使用​支持​多核​功能​的​NI LabVIEW​开发​世界​最大​望远镜​的​实​时​控制​系统

欧洲​南方​天文台​(ESO)​是​一家受到​13个​欧洲​国家​支持​的​天文​研究​机构，​已经​开发​并​部署​了​一些​​先进​​望远镜，可称得上是世界之​最。​我们​机构目前​在运营​智利​的​安第斯山​地区的三​个​站​点：​La Silla、​Paranal以及​Chajnantor天文台。​采用高度​创新的​技术是我们一贯的坚持，​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集成运用超大​望远镜​(VLT)​​和​关联​干涉​仪。​此外，​我们​还​和​北美、​东亚的​合作​伙伴​合作​建立了阿塔卡玛大型毫米波阵​(ALMA)，​它是​一个耗资​10亿​美元​的​66天线​亚​毫米​望远镜，​计划​于​2012年​在​Llano de Chajnantor建成。

我们​计划设计的下​一个​项目​是​E-​ELT。​这个​主​镜面​直径​达到42米​的​望远镜​设计​已经​进入​了B​阶段​，​​获得​了​1亿​美元​的初期​设计​和​原型​验证​资金。在完成B​阶段​之后，​预计​会于​2010年底​开始​建造。

大规模​主动、​自​适应​光学​系统

42米​望远镜​吸取了​ESO​和​天文​界​在​主动​、自​适应​光学​与​分节镜​​方面​的​经验。​主动​光学​系统​包含​了​传感器、​执行​器​和​控制​系统，​​使​望远镜​能够​维持​正确​的​镜​面​形状，也就是正确的准直。​我们​可以​主动​维护​望远镜​的​正确​配置，​减少​​光学​设计​中的残余像差，​提高​效率​和​容​错​性。​这些​望远镜​在​夜间​​每​分钟​都需要​进行​主动​光学​​校正，因此​成像​只​会受到​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​监测​大气​效应，​并​使用​经过​特殊​加工​的​​变形​薄镜​面​加以​校正。​​涡流尺度长度​决定​了​这些​可​变形​镜​面上​的执行器​​数量。​波​前​传感器​快速​运行，​对​大气​进行​采样，​将​所有​像差​转换​为​相应​的​镜​面​动作​指令。这​就要求​硬件​和​软件的速度要非常之快​。

控制​复杂​的​系统​需要​十分​强大​的​处理​能力。在过去，为了控制部署的系统，我们基于​虚拟​机​环境​(VME)​实​时​控制​​开发了​专用​的​控制​系统，​这​样不但​十分​昂贵​，还​十分​耗​时。现在，我们与NI工程​师​们​合作，使用​COTS​软件​和​硬件，​设立E-​ELT主​分节镜（称为​M1）​的​控制​系统​基准。​我们还携手​研究​基于​COTS的​可能解决​方案，​用于​望远镜自​适应​​镜​面​实​时​控制​（称为​M4）。

M1​是​由​984个​六边形​镜​面组成​的​分节镜（图1），​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​主​镜​面的​直径​不过​2.4米。​E-​ELT的​​单个主​镜​面​就​是​世界上最大光学​望远镜​的4倍，​并且​还将与五​个​这样​的​镜​面​​协同​工作（图2）。

定义​控制​系统​的​超级​运算处理​需求

在​M1​操作​中，​相邻​的​镜​面​分节可能会相对于其他分节倾斜。我们使用边缘传感器和执行器支架来监测这种偏差，必要时，执行器支架可以向任意方向将分节移动3度。​984个​镜​面​分节​由3,000​个​执行​器​和6,000个​传感器​组成（图3）。

系统​由​LabVIEW软件​控制，​必须读​取​传感器​以确定​镜​面​分节​位置，​如果​分节​发生​位移，​要使用​执行器​进行重新​对​齐。​LabVIEW需要​计算3,000×6,000的​矩阵​与​长度​为6,000的​矢量积，​并且​​每秒必须​完成​500至1,000次​这样​的​运算处理，​才能​完成​有效​的​镜​面​调整​。

传感器​和​执行器​​还可​控制​M4自​适应​镜​面。​然而，​M4是​一个​可​变形​​的薄镜​面，直径为​2.5米，​横跨8,000个执行​器（图4）。​它的​问题​与​M1主动​控制​相似，​但不必像M1一样保持​形状​不变，​反而要​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​14,000个​值​的​向量​中，​我们​必须​每隔​几​毫秒​就​对​8,000个​执行​器​进行​一次​更新，得到​矩阵​向量​乘​积​，​即8,000×14,000的​控制​矩阵​与​长度​为​14,000的​向量​之​积。如果​将​该​计运算处理难度提高到​​9,000×15,000的​乘​积，​所需​的​运算处理能力​大​约相当​于大型分节M1​控制器的​15倍。

从NI​开始​解决​数学​问题​和​控制​问题​起，我们就​​与他们​达成了​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​仿真​布局​，​设计​控制​矩阵​和​控制​循环。​所有​这些​操作​的​核心​是需要​一个​​强大的​LabVIEW​矩阵​-向量​函数，​可​执行​大规模​运算处理​。​M1​和​M4​控制需要​很高​的运算处理​能力，为此​我们​使用了​多个​多核​系统。由于​M4​控制​代表​了​15个​3,000×3,000子​矩阵​问题，​我们​需要​15台​​机器，​包含​尽可能​多​处理​核。​因此，​控制​系统​必须​能够发出命令执行​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。

使用​LabVIEW的多核​HPC功能​​解决​问题

因为​我们​需要在​实际​建造​E-​ELT​之前​进行​控制​系统​开发，​系统​配置​可能​会对远镜​的​部分​建造​特征造成​影响​。重要的是，我们要对这个解决方案执行彻底的测试，就像它在运行真正的望远镜一样。​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​实现​了​一个​能够​对​M1镜​面​进行​实​时​仿真​的​系统，​来执行硬件​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​实​时​​系统​仿真​器​对​​控制器​进行验证。​NI工程​师​构建​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​其部署​到​运行LabVIEW Real-Time​模​块​的​多核​PC​上，​确保​执行​的​确定​性。

在​相似​的​实​时HPC应用​中，​通信​任务​和​计算​任务​是​紧密​相关​的。通信​系统​中的​故障会​导致​整个​系统​故障。​因此，​整个​应用​程序​开发​过程​包含​通信​与​计算​的​交叉​设计。因为底层网络​协议​具有不​确定​性，NI工程​师​需要​在​整个​系统​的​核心​确立一个​快速​的确定​性​数据​交换​机制，因此​当下即确定应用​程序​不​能够​依赖​标准​以太​网​进行​通信。他们​使用了​LabVIEW Real-Time​模​块​的​定​时​触发​网络​功能，​在​控制​系统​和​M1镜​面​仿真​器​之间​交换​数据，​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​一台提供​了​操作​界面​的笔记本电脑。​​该解决方案还​包含​了​两​个​网络​：​一个​用于​将两个​实​时​终端连接​到笔记本电脑的​标准​网络​和​一个​在​实​时​终端之间​进行​I/​O数据​交换​的​1 GB定​时​触发​以太​网络（图5）。

在​系统​性能​方面，​我们​了解到​控制器​在​每​个​循环​中，​接收​6,000个​传感器​值，​执行​控制​算法来​对​齐​分段，​并且​输出​3,000个​执行​器​值。​NI​团队创建的这个控制系统可实现这些结果，​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”会接​收​3,000个​执行​器​输出​，​加上​风力​等​表示​大气​扰动​的​变量，​执行​镜​面​算法​仿真​M1​，​然后​输出​6,000个​传感器​值​完成​循环。​整个​控制​循环可​在​不到​1 ms之内​完成，​足以​满足​控制​镜​面​的​要求（图6）。

NI工程​师​们为其矩阵​-向量​乘​积​​所确定的基准​如下：

• 采用LabVIEW Real-Time模块以及​包含​两​个​四​核​处理​器​的​机器，​使用​4​个​核​进行​单​精度​计算​需要​0.7 ms
• 采用​LabVIEW Real-Time模​块​以及​包含​两​个​四​核​处理​器​的​机器，​使用​​8个​核​进行​单​精度​计算​需要​0.5 ms

M4​用于​抵消测得的大气​波​形像差​，​NI工程​师​们​认为​这个​问题​只能​通过​使用​先进​的​多核​刀片​系统​来​解决。戴尔(​Dell)​公司​邀请​NI​团队​在​其M1000（图7）上​测试​这个​解决​方案，​取得​了​振奋人心的​测试​结果，这是​一款具有16个刀片的系统。​每​个​M1000刀片系统​都​包含​八个​处理​核，​这​意味​着工程师将​LabVIEW​控制​任务​分散​在了​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 Real-Time模​块实现基于​COTS的​解决​方案，​控制​多核​运算处理​以获取​实​时​结果。​因为​在​性能​上​取得​了​突破，​我们的​团队​在​E-​ELT​实现​方面​为​计算​机​科学​和​天文学​不断设立基准，​​从​整体​上将进一步​推动科学​的​进步。

如需了解关于此案例分析的更多信息，请联系：

欧洲​南方​天文台

Karl-Schwarzschild-Strasse 2

D-85748 Garching bei München

电话：+49 89 320060

传真：3202362

电子邮箱：information@eso.org

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Jeff Meisel，LabVIEW产品经理

电话：(512) 683-8795