NASA在微快門自動化測試中采用NI LabVIEW縮短開發(fā)時間降低成本

The Challenge:
開發(fā)靈活的測試應(yīng)用，驅(qū)動數(shù)萬微型快門元件（微快門）進(jìn)行百萬次循環(huán)，同時記錄數(shù)據(jù)，采集高像素圖像，監(jiān)測、控制測試環(huán)境。

The Solution:
采用NI基于Labview的應(yīng)用，使用戶可配置、運行自定義快門驅(qū)動測試，同時監(jiān)測、控制測試環(huán)境。

"我們通過LabVIEW快速完成了模塊化測試軟件，留下更多時間進(jìn)行早期開發(fā)問題的探測及診斷，大量節(jié)省總體成本。"

圖1.微快門測試圖形用戶界面

微快門陣列在詹姆斯·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，人類對太空探索的興趣卻不斷增長。詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）是下一個了解宇宙奧秘，研究大爆炸理論的有力工具。遠(yuǎn)大目標(biāo)的實現(xiàn)需要面對巨大的挑戰(zhàn)，包括開發(fā)用于大孔徑的全新輕質(zhì)材料、改進(jìn)微弱信號檢測技術(shù)、測量同步光譜的微快門陣列。

采用LabVIEW 測試微快門陣列，能夠在早期開發(fā)中發(fā)現(xiàn)及診斷問題，極大縮減成本。

近紅外光譜儀（NIRSpec）中對微快門的需求是基于以下任務(wù)的約束：

● 單一光譜測量需要花費數(shù)天，這就迫切需要多傳感器設(shè)備
● 在沒有孔掩模的情況下，光譜重疊會污染數(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)德空間飛行中心開發(fā)了可編程孔掩模（微快門）來滿足JWST 的任務(wù)需要。

微快門陣列的操作

微快門陣列由數(shù)千100 μm x 200 μm 的開關(guān)元件組成，能夠根據(jù)傳感器視場，獨立控制其開關(guān)狀態(tài)實現(xiàn)自定義圖像掩模。
操作中，探測器在遇到目標(biāo)時開啟；探測器與目標(biāo)間存在障礙時關(guān)閉。
通過陣列上的磁偏轉(zhuǎn)來推動快門開啟，此后在陣列行、列上加適當(dāng)電壓，保持單個快門開啟，未加電壓的快門將關(guān)閉。

集成測試器硬件

微快門測試器的目標(biāo)有兩個：1）提供設(shè)計反饋，2）估計單元使用壽命。由于測試中必須模擬太空環(huán)境，軟件通過GPIB 設(shè)備實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)測及溫度、壓力控制。用戶能夠通過設(shè)置不同溫度來模擬太陽溫度變化所造成的影響。

為提供設(shè)計反饋及估計單元使用壽命，自動化測試器驅(qū)動快門元件重復(fù)開關(guān)，同時在指定間隔內(nèi)采集圖像。陣列由GPIB 電源和數(shù)字驅(qū)動的繼電器供電。NI PCI-7344 控制器及NI MID-7604 驅(qū)動器控制測試中的磁運動及三軸攝像頭位置。當(dāng)發(fā)現(xiàn)問題時，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，從而獲得單個快門的詳細(xì)數(shù)據(jù)。用戶通過Mink Hollow Systems 公司的MosaicVIEW 軟件合成獨立小圖像。

發(fā)展靈活測試的技術(shù)

通過創(chuàng)建模塊化測試軟件配置自定義測試，以最小的代碼修改來添加或改換設(shè)備。在控制環(huán)境中復(fù)制測試設(shè)備要求軟件同步運行兩個測試。由于需要集成多個不同設(shè)備及維護(hù)模塊化代碼，LabVIEW成為開發(fā)語言的最佳選擇。

測試步驟是向測試器發(fā)送一系列指令，這些指令實現(xiàn)預(yù)先定義的功能。通過該步驟，用戶無需修改代碼就可配置新測試。

例如，根據(jù)成像的陣列循環(huán)測試步驟如下：

● 微快門元件上電
● 陣列磁偏轉(zhuǎn)（打開所有快門）

● 采集圖像
● 微快門陣列斷電（關(guān)閉所有快門）
● 采集圖像

用戶可以將該測試與之前經(jīng)過陣列磁偏轉(zhuǎn)的采集圖像測試進(jìn)行 比較。結(jié)果清楚顯示了在沒有附加磁偏轉(zhuǎn)下元件間歇性保持關(guān)閉狀態(tài)時的彈壓。

需要成像的測試循環(huán)比不需要成像的測試循環(huán)花費更多的時間。為了在需要成像的情況下進(jìn)行上萬次測試循環(huán)，我們設(shè)計的系統(tǒng)允許同時進(jìn)行兩組測試步驟。測試腳本中結(jié)合兩個循環(huán)步驟，在成像步驟前列出完整的磁偏轉(zhuǎn)循環(huán)步驟。有了這項功能，用戶可設(shè)置在測試開始階段獲取大量圖像，而測試過程中獲取少量圖像，從而提高測試速度及圖像反饋。

這是一個重要特性，在微快門的早期測試中顯示，快門失效率隨著激勵的增加而降低。

為了適應(yīng)測試站的硬件修改，設(shè)備驅(qū)動以對象形式實現(xiàn)，便于添加設(shè)備類型。例如，在下一代測試器中，用Sony 代替QImaging 攝像頭。雖然驅(qū)動不同，但是除開基本代碼需要重寫外，軟件包括成像對象，其方法及屬性仍然保持不變，但其基本代碼需要重寫。

該設(shè)計中，我們實現(xiàn)了新攝像頭的無縫集成，同時維持軟件整體的版本統(tǒng)一。更重要的是無需更新測試步驟。

縮短開發(fā)時間，節(jié)省成本

NIRSpec通過微快門陣列讓科學(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)通過現(xiàn)代傳感器獲取大量數(shù)據(jù)，但要求設(shè)備有足夠長的使用壽命。我們設(shè)計的自動化測試器允許用戶自定義測試，快速適應(yīng)新測試設(shè)備，同時只付出最小代價，從而有助于微快門的性能研究及可行性驗證。我們通過LabVIEW 快速完成了模塊化測試軟件，留下更多時間進(jìn)行早期開發(fā)問題的探測及診斷，大量節(jié)省總體成本。