Author(s):
Jason Spyromilio – European Southern Observatory
Industry:
Research, Aerospace/Avionics
Products:
LabVIEW, Real-Time Module
The Challenge:
运用商业购买即可运用（COTS）的处理计划，用于特大型望远镜自适应光学实时操控中的高功用核算（HPC）。
The Solution:
将NI LabVIEW的图形化编程环境和多核处理器结合在一同，开发实时操控体系，证明COTS 技能能够用于操控欧洲特大型望远镜（E-ELT），现在E-ELT 处于原型规划阶段。
为了进行规范比照，两个人和一辆轿车坐落E-ELT 边上。M1 主镜面的直径是42 米，其镜面的制作是分段完结的
概述
欧洲南边地理台（ESO）是由13 个欧洲国家支撑的地理研讨机构。咱们现已开发并布置了一些世界上最先进的望远镜。咱们现在在智利的安第斯山区域散布着三个站点，即La Silla、Paranal 以及Chajnantor 地理台。咱们总是选用立异技能，例如在La Silla 的3.6米望远镜上运用第一个通用用户自适应光学体系，在La Silla 的3.5米新技能望远镜（NTT）上布置自动光学体系，以及在Paranal 运用大型望远镜（VLT）的整合操作和相关干涉仪。此外，咱们还和北美、东亚协作伙伴进行协作，树立Atacama大型毫米阵列（ALMA），它是耗资十亿美元的66 天线亚毫米望远镜，计划于2012 年在Chajnantor 大草原建成。
咱们的下一个项目是E-ELT。这个主镜直径42 米的望远镜规划现已进入了阶段B，而且获得了1 亿美元的资金，用于初期规划和原型开发。在阶段B 之后，估计在2010 年末开端进行制作。
大规划自动、自适应光学体系
42 米望远镜吸收了ESO和地理界在自动自适应光学与分段镜面方面的经历。自动光学体系包括了传感器、促动器和操控体系，然后使望远镜能够坚持正确的镜面形状。咱们能够自动保护望远镜的正确装备，削减在光学规划中的任何残留象差，前进功率和容错性。这些望远镜在夜间需求每分钟都进行自动光学体系校对，然后保证成像只遭到大气效应的影响。
自适应光学体系运用类似的办法，在数百赫兹的频率下监督大气效应，并运用经过特别加工的可变形薄型镜面加以校对。扰动规范决议了这些可变形镜面上促动器的数量。波前传感器快速运转，对大气进行采样，将一切失真转换为相应的镜面动作指令。这需求支撑高速核算的硬件和软件。
操控杂乱的体系需求非常强壮的处理才能。关于在曩昔布置的操控体系而言，咱们依据虚拟机环境（VME）实时操控能够开发专用的操控体系，这不光非常贵重而且非常耗时。咱们现在与NI 工程师们一同协作， 运用COTS软件和硬件，使E-ELT 上的主分段镜面的操控体系（称为M1）功用到达新的高度。一同咱们也在研讨依据COTS 的或许处理计划，用于望远镜镜面自适应实时操控（称为M4）。
M1是包括984 个六边形镜面的分段镜面，总直径到达42 米，每个镜面的分量约为330 磅，直径在1.5 至2 米之间。与之比较，哈勃空间望远镜的主镜面的直径不过2.4 米。E-ELT 的一个单体主镜面自身就比世界上最大的光学望远镜大三倍，而且五个这样的镜面将协同作业。
界说操控体系的超级核算需求
在M1操作中，相邻的镜面分段或许会相关于其他分段歪斜。咱们运用探边缘传感器对这个偏移进行监督，而且可在需求时经过促动器将镜面分段在三个自在度上进行移动。984 个镜面分段由3000个促动器和6000 个传感器组成。
体系由LabVIEW 软件进行操控，经过读取传感器确认镜面分段方位，假如分段产生位移，则运用促动器进行对齐。LabVIEW 需求核算规划为3000 × 6000 的矩阵与长度为6000 的向量之积，而且需求每秒完结500 至1000 次这样的核算，以完结有用的镜面调整动作。
传感器和促动器一同还操控M4 自适应镜面。可是，M4 是一个薄型可变形镜面――直径2.5 米，横跨8000 个促动器。它的操控问题与M1 自动操控类似，可是与M1 中坚持形状不同的是，咱们需求依据波前成像数据的丈量成果调整形状。波前数据映射到一个具有14000 个值的向量中，咱们有必要每隔几毫秒就对8000 个促动器进行一次更新。这是一个矩阵向量乘积问题，即规划为8000 ×14000 的操控矩阵与长度为14000 的向量之积。假如将该核算问题近似为9000 × 15000 的乘积，所需的核算才能就相当于M1 操控问题的约15 倍。
当NI开端处理数学问题和操控问题时，咱们就现已与NI一同协作，树立高通道数的数据收集和同步体系。NI工程师们现在正在对布局进行仿真，规划操控矩阵和操控循环。一切这些操作的中心是一个强壮的可履行大规划核算的LabVIEW矩阵向量函数。M1和M4操控要求很高的核算才能，咱们运用多个多核体系来满意该需求。由于M4操控代表了15 个3000 × 3000 子矩阵问题，咱们需求15 台包括尽或许多处理核的机器。因而，操控体系要求有必要能够支撑多核处理。而这正是LabVIEW运用COTS处理计划所供给的功用，然后为该问题的处理提出了很有吸引力的计划。
在多核高功用核算中运用LabVIEW 处理问题
由于咱们在实践E-ELT制作之前就需求进行操控体系开发，体系装备或许会影响望远镜的部分制作特征。因而对处理计划进行完全的测验是非常重要的，需求就像运转在实在的望远镜上相同。为了满意这个应战的需求，NI工程师不只完结了操控体系，还规划了一个能够对M1 镜面进行实时仿真的体系，完结硬件在环（HIL）的操控体系测验。HIL 是一种在轿车和航空航天操控规划中常用的测验办法，经过运用准确的、保证实时性的体系仿真器对所规划的操控器进行仿真。NI 工程师树立了M1镜面仿真器，能够呼应操控体系的输出，并验证其功用。NI 团队运用LabVIEW 开发了操控体系和镜面仿真体系，并将它布置到运转LabVIEW 实时模块的多核PC上，保证履行确实认性。
在类似的实时高功用核算运用中，通讯使命和核算使命是严密相关的。通讯体系中的过错解导致整个体系的过错。因而，整个运用程序开发进程包括通讯与核算的穿插规划。NI 工程师清晰了运用程序不能够依靠规范以太网进行通讯，由于它所运用的网络协议不是确认性的。因而他们需求在整个体系的中心中包括快速确认性的数据交换机制。他们运用LabVIEW 实时模块的守时触发网络特性，在操控体系和M1 镜面仿真器之间进行数据交换，得到了速度高达36 MB/s确实认性网络。
NI 开发了完好的M1处理计划，整合了两台Dell Precision T7400作业站，每个作业站都有八个处理核以及供给了操作界面的笔记本电脑。它还包括了两个网络――一个用于将实时方针连接到笔记本的规范网络和一个在实时方针之间进行I/O 数据交换的1 GB 守时触发以太网络。
在体系功用方面，咱们了解到操控器在每个循环中，接纳6000 个传感器数值，履行操控算法对齐分段，而且输出3000 个促动器数值。NI团队树立的操控体系完结了这一切，而且树立了一个模仿望远镜实践操作的实时仿真体系，称为“镜面”。镜面接纳到3000 个促动器输出之后，加上风力等表明大气扰动的变量，履行镜面算法对M1 进行仿真，并输出6000 个传感器参数完结循环。整个操控循环在不到1 ms 之内完结，足以满意操控镜面的要求。
NI 工程师们所到达的矩阵向量乘法目标如下：
● 选用LabVIEW 实时模块以及包括两个四核处理器的机器，运用其间四个核进行单精度核算需求0.7 ms
● 选用LabVIEW 实时模块以及包括两个四核处理器的机器，运用悉数八核进行单精度核算需求0.5 ms
M4用于对大气波象差进行补偿，NI 工程师们以为这个问题只能经过运用最先进的多核刀片体系来处理。Dell公司约请NI团队在Dell的M1000 上测验这个处理计划，取得了令人兴奋的测验成果。M1000 是一个具有16 个刀片的体系，每个M1000 刀片都包括八个处理核，这意味着LabVIEW操控使命是散布在128个处理核上。
NI 工程师们证明了咱们实践上能够运用LabVIEW 和LabVIEW 实时模块，完结依据COTS 的处理计划，操控多核核算获取实时成果。由于在功用上取得了打破，咱们团队在E-ELT 的完结方面为核算机科学和地理学都发明了新的纪录，这将从全体上推动科学的前进。
