使用LabVIEW 等硬件对欧超大望远镜的主反射镜位置调整执行器进行控制

"NI PXI平台帮助我们在保持系统灵活性和实时性的同时显著减少了开发时间，而且能够满足我们对电子/软件方面的设计要求。使用LabVIEW，可以在同一个软件环境中对实时控制器和FPGA模块进行编程，帮助我们快速集成系统，并确保系统独立、可靠。" – Miguel Núñez, Instituto de Astrofísica de Canarias

　　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 Núñez - 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(Compañía Española 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