E-ELT是歐洲南方天文臺（European Southern Observatory，ESO）倡議建設的一個直徑42米的望遠鏡，用于為天文學領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)行器實時移動，用于對支撐結構因重力、溫度、風動等因素所導致的變形進行補償。西班牙航空系統(tǒng)公司（Compañía Española de Sistemas Aeronauticos，CESA）負責對三個位置執(zhí)行器原型的機械結構進行設計和開發(fā)，而加納利天體物理學研究所（Instituto de Astrofísica de Canarias，IAC）則負責對系統(tǒng)中的電子裝置、軟件和伺服控制進行開發(fā)。
執(zhí)行器開發(fā)中最具挑戰(zhàn)性的要求包括：達到15mm的行程、支撐90kg的重物、追蹤緩坡信號時實現(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)行器機械設計方案分為兩個階段。在粗調階段：使用無刷電機，實現(xiàn)一個大的調整行程和較粗的分辨率；在微調階段：使用一個音圈電機，實現(xiàn)高分辨率、高帶寬和小調整行程。每個調整階段都將使用獨立的電源設備、反饋傳感器和伺服控制器。粗調和微調控制器協(xié)調工作，最終實現(xiàn)執(zhí)行器的位置調整。
電子裝置和軟件是位于PXI機箱中，用于實現(xiàn)整體協(xié)調、外部命令管理、功能調試和伺服控制，運行有實時操作系統(tǒng)的控制器，可以實現(xiàn)極大的靈活性和計算能力。其中，快速微調伺服控制器通過NI PXI - 7842R現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）模塊實現(xiàn)；而緩慢的粗調控制器則是通過NI PXIe - 8130控制器實現(xiàn)。此外，該軟件設計分為兩個部分：執(zhí)行器的嵌入式控制軟件和一個望遠鏡模擬器，后者可以作為輔助工具，用于模擬望遠鏡計算機與執(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。實時控制器中的程序模塊中含有每個驅動器的具體功能，包括：初始狀態(tài)檢查、狀態(tài)機、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，包括：通過串行外設接口（serial peripheral interface，SPI）收發(fā)外部命令來檢查FPGA卡的輸入；通過CAN或CANopen總線控制無刷電機驅動器，來實現(xiàn)粗調伺服控制；管理用于調試的循環(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卡則實現(xiàn)了SPI從屬端的功能，負責微調伺服控制、模擬信號寫入和讀取，并且通過FIFO將數(shù)據(jù)傳遞至實時控制器來實現(xiàn)同步。
望遠鏡模擬器
為根據(jù)要求對位置執(zhí)行器進行測試，我們開發(fā)了另外一個軟件，用來模擬望遠鏡計算機（通過SPI接口與位置執(zhí)行器通信）。這一計算機扮演著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。此外，它還以5kHz的速率從一個安裝于機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)行器的內部傳感器進行交叉檢查。這三個循環(huán)都需要以優(yōu)于200us的精度進行同步，對數(shù)據(jù)進行二進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，對粗調電機進行控制，并使用CANopen作為應用層協(xié)議，提供諸如行程限位和硬件報警等信息
- 模擬輸出接口，控制微調音圈電機
- 模擬輸入接口，監(jiān)視微調音圈電機的當前狀態(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，下載并調試輔助的離線數(shù)據(jù)
- 數(shù)字輸入接口，用于讀取原點位置傳感器的數(shù)據(jù)
使用這些接口需要極大的靈活性。
如下功能則需要實時特性：
- 使用SPI從屬設備以80MHz的速率讀取數(shù)字輸入，在幾微秒的時間內對一個新的外部命令作出響應
- 執(zhí)行快速微調伺服控制，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
- 同步并存儲二進制數(shù)據(jù)文件，用于SPI外部命令（1kHz）、音圈電機當前模擬輸入（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模塊進行編程，我們所獲得的實時特性超出了上述要求，而且各種接口均可調整，無需犧牲靈活性（圖3）。
結論
NI PXI平臺幫助我們在保持系統(tǒng)靈活性和實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/軟件方面的設計要求。使用LabVIEW，可以在同一個軟件環(huán)境中對實時控制器和FPGA模塊進行編程，幫助我們快速集成系統(tǒng)，并確保系統(tǒng)獨立、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)。