高了天文觀測(cè)效率。

2.4 m望遠(yuǎn)鏡；ASCOM；MaxIm DL；自動(dòng)觀測(cè)

天文觀測(cè)效率很大程度上取決于天文儀器的自動(dòng)化程度。云南天文臺(tái)2.4 m望遠(yuǎn)鏡是目前國(guó)內(nèi)自動(dòng)化程度相對(duì)比較高的天文望遠(yuǎn)鏡，但作為其主力終端之一的PICCD相機(jī)和配套的濾光片系統(tǒng)卻由兩套獨(dú)立的軟件控制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多波段CCD自動(dòng)觀測(cè)，嚴(yán)重影響了天文觀測(cè)效率，短曝光測(cè)光觀測(cè)尤為明顯。云南天文臺(tái)1 m望遠(yuǎn)鏡濾光片接口改造后實(shí)現(xiàn)了軟件控制[1]，但同樣存在這個(gè)問(wèn)題。為此，本文設(shè)計(jì)了基于ASCOM標(biāo)準(zhǔn)的濾光片驅(qū)動(dòng)，采用MaxIm DL軟件集成控制PICCD相機(jī)和濾光片，實(shí)現(xiàn)了2.4 m望遠(yuǎn)鏡CCD自動(dòng)觀測(cè)。

1 平臺(tái)介紹

天文公共對(duì)象模型(Astronomy Common Object Model, ASCOM)[2]是WINDOWS平臺(tái)下一個(gè)免費(fèi)開(kāi)源的天文接口標(biāo)準(zhǔn)，為第三方設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)提供豐富的模板和技術(shù)支持，很多天文軟件如MaxIm DL、CCDSoft、SkyMap、WWT等都支持該標(biāo)準(zhǔn)。

MaxIm DL[3]是Diffraction Limited公司開(kāi)發(fā)的WINDOWS平臺(tái)下一款集CCD控制、濾光片控制、調(diào)焦控制、圓頂控制、望遠(yuǎn)鏡控制等功能的天文圖像處理軟件，由于其CCD控制功能強(qiáng)大、界面友好、使用方便，并支持很多廠家的設(shè)備，天文上常用做CCD控制軟件。MaxIm DL軟件與ACP軟件、WWT等軟件相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)天文臺(tái)。

ASCOM標(biāo)準(zhǔn)需要ASCOM platform平臺(tái)支持，ASCOM platform為不同天文軟件供應(yīng)商和天文儀器廠家提供了一個(gè)免費(fèi)互通的中間橋梁，是應(yīng)用天文軟件和天文儀器設(shè)備ASCOM驅(qū)動(dòng)的翻譯軟件。如圖1為ASCOM和MaxIm DL軟件之間的關(guān)系示意圖，MaxIm DL軟件通過(guò)ASCOM platform識(shí)別并調(diào)用設(shè)備的ASCOM驅(qū)動(dòng)，從而達(dá)到控制底層天文儀器設(shè)備的目的。

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2，硬件系統(tǒng)由電腦、PICCD相機(jī)及濾光片系統(tǒng)3部分組成，濾光片系統(tǒng)由濾光片控制器和濾光片盤(pán)構(gòu)成。PICCD相機(jī)為Princeton Instruments的VersArray 1300B CCD[4]，有效像素1 340×1 300，通過(guò)串行總線與電腦的PCI數(shù)據(jù)采集卡通訊。濾光片控制器由云南天文臺(tái)自行研制，采用TINI (TinyInterNet Interface，美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種能提供很好的網(wǎng)絡(luò)支持的設(shè)備)[5]系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有網(wǎng)絡(luò)控制和手動(dòng)控制兩種控制方式。濾光片盤(pán)由上下兩個(gè)交錯(cuò)的濾光片輪組成，每個(gè)濾光片輪可以裝載5個(gè)濾光片，通過(guò)二者不同位置組合構(gòu)成不同的濾光片。由于PICCD相機(jī)自帶的軟件為WinView，濾光片控制器軟件為云南天文臺(tái)自行開(kāi)發(fā)的java程序，二者相互獨(dú)立，不利于集中控制以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。因此在不改變?cè)杏布到y(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用MaxIm DL軟件集中控制PICCD相機(jī)和濾光片系統(tǒng)。MaxIm DL軟件支持PICCD相機(jī)的PVCAM驅(qū)動(dòng)，濾光片系統(tǒng)由自行開(kāi)發(fā)的ASCOM濾光片驅(qū)動(dòng)控制。

圖1 ASCOM示意圖
Fig.1 Schematic diagram of an ASCOM

3 軟件設(shè)計(jì)

采用C#語(yǔ)言作為軟件設(shè)計(jì)的編程語(yǔ)言[6-7]，使用微軟visual studio 2005作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，Inno Setup作為安裝打包制作軟件。

數(shù)據(jù)通信采用TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，數(shù)據(jù)格式：長(zhǎng)度6字節(jié)，協(xié)議頭4字節(jié)，分別為0x55、0xAA、0x01、0x02，第4字節(jié)表示有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，第5字節(jié)為命令或狀態(tài)，第6字節(jié)為濾光片號(hào)。數(shù)據(jù)傳輸采用每發(fā)送一條信息創(chuàng)建一次網(wǎng)絡(luò)連接，發(fā)送完關(guān)閉連接的方式。

MaxIm DL軟件負(fù)責(zé)所有濾光片操作相關(guān)的工作，因此ASCOM驅(qū)動(dòng)只需提供MaxIm DL軟件調(diào)用的發(fā)送濾光片設(shè)置信息和接收濾光片狀態(tài)信息等基本功能函數(shù)?？紤]到MaxIm DL軟件每秒查詢(xún)?yōu)V光片狀態(tài)一次，而濾光片轉(zhuǎn)動(dòng)到位通常需要3～15 s時(shí)間，為不影響MaxIm DL軟件在等待濾光片狀態(tài)信息的同時(shí)執(zhí)行其它操作，專(zhuān)門(mén)開(kāi)辟一個(gè)線程處理接收濾光片狀態(tài)信息，線程流程如圖3。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
Fig.2 Schematic diagram of our system

(1)線程自連接ASCOM驅(qū)動(dòng)時(shí)刻開(kāi)啟，首先進(jìn)行初始化網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)建套接字、端口綁定和監(jiān)聽(tīng)端口，初始化完成后進(jìn)入工作循環(huán)；

(2)首先查詢(xún)斷開(kāi)濾光片驅(qū)動(dòng)命令，斷開(kāi)則退出循環(huán)，結(jié)束線程，未收到斷開(kāi)命令則繼續(xù)工作，這是為線程安全退出服務(wù)，否則可能因?yàn)榫€程無(wú)法退出導(dǎo)致程序無(wú)響應(yīng)；

(3)然后查詢(xún)網(wǎng)絡(luò)連接請(qǐng)求，無(wú)連接請(qǐng)求重新開(kāi)始工作循環(huán)，有連接則接受連接，并接收數(shù)據(jù)，為網(wǎng)絡(luò)安全起見(jiàn)，ASCOM驅(qū)動(dòng)也只允許濾光片控制器IP連接；

(4)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為零說(shuō)明濾光片控制器主動(dòng)關(guān)閉連接，斷開(kāi)連接重新開(kāi)始工作循環(huán)，長(zhǎng)度大于零則獲取當(dāng)前濾光片狀態(tài)；

(5)如果濾光片正在轉(zhuǎn)動(dòng)就繼續(xù)發(fā)送查詢(xún)狀態(tài)命令，繼續(xù)接收數(shù)據(jù)；

(6)如果濾光片已經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)到位則判斷當(dāng)前濾光片是否為要設(shè)置的濾光片，如果是則設(shè)置濾光片狀態(tài)為轉(zhuǎn)動(dòng)到位，繼續(xù)接收數(shù)據(jù)；如果不是則重新發(fā)送濾光片設(shè)置信息并設(shè)置狀態(tài)為正在轉(zhuǎn)動(dòng)，繼續(xù)接收數(shù)據(jù)。

圖3 軟件流程圖
Fig.3 Software flowchart

ASCOM platform 5.0開(kāi)發(fā)模板FilterWheel類(lèi)提供了ASCOM濾光片驅(qū)動(dòng)所需的各種函數(shù)和屬性，F(xiàn)ilterWheel()是構(gòu)造函數(shù)；SetupDialog()為設(shè)置對(duì)話框，用于設(shè)置和更改系統(tǒng)參數(shù)；Connected屬性用于設(shè)置ASCOM驅(qū)動(dòng)連接狀態(tài)，MaxIm DL軟件通過(guò)讀取該屬性判斷濾光片的連接狀態(tài)；Position屬性用于設(shè)置濾光片和獲取濾光片狀態(tài)；FocusOffsets屬性為焦距補(bǔ)償參數(shù)，用于補(bǔ)償非等光程濾光片或者濾光片和空狀態(tài)之間的光程差，此參數(shù)提供給望遠(yuǎn)鏡焦距補(bǔ)償機(jī)構(gòu)；Names為濾光片的名字，如U、B、V、R、I等。如下為部分C#代碼：

public class FilterWheel: IFilterWheel

{

private const byte m_bSlotNumber=6; //濾光片數(shù)量

private static bool m_bConnected=false; //連接狀態(tài)

private static short m_sPosition=0; //濾光片狀態(tài)

private static short m_sSetPosition=0; //要設(shè)置濾光片狀態(tài)

private static int[]m_iFocusOffsets=new int[m_bSlotNumber];

private static string[]m_sNames=new string[m_bSlotNumber];

public FilterWheel()//初始化

{

m_iFocusOffsets[0]=0; m_iFocusOffsets[1]=0;

m_iFocusOffsets[2]=0; m_iFocusOffsets[3]=0;

m_iFocusOffsets[4]=0; m_iFocusOffsets[5]=0;

m_sNames[0]="N"; m_sNames[1]="U";

m_sNames[2]="V"; m_sNames[3]="B";

m_sNames[4]="R"; m_sNames[5]="I";

}

public bool Connected//連接

{//TODO Replace this with your implementation

get{return m_bConnected;}

set

{

if (value){

mythread=new Thread(new ThreadStart(RecvFunc));

mythread.Start();}//連接初始化

else{}//斷開(kāi)

m_bConnected=value; //設(shè)置連接狀態(tài)

}

}

public short Position//濾光片

//TODO Replace this with your implementation

get{return m_sPosition;}//獲取濾光片狀態(tài)

Set//設(shè)置濾光片

{

//發(fā)送到濾光片控制器

SendToTiny((byte)(value));

m_sPosition=-1; //表示濾光片輪正在轉(zhuǎn)動(dòng)

}

}

public int[]FocusOffsets//焦距補(bǔ)償

{//TODO Replace this with your implementation}

public string[]Names//濾光片名字

{//TODO Replace this with your implementation}

public void SetupDialog()//設(shè)置對(duì)話框

{SetupDialogForm F=new SetupDialogForm(); F.ShowDialog();}

}

visual studio 2005編譯生成的ASCOM驅(qū)動(dòng)為動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件，其debug版可以直接使用，但需要.NET開(kāi)發(fā)環(huán)境的支持。為了便于在無(wú).NET開(kāi)發(fā)環(huán)境的電腦上安裝使用，軟件需要打包發(fā)布。首先用Visual Studio 2005編譯ASCOM驅(qū)動(dòng)為release版動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，然后打開(kāi)ASCOM Platform平臺(tái)的Driver install script maker工具，根據(jù)提示填寫(xiě)相應(yīng)的信息，選擇ASCOM驅(qū)動(dòng)文件目錄，點(diǎn)擊保存后會(huì)自動(dòng)調(diào)用Inno Setup軟件打包生成.exe可執(zhí)行安裝文件。

4 集成測(cè)試

MaxIm DL軟件集成CCD相機(jī)和ASCOM濾光片之前，必須正確配置軟硬件。首先確保PICCD相機(jī)和濾光片控制器正確連接到電腦，然后分別安裝MaxIm DL軟件、ASCOM Platform平臺(tái)、Roper PVCAM軟件(PICCD Roper驅(qū)動(dòng))和ASCOM濾光片驅(qū)動(dòng)。運(yùn)行MaxIm DL軟件，進(jìn)入CCD control面板，選擇Camera為Roper PVCAM作相應(yīng)參數(shù)配置，選擇濾光片為ASCOM，再到高級(jí)選項(xiàng)選擇所開(kāi)發(fā)的ASCOM濾光片驅(qū)動(dòng)進(jìn)行配置如圖4，設(shè)置好濾光片名稱(chēng)、順序以及焦距補(bǔ)償參數(shù)才能進(jìn)行連接測(cè)試。為了在FITS頭文件信息中動(dòng)態(tài)添加氣象數(shù)據(jù)、望遠(yuǎn)鏡參數(shù)等信息，還需編寫(xiě)相應(yīng)的Javascript腳本，這里不再詳述。

MaxIm DL軟件支持CCD自動(dòng)觀測(cè)，如圖5為自動(dòng)觀測(cè)設(shè)置界面，設(shè)置好圖像名稱(chēng)、后綴名、濾光片、曝光時(shí)間、拍攝幀數(shù)等參數(shù)，MaxIm DL軟件將根據(jù)設(shè)定參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)。

系統(tǒng)于2009年初應(yīng)用于云南天文臺(tái)2.4 m望遠(yuǎn)鏡，工作穩(wěn)定，完全滿(mǎn)足CCD自動(dòng)觀測(cè)的需要，有效提高了天文觀測(cè)效率。如圖6為2009年10月24日觀測(cè)截圖，圖像左邊為PICCD拍攝的圖像，右邊為FITS頭文件信息，從中可以看到設(shè)備狀態(tài)及當(dāng)前濾光片狀態(tài)等信息，如CCD為Roper PVCAM(PICCD的驅(qū)動(dòng)名稱(chēng))，觀測(cè)目標(biāo)為RUBIN152，濾光片為R等等。

圖4 連接配置
Fig.4 Connection configuration

圖5 自動(dòng)觀測(cè)設(shè)置
Fig.5 Configuration for automated observation

圖6 實(shí)驗(yàn)照片
Fig.6 An example of test observation

5 結(jié) 語(yǔ)

目前天文界的主流操作系統(tǒng)是Linux，但是在WINDOWS平臺(tái)采用MaxIm DL軟件集成控制天文儀器仍不失為一個(gè)快速低成本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的有效方案。該CCD自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)提高了2.4 m望遠(yuǎn)鏡的自動(dòng)化程度，有效提高了天文觀測(cè)效率，同時(shí)也為ASCOM標(biāo)準(zhǔn)以及MaxIm DL軟件在天文上的應(yīng)用提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

[1] 王雪利, 樓柯, 倫寶利. 1 m望遠(yuǎn)鏡光電測(cè)光用濾光片接口改造[J]. 天文研究與技術(shù)——國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)刊, 2006, 3(3): 304-309.

Wang Xueli, Lou Ke, Lun Baoli. The reconstruction of filter-shelf on 1m telescope[J]. Astronomical Research & Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2006, 3(3): 304-309.

[2] Alberto Javier Castro-Tirado. Robotic autonomous observatories: a historical perspective[J/OL]. Advances in Astronomy,Volume 2010 (2010), Article ID 570489, 8 pages. http://www.hindawi.com/journals/aa/2010/570489/.

[3] Zhou Aiying, Jiang Xiaojun, Zhang Yanping. MiCPhot: A prime-focus multicolor CCD photometer on the 85cm Telescope[J]. Research in Astronomy and Astrophysics, 2009(3): 349-366.

[4] Yao Baoan, Wang Shuhe, Tang Zhenghong. Performance study of the CCD camera on the 1m reflector ATNAOC[J]. Annals of Shanghai Astronomical Observatory Chinese Academy Sciences, 2007(1): 80-88.

[5] 王傳軍, 范玉峰, 陳東. 基于TINI系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)氣象站[J]. 天文研究與技術(shù)——國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)刊, 2007, 4(3): 288-295.

Wang Chuanjun, Fan Yufeng, Chen Dong. The net meteorological observatory based on TINI system[J]. Astronomical Research & Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2007, 4(3): 288-295.

[6] 鄭宇軍. C#面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2006.

[7] 耿肇英, 耿燚. C#應(yīng)用程序設(shè)計(jì)教程[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2007.

AnAutomaticCCDObservationSystemBasedontheASCOMStandard

He Shousheng, Fan Yufeng, Wang Chuanjun

(Yunnan Observatories, Chinese Academy of Sciences, Kunming 650011, China, Email: heshousheng@ynao.ac.cn)

Efficiencies of astronomical observations largely depend on the degree of automation. The CCD system of the 2.4m telescope of the Yunnan Observatory did not have an automatically controllable filter wheel. To improve the efficiency of the telescope, we have developed a filter-wheel control system based on the ASCOM standard. The CCD camera and filter wheel are controlled by a MaxIm DL software, making automatic CCD observation possible. The system has been applied to the 2.4 meter telescope since early 2009. Practical application results show that it functions properly and reliably, it meets the requirements of automatic CCD observation, and achieves the goal of improving the efficiency of astronomical observation. Although the mainstream operating system for astronomical instrumentation is Linux, a Windows platform is also a low cost and effective automation solution for the several reasons. First, an ASCOM driver is very easy to develop because there are useful templates and examples. Second, the MaxIm DL software is a mature commercial software with powerful functions for CCD control and it supports the ASCOM standard. These make it convenient to incorporate in the software utilities for various astronomical instruments. The paper finally discusses the principle of ASCOM filter-wheel driver and its control method based on the MaxIm DL software. It also provides some empirical references for the ASCOM standard and MaxIm DL software in astronomical applications.

2.4m telescope; ASCOM; MaxIm DL; Automatic observation

CN53-1189/PISSN1672-7673

P111.2; TP311.52

A

1672-7673(2013)04-0386-06

云南省自然科學(xué)基金 (2009CD122) 資助.

2012-08-14;修定日期:2012-09-06

和壽圣，男，工程師. 研究方向：天文儀器與方法. Email: heshousheng@ynao.ac.cn