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挑戰(zhàn): 開發(fā)一個電子裝置以及嵌入式控制軟件，用于對歐洲超大望遠(yuǎn)鏡（European Extremely Large Telescope，E-ELT）中主反射鏡的三個位置調(diào)整執(zhí)行器的原型機(jī)進(jìn)行控制和調(diào)整， 從而實(shí)現(xiàn)以納米級的精度對90Kg的重物進(jìn)行位置調(diào)整。這將作為未來之量產(chǎn)化電子設(shè)計(jì)的概念原型。 解決方案: 基于NI PXI平臺運(yùn)行的NI LabVIEW Real - Time和LabVIEW FPGA模塊，可以提供靈活的接口來與多種設(shè)備通信，并且能夠在保證較低的延遲和抖動下實(shí)現(xiàn)1 kHz的外部位置控制指令更新率；而對于實(shí)現(xiàn)內(nèi)部定位的數(shù)據(jù)采樣和伺服控制來說，則可實(shí)現(xiàn)更高的循環(huán)速率。 作者: 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是歐洲南方天文臺（European Southern Observatory，ESO）倡議建設(shè)的一個直徑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個鏡面組成。如圖1所示，每個鏡面，可以通過三個位置執(zhí)行器實(shí)時移動，用于對支撐結(jié)構(gòu)因重力、溫度、風(fēng)動等因素所導(dǎo)致的變形進(jìn)行補(bǔ)償。西班牙航空系統(tǒng)公司（Compañía Española de Sistemas Aeronauticos，CESA）負(fù)責(zé)對三個位置執(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)對系統(tǒng)中的電子裝置、軟件和伺服控制進(jìn)行開發(fā)。 執(zhí)行器開發(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、追蹤緩坡信號時實(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（如圖1）。 
執(zhí)行器機(jī)械設(shè)計(jì)方案分為兩個階段。在粗調(diào)階段：使用無刷電機(jī)，實(shí)現(xiàn)一個大的調(diào)整行程和較粗的分辨率；在微調(diào)階段：使用一個音圈電機(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NI PXI - 7842R現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）模塊實(shí)現(xiàn)；而緩慢的粗調(diào)控制器則是通過NI PXIe - 8130控制器實(shí)現(xiàn)。此外，該軟件設(shè)計(jì)分為兩個部分：執(zhí)行器的嵌入式控制軟件和一個望遠(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)時控制器中的程序模塊中含有每個驅(qū)動器的具體功能，包括：初始狀態(tài)檢查、狀態(tài)機(jī)、狀態(tài)字、錯誤寄存器以及配置參數(shù)管理。同時也包含其它任務(wù)，包括：通過串行外設(shè)接口（serial peripheral interface，SPI）收發(fā)外部命令來檢查FPGA卡的輸入；通過CAN或CANopen總線控制無刷電機(jī)驅(qū)動器，來實(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自FPGA FIFO的數(shù)據(jù)，通過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、模擬信號寫入和讀取，并且通過FIFO將數(shù)據(jù)傳遞至實(shí)時控制器來實(shí)現(xiàn)同步。 望遠(yuǎn)鏡模擬器 為根據(jù)要求對位置執(zhí)行器進(jìn)行測試，我們開發(fā)了另外一個軟件，用來模擬望遠(yuǎn)鏡計(jì)算機(jī)（通過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)百萬個的位置命令，并以1KHz的速率通過SPI總線讀取從屬端的反應(yīng)。此外，它還以5kHz的速率從一個安裝于機(jī)械測試臺上的附加外部位置傳感器讀取數(shù)據(jù)，用于對位置執(zhí)行器的內(nèi)部傳感器進(jìn)行交叉檢查。這三個循環(huán)都需要以優(yōu)于200us的精度進(jìn)行同步，對數(shù)據(jù)進(jìn)行二進(jìn)制格式的存儲以用于離線分析。在長為一小時的測試中，所存儲的文件將大于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)的時域和頻域同步顯示。 我們所采用的解決方案使用一個帶有數(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發(fā)的初始階段進(jìn)行更改，包括： * 帶有4MHz時鐘的SPI接口，能夠每ms接受一個外部命令 * CAN總線接口，對粗調(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，在幾微秒的時間內(nèi)對一個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2kHz到10kHz濾波器的PID（比例微分積分 - proportional integral derivative）控制，并且在開發(fā)的最后階段可調(diào) * 同步并存儲二進(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）的平臺滿足這些要求，需要在靈活性和實(shí)時性之間作出折衷。然而，通過使用NI硬件，并通過LabVIEW Real-Time 和 LabVIEW FPGA模塊進(jìn)行編程，我們所獲得的實(shí)時特性超出了上述要求，而且各種接口均可調(diào)整，無需犧牲靈活性（圖3）。
結(jié)論 NI PXI平臺幫助我們在保持系統(tǒng)靈活性和實(shí)時性的同時顯著減少了開發(fā)時間，而且能夠滿足電子裝置/軟件方面的設(shè)計(jì)要求。使用LabVIEW，可以在同一個軟件環(huán)境中對實(shí)時控制器和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，讓我們更快完成開發(fā)。 作者信息: Miguel Núñez Instituto de Astrofísica de Canarias 西班牙 |
