使用LabVIEW和PXI硬件對歐洲超大望遠鏡的主反射鏡位置調整

　　The Challenge:

　　開(kāi)發(fā)一個(gè)電子裝置以及嵌入式控制軟件，用于對歐洲超大望遠鏡(European Extremely Large Telescope，E-ELT)中主反射鏡的三個(gè)位置調整執行器的原型機進(jìn)行控制和調整， 從而實(shí)現以納米級的精度對90Kg的重物進(jìn)行位置調整。這將作為未來(lái)之量產(chǎn)化電子設計的概念原型。

　　The Solution:

　　基于NI PXI平臺運行的NI Labview Real - Time和LabVIEW FPGA模塊，可以提供靈活的接口來(lái)與多種設備通信，并且能夠在保證較低的延遲和抖動(dòng)下實(shí)現1 kHz的外部位置控制指令更新率;而對于實(shí)現內部定位的數據采樣和伺服控制來(lái)說(shuō)，則可實(shí)現更高的循環(huán)速率。

　　Author(s):

　　Miguel Nú?ez - Instituto de Astrofísica de Canarias
　　Yolanda Martín - Instituto de Astrofísica de Canarias
　　Marcos Reyes - Instituto de Astrofísica de Canarias
　　Teodora Viera - Instituto de Astrofísica de Canarias

　　E-ELT是歐洲南方天文臺(European Southern Observatory，ESO)倡議建設的一個(gè)直徑42米的望遠鏡，用于為天文學(xué)領(lǐng)域的最新研究探索提供支持。該主反射鏡由984個(gè)鏡面組成。如圖1所示，每個(gè)鏡面，可以通過(guò)三個(gè)位置執行器實(shí)時(shí)移動(dòng)，用于對支撐結構因重力、溫度、風(fēng)動(dòng)等因素所導致的變形進(jìn)行補償。西班牙航空系統公司(Compa?ía Espa?ola de Sistemas Aeronauticos，CESA)負責對三個(gè)位置執行器原型的機械結構進(jìn)行設計和開(kāi)發(fā)，而加納利天體物理學(xué)研究所(Instituto de Astrofísica de Canarias，IAC)則負責對系統中的電子裝置、軟件和伺服控制進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

　　執行器開(kāi)發(fā)中最具挑戰性的要求包括：達到15mm的行程、支撐90kg的重物、追蹤緩坡信號時(shí)實(shí)現170納米以下的均方根誤差 (root mean square error，RMSE)、1 kHz外部位置控制指令更新率，以及確保極低的延遲和抖動(dòng)(如圖1)。

　　執行器機械設計方案分為兩個(gè)階段。在粗調階段：使用無(wú)刷電機，實(shí)現一個(gè)大的調整行程和較粗的分辨率;在微調階段：使用一個(gè)音圈電機，實(shí)現高分辨率、高帶寬和小調整行程。每個(gè)調整階段都將使用獨立的電源設備、反饋傳感器和伺服控制器。粗調和微調控制器協(xié)調工作，最終實(shí)現執行器的位置調整。

　　電子裝置和軟件是位于PXI機箱中，用于實(shí)現整體協(xié)調、外部命令管理、功能調試和伺服控制，運行有實(shí)時(shí)操作系統的控制器，可以實(shí)現極大的靈活性和計算能力。其中，快速微調伺服控制器通過(guò)NI PXI - 7842R現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)模塊實(shí)現;而緩慢的粗調控制器則是通過(guò)NI PXIe - 8130控制器實(shí)現。此外，該軟件設計分為兩個(gè)部分：執行器的嵌入式控制軟件和一個(gè)望遠鏡模擬器，后者可以作為輔助工具，用于模擬望遠鏡計算機與執行器之間的交互。

　　執行器軟件

　　執行器控制軟件是由位于NI PXIe- 8130實(shí)時(shí)控制器中的程序模塊和位于PXI-7842R FPGA智能數據采集卡中的程序模塊組成。實(shí)時(shí)控制器中的程序模塊中含有每個(gè)驅動(dòng)器的具體功能，包括：初始狀態(tài)檢查、狀態(tài)機、狀態(tài)字、錯誤寄存器以及配置參數管理。同時(shí)也包含其它任務(wù)，包括：通過(guò)串行外設接口(serial peripheral interface，SPI)收發(fā)外部命令來(lái)檢查FPGA卡的輸入;通過(guò)CAN或CANopen總線(xiàn)控制無(wú)刷電機驅動(dòng)器，來(lái)實(shí)現粗調伺服控制;管理用于調試的循環(huán)緩沖器并同步接收來(lái)自FPGA FIFO的數據，通過(guò)UDP/ IP讀取傳感器的反饋。FPGA卡則實(shí)現了SPI從屬端的功能，負責微調伺服控制、模擬信號寫(xiě)入和讀取，并且通過(guò)FIFO將數據傳遞至實(shí)時(shí)控制器來(lái)實(shí)現同步。

　　望遠鏡模擬器

　　為根據要求對位置執行器進(jìn)行測試，我們開(kāi)發(fā)了另外一個(gè)軟件，用來(lái)模擬望遠鏡計算機(通過(guò)SPI接口與位置執行器通信)。這一計算機扮演著(zhù)SPI主控器的角色，而執行器則位于SPI從屬端。此模擬程序以1 kHz的速率發(fā)送數百萬(wàn)個(gè)的位置命令，并以1KHz的速率通過(guò)SPI總線(xiàn)讀取從屬端的反應。此外，它還以5kHz的速率從一個(gè)安裝于機械測試臺上的附加外部位置傳感器讀取數據，用于對位置執行器的內部傳感器進(jìn)行交叉檢查。這三個(gè)循環(huán)都需要以?xún)?yōu)于200us的精度進(jìn)行同步，對數據進(jìn)行二進(jìn)制格式的存儲以用于離線(xiàn)分析。在長(cháng)為一小時(shí)的測試中，所存儲的文件將大于100 MB。圖2中的圖形用戶(hù)界面顯示了命令管理、以及附加外部位置傳感器數據的時(shí)域和頻域同步顯示。

　　我們所采用的解決方案使用一個(gè)帶有數字I/O的NI PCI -7811R FPGA卡，安裝在基于Windows XP的電腦上(如圖2所示)。

　　兼具實(shí)時(shí)性和靈活性

　　執行器的電子控制裝置和軟件包含多種接口(如圖3所示)，而且其中大部分接口都可以在開(kāi)發(fā)的初始階段進(jìn)行更改，包括：

　　帶有4MHz時(shí)鐘的SPI接口，能夠每ms接受一個(gè)外部命令

　　CAN總線(xiàn)接口，對粗調電機進(jìn)行控制，并使用CANopen作為應用層協(xié)議，提供諸如行程限位和硬件報警等信息

　　模擬輸出接口，控制微調音圈電機

　　模擬輸入接口，監視微調音圈電機的當前狀態(tài)

　　基于以太網(wǎng)的UDP/IP協(xié)議接口，讀取外部位置傳感器的電子裝置中的數據

　　基于以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議接口，下載并調試輔助的離線(xiàn)數據

　　數字輸入接口，用于讀取原點(diǎn)位置傳感器的數據

　　使用這些接口需要極大的靈活性。

　　如下功能則需要實(shí)時(shí)特性：

　　使用SPI從屬設備以80MHz的速率讀取數字輸入，在幾微秒的時(shí)間內對一個(gè)新的外部命令作出響應

　　執行快速微調伺服控制，包括基于若干個(gè)2kHz到10kHz濾波器的PID(比例微分積分 - proportional integral derivative)控制，并且在開(kāi)發(fā)的最后階段可調

　　同步并存儲二進(jìn)制數據文件，用于SPI外部命令(1kHz)、音圈電機當前模擬輸入(2kHz)、基于以太網(wǎng)的位置傳感器數據采集(2–10 kHz)和伺服控制器內部變量(2–10 kHz)等數據的離線(xiàn)分析

　　使用商業(yè)現成可用的(commercial off-the-shelf，COTS)的平臺滿(mǎn)足這些要求，需要在靈活性和實(shí)時(shí)性之間作出折衷。然而，通過(guò)使用NI硬件，并通過(guò)LabVIEW Real-Time 和 LabVIEW FPGA模塊進(jìn)行編程，我們所獲得的實(shí)時(shí)特性超出了上述要求，而且各種接口均可調整，無(wú)需犧牲靈活性(圖3)。

　　結論

　　NI PXI平臺幫助我們在保持系統靈活性和實(shí)時(shí)性的同時(shí)顯著(zhù)減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間，而且能夠滿(mǎn)足電子裝置/軟件方面的設計要求。使用LabVIEW，可以在同一個(gè)軟件環(huán)境中對實(shí)時(shí)控制器和FPGA模塊進(jìn)行編程，幫助我們快速集成系統，并確保系統獨立、可靠。此外。此外，NI工程師為我們提供了快速且有效的幫助，讓我們更快完成開(kāi)發(fā)。