使用LabVIEW開(kāi)發(fā)世界最大望遠鏡的實(shí)時(shí)控制系統

定義控制系統的超級計算需求
在M1操作中，相鄰的鏡面分段可能會(huì )相對于其他分段傾斜。我們使用探邊沿傳感器對這個(gè)偏移進(jìn)行監視，并且可在需要時(shí)通過(guò)促動(dòng)器將鏡面分段在三個(gè)自由度上進(jìn)行移動(dòng)。984 個(gè)鏡面分段由3000個(gè)促動(dòng)器和6000 個(gè)傳感器組成。

系統由LabVIEW 軟件進(jìn)行控制，通過(guò)讀取傳感器確定鏡面分段位置，如果分段發(fā)生位移，則使用促動(dòng)器進(jìn)行對齊。LabVIEW 需要計算規模為3000 × 6000 的矩陣與長(cháng)度為6000 的向量之積，并且需要每秒完成500 至1000 次這樣的計算，以完成有效的鏡面調整動(dòng)作。

傳感器和促動(dòng)器同時(shí)還控制M4 自適應鏡面。然而，M4 是一個(gè)薄型可變形鏡面——直徑2.5 米，橫跨8000 個(gè)促動(dòng)器。它的控制問(wèn)題與M1 主動(dòng)控制相似，但是與M1 中保持形狀不同的是，我們需要根據波前成像數據的測量結果調整形狀。波前數據映射到一個(gè)具有14000 個(gè)值的向量中，我們必須每隔幾毫秒就對8000 個(gè)促動(dòng)器進(jìn)行一次更新。這是一個(gè)矩陣向量乘積問(wèn)題，即規模為8000 ×14000 的控制矩陣與長(cháng)度為14000 的向量之積。如果將該計算問(wèn)題近似為9000 × 15000 的乘積，所需的計算能力就相當于M1 控制問(wèn)題的約15 倍。

當NI開(kāi)始解決數學(xué)問(wèn)題和控制問(wèn)題時(shí)，我們就已經(jīng)與NI一起合作，建立高通道數的數據采集和同步系統。NI工程師們現在正在對布局進(jìn)行仿真，設計控制矩陣和控制循環(huán)。所有這些操作的核心是一個(gè)強大的可執行大規模計算的LabVIEW矩陣向量函數。M1和M4控制要求很高的計算能力，我們使用多個(gè)多核系統來(lái)滿(mǎn)足該需求。由于M4控制代表了15 個(gè)3000 × 3000 子矩陣問(wèn)題，我們需要15 臺包含盡可能多處理核的機器。因此，控制系統要求必須能夠支持多核處理。而這正是LabVIEW使用COTS解決方案所提供的功能，從而為該問(wèn)題的解決提出了很有吸引力的方案。

在多核高性能計算中使用LabVIEW 解決問(wèn)題
因為我們在實(shí)際E-ELT建造之前就需要進(jìn)行控制系統開(kāi)發(fā)，系統配置可能會(huì )影響望遠鏡的部分建造特征。因此對解決方案進(jìn)行徹底的測試是十分重要的，需要就像運行在真實(shí)的望遠鏡上一樣。為了滿(mǎn)足這個(gè)挑戰的需求，NI工程師不僅實(shí)現了控制系統，還設計了一個(gè)能夠對M1 鏡面進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真的系統，完成硬件在環(huán)（HIL）的控制系統測試。HIL 是一種在汽車(chē)和航空航天控制設計中常用的測試方法，通過(guò)使用精確的、保證實(shí)時(shí)性的系統仿真器對所設計的控制器進(jìn)行仿真。NI 工程師建立了M1鏡面仿真器，能夠響應控制系統的輸出，并驗證其性能。NI 團隊使用LabVIEW 開(kāi)發(fā)了控制系統和鏡面仿真系統，并將它部署到運行LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊的多核PC上，確保執行的確定性。

在相似的實(shí)時(shí)高性能計算應用中，通信任務(wù)和計算任務(wù)是緊密相關(guān)的。通信系統中的錯誤會(huì )導致整個(gè)系統的錯誤。因此，整個(gè)應用程序開(kāi)發(fā)過(guò)程包含通信與計算的交叉設計。NI 工程師明確了應用程序不能夠依賴(lài)標準以太網(wǎng)進(jìn)行通信，因為它所使用的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議不是確定性的。因此他們需要在整個(gè)系統的核心中包含快速確定性的數據交換機制。他們使用LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊的定時(shí)觸發(fā)網(wǎng)絡(luò )特性，在控制系統和M1 鏡面仿真器之間進(jìn)行數據交換，得到了速度高達36 MB/s的確定性網(wǎng)絡(luò )。

NI 開(kāi)發(fā)了完整的M1解決方案，整合了兩臺Dell Precision T7400工作站，每個(gè)工作站都有八個(gè)處理核以及提供了操作界面的筆記本電腦。它還包含了兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )——一個(gè)用于將實(shí)時(shí)目標連接到筆記本的標準網(wǎng)絡(luò )和一個(gè)在實(shí)時(shí)目標之間進(jìn)行I/O 數據交換的1 GB 定時(shí)觸發(fā)以太網(wǎng)絡(luò )。

在系統性能方面，我們了解到控制器在每個(gè)循環(huán)中，接收6000 個(gè)傳感器數值，執行控制算法對齊分段，并且輸出3000 個(gè)促動(dòng)器數值。NI團隊建立的控制系統完成了這一切，并且建立了一個(gè)模擬望遠鏡實(shí)際操作的實(shí)時(shí)仿真系統，稱(chēng)為“鏡面”。鏡面接收到3000 個(gè)促動(dòng)器輸出之后，加上風(fēng)力等表示大氣擾動(dòng)的變量，執行鏡面算法對M1 進(jìn)行仿真，并輸出6000 個(gè)傳感器參數完成循環(huán)。整個(gè)控制循環(huán)在不到1 ms 之內完成，足以滿(mǎn)足控制鏡面的要求。

NI 工程師們所達到的矩陣向量乘法指標如下：

● 采用LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊以及包含兩個(gè)四核處理器的機器，使用其中四個(gè)核進(jìn)行單精度計算需要0.7 ms

● 采用LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊以及包含兩個(gè)四核處理器的機器，使用全部八核進(jìn)行單精度計算需要0.5 ms

M4用于對大氣波象差進(jìn)行補償，NI 工程師們認為這個(gè)問(wèn)題只能通過(guò)使用最先進(jìn)的多核刀片系統來(lái)解決。Dell公司邀請NI團隊在Dell的M1000 上測試這個(gè)解決方案，取得了令人興奮的測試結果。M1000 是一個(gè)具有16 個(gè)刀片的系統，每個(gè)M1000 刀片都包含八個(gè)處理核，這意味著(zhù)LabVIEW控制任務(wù)是分布在128個(gè)處理核上。

NI 工程師們證明了我們實(shí)際上可以使用LabVIEW 和LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊，實(shí)現基于COTS 的解決方案，控制多核計算獲取實(shí)時(shí)結果。因為在性能上取得了突破，我們團隊在E-ELT 的實(shí)現方面為計算機科學(xué)和天文學(xué)都創(chuàng )造了新的紀錄，這將從整體上推進(jìn)科學(xué)的進(jìn)步。