使用LabVIEW開發(fā)世界最大望遠鏡的實時控制系統(tǒng)

定義控制系統(tǒng)的超級計算需求
在M1操作中，相鄰的鏡面分段可能會相對于其他分段傾斜。我們使用探邊沿傳感器對這個偏移進行監(jiān)視，并且可在需要時通過促動器將鏡面分段在三個自由度上進行移動。984 個鏡面分段由3000個促動器和6000 個傳感器組成。

系統(tǒng)由LabVIEW 軟件進行控制，通過讀取傳感器確定鏡面分段位置，如果分段發(fā)生位移，則使用促動器進行對齊。LabVIEW 需要計算規(guī)模為3000 × 6000 的矩陣與長度為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(diào)整動作。

傳感器和促動器同時還控制M4 自適應(yīng)鏡面。然而，M4 是一個薄型可變形鏡面——直徑2.5 米，橫跨8000 個促動器。它的控制問題與M1 主動控制相似，但是與M1 中保持形狀不同的是，我們需要根據(jù)波前成像數(shù)據(jù)的測量結(jié)果調(diào)整形狀。波前數(shù)據(jù)映射到一個具有14000 個值的向量中，我們必須每隔幾毫秒就對8000 個促動器進行一次更新。這是一個矩陣向量乘積問題，即規(guī)模為8000 ×14000 的控制矩陣與長度為14000 的向量之積。如果將該計算問題近似為9000 × 15000 的乘積，所需的計算能力就相當(dāng)于M1 控制問題的約15 倍。

當(dāng)NI開始解決數(shù)學(xué)問題和控制問題時，我們就已經(jīng)與NI一起合作，建立高通道數(shù)的數(shù)據(jù)采集和同步系統(tǒng)。NI工程師們現(xiàn)在正在對布局進行仿真，設(shè)計控制矩陣和控制循環(huán)。所有這些操作的核心是一個強大的可執(zhí)行大規(guī)模計算的LabVIEW矩陣向量函數(shù)。M1和M4控制要求很高的計算能力，我們使用多個多核系統(tǒng)來滿足該需求。由于M4控制代表了15 個3000 × 3000 子矩陣問題，我們需要15 臺包含盡可能多處理核的機器。因此，控制系統(tǒng)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 解決問題
因為我們在實際E-ELT建造之前就需要進行控制系統(tǒng)開發(fā)，系統(tǒng)配置可能會影響望遠鏡的部分建造特征。因此對解決方案進行徹底的測試是十分重要的，需要就像運行在真實的望遠鏡上一樣。為了滿足這個挑戰(zhàn)的需求，NI工程師不僅實現(xiàn)了控制系統(tǒng)，還設(shè)計了一個能夠?qū)1 鏡面進行實時仿真的系統(tǒng)，完成硬件在環(huán)（HIL）的控制系統(tǒng)測試。HIL 是一種在汽車和航空航天控制設(shè)計中常用的測試方法，通過使用精確的、保證實時性的系統(tǒng)仿真器對所設(shè)計的控制器進行仿真。NI 工程師建立了M1鏡面仿真器，能夠響應(yīng)控制系統(tǒng)的輸出，并驗證其性能。NI 團隊使用LabVIEW 開發(fā)了控制系統(tǒng)和鏡面仿真系統(tǒng)，并將它部署到運行LabVIEW 實時模塊的多核PC上，確保執(zhí)行的確定性。

在相似的實時高性能計算應(yīng)用中，通信任務(wù)和計算任務(wù)是緊密相關(guān)的。通信系統(tǒng)中的錯誤會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的錯誤。因此，整個應(yīng)用程序開發(fā)過程包含通信與計算的交叉設(shè)計。NI 工程師明確了應(yīng)用程序不能夠依賴標準以太網(wǎng)進行通信，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系統(tǒng)的核心中包含快速確定性的數(shù)據(jù)交換機制。他們使用LabVIEW 實時模塊的定時觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)特性，在控制系統(tǒng)和M1 鏡面仿真器之間進行數(shù)據(jù)交換，得到了速度高達36 MB/s的確定性網(wǎng)絡(luò)。

NI 開發(fā)了完整的M1解決方案，整合了兩臺Dell Precision T7400工作站，每個工作站都有八個處理核以及提供了操作界面的筆記本電腦。它還包含了兩個網(wǎng)絡(luò)——一個用于將實時目標連接到筆記本的標準網(wǎng)絡(luò)和一個在實時目標之間進行I/O 數(shù)據(jù)交換的1 GB 定時觸發(fā)以太網(wǎng)絡(luò)。

在系統(tǒng)性能方面，我們了解到控制器在每個循環(huán)中，接收6000 個傳感器數(shù)值，執(zhí)行控制算法對齊分段，并且輸出3000 個促動器數(shù)值。NI團隊建立的控制系統(tǒng)完成了這一切，并且建立了一個模擬望遠鏡實際操作的實時仿真系統(tǒng)，稱為“鏡面”。鏡面接收到3000 個促動器輸出之后，加上風(fēng)力等表示大氣擾動的變量，執(zhí)行鏡面算法對M1 進行仿真，并輸出6000 個傳感器參數(shù)完成循環(huán)。整個控制循環(huán)在不到1 ms 之內(nèi)完成，足以滿足控制鏡面的要求。

NI 工程師們所達到的矩陣向量乘法指標如下：

● 采用LabVIEW 實時模塊以及包含兩個四核處理器的機器，使用其中四個核進行單精度計算需要0.7 ms

● 采用LabVIEW 實時模塊以及包含兩個四核處理器的機器，使用全部八核進行單精度計算需要0.5 ms

M4用于對大氣波象差進行補償，NI 工程師們認為這個問題只能通過使用最先進的多核刀片系統(tǒng)來解決。Dell公司邀請NI團隊在Dell的M1000 上測試這個解決方案，取得了令人興奮的測試結(jié)果。M1000 是一個具有16 個刀片的系統(tǒng)，每個M1000 刀片都包含八個處理核，這意味著LabVIEW控制任務(wù)是分布在128個處理核上。

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