使用LabVIEW和PXI硬件對歐洲超大望遠鏡的主反射鏡位置調(diào)整

　　The Challenge:

　　開發(fā)一個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)中主反射鏡的三個位置調(diào)整執(zhí)行器的原型機進行控制和調(diào)整， 從而實現(xiàn)以納米級的精度對90Kg的重物進行位置調(diào)整。這將作為未來之量產(chǎn)化電子設(shè)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與多種設(shè)備通信，并且能夠在保證較低的延遲和抖動下實現(xiàn)1 kHz的外部位置控制指令更新率;而對于實現(xiàn)內(nèi)部定位的數(shù)據(jù)采樣和伺服控制來說，則可實現(xiàn)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(shè)的一個直徑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個鏡面組成。如圖1所示，每個鏡面，可以通過三個位置執(zhí)行器實時移動，用于對支撐結(jié)構(gòu)因重力、溫度、風動等因素所導(dǎo)致的變形進行補償。西班牙航空系統(tǒng)公司(Compa?ía Espa?ola de Sistemas Aeronauticos，CESA)負責對三個位置執(zhí)行器原型的機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和開發(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(tǒng)中的電子裝置、軟件和伺服控制進行開發(fā)。

　　執(zhí)行器開發(fā)中最具挑戰(zhàn)性的要求包括：達到15mm的行程、支撐90kg的重物、追蹤緩坡信號時實現(xiàn)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(如圖1)。

　　執(zhí)行器機械設(shè)計方案分為兩個階段。在粗調(diào)階段：使用無刷電機，實現(xiàn)一個大的調(diào)整行程和較粗的分辨率;在微調(diào)階段：使用一個音圈電機，實現(xiàn)高分辨率、高帶寬和小調(diào)整行程。每個調(diào)整階段都將使用獨立的電源設(shè)備、反饋傳感器和伺服控制器。粗調(diào)和微調(diào)控制器協(xié)調(diào)工作，最終實現(xiàn)執(zhí)行器的位置調(diào)整。

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

　　執(zhí)行器軟件

　　執(zhí)行器控制軟件是由位于NI PXIe- 8130實時控制器中的程序模塊和位于PXI-7842R FPGA智能數(shù)據(jù)采集卡中的程序模塊組成。實時控制器中的程序模塊中含有每個驅(qū)動器的具體功能，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(shù)管理。同時也包含其它任務(wù)，包括：通過串行外設(shè)接口(serial peripheral interface，SPI)收發(fā)外部命令來檢查FPGA卡的輸入;通過CAN或CANopen總線控制無刷電機驅(qū)動器，來實現(xiàn)粗調(diào)伺服控制;管理用于調(diào)試的循環(huán)緩沖器并同步接收來自FPGA FIFO的數(shù)據(jù)，通過UDP/ IP讀取傳感器的反饋。FPGA卡則實現(xiàn)了SPI從屬端的功能，負責微調(diào)伺服控制、模擬信號寫入和讀取，并且通過FIFO將數(shù)據(jù)傳遞至實時控制器來實現(xiàn)同步。

　　望遠鏡模擬器

　　為根據(jù)要求對位置執(zhí)行器進行測試，我們開發(fā)了另外一個軟件，用來模擬望遠鏡計算機(通過SPI接口與位置執(zhí)行器通信)。這一計算機扮演著SPI主控器的角色，而執(zhí)行器則位于SPI從屬端。此模擬程序以1 kHz的速率發(fā)送數(shù)百萬個的位置命令，并以1KHz的速率通過SPI總線讀取從屬端的反應(yīng)。此外，它還以5kHz的速率從一個安裝于機械測試臺上的附加外部位置傳感器讀取數(shù)據(jù)，用于對位置執(zhí)行器的內(nèi)部傳感器進行交叉檢查。這三個循環(huán)都需要以優(yōu)于200us的精度進行同步，對數(shù)據(jù)進行二進制格式的存儲以用于離線分析。在長為一小時的測試中，所存儲的文件將大于100 MB。圖2中的圖形用戶界面顯示了命令管理、以及附加外部位置傳感器數(shù)據(jù)的時域和頻域同步顯示。

　　我們所采用的解決方案使用一個帶有數(shù)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)。

　　兼具實時性和靈活性

　　執(zhí)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發(fā)的初始階段進行更改，包括：

　　帶有4MHz時鐘的SPI接口，能夠每ms接受一個外部命令

　　CAN總線接口，對粗調(diào)電機進行控制，并使用CANopen作為應(yīng)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(diào)音圈電機

　　模擬輸入接口，監(jiān)視微調(diào)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(shù)據(jù)

　　基于以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議接口，下載并調(diào)試輔助的離線數(shù)據(jù)

　　數(shù)字輸入接口，用于讀取原點位置傳感器的數(shù)據(jù)

　　使用這些接口需要極大的靈活性。

　　如下功能則需要實時特性：

　　使用SPI從屬設(shè)備以80MHz的速率讀取數(shù)字輸入，在幾微秒的時間內(nèi)對一個新的外部命令作出響應(yīng)

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

　　同步并存儲二進制數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集(2–10 kHz)和伺服控制器內(nèi)部變量(2–10 kHz)等數(shù)據(jù)的離線分析

　　使用商業(yè)現(xiàn)成可用的(commercial off-the-shelf，COTS)的平臺滿足這些要求，需要在靈活性和實時性之間作出折衷。然而，通過使用NI硬件，并通過LabVIEW Real-Time 和 LabVIEW FPGA模塊進行編程，我們所獲得的實時特性超出了上述要求，而且各種接口均可調(diào)整，無需犧牲靈活性(圖3)。

　　結(jié)論

　　NI PXI平臺幫助我們在保持系統(tǒng)靈活性和實時性的同時顯著減少了開發(fā)時間，而且能夠滿足電子裝置/軟件方面的設(shè)計要求。使用LabVIEW，可以在同一個軟件環(huán)境中對實時控制器和FPGA模塊進行編程，幫助我們快速集成系統(tǒng)，并確保系統(tǒng)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，讓我們更快完成開發(fā)。