使用支持多核功能的NI LabVIEW开发世界最大望远镜的实时控制系统

在多核高性能计算中使用LabVIEW 解决问题

　　因为我们在实际E-ELT建造之前就需要进行控制系统开发，系统配置可能会影响望远镜的部分建造特征。因此对解决方案进行彻底的测试是十分重要的，需要就像运行在真实的望远镜上一样。为了满足这个挑战的需求，NI工程师不仅实现了控制系统，还设计了一个能够对M1 镜面进行实时仿真的系统，完成硬件在环（HIL）的控制系统测试。HIL 是一种在汽车和航空航天控制设计中常用的测试方法，通过使用精确的、保证实时性的系统仿真器对所设计的控制器进行仿真。NI 工程师建立了M1镜面仿真器，能够响应控制系统的输出，并验证其性能。NI 团队使用LabVIEW 开发了控制系统和镜面仿真系统，并将它部署到运行LabVIEW 实时模块的多核PC上，确保执行的确定性。

　　在相似的实时高性能计算应用中，通信任务和计算任务是紧密相关的。通信系统中的错误会导致整个系统的错误。因此，整个应用程序开发过程包含通信与计算的交叉设计。NI 工程师明确了应用程序不能够依赖标准以太网进行通信，因为它所使用的网络协议不是确定性的。因此他们需要在整个系统的核心中包含快速确定性的数据交换机制。他们使用LabVIEW 实时模块的定时触发网络特性，在控制系统和M1 镜面仿真器之间进行数据交换，得到了速度高达36 MB/s的确定性网络。

　　NI 开发了完整的M1解决方案，整合了两台Dell Precision T7400工作站，每个工作站都有八个处理核以及提供了操作界面的笔记本电脑。它还包含了两个网络--一个用于将实时目标连接到笔记本的标准网络和一个在实时目标之间进行I/O 数据交换的1 GB 定时触发以太网络。

　　在系统性能方面，我们了解到控制器在每个循环中，接收6000 个传感器数值，执行控制算法对齐分段，并且输出3000 个促动器数值。NI团队建立的控制系统完成了这一切，并且建立了一个模拟望远镜实际操作的实时仿真系统，称为"镜面"。镜面接收到3000 个促动器输出之后，加上风力等表示大气扰动的变量，执行镜面算法对M1 进行仿真，并输出6000 个传感器参数完成循环。整个控制循环在不到1 ms 之内完成，足以满足控制镜面的要求。

　　NI 工程师们所达到的矩阵向量乘法指标如下：

　　● 采用LabVIEW 实时模块以及包含两个四核处理器的机器，使用其中四个核进行单精度计算需要0.7 ms

　　● 采用LabVIEW 实时模块以及包含两个四核处理器的机器，使用全部八核进行单精度计算需要0.5 ms

　　M4用于对大气波象差进行补偿，NI 工程师们认为这个问题只能通过使用最先进的多核刀片系统来解决。Dell公司邀请NI团队在Dell的M1000 上测试这个解决方案，取得了令人兴奋的测试结果。M1000 是一个具有16 个刀片的系统，每个M1000 刀片都包含八个处理核，这意味着LabVIEW控制任务是分布在128个处理核上。

　　NI 工程师们证明了我们实际上可以使用LabVIEW 和LabVIEW 实时模块，实现基于COTS 的解决方案，控制多核计算获取实时结果。因为在性能上取得了突破，我们团队在E-ELT 的实现方面为计算机科学和天文学都创造了新的纪录，这将从整体上推进科学的进步。

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　　European Southern Observatory

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