作者:
　　David McAndrew - Mink Hollow Systems
　　David Rapchun - Global Science and Technology/NASA-Goddard Space Flight Center
　　David Mostofi - Sigma Space
　　行業(yè):
　　航空/航天
　　產(chǎn)品:
　　機(jī)器視覺(jué), 運(yùn)動(dòng)控制, LabVIEW
　　挑戰(zhàn):
　　開(kāi)發(fā)靈活的測(cè)試應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)數(shù)萬(wàn)微型快門(mén)元件（微快門(mén)）進(jìn)行百萬(wàn)次循環(huán)，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)，采集高像素圖像，監(jiān)測(cè)、控制測(cè)試環(huán)境。

圖1.微快門(mén)測(cè)試圖形用戶界面

圖2. NASA 微快門(mén)控制結(jié)構(gòu)圖

　　解決方案:
　　采用NI基于LabVIEW的應(yīng)用，使用戶可配置、運(yùn)行自定義快門(mén)驅(qū)動(dòng)測(cè)試，同時(shí)監(jiān)測(cè)、控制測(cè)試環(huán)境。
　　"我們通過(guò)LabVIEW快速完成了模塊化測(cè)試軟件，留下更多時(shí)間進(jìn)行早期開(kāi)發(fā)問(wèn)題的探測(cè)及診斷，大量節(jié)省總體成本。"
　　微快門(mén)陣列在詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡中的應(yīng)用
　　隨著哈勃太空望遠(yuǎn)鏡進(jìn)入應(yīng)用衰退期，人類對(duì)太空探索的興趣卻不斷增長(zhǎng)。詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）是下一個(gè)了解宇宙奧秘，研究大爆炸理論的有力工具。遠(yuǎn)大目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要面對(duì)巨大的挑戰(zhàn)，包括開(kāi)發(fā)用于大孔徑的全新輕質(zhì)材料、改進(jìn)微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)、測(cè)量同步光譜的微快門(mén)陣列。
　　采用LabVIEW 測(cè)試微快門(mén)陣列，能夠在早期開(kāi)發(fā)中發(fā)現(xiàn)及診斷問(wèn)題，極大縮減成本。
　　近紅外光譜儀（NIRSpec）中對(duì)微快門(mén)的需求是基于以下任務(wù)的約束：
　　● 單一光譜測(cè)量需要花費(fèi)數(shù)天，這就迫切需要多傳感器設(shè)備
　　● 在沒(méi)有孔掩模的情況下，光譜重疊會(huì)污染數(shù)據(jù)集，造成不可用數(shù)據(jù)
　　● 掩摸必須能夠根據(jù)衛(wèi)星移動(dòng)進(jìn)行重新配置
　　鑒于上述約束，NASA 戈達(dá)德空間飛行中心開(kāi)發(fā)了可編程孔掩模（微快門(mén)）來(lái)滿足JWST 的任務(wù)需要。
　　微快門(mén)陣列的操作
　　微快門(mén)陣列由數(shù)千100 μm x 200 μm 的開(kāi)關(guān)元件組成，能夠根據(jù)傳感器視場(chǎng)，獨(dú)立控制其開(kāi)關(guān)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)自定義圖像掩模。
　　操作中，探測(cè)器在遇到目標(biāo)時(shí)開(kāi)啟；探測(cè)器與目標(biāo)間存在障礙時(shí)關(guān)閉。
　　通過(guò)陣列上的磁偏轉(zhuǎn)來(lái)推動(dòng)快門(mén)開(kāi)啟，此后在陣列行、列上加適當(dāng)電壓，保持單個(gè)快門(mén)開(kāi)啟，未加電壓的快門(mén)將關(guān)閉。
　　集成測(cè)試器硬件
　　微快門(mén)測(cè)試器的目標(biāo)有兩個(gè)：1）提供設(shè)計(jì)反饋，2）估計(jì)單元使用壽命。由于測(cè)試中必須模擬太空環(huán)境，軟件通過(guò)GPIB 設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)及溫度、壓力控制。用戶能夠通過(guò)設(shè)置不同溫度來(lái)模擬太陽(yáng)溫度變化所造成的影響。
　　為提供設(shè)計(jì)反饋及估計(jì)單元使用壽命，自動(dòng)化測(cè)試器驅(qū)動(dòng)快門(mén)元件重復(fù)開(kāi)關(guān)，同時(shí)在指定間隔內(nèi)采集圖像。陣列由GPIB 電源和數(shù)字驅(qū)動(dòng)的繼電器供電。NI PCI-7344 控制器及NI MID-7604 驅(qū)動(dòng)器控制測(cè)試中的磁運(yùn)動(dòng)及三軸攝像頭位置。當(dāng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，用戶可將系統(tǒng)置于更高分辨率的“圖像馬賽克”模式，以4微米分辨率掃描攝像頭，從而獲得單個(gè)快門(mén)的詳細(xì)數(shù)據(jù)。用戶通過(guò)Mink Hollow Systems 公司的MosaicVIEW 軟件合成獨(dú)立小圖像。
　　發(fā)展靈活測(cè)試的技術(shù)
　　通過(guò)創(chuàng)建模塊化測(cè)試軟件配置自定義測(cè)試，以最小的代碼修改來(lái)添加或改換設(shè)備。在控制環(huán)境中復(fù)制測(cè)試設(shè)備要求軟件同步運(yùn)行兩個(gè)測(cè)試。由于需要集成多個(gè)不同設(shè)備及維護(hù)模塊化代碼，LabVIEW成為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的最佳選擇。
　　測(cè)試步驟是向測(cè)試器發(fā)送一系列指令，這些指令實(shí)現(xiàn)預(yù)先定義的功能。通過(guò)該步驟，用戶無(wú)需修改代碼就可配置新測(cè)試。
　　例如，根據(jù)成像的陣列循環(huán)測(cè)試步驟如下：
　　● 微快門(mén)元件上電
　　● 陣列磁偏轉(zhuǎn)（打開(kāi)所有快門(mén)）
　　● 采集圖像
　　● 微快門(mén)陣列斷電（關(guān)閉所有快門(mén)）
　　● 采集圖像
　　用戶可以將該測(cè)試與之前經(jīng)過(guò)陣列磁偏轉(zhuǎn)的采集圖像測(cè)試進(jìn)行 比較。結(jié)果清楚顯示了在沒(méi)有附加磁偏轉(zhuǎn)下元件間歇性保持關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的彈壓。
　　需要成像的測(cè)試循環(huán)比不需要成像的測(cè)試循環(huán)花費(fèi)更多的時(shí)間。為了在需要成像的情況下進(jìn)行上萬(wàn)次測(cè)試循環(huán)，我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)允許同時(shí)進(jìn)行兩組測(cè)試步驟。測(cè)試腳本中結(jié)合兩個(gè)循環(huán)步驟，在成像步驟前列出完整的磁偏轉(zhuǎn)循環(huán)步驟。有了這項(xiàng)功能，用戶可設(shè)置在測(cè)試開(kāi)始階段獲取大量圖像，而測(cè)試過(guò)程中獲取少量圖像，從而提高測(cè)試速度及圖像反饋。
　　這是一個(gè)重要特性，在微快門(mén)的早期測(cè)試中顯示，快門(mén)失效率隨著激勵(lì)的增加而降低。
　　為了適應(yīng)測(cè)試站的硬件修改，設(shè)備驅(qū)動(dòng)以對(duì)象形式實(shí)現(xiàn)，便于添加設(shè)備類型。例如，在下一代測(cè)試器中，用Sony 代替QImaging 攝像頭。雖然驅(qū)動(dòng)不同，但是除開(kāi)基本代碼需要重寫(xiě)外，軟件包括成像對(duì)象，其方法及屬性仍然保持不變，但其基本代碼需要重寫(xiě)。
　　該設(shè)計(jì)中，我們實(shí)現(xiàn)了新攝像頭的無(wú)縫集成，同時(shí)維持軟件整體的版本統(tǒng)一。更重要的是無(wú)需更新測(cè)試步驟。
　　縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，節(jié)省成本
　　NIRSpec通過(guò)微快門(mén)陣列讓科學(xué)家能從詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡上同步采集數(shù)百條光譜，這一能力在航天領(lǐng)域中首屈一指。新技術(shù)通過(guò)現(xiàn)代傳感器獲取大量數(shù)據(jù)，但要求設(shè)備有足夠長(zhǎng)的使用壽命。我們?cè)O(shè)計(jì)的自動(dòng)化測(cè)試器允許用戶自定義測(cè)試，快速適應(yīng)新測(cè)試設(shè)備，同時(shí)只付出最小代價(jià)，從而有助于微快門(mén)的性能研究及可行性驗(yàn)證。我們通過(guò)LabVIEW 快速完成了模塊化測(cè)試軟件，留下更多時(shí)間進(jìn)行早期開(kāi)發(fā)問(wèn)題的探測(cè)及診斷，大量節(jié)省總體成本。