NI LabVIEW开发 世界最大望远镜的实 时控制系统.doc

NI LabVIEW开发 世界最大望远镜的实 时控制系统"NI工程师证明了 实际上我们可以使用 LabVIEW和 LabVIEW实时 模块，实现基于 COTS的解决方 案，并控制提供实时 结果的多核计算"- Jason Spyromilio, European Southern ObservatoryThe Challenge:使用商业购买即可使 用（COTS）的解 决方案，用于特大型 望远镜自适应光学实 时控制中的高性能计 算（HPC）The Solution:将NI LabVIEW的图 形化编程环境和多核 处理器结合在一起， 开发实时控制系统， 证明COTS 技术 能够用于控制欧洲特 大型望远镜（E- ELT），目前E- ELT 处于原型设 计阶段为了进行尺寸对比， 两个人和一辆汽车位 于E-ELT 边 上M1 主镜面的 直径是42 米，其 镜面的制造是分段完 成的Author (s):Jason Spyromilio - European Southern Observatory概述欧洲南方天文台 （ESO）是由 13 个欧洲国家支 持的天文研究机构 我们已经开发并部署 了一些世界上最先进 的望远镜。

我们目前 在智利的安第斯山地 区分布着三个站点， 即La Silla、 Paranal 以 及 Chajnantor 天文台我们总是采 用创新技术，例如在 La Silla 的3.6米望远镜上 使用第一个通用用户 自适应光学系统，在 La Silla 的3.5米新技术望 远镜（NTT）上部 署主动光学系统，以 及在 Paranal 运 用大型望远镜 （VLT）的整合操 作和关联干涉仪此 外，我们还和北美、 东亚合作伙伴进行合 作，建立 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 大草原建成我们的下一个项目是 E-ELT这个主 镜直径42 米的望 远镜设计已经进入了 阶段B，并且获得了 1 亿美元的资金， 用于初期设计和原型 开发在阶段B 之 后，预计在 2010 年底开始 进行建造大规模主动、自适应 光学系统42 米望远镜吸收 了ESO和天文界在 主动自适应光学与分 段镜面方面的经验 主动光学系统包含了 传感器、促动器和控 制系统，从而使望远 镜能够维持正确的镜 面形状我们可以自 动维护望远镜的正确 配置，减少在光学设 计中的任何残留象 差，提高效率和容错 性。

这些望远镜在夜 间需要每分钟都进行 主动光学系统校正， 从而确保成像只受到 大气效应的影响自适应光学系统使用 相似的方法，在数百 赫兹的频率下监视大 气效应，并使用经过 特殊加工的可变形薄 型镜面加以校正扰 动尺度决定了这些可 变形镜面上促动器的 数量波前传感器快 速运行，对大气进行 采样，将所有失真转 换为相应的镜面动作 指令这需要支持高 速计算的硬件和软 件控制复杂的系统需要 十分强大的处理能 力对于在过去部署 的控制系统而言，我 们基于虚拟机环境 （VME）实时控制 可以开发专用的控制 系统，这不但十分昂 贵而且十分耗时我 们现在与NI 工程 师们一起合作， 使 用COTS软件和硬 件，使E-ELT 上的主分段镜面的控 制系统（称为M1） 性能达到新的高度 同时我们也在研究基 于COTS 的可能 解决方案，用于望远 镜镜面自适应实时控 制（称为M4）M1是包含984 个六边形镜面的分段 镜面，总直径达到 42 米，每个镜面 的重量约为330 磅，直径在1.5 至2 米之间与之 相比，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 主镜面本身就比世界 上最大的光学望远镜 大三倍，并且五个这 样的镜面将协同工 作。

定义控制系统的超级 计算需求在M1操作中，相邻 的镜面分段可能会相 对于其他分段倾斜 我们使用探边沿传感 器对这个偏移进行监 视，并且可在需要时 通过促动器将镜面分 段在三个自由度上进 行移动984 个 镜面分段由3000 个促动器和 6000 个传感器 组成系统由 LabVIEW 软 件进行控制，通过读 取传感器确定镜面分 段位置，如果分段发 生位移，则使用促动 器进行对齐 LabVIEW 需 要计算规模为 3000 × 6000 的矩阵与 长度为6000 的 向量之积，并且需要 每秒完成500 至 1000 次这样的 计算，以完成有效的 镜面调整动作传感器和促动器同时 还控制M4 自适应 镜面然而，M4 是一个薄型可变形镜 面——直径2.5 米，横跨8000 个促动器它的控制 问题与M1 主动控 制相似，但是与 M1 中保持形状不 同的是，我们需要根 据波前成像数据的测 量结果调整形状波 前数据映射到一个具 有14000 个值 的向量中，我们必须 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，即规模为 8000 ×14000 的控 制矩阵与长度为 14000 的向量 之积。

如果将该计算 问题近似为 9000 × 15000 的乘 积，所需的计算能力 就相当于M1 控制 问题的约15 倍当NI开始解决数学 问题和控制问题时， 我们就已经与NI一 起合作，建立高通道 数的数据采集和同步 系统NI工程师们 现在正在对布局进行 仿真，设计控制矩阵 和控制循环所有这 些操作的核心是一个 强大的可执行大规模 计算的 LabVIEW矩阵 向量函数M1和 M4控制要求很高的 计算能力，我们使用 多个多核系统来满足 该需求由于M4控 制代表了15 个 3000 × 3000 子矩阵问 题，我们需要15 台包含尽可能多处理 核的机器因此，控 制系统要求必须能够 支持多核处理而这 正是LabVIEW 使用COTS解决方 案所提供的功能，从 而为该问题的解决提 出了很有吸引力的方 案在多核高性能计算中 使用 LabVIEW 解 决问题1/7 因为我们在实际E- ELT建造之前就需 要进行控制系统开 发，系统配置可能会 影响望远镜的部分建 造特征因此对解决 方案进行彻底的测试 是十分重要的，需要 就像运行在真实的望 远镜上一样为了满 足这个挑战的需求， NI工程师不仅实现 了控制系统，还设计 了一个能够对M1 镜面进行实时仿真的 系统，完成硬件在环 （HIL）的控制系 统测试。

HIL 是 一种在汽车和航空航 天控制设计中常用的 测试方法，通过使用 精确的、保证实时性 的系统仿真器对所设 计的控制器进行仿 真NI 工程师建 立了M1镜面仿真 器，能够响应控制系 统的输出，并验证其 性能NI 团队使 用LabVIEW 开发了控制系统和镜 面仿真系统，并将它 部署到运行 LabVIEW 实 时模块的多核PC 上，确保执行的确定 性在相似的实时高性能 计算应用中，通信任 务和计算任务是紧密 相关的通信系统中 的错误会导致整个系 统的错误因此，整 个应用程序开发过程 包含通信与计算的交 叉设计NI 工程 师明确了应用程序不 能够依赖标准以太网 进行通信，因为它所 使用的网络协议不是 确定性的因此他们 需要在整个系统的核 心中包含快速确定性 的数据交换机制他 们使用 LabVIEW 实 时模块的定时触发网 络特性，在控制系统 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的确 定性网络NI 开发了完整的 M1解决方案，整合 了两台Dell Precision T7400工作站， 每个工作站都有八个 处理核以及提供了操 作界面的笔记本电 脑它还包含了两个 网络——一个用于将 实时目标连接到笔记 本的标准网络和一个 在实时目标之间进行 I/O 数据交换的 1 GB 定时触发 以太网络。

在系统性能方面，我 们了解到控制器在每 个循环中，接收 6000 个传感器 数值，执行控制算法 对齐分段，并且输出 3000 个促动器 数值NI团队建立 的控制系统完成了这 一切，并且建立了一 个模拟望远镜实际操 作的实时仿真系统， 称为“镜面”镜面 接收到3000 个 促动器输出之后，加 上风力等表示大气扰 动的变量，执行镜面 算法对M1 进行仿 真，并输出 6000 个传感器 参数完成循环整个 控制循环在不到1 ms 之内完成，足 以满足控制镜面的要 求NI 工程师们所达 到的矩阵向量乘法指 标如下：● 采用 LabVIEW 实 时模块以及包含两个 四核处理器的机器， 使用其中四个核进行 单精度计算需要 0.7 ms● 采用 LabVIEW 实 时模块以及包含两个 四核处理器的机器， 使用全部八核进行单 精度计算需要 0.5 msM4用于对大气波象 差进行补偿，NI 工程师们认为这个问 题只能通过使用最先 进的多核刀片系统来 解决Dell公司 邀请NI团队在 Dell的 M1000 上测试 这个解决方案，取得 了令人兴奋的测试结 果M1000 是 一个具有16 个刀 片的系统，每个 M1000 刀片都 包含八个处理核，这 意味着 LabVIEW控制 任务是分布在128 个处理核上。

NI 工程师们证明 了我们实际上可以使 用LabVIEW 和LabVIEW 实时模块，实现基于 COTS 的解决方 案，控制多核计算获 取实时结果因为在 性能上取得了突破， 我们团队在E-ELT 的实现方面 为计算机科学和天文 学都创造了新的纪 录，这将从整体上推 进科学的进步For more information on this case study, please contact:European Southern ObservatoryKarl- Schwarzschild- Strasse 2D-85748 Garching bei MünchenTel: +49 89 320060Fax: 3202362E-mail: information@eso. orgFor more information on LabVIEW for HPC applications, please contact:Jeff Meisel, LabVIEW Product ManagerTel: (512) 683-8795如果您有任何问题, 请留言给NI工程师，我们会尽快给您回 电！2/7 为了进行尺寸对比， 两个人和一辆汽车位 于E-ELT 边 上。

M1 主镜面的 直径是42 米，其 镜面的制造是分段完 成的3/7 E-ELT共有5组 镜面LabVIEW软件 所控制的M1系统包 含984个分节，每 个分节直径为1.5 米，共有6组感测 器，与3组致动器支 架，可自动进行3种 倾斜角度。