使用LabVIEW和PXI硬件对欧洲超大望远镜的主反射镜位置调整

　　The Challenge:

　　开发一个电子装置以及嵌入式控制软件，用于对欧洲超大望远镜(European Extremely Large Telescope，E-ELT)中主反射镜的三个位置调整执行器的原型机进行控制和调整， 从而实现以纳米级的精度对90Kg的重物进行位置调整。这将作为未来之量产化电子设计的概念原型。

　　The Solution:

　　基于NI PXI平台运行的NI Labview Real - Time和LabVIEW FPGA模块，可以提供灵活的接口来与多种设备通信，并且能够在保证较低的延迟和抖动下实现1 kHz的外部位置控制指令更新率;而对于实现内部定位的数据采样和伺服控制来说，则可实现更高的循环速率。

　　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是欧洲南方天文台(European Southern Observatory，ESO)倡议建设的一个直径42米的望远镜，用于为天文学领域的最新研究探索提供支持。该主反射镜由984个镜面组成。如图1所示，每个镜面，可以通过三个位置执行器实时移动，用于对支撑结构因重力、温度、风动等因素所导致的变形进行补偿。西班牙航空系统公司(Compa?ía Espa?ola de Sistemas Aeronauticos，CESA)负责对三个位置执行器原型的机械结构进行设计和开发，而加纳利天体物理学研究所(Instituto de Astrofísica de Canarias，IAC)则负责对系统中的电子装置、软件和伺服控制进行开发。

　　执行器开发中最具挑战性的要求包括：达到15mm的行程、支撑90kg的重物、追踪缓坡信号时实现170纳米以下的均方根误差 (root mean square error，RMSE)、1 kHz外部位置控制指令更新率，以及确保极低的延迟和抖动(如图1)。

　　执行器机械设计方案分为两个阶段。在粗调阶段：使用无刷电机，实现一个大的调整行程和较粗的分辨率;在微调阶段：使用一个音圈电机，实现高分辨率、高带宽和小调整行程。每个调整阶段都将使用独立的电源设备、反馈传感器和伺服控制器。粗调和微调控制器协调工作，最终实现执行器的位置调整。

　　电子装置和软件是位于PXI机箱中，用于实现整体协调、外部命令管理、功能调试和伺服控制，运行有实时操作系统的控制器，可以实现极大的灵活性和计算能力。其中，快速微调伺服控制器通过NI PXI - 7842R现场可编程门阵列(FPGA)模块实现;而缓慢的粗调控制器则是通过NI PXIe - 8130控制器实现。此外，该软件设计分为两个部分：执行器的嵌入式控制软件和一个望远镜模拟器，后者可以作为辅助工具，用于模拟望远镜计算机与执行器之间的交互。

　　执行器软件

　　执行器控制软件是由位于NI PXIe- 8130实时控制器中的程序模块和位于PXI-7842R FPGA智能数据采集卡中的程序模块组成。实时控制器中的程序模块中含有每个驱动器的具体功能，包括：初始状态检查、状态机、状态字、错误寄存器以及配置参数管理。同时也包含其它任务，包括：通过串行外设接口(serial peripheral interface，SPI)收发外部命令来检查FPGA卡的输入;通过CAN或CANopen总线控制无刷电机驱动器，来实现粗调伺服控制;管理用于调试的循环缓冲器并同步接收来自FPGA FIFO的数据，通过UDP/ IP读取传感器的反馈。FPGA卡则实现了SPI从属端的功能，负责微调伺服控制、模拟信号写入和读取，并且通过FIFO将数据传递至实时控制器来实现同步。

　　望远镜模拟器

　　为根据要求对位置执行器进行测试，我们开发了另外一个软件，用来模拟望远镜计算机(通过SPI接口与位置执行器通信)。这一计算机扮演着SPI主控器的角色，而执行器则位于SPI从属端。此模拟程序以1 kHz的速率发送数百万个的位置命令，并以1KHz的速率通过SPI总线读取从属端的反应。此外，它还以5kHz的速率从一个安装于机械测试台上的附加外部位置传感器读取数据，用于对位置执行器的内部传感器进行交叉检查。这三个循环都需要以优于200us的精度进行同步，对数据进行二进制格式的存储以用于离线分析。在长为一小时的测试中，所存储的文件将大于100 MB。图2中的图形用户界面显示了命令管理、以及附加外部位置传感器数据的时域和频域同步显示。

　　我们所采用的解决方案使用一个带有数字I/O的NI PCI -7811R FPGA卡，安装在基于Windows XP的电脑上(如图2所示)。

　　兼具实时性和灵活性

　　执行器的电子控制装置和软件包含多种接口(如图3所示)，而且其中大部分接口都可以在开发的初始阶段进行更改，包括：

　　带有4MHz时钟的SPI接口，能够每ms接受一个外部命令

CAN