使用支持多核功能的NI LabVIEW開發(fā)世界最大望遠(yuǎn)鏡的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)

Author(s):
Jason Spyromilio - European Southern Observatory

Industry:
Research, Aerospace/Avionics

Products:
LabVIEW, Real-Time Module

The Challenge:
使用商業(yè)購買即可使用（COTS）的解決方案，用于特大型望遠(yuǎn)鏡自適應(yīng)光學(xué)實(shí)時(shí)控制中的高性能計(jì)算（HPC）。

The Solution:
將NI LabVIEW的圖形化編程環(huán)境和多核處理器結(jié)合在一起，開發(fā)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，證明COTS 技術(shù)能夠用于控制歐洲特大型望遠(yuǎn)鏡（E-ELT），目前E-ELT 處于原型設(shè)計(jì)階段。

為了進(jìn)行尺寸對(duì)比，兩個(gè)人和一輛汽車位于E-ELT 邊上。M1 主鏡面的直徑是42 米，其鏡面的制造是分段完成的

概述
歐洲南方天文臺(tái)（ESO）是由13 個(gè)歐洲國(guó)家支持的天文研究機(jī)構(gòu)。我們已經(jīng)開發(fā)并部署了一些世界上最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡。我們目前在智利的安第斯山地區(qū)分布著三個(gè)站點(diǎn)，即La Silla、Paranal 以及Chajnantor 天文臺(tái)。我們總是采用創(chuàng)新技術(shù)，例如在La Silla 的3.6米望遠(yuǎn)鏡上使用第一個(gè)通用用戶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，在La Silla 的3.5米新技術(shù)望遠(yuǎn)鏡（NTT）上部署主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)，以及在Paranal 運(yùn)用大型望遠(yuǎn)鏡（VLT）的整合操作和關(guān)聯(lián)干涉儀。此外，我們還和北美、東亞合作伙伴進(jìn)行合作，建立Atacama大型毫米陣列（ALMA），它是耗資十億美元的66 天線亞毫米望遠(yuǎn)鏡，計(jì)劃于2012 年在Chajnantor 大草原建成。

我們的下一個(gè)項(xiàng)目是E-ELT。這個(gè)主鏡直徑42 米的望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)已經(jīng)進(jìn)入了階段B，并且獲得了1 億美元的資金，用于初期設(shè)計(jì)和原型開發(fā)。在階段B 之后，預(yù)計(jì)在2010 年底開始進(jìn)行建造。

大規(guī)模主動(dòng)、自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)
42 米望遠(yuǎn)鏡吸收了ESO和天文界在主動(dòng)自適應(yīng)光學(xué)與分段鏡面方面的經(jīng)驗(yàn)。主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)包含了傳感器、促動(dòng)器和控制系統(tǒng)，從而使望遠(yuǎn)鏡能夠維持正確的鏡面形狀。我們可以自動(dòng)維護(hù)望遠(yuǎn)鏡的正確配置，減少在光學(xué)設(shè)計(jì)中的任何殘留象差，提高效率和容錯(cuò)性。這些望遠(yuǎn)鏡在夜間需要每分鐘都進(jìn)行主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)校正，從而確保成像只受到大氣效應(yīng)的影響。

自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)使用相似的方法，在數(shù)百赫茲的頻率下監(jiān)視大氣效應(yīng)，并使用經(jīng)過特殊加工的可變形薄型鏡面加以校正。擾動(dòng)尺度決定了這些可變形鏡面上促動(dòng)器的數(shù)量。波前傳感器快速運(yùn)行，對(duì)大氣進(jìn)行采樣，將所有失真轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的鏡面動(dòng)作指令。這需要支持高速計(jì)算的硬件和軟件。

控制復(fù)雜的系統(tǒng)需要十分強(qiáng)大的處理能力。對(duì)于在過去部署的控制系統(tǒng)而言，我們基于虛擬機(jī)環(huán)境（VME）實(shí)時(shí)控制可以開發(fā)專用的控制系統(tǒng)，這不但十分昂貴而且十分耗時(shí)。我們現(xiàn)在與NI 工程師們一起合作， 使用COTS軟件和硬件，使E-ELT 上的主分段鏡面的控制系統(tǒng)（稱為M1）性能達(dá)到新的高度。同時(shí)我們也在研究基于COTS 的可能解決方案，用于望遠(yuǎn)鏡鏡面自適應(yīng)實(shí)時(shí)控制（稱為M4）。

M1是包含984 個(gè)六邊形鏡面的分段鏡面，總直徑達(dá)到42 米，每個(gè)鏡面的重量約為330 磅，直徑在1.5 至2 米之間。與之相比，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的主鏡面的直徑不過2.4 米。E-ELT 的一個(gè)單體主鏡面本身就比世界上最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡大三倍，并且五個(gè)這樣的鏡面將協(xié)同工作。

定義控制系統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算需求
在M1操作中，相鄰的鏡面分段可能會(huì)相對(duì)于其他分段傾斜。我們使用探邊沿傳感器對(duì)這個(gè)偏移進(jìn)行監(jiān)視，并且可在需要時(shí)通過促動(dòng)器將鏡面分段在三個(gè)自由度上進(jìn)行移動(dòng)。984 個(gè)鏡面分段由3000個(gè)促動(dòng)器和6000 個(gè)傳感器組成。

系統(tǒng)由LabVIEW 軟件進(jìn)行控制，通過讀取傳感器確定鏡面分段位置，如果分段發(fā)生位移，則使用促動(dòng)器進(jìn)行對(duì)齊。LabVIEW 需要計(jì)算規(guī)模為3000 × 6000 的矩陣與長(zhǎng)度為6000 的向量之積，并且需要每秒完成500 至1000 次這樣的計(jì)算，以完成有效的鏡面調(diào)整動(dòng)作。

傳感器和促動(dòng)器同時(shí)還控制M4 自適應(yīng)鏡面。然而，M4 是一個(gè)薄型可變形鏡面——直徑2.5 米，橫跨8000 個(gè)促動(dòng)器。它的控制問題與M1 主動(dòng)控制相似，但是與M1 中保持形狀不同的是，我們需要根據(jù)波前成像數(shù)據(jù)的測(cè)量結(jié)果調(diào)整形狀。波前數(shù)據(jù)映射到一個(gè)具有14000 個(gè)值的向量中，我們必須每隔幾毫秒就對(duì)8000 個(gè)促動(dòng)器進(jìn)行一次更新。這是一個(gè)矩陣向量乘積問題，即規(guī)模為8000 ×14000 的控制矩陣與長(zhǎng)度為14000 的向量之積。如果將該計(jì)算問題近似為9000 × 15000 的乘積，所需的計(jì)算能力就相當(dāng)于M1 控制問題的約15 倍。

當(dāng)NI開始解決數(shù)學(xué)問題和控制問題時(shí)，我們就已經(jīng)與NI一起合作，建立高通道數(shù)的數(shù)據(jù)采集和同步系統(tǒng)。NI工程師們現(xiàn)在正在對(duì)布局進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)控制矩陣和控制循環(huán)。所有這些操作的核心是一個(gè)強(qiáng)大的可執(zhí)行大規(guī)模計(jì)算的LabVIEW矩陣向量函數(shù)。M1和M4控制要求很高的計(jì)算能力，我們使用多個(gè)多核系統(tǒng)來滿足該需求。由于M4控制代表了15 個(gè)3000 × 3000 子矩陣問題，我們需要15 臺(tái)包含盡可能多處理核的機(jī)器。因此，控制系統(tǒng)要求必須能夠支持多核處理。而這正是LabVIEW使用COTS解決方案所提供的功能，從而為該問題的解決提出了很有吸引力的方案。

在多核高性能計(jì)算中使用LabVIEW 解決問題
因?yàn)槲覀冊(cè)趯?shí)際E-ELT建造之前就需要進(jìn)行控制系統(tǒng)開發(fā)，系統(tǒng)配置可能會(huì)影響望遠(yuǎn)鏡的部分建造特征。因此對(duì)解決方案進(jìn)行徹底的測(cè)試是十分重要的，需要就像運(yùn)行在真實(shí)的望遠(yuǎn)鏡上一樣。為了滿足這個(gè)挑戰(zhàn)的需求，NI工程師不僅實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)，還設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠?qū)1 鏡面進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真的系統(tǒng)，完成硬件在環(huán)（HIL）的控制系統(tǒng)測(cè)試。HIL 是一種在汽車和航空航天控制設(shè)計(jì)中常用的測(cè)試方法，通過使用精確的、保證實(shí)時(shí)性的系統(tǒng)仿真器對(duì)所設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行仿真。NI 工程師建立了M1鏡面仿真器，能夠響應(yīng)控制系統(tǒng)的輸出，并驗(yàn)證其性能。NI 團(tuán)隊(duì)使用LabVIEW 開發(fā)了控制系統(tǒng)和鏡面仿真系統(tǒng)，并將它部署到運(yùn)行LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊的多核PC上，確保執(zhí)行的確定性。

在相似的實(shí)時(shí)高性能計(jì)算應(yīng)用中，通信任務(wù)和計(jì)算任務(wù)是緊密相關(guān)的。通信系統(tǒng)中的錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的錯(cuò)誤。因此，整個(gè)應(yīng)用程序開發(fā)過程包含通信與計(jì)算的交叉設(shè)計(jì)。NI 工程師明確了應(yīng)用程序不能夠依賴標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，因?yàn)樗褂玫木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議不是確定性的。因此他們需要在整個(gè)系統(tǒng)的核心中包含快速確定性的數(shù)據(jù)交換機(jī)制。他們使用LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊的定時(shí)觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)特性，在控制系統(tǒng)和M1 鏡面仿真器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，得到了速度高達(dá)36 MB/s的確定性網(wǎng)絡(luò)。

NI 開發(fā)了完整的M1解決方案，整合了兩臺(tái)Dell Precision T7400工作站，每個(gè)工作站都有八個(gè)處理核以及提供了操作界面的筆記本電腦。它還包含了兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)——一個(gè)用于將實(shí)時(shí)目標(biāo)連接到筆記本的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)在實(shí)時(shí)目標(biāo)之間進(jìn)行I/O 數(shù)據(jù)交換的1 GB 定時(shí)觸發(fā)以太網(wǎng)絡(luò)。

在系統(tǒng)性能方面，我們了解到控制器在每個(gè)循環(huán)中，接收6000 個(gè)傳感器數(shù)值，執(zhí)行控制算法對(duì)齊分段，并且輸出3000 個(gè)促動(dòng)器數(shù)值。NI團(tuán)隊(duì)建立的控制系統(tǒng)完成了這一切，并且建立了一個(gè)模擬望遠(yuǎn)鏡實(shí)際操作的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，稱為“鏡面”。鏡面接收到3000 個(gè)促動(dòng)器輸出之后，加上風(fēng)力等表示大氣擾動(dòng)的變量，執(zhí)行鏡面算法對(duì)M1 進(jìn)行仿真，并輸出6000 個(gè)傳感器參數(shù)完成循環(huán)。整個(gè)控制循環(huán)在不到1 ms 之內(nèi)完成，足以滿足控制鏡面的要求。

NI 工程師們所達(dá)到的矩陣向量乘法指標(biāo)如下：

● 采用LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊以及包含兩個(gè)四核處理器的機(jī)器，使用其中四個(gè)核進(jìn)行單精度計(jì)算需要0.7 ms

● 采用LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊以及包含兩個(gè)四核處理器的機(jī)器，使用全部八核進(jìn)行單精度計(jì)算需要0.5 ms

M4用于對(duì)大氣波象差進(jìn)行補(bǔ)償，NI 工程師們認(rèn)為這個(gè)問題只能通過使用最先進(jìn)的多核刀片系統(tǒng)來解決。Dell公司邀請(qǐng)NI團(tuán)隊(duì)在Dell的M1000 上測(cè)試這個(gè)解決方案，取得了令人興奮的測(cè)試結(jié)果。M1000 是一個(gè)具有16 個(gè)刀片的系統(tǒng)，每個(gè)M1000 刀片都包含八個(gè)處理核，這意味著LabVIEW控制任務(wù)是分布在128個(gè)處理核上。

NI 工程師們證明了我們實(shí)際上可以使用LabVIEW 和LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊，實(shí)現(xiàn)基于COTS 的解決方案，控制多核計(jì)算獲取實(shí)時(shí)結(jié)果。因?yàn)樵谛阅苌先〉昧送黄?，我們團(tuán)隊(duì)在E-ELT 的實(shí)現(xiàn)方面為計(jì)算機(jī)科學(xué)和天文學(xué)都創(chuàng)造了新的紀(jì)錄，這將從整體上推進(jìn)科學(xué)的進(jìn)步。