使用LabVIEW和PXI硬件對(duì)望遠(yuǎn)鏡的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)

E-ELT是歐洲南方天文臺(tái)(European Southern Observatory，ESO)倡議建設(shè)的一個(gè)直徑42米的望遠(yuǎn)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(zhí)行器實(shí)時(shí)移動(dòng)，用于對(duì)支撐結(jié)構(gòu)因重力、溫度、風(fēng)動(dòng)等因素所導(dǎo)致的變形進(jìn)行補(bǔ)償。西班牙航空系統(tǒng)公司(Compa?ía Espa?ola de Sistemas Aeronauticos，CESA)負(fù)責(zé)對(duì)三個(gè)位置執(zhí)行器原型的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)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(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)中的電子裝置、軟件和伺服控制進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

執(zhí)行器開(kāi)發(fā)中最具挑戰(zhàn)性的要求包括：達(dá)到15mm的行程、支撐90kg的重物、追蹤緩坡信號(hào)時(shí)實(shí)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(dòng)(如圖1)。

執(zhí)行器機(jī)械設(shè)計(jì)方案分為兩個(gè)階段。在粗調(diào)階段：使用無(wú)刷電機(jī)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)大的調(diào)整行程和較粗的分辨率;在微調(diào)階段：使用一個(gè)音圈電機(jī)，實(shí)現(xiàn)高分辨率、高帶寬和小調(diào)整行程。每個(gè)調(diào)整階段都將使用獨(dú)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(shí)現(xiàn)執(zhí)行器的位置調(diào)整。

電子裝置和軟件是位于PXI機(jī)箱中，用于實(shí)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(yùn)行有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的控制器，可以實(shí)現(xiàn)極大的靈活性和計(jì)算能力。其中，快速微調(diào)伺服控制器通過(guò)NI PXI - 7842R現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)模塊實(shí)現(xiàn);而緩慢的粗調(diào)控制器則是通過(guò)NI PXIe - 8130控制器實(shí)現(xiàn)。此外，該軟件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分：執(zhí)行器的嵌入式控制軟件和一個(gè)望遠(yuǎn)鏡模擬器，后者可以作為輔助工具，用于模擬望遠(yuǎn)鏡計(jì)算機(jī)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)控制器中的程序模塊中含有每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的具體功能，包括：初始狀態(tài)檢查、狀態(tài)機(jī)、狀態(tài)字、錯(cuò)誤寄存器以及配置參數(shù)管理。同時(shí)也包含其它任務(wù)，包括：通過(guò)串行外設(shè)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總線控制無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，來(lái)實(shí)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(lái)自FPGA FIFO的數(shù)據(jù)，通過(guò)UDP/ IP讀取傳感器的反饋。FPGA卡則實(shí)現(xiàn)了SPI從屬端的功能，負(fù)責(zé)微調(diào)伺服控制、模擬信號(hào)寫入和讀取，并且通過(guò)FIFO將數(shù)據(jù)傳遞至實(shí)時(shí)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)同步。

望遠(yuǎn)鏡模擬器

為根據(jù)要求對(duì)位置執(zhí)行器進(jìn)行測(cè)試，我們開(kāi)發(fā)了另外一個(gè)軟件，用來(lái)模擬望遠(yuǎn)鏡計(jì)算機(jī)(通過(guò)SPI接口與位置執(zhí)行器通信)。這一計(jì)算機(jī)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(wàn)個(gè)的位置命令，并以1KHz的速率通過(guò)SPI總線讀取從屬端的反應(yīng)。此外，它還以5kHz的速率從一個(gè)安裝于機(jī)械測(cè)試臺(tái)上的附加外部位置傳感器讀取數(shù)據(jù)，用于對(duì)位置執(zhí)行器的內(nèi)部傳感器進(jìn)行交叉檢查。這三個(gè)循環(huán)都需要以優(yōu)于200us的精度進(jìn)行同步，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二進(jìn)制格式的存儲(chǔ)以用于離線分析。在長(zhǎng)為一小時(shí)的測(cè)試中，所存儲(chǔ)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(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(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(shí)時(shí)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(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總線接口，對(duì)粗調(diào)電機(jī)進(jìn)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(bào)警等信息

* 模擬輸出接口，控制微調(diào)音圈電機(jī)

* 模擬輸入接口，監(jiān)視微調(diào)音圈電機(jī)的當(dāng)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(diǎn)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(shí)時(shí)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(shí)間內(nèi)對(duì)一個(gè)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(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(diào)

* 同步并存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件，用于SPI外部命令(1kHz)、音圈電機(jī)當(dāng)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(tái)滿足這些要求，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(diào)整，無(wú)需犧牲靈活性(圖3)。

結(jié)論

NI PXI平臺(tái)幫助我們?cè)诒３窒到y(tǒng)靈活性和實(shí)時(shí)性的同時(shí)顯著減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間，而且能夠滿足電子裝置/軟件方面的設(shè)計(jì)要求。使用LabVIEW，可以在同一個(gè)軟件環(huán)境中對(duì)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(tǒng)，并確保系統(tǒng)獨(dú)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)。

責(zé)任編輯：gt