使用NI LabVIEW FPGA创建高速控制系统以用于MEMS微快门测试

作者:
Eric Lyness - Mink Hollow Systems
David Rapchun - NASA Goddard Space Flight Center
Knute Ray - NASA Goddard Space Flight Center

詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)是NASA的下一代大型望远镜。它比前辈哈勃太空望远镜更具雄心,NASA将把它布置在离地球约100公里远的稳定拉格朗日点上。该望远镜将是NASA理解宇宙和研究大爆炸理论的基石。

由NASA做出重大贡献、欧洲航天局(ESA) 开发的近红外光谱仪是望远镜上的主要仪器。它对数以千计的遥远星系进行观测,以探测宇宙早期形成的星系。为了测量大量微弱的天体,仪器必须同时对以往未知位置的多个天体进行观测。

为了观测这些位置上的天体,NASA开发了微快门阵列,它是一个由100x200微米的快门组成的171x365阵列,可以在随机访问控制条件下开启。4个微快门阵列组成的2x2矩阵,包含了约250,000个可编程快门,这样红外光谱仪可以同时测量超过100个的微弱星体,成比例地改善主要科学设施的效率。该系统对微快门阵列的开发至关重要,并且也是这项主要国际任务阵列飞行资格的重要指标。

什么是微快门?
微快门是100x200微米的矩形开关,它利用开启或关闭来阻止或允许光的通过。快门以氮化硅弯曲为轴,借助于磁性涂层进行磁性传动,并利用电子连接进行静电锁存。

在我们开始这个项目时,制造快门阵列是一项全新而复杂的流程,仍处于开发阶段。NASA制造了拥有365列171行的快门阵列,每个阵列包含总计62,000多个快门。我们将快门阵列安装在基底上并将阵列连到网格上,这样我们可以利用行和列对每个快门进行寻址。需要开启快门,我们令磁铁经过阵列的前方,然后在快门的行和列上施加高电压。磁场将开启快门,行和列交点上的静态电荷将使快门保持开启状态。

每一个快门阵列都是被制造来测试整个设计的某方面。对这个设备的测试可以使我们对制造流程进行进一步定义。使用NI PCI-7344四轴步进电机控制器和NI MID-7604功率电机驱动器,我们开发了控制真空室、快门控制仪器、摄像机和其它设备的软件,以评估阵列的性能。

对系统的测试表明,未受控制的快门关闭会限制快门的性能。在这种未受控制的方法中,可以通过切断快门行或列的电源来关闭快门,但是无论何种方式,都会影响快门的光挡板,显著地缩短快门的寿命。

开发团队决定使用运动的磁体以同步方式关闭快门,这样磁场可以缓冲快门关闭的影响。2005年完工的测试室包含了新型的同步式开启-关闭功能。

微快门控制系统
在不同的快门设计中,微快门必须能够可靠地工作10万个周期以上。与长时间测试不同,新型的测试室中快门的周期很快。由于电机的转速高达240rpm,因此使用离心电缆连接到电机的磁铁以每秒四次的速度在快门阵列前面来回移动。在磁铁移动过程中,控制系统需要锁存或释放微快门阵列的365列。为了理解所需的精度和速度,可以将快门阵列的每一列想像成30英尺长的栅栏中的一条1英尺宽的板条。磁体就像是以700mph飞过它的喷气式飞机,而且相距只有3英尺远。

为了控制快门,我们需要与控制磁铁和自定义的高电压移位寄存器进行通信。新型系统还需要快速通信,并对584块芯片的各项操作进行测试和功能验证。系统必须满足所有这些要求,而且需要在发生故障时保证安全。一次测试需要数天时间,并在一分钟内开启和关闭所有62,000个快门240次。如果系统不同步,在几分钟内就将造成快门的损坏。

为了满足这些需要,我们可以设计和制造自定义的芯片或使用LabVIEW FPGA Module。我们选择了PXI机箱和包含PXI-7813R可重配置I/O模块的控制器,并且使用LabVIEW FPGA Module进行快门控制。

控制设计
整个系统包含了控制测试室的主控计算机、在PXI控制器上运行的现场可编程门阵列(FPGA)主程序及在PXI-7813R上运行的FPGA软件。利用FPGA主界面,工程师们可以校正系统和执行人工控制命令、创建和下载写入到阵列的位图,并且对584块芯片的其它功能进行自我测试诊断。
FPGA软件从正交编码器或绝对式编码器中读取磁铁的位置。编解码算法被放在40MHz的单周期循环内,以确保其不会错过任何步骤。经滤波消除抖动后,位置值被写入到先进先出存储器(FIFO)中。FPGA上的另一个循环从FIFO中读出数据,并根据磁铁当前的位置决定快门的操作。该状态机与584块芯片进行通信,并使用协议开启或关闭所需的行和列。

当FIFO溢出时,会导致控制微快门的状态机运行速度不够。软件将向主计算机发送一个同步错误信号,这样系统将关闭。

这个算法可以很好的工作,而且已经成为快门阵列控制实验的基础。在工程师们开发出新的算法来改善快门操作时,我们可以很容易地在状态机方框图中添加或更改算法。

LabVIEW FPGA Module和PXI-7813R节省了自定义芯片开发所需的数百个工时和数千美元的开销。同时,我们能够以较低成本修改控制算法来改进测试、查找快门问题,并进一步进行NASA MEMS微快门的阵列开发。