LabVIEW 和 PXI硬件对欧 洲超大望远镜的主反 射镜位置调整执行器 进行控制.doc

LabVIEW 和 PXI硬件对欧 洲超大望远镜的主反 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 CanariasThe 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E-ELT分段反射 镜下方的位置调整执 行器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 CanariasYolanda Martín - Instituto de Astrofísica de CanariasMarcos Reyes - Instituto de Astrofísica de CanariasTeodora Viera - Instituto de Astrofísica de CanariasE-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总线接口，对 粗调电机进行控制， 并使用 CANopen作为 应用层协议，提供诸 如行程限位和硬件报 警等信息 模拟输出接口，控制 微调音圈电机 模拟输入接口，监视 微调音圈电机的当前 状态 基于以太网的 UDP/IP协议接 口，读取外部位置传 感器的电子装置中的 数据 基于以太网的 TCP/IP协议接 口，下载并调试辅助 的离线数据 数字输入接口，用于 读取原点位置传感器 的数据使用这些接口需要极 大的灵活性。1/4如下功能则需要实时 特性： 使用SPI从属设备 以80MHz的速率 读取数字输入，在几 微秒的时间内对一个 新的外部命令作出响 应 执行快速微调伺服控 制，包括基于若干个 2kHz到 10kHz滤波器的 PID（比例微分积 分 - proportional integral derivative） 控制，并且在开发的 最后阶段可调 同步并存储二进制数 据文件，用于SPI 外部命令 （1kHz）、音圈 电机当前模拟输入 （2kHz）、基于 以太网的位置传感器 数据采集（2 10 kHz）和伺 服控制器内部变量 （210 kHz）等数据的离 线分析使用商业现成可用的 （commercial off-the- shelf， COTS）的平台满 足这些要求，需要在 灵活性和实时性之间 作出折衷。然而，通 过使用NI硬件，并 通过LabVIEW Real- Time 和 LabVIEW FPGA模块进行编程，我们 所获得的实时特性超 出了上述要求，而且 各种接口均可调整， 无需牺牲灵活性（图 3）。结论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，而且能够满足电 子装置/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。此外。 此外，NI工程师为 我们提供了快速且有 效的帮助，让我们更 快完成开发。Author Information:Miguel NúñezInstituto de Astrofísica de CanariasSpainE-ELT分段反射 镜下方的位置调整执 行器2/4望远镜模拟器应用中 的图形化用户界面位置调整执行器硬件 架构3/4LegalThis case study (this "case study") was developed by a National Instruments ("NI") customer. THIS CASE STUDY IS PROVIDED "AS IS" WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND AND SUBJECT TO CERTAIN RESTRICTIONS AS MORE SPECIFICALLY SET FORTH IN NI.COM'S TERMS OF USE 4/4