The Challenge:
开发一个电子设备以及嵌入式操控软件，用于对欧洲超大望远镜(European Extremely Large Telescope，E-ELT)中主反射镜的三个方位调整履行器的原型机进行操控和调整， 然后完结以纳米级的精度对90Kg的重物进行方位调整。这将作为未来之量产化电子规划的概念原型。
The Solution:
依据NI PXI渠道运转的NI Labview Real – Time和LabVIEW FPGA模块，能够供给灵敏的接口来与多种设备通讯，并且能够在保证较低的推迟和颤动下完结1 kHz的外部方位操控指令更新率;而关于完结内部定位的数据采样和伺服操控来说，则可完结更高的循环速率。
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是欧洲南边天文台(European Southern Observatory，ESO)建议建造的一个直径42米的望远镜，用于为天文学范畴的最新研讨探究供给支撑。该主反射镜由984个镜面组成。如图1所示，每个镜面，能够经过三个方位履行器实时移动，用于对支撑结构因重力、温度、风动等要素所导致的变形进行补偿。西班牙航空体系公司(Compañía Española de Sistemas Aeronauticos，CESA)担任对三个方位履行器原型的机械结构进行规划和开发，而加纳利天体物理学研讨所(Instituto de Astrofísica de Canarias，IAC)则担任对体系中的电子设备、软件和伺服操控进行开发。
履行器开发中最具挑战性的要求包含：到达15mm的行程、支撑90kg的重物、追寻缓坡信号时完结170纳米以下的均方根差错 (root mean square error，RMSE)、1 kHz外部方位操控指令更新率，以及保证极低的推迟和颤动(如图1)。
履行器机械规划方案分为两个阶段。在粗调阶段：运用无刷电机，完结一个大的调整行程和较粗的分辨率;在微调阶段：运用一个音圈电机，完结高分辨率、高带宽和小调整行程。每个调整阶段都将运用独立的电源设备、反响传感器和伺服操控器。粗谐和微调操控器和谐作业，终究完结履行器的方位调整。
电子设备和软件是坐落PXI机箱中，用于完结全体和谐、外部指令办理、功用调试和伺服操控，运转有实时操作体系的操控器，能够完结极大的灵敏性和核算才能。其间，快速微调伺服操控器经过NI PXI – 7842R现场可编程门阵列(FPGA)模块完结;而缓慢的粗调操控器则是经过NI PXIe – 8130操控器完结。此外，该软件规划分为两个部分：履行器的嵌入式操控软件和一个望远镜模仿器，后者能够作为辅佐工具，用于模仿望远镜核算机与履行器之间的交互。
履行器软件
履行器操控软件是由坐落NI PXIe- 8130实时操控器中的程序模块和坐落PXI-7842R FPGA智能数据收集卡中的程序模块组成。实时操控器中的程序模块中含有每个驱动器的详细功用，包含：初始状况查看、状况机、状况字、过错寄存器以及装备参数办理。一起也包含其它使命，包含：经过串行外设接口(serial peripheral interface，SPI)收发外部指令来查看FPGA卡的输入;经过CAN或CANopen总线操控无刷电机驱动器，来完结粗调伺服操控;办理用于调试的循环缓冲器并同步接纳来自FPGA FIFO的数据，经过UDP/ IP读取传感器的反响。FPGA卡则完结了SPI隶属端的功用，担任微调伺服操控、模仿信号写入和读取，并且经过FIFO将数据传递至实时操控器来完结同步。
望远镜模仿器
为依据要求对方位履行器进行测验，咱们开发了别的一个软件，用来模仿望远镜核算机(经过SPI接口与方位履行器通讯)。这一核算机扮演着SPI主控器的人物，而履行器则坐落SPI隶属端。此模仿程序以1 kHz的速率发送数百万个的方位指令，并以1KHz的速率经过SPI总线读取隶属端的反响。此外，它还以5kHz的速率从一个设备于机械测验台上的附加外部方位传感器读取数据，用于对方位履行器的内部传感器进行穿插查看。这三个循环都需求以优于200us的精度进行同步，对数据进行二进制格局的存储以用于离线剖析。在长为一小时的测验中，所存储的文件将大于100 MB。图2中的图形用户界面显现了指令办理、以及附加外部方位传感器数据的时域和频域同步显现。
咱们所选用的解决方案运用一个带有数字I/O的NI PCI -7811R FPGA卡，设备在依据Windows XP的电脑上(如图2所示)。
兼具实时性和灵敏性
履行器的电子操控设备和软件包含多种接口(如图3所示)，并且其间大部分接口都能够在开发的初始阶段进行更改，包含：
带有4MHz时钟的SPI接口，能够每ms承受一个外部指令
CAN总线接口，对粗调电机进行操控，并运用CANopen作为应用层协议，供给比如行程限位和硬件报警等信息
模仿输出接口，操控微调音圈电机
模仿输入接口，监督微调音圈电机的当时状况
依据以太网的UDP/IP协议接口，读取外部方位传感器的电子设备中的数据
依据以太网的TCP/IP协议接口，下载并调试辅佐的离线数据
数字输入接口，用于读取原点方位传感器的数据
运用这些接口需求极大的灵敏性。
如下功用则需求实时特性：
运用SPI隶属设备以80MHz的速率读取数字输入，在几微秒的时刻内对一个新的外部指令作出呼应
履行快速微调伺服操控，包含依据若干个2kHz到10kHz滤波器的PID(份额微分积分 – proportional integral derivative)操控，并且在开发的最终阶段可调
同步并存储二进制数据文件，用于SPI外部指令(1kHz)、音圈电机当时模仿输入(2kHz)、依据以太网的方位传感器数据收集(2–10 kHz)和伺服操控器内部变量(2–10 kHz)等数据的离线剖析
运用商业现成可用的(commercial off-the-shelf，COTS)的渠道满意这些要求，需求在灵敏性和实时性之间作出折衷。但是，经过运用NI硬件，并经过LabVIEW Real-Time 和 LabVIEW FPGA模块进行编程，咱们所取得的实时特性超出了上述要求，并且各种接口均可调整，无需献身灵敏性(图3)。
定论
NI PXI渠道协助咱们在坚持体系灵敏性和实时性的一起明显减少了开发时刻，并且能够满意电子设备/软件方面的规划要求。运用LabVIEW，能够在同一个软件环境中对实时操控器和FPGA模块进行编程，协助咱们快速集成体系，并保证体系独立、牢靠。此外。此外，NI工程师为咱们供给了快速且有用的协助，让咱们更快完结开发。
