Автономное гидирущее устройство

[Sergey Stepanov]

Всем привет.

Хочу рассказать об автономном гидирующем устройстве (или просто автогид), которое я пытаюсь сделать.

Есть у меня автогид SynGuider (приобретенный в прошлом году у Руслана The Last Man) и с ним уже немного занимался астрофотографией. Снимал на цифровую зеркальную камеру Canon EOS 600D в прямом фокусе рефлектора Sky Watcher 200/1000 мм и рефрактора Sky Watcher ED 80 Black Diamond на монтировке EQ6 Pro SynScan, автогид SynGuider c гидирующей трубой рефрактор 80/400. Не скажу, что я получил какие-то значимые астрономические снимки, но какой-никакой опыт работы с автогидом имеется.

Мне стало интересно сделать самому подобное устройство. Для начала я разобрал имеющийся автогид SynGuider и посмотрел что же у него внутри.

Основные характеристики устройства:
- ПЗС-матрица: Sony ICX404AL, монохромная
- Разрешение: 510 x 492
- Размер матрицы: 5,59 х 4,68 мм
- Размер пиксела: 9,6 х 7,5 мкм
- Выдержка: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 1024, 2048, 4096 мс
-  Разрешение (в угловых секундах) : по оси X = 2261/F, по оси Y = 1962/F (F - фокусное расстояние гидирующего телескопа в мм)
- Питание: 6-14 В, 250 мА
- Крепление к телескопу: в фокусировочный узел с посадкой 1,25"

[Sergey Stepanov]

Сначала я сделал автогид версии 1.0. (Прототип), а затем автогид версии 1.1. (Опытный образец).  Далее подробно опишу обе версии. В принципе версии 1.0 и 1.1 отличаются только конструктивом. Почти все компоненты для автогида обоих версий покупались на сайте Алиэкспресс, что-то покупалось в радиомагазинах и на рынках города. В основе автогида я использовал процессор производства STM, которые отличаются доступностью и относительной невысокой ценой отладочных плат и эмуляторов.

Прототип автогида (версия 1.0) сделал с целью ознакомиться с процессором, научиться получать изображение с матрицы, настраивать ее по интерфейсу I2C, выводить картинку на дисплей и т.д. Т.е. принципиально разобраться как это все вместе будет работать в одном устройстве.

Прототип автогида состоит из следующих частей:
- пластиковый корпус 168х95х58 мм;
- демонстрационная плата STM32F4DISCOVERY с процессором STM32F407VGT6;
- цветной жидкокристаллический дисплей 320x240; 
- кмоп-матрица от модуля KINECT игровой консоли XBOX (матрица MT9M001) на плате-адаптере;
- пульт управления с 9 кнопками;
- плата питания (преобразует входное напряжение 6В в 5В для платы STM32F4DISCOVERY и 3.3В для матрицы, дисплея и т.д.);
- плата с оптронами (порт ST-4 и спуск затвора камеры), памятью EEPROM, датчиком температуры и пьезоизлучателем.

[Sergey Stepanov]

На одной боковой панели автогида закреплено гнездо (5,5х2,1 мм) питания устройства (6 В, 250 мА), переключатель питания, разъем DB-9F для подключения пульта управления. USB разъем (тип B, «квадратный», «принтерный») предназначен для подключения платы STM32F4DISCOVERY к компьютеру для отладки и записи программы в память процессора. 

[Sergey Stepanov]

На другую боковую панель автогида выведен разъем DB-9M подключения порта ST-4, разъем типа «аудио гнездо 3,5 мм» для подключения кабеля управления затвором камеры. Для отладочных целей выведены светодиоды, отображающие состояние сигналов DEC+, DEC-, RA+, RA- порта ST-4 и состояние затвора камеры.  В зеркальной камере для подключения пульта спуска затвора установлен разъем типа «аудио гнездо 2,5мм» (нужен кабель с одной стороны аудио джек 3,5 мм, а с другой стороны аудио джек 2,5 мм)

[Sergey Stepanov]

В зависимости от исполнения алюминиевой панели толщиной 2 мм, к которой крепится матрица, возможны два исполнения устройства:
- исполнение "Втулка 1,25" - автогид устанавливается в стандартный фокусировочный узел с внутренним диаметром 1,25" (31,75 мм) гидирующей трубы (например, рефрактор 80/400);
- исполнение "Кольцо М42" - автогид прикручивается к длиннофокусному объективу с креплением M42х1 (например, Юпитер-37А (фокус 135 мм), Юпитер-36В (фокус 250 мм), Таир-3 (фокус 300 мм) или другой объектив со штатным или переделанным хвостовиков под М42), при этом необходимо использовать удлинительные кольца М42 (в общем случае длины колец подбираются для конкретного объектива).

Масса устройства примерно 400 грамм (без объектива и кабелей). Поэтому применение прототипа автогида в исполнении «Втулка 1,25''» весьма проблематично (большой вес и большие габаритные размеры).


На прототипе автогида провел первые отладки режимов калибровки и гидирования в квартирных условиях. Прототип имеет большие габариты и вес, поэтому было принято решение сделать опытный образец автогида, максимально приближенного к устройству, которое в итоге должно получиться (малогабаритное и с компактными разъемами на плате наподобие автогида SynGuider).

[Sergey Stepanov]

Автогид версия 1.1. (Опытный образец) состоит из:
- пластиковый корпус 125х80х32;
- двусторонняя печатная плата размером 100х73 мм на которой размещены:
кмоп-матрица MT9M001C12STM (корпус CLCC-48), процессор STM32F407VGT6 (корпус LQFP-100), память EEPROM (AT24C08C), датчик температуры (DS1621S), микросхема CP2102 (виртуальный COM порт), пьезоизлучатель, микросхема 74AC04 (инверсные буферы), оптроны PC817 (гальваническая развязка порта ST-4 и спуска затвора цифровой зеркальной камеры);
- цветной жидкокристаллический дисплей (такой же как в версии 1.0).

[Sergey Stepanov]

На плате автогида расположены следующие разъемы:
- 8 контактный разъем 8P8C для подключения пульта управления;
- 6 контактный разъем 6P6C для подключения автогида к порту монтировки ST-4 (стандартный кабель гидирования для монтировок и камер-гидов);
- разъем типа «аудио гнездо 3,5 мм» для управления спуском затвора цифровых зеркальных камер (например, CANON  EOS);
- разъем USB (тип B, «квадратный», «принтерный») предназначен для подключения автогида к компьютеру для записи в память процессора программы (обновление программы);
- кнопка для входа в режим программирования автогида;
- разъем гнездо питания автогида 5В.

[Sergey Stepanov]

Для входа в режим программирования автогида (обновление программы) необходимо включить устройство, удерживая нажатой кнопку входа в режим программирования. Запись программы производится с помощью стандартной утилиты "STM Flash Loader". Возможно будет предусмотрена возможность подключения автогида по USB к компьютеру для реализации каких-то дополнительных функций (настройка параметров автогида и т.д.). Предварительно, при необходимости, нужно установить драйвер для микросхемы CP2102 (виртуальный COM порт).

[Sergey Stepanov]

Питание автогида 5В, ток потребления не более 250 мА. С питанием автогида от 12В пока заморачиваться не стал. На входе установлен самовосстанавливающийся предохранитель (для защиты устройства от короткого замыкания и перегрузки по току) и два проходных диода Шоттки, соединенных параллельно (для защиты от подачи на вход автогида напряжения обратной полярности). Напряжения аналоговое 3,3В для матрицы и цифровое 3,3В для остальных устройств (процессор, дисплей и др.) получаются раздельными линейными стабилизаторами. Аналоговая земля питания матрицы и цифровая земля процессора и других цифровых потребителей разделены и соединяются в одной точке на входных конденсаторах стабилизаторов напряжений. На вход автогида в принципе  можно подавать 12В, но не рекомендуется, т.к. будет большое падение напряжения на линейных стабилизаторах и будет сильный нагрев стабилизаторов.

[Sergey Stepanov]

В качестве центрального процессора автогида используется микроконтроллер  STM32F407VGT6.

Основные характеристики процессора:
- ядро ARM Cortex-M4F;
- разрядность 32 бита;
- тактовая частота 168 МГц;
- память программ 1 Мб;
- ОЗУ 193 Кб; 
- 100-выводной корпус LQFP-100.

Для сравнения, в автогиде SynGuider используется процессор LPC2132 (если я правильно идентифицировал микросхему).
Основные характеристики процессора:
- ядро ARM7;
- разрядность 16/32 бита;
- тактовая частота 60 МГц;
- память программ  64кб;
- ОЗУ 16 кБ; 
- 64-выводной корпус LQFP-64.

[Sergey Stepanov]

Матрица MT9M001 подключается к процессору STM32F407VGT6 через специализированный аппаратный модуль DCMI (Digital Camera Interface). Считываются только 8 старших бит (D9…D2) с каждого пикселя (вместо 10 бит), для упрощения обработки и из-за ограниченной оперативной памяти процессора. Т.е. младшие 2 бита (D1 и D0) не учитываются. Для целей автогида, я думаю, это допустимо и не существенно. Тактирование матрицы (вход CLKIN) может осуществляться от процессора (2-4 МГц) или от кварцевого генератора (на плате установлен генератор 12 МГц). Выбор тактирования осуществляется перемычками. Также процессор управляет сбросом матрицы (вход RESET). В процессор заводятся сигналы вертикальной (выход FRAME_VALID) синхронизации и горизонтальной (выход LINE_VALID) синхронизации, а так же сигнал стробирования (выход PIXCLK) по заднему фронту которого на шине D9…D0 фиксируются данные. Для считывания матрицы используется модуль DMA (Direct Memory Access). Массив из 320х240 пикселей матрицы = 76800 байт  = 75 кбайт расположен в оперативной памяти процессора. С матрицы считывается 320х240 пикселей (область 1280х960 пикселей  - считывается КАЖДЫЙ ЧЕТВЕРТЫЙ пиксель или 320х240 пикселей  - считывается КАЖДЫЙ ПЕРВЫЙ пиксель) и сохраняется в этом массиве. Настройка параметров и режимов работы матрицы осуществляется по интерфейсу I2C, к которому котором помимо матрицы подключены микросхема памяти и датчик температуры.
Масса устройства примерно 250 грамм (без кабелей и объектива).

Отладка программы производится с помощью эмулятора ST LINK V2 в среде IAR Embedded Workbench 6.5.

[Sergey Stepanov]

Плата автогида крепится к панели из алюминия толщиной 2 мм через четыре латунных стойки высотой 10 мм. Панель в свою очередь крепится к пластиковому корпусу.  Таким образом, плата с матрицей жестко и надежно (без участия пластиковых деталей) закреплены относительно центрального отверстия алюминиевой панели. Матрица размещена на плате с учетом того, что оптический центр матрицы сдвинут относительно центра корпуса матрицы примерно на 0,7 мм по вертикальной оси (по крайней мере,  пытался так припаять матрицу насколько это можно при ручной пайке).

В зависимости от исполнения панели, к которой крепится плата автогида, возможны два исполнения автогида: исполнение "Втулка 1,25" или исполнение «Кольцо М42» аналогично как в версии 1.0.

[Sergey Stepanov]

В автогиде обоих версиях используется цветной дисплей, диагональ 2.2'', разрешение 320х240, контроллер ILI9341 с последовательным SPI интерфейсом. Питание дисплея 3.3В (или 5В) (питание контроллера дисплея и светодиодной подсветки дисплея). Один пиксель дисплея кодируется 16 битами (5бит для красного, 6 бит для зеленого, 5 бит для синего цветов). Картинка с матрицы отображается на дисплее в цветовом режиме «GrayScale» (градации серого) или в режимах «Only Red» (только красный цвет), «Only Green» (только зеленый цвет), «Only Blue» (только синий цвет). Цветовой режим отображения картинки с матрицы выбирается пользователем в главном меню. Частота тактирования SPI максимальная и составляет 20 МГц. Перерисовка всей картинки дисплея занимает заметное для глаза время, но я еще не окончательно разобрался с этим, оставил на потом. Дисплей закреплен к алюминиевой пластине, которая в свою очередь закреплена к пластиковому корпусу. Экран дисплея пока ничем не защищен. Планируется установить защитную пластину из оргстекла.

Энергонезависимая память EEPROM AT24C08C (интерфейс I2C) предназначена для записи и хранения параметров автогида (выдержка и усиление матрицы, режим цветового отображения, фокусное расстояние гида и т.д).

Датчик температуры DS1621S (интерфейс I2C) предназначен для измерения и отображения температуры внутри корпуса устройства. Это скорее для отладочных целей. В реальности значение температуры в алгоритмах гидирования не используется.

Пьезоизлучатель предназначен для подачи звуковых сигналов при нажатии кнопок на пульте управления, сигнализации событий устройства (калибровка не выполнена, потеря звезды при гидирования, спуск затвора камеры и т.д.). Может конфигурироваться в пункте «Beeper» в главном меню интерфейса.

[Sergey Stepanov]

К устройству подключается пульт управления с 9 кнопками без подсветки. Корпус пульта управления пластиковый, размеры 83х54х30 мм. Декоративная панель пульта управления с надписями это ламинированная с двух сторон офисная бумага. Отверстия под кнопки проделаны с помощью набора выколоток (круглые пробойники). Количество и название кнопок, такое же как в автогиде SynGuier («Вверх», «Вниз», «Влево», «Вправо», «+», «–», «Ввод», «Выход», «Меню»), но на данный момент кнопки «+» и «–» остались не задействованными. Кабель вводится в пульт управления через гибкий пружинный пластиковый ввод.

[Sergey Stepanov]

Краткое описание работы устройства (применительно к версии 1.0 и 1.1).

При включении автогида на дисплее отображается заставка в течение нескольких секунд, а затем матрица настраивается по интерфейсу I2C в соответствии с параметрами, сохраненными в микросхеме памяти EEPROM. На дисплее разрешением 320х240 отображается картинка с камеры разрешения 1280х960 (считывается с матрицы и отображается на дисплее КАЖДЫЙ ЧЕТВЕРТЫЙ пиксель матрицы: 1280/4 = 320, 960/4=240) и прямоугольник размером 80х60 пикселей, который соответствует области 320х240 пикселей матрицы. Настраиваются при необходимости выдержка и усиление матрицы, уровень шумов. Подстраивается фокусировка. Добиваемся изображения звездного неба на дисплее.

Перемещаем прямоугольник 80х60 с помощью кнопок «Верх»,  «Вниз», «Влево»,  «Вправо» и наводим на интересующую область. Нажимаем кнопку «Ввод» и на дисплее разрешением 320х240 отображается картинка с матрицы разрешения 320х240 (считывается с матрицы  и отображается на дисплее КАЖДЫЙ ПЕРВЫЙ пиксель с матрицы). На дисплее отображается центр дисплея в виде перекрестия и барицентр этой области в виде точки и окружности. На дисплее отображается так же прямоугольник (интересующий регион) размером 20х20, 40х40, 60х60, 80х80, 120х120 и 240х240 пикселей (предварительно выбирается в главном меню в пункте «Region»).
Перемещаем прямоугольник (регион) с помощью кнопок «Верх»,  «Вниз», «Влево»,  «Вправо» и наводим на интересующую область, где находится потенциальная звезда для гидирования. Нажимаем кнопку «Ввод» и на дисплее отображается картинка с матрицы выбранного размера региона и барицентр выбранного региона. При нажатии кнопки «Ввод» изображение с камеры будет отображаться в режиме цифрового увеличения. Возможны увеличения от 1 до 12 крат в зависимости от размера региона. Справа от изображения отображаются размер области по вертикали и горизонтали (например, W:20 и H:20),  значение увеличения (например, Z:12), координаты барицентра, состояние режимов «Выбор звезды» (LST), «Калибровка» (CST),  «Гидирование» (AST).

[Sergey Stepanov]

Входим в главное меню, в пункте «Lock» выбирается режим захвата звезды (ручной или автоматический) и параметры режима захвата звезды. Осуществляем захват звезды. Затем в пункте «Calibration» выбирается режим калибровки (ручной или автоматический) и параметры режима калибровки. После завершения процесса калибровки в пункте меню «Guide» выбирается режим гидирования (ручной или автоматический) и параметры режима гидирования. В ручном режиме гидирование осуществляется путем нажатия кнопок «Вверх», «Вниз», «Влево»,  «Вправо». В автоматическом режиме гидирование осуществляется автоматически, согласно параметрам гидирования (минимальное рассогласование и т.д.).

Надо теперь эту последовательность действий «Захват звезды – Калибровка – Гидирование» отладить, сделать защиту от некорректных нажатий кнопок и т.д.

[Sergey Stepanov]

В пункте меню «Info Calib» отображаются результаты калибровки (угол между матрицей и осями монтировки, ошибка ортогональности, скорости перемещения по осям, люфт по оси склонений и т.д.).

[Sergey Stepanov]

В пункте меню «Info Guide» отображаются результаты гидирования (график ошибок по осям DEC и RA за последние 5 минут). Возможно отображать еще и другие параметры гидирования (среднее значение ошибки и т.д.).

Интерфейс пользователя постоянно изменяется, дорабатывается. Есть мысль добавить функцию выбора языка интерфейса (русский или английский). Так же в главном меню есть такие стандартные пункты как «About», «Help», «Reset».

[Sergey Stepanov]

Таким образом, на данный момент имеется автогид версии 1.1 в виде законченного устройства. Теперь предстоит большая работа по отладке программного обеспечения (алгоритмы захвата, калибровки и гидирования, графический интерфейс пользователя).

[Sergey Stepanov]

Уже есть заготовки алгоритмов калибровки и гидирования, отлаженные в квартирных условиях по искусственной звезде в виде светодиода, закрепленного на потолке. А также несколько раз пробовал по звездам с балкона. Т.е. на данный момент конкретного результата работы автогида в виде астрофотографий звездных полей, выполненных зеркальной камерой в прямом фокусе телескопа длительными выдержками, ПОКА НЕТ.

Необходима боевая отладка в реальных условиях по реальному небу. Планирую отлаживать программу на балконе (по реальному небу), который выходит на южную сторону. Полярную ось грубо выставить смогу и вперед. Но ясные ночи предстоящего наблюдательного сезона остаются неприкосновенными для выездов в деревню.