作者:
David McAndrew - Mink Hollow Systems
David Rapchun - Global Science and Technology/NASA-Goddard Space Flight Center
David Mostofi - Sigma Space

行業:
航空/航天

產品:
機器視覺, 運動控制, LabVIEW

挑戰:
開發靈活的測試應用，驅動數萬微型快門元件（微快門）進行百萬次循環，同時記錄數據，采集高像素圖像，監測、控制測試環境。

解決方案:
采用NI基于LabVIEW的應用，使用戶可配置、運行自定義快門驅動測試，同時監測、控制測試環境。

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

圖1.微快門測試圖形用戶界面

微快門陣列在詹姆斯·韋伯空間望遠鏡中的應用

隨著哈勃太空望遠鏡進入應用衰退期，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。遠大目標的實現需要面對巨大的挑戰，包括開發用于大孔徑的全新輕質材料、改進微弱信號檢測技術、測量同步光譜的微快門陣列。

采用LabVIEW 測試微快門陣列，能夠在早期開發中發現及診斷問題，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的約束：

● 單一光譜測量需要花費數天，這就迫切需要多傳感器設備

● 在沒有孔掩模的情況下，光譜重疊會污染數據集，造成不可用數據

● 掩摸必須能夠根據衛星移動進行重新配置

鑒于上述約束，NASA 戈達德空間飛行中心開發了可編程孔掩模（微快門）來滿足JWST 的任務需要。

微快門陣列的操作

微快門陣列由數千100 μm x 200 μm 的開關元件組成，能夠根據傳感器視場，獨立控制其開關狀態實現自定義圖像掩模。

操作中，探測器在遇到目標時開啟；探測器與目標間存在障礙時關閉。

通過陣列上的磁偏轉來推動快門開啟，此后在陣列行、列上加適當電壓，保持單個快門開啟，未加電壓的快門將關閉。

集成測試器硬件

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

為提供設計反饋及估計單元使用壽命，自動化測試器驅動快門元件重復開關，同時在指定間隔內采集圖像。陣列由GPIB 電源和數字驅動的繼電器供電。NI PCI-7344 控制器及NI MID-7604 驅動器控制測試中的磁運動及三軸攝像頭位置。當發現問題時，用戶可將系統置于更高分辨率的“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數據。用戶通過Mink Hollow Systems 公司的MosaicVIEW 軟件合成獨立小圖像。

發展靈活測試的技術

通過創建模塊化測試軟件配置自定義測試，以較小的代碼修改來添加或改換設備。在控制環境中復制測試設備要求軟件同步運行兩個測試。由于需要集成多個不同設備及維護模塊化代碼，LabVIEW成為開發語言的較佳選擇。

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

例如，根據成像的陣列循環測試步驟如下：

● 微快門元件上電

● 陣列磁偏轉（打開所有快門）

● 采集圖像

● 微快門陣列斷電（關閉所有快門）

● 采集圖像

用戶可以將該測試與之前經過陣列磁偏轉的采集圖像測試進行 比較。結果清楚顯示了在沒有附加磁偏轉下元件間歇性保持關閉狀態時的彈壓。

需要成像的測試循環比不需要成像的測試循環花費更多的時間。為了在需要成像的情況下進行上萬次測試循環，我們設計的系統允許同時進行兩組測試步驟。測試腳本中結合兩個循環步驟，在成像步驟前列出完整的磁偏轉循環步驟。有了這項功能，用戶可設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。

為了適應測試站的硬件修改，設備驅動以對象形式實現，便于添加設備類型。例如，在下一代測試器中，用Sony 代替QImaging 攝像頭。雖然驅動不同，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。

該設計中，我們實現了新攝像頭的無縫集成，同時維持軟件整體的版本統一。更重要的是無需更新測試步驟。

縮短開發時間，節省成本

NIRSpec通過微快門陣列讓科學家能從詹姆斯·韋伯太空望遠鏡上同步采集數百條光譜，這一能力在航天領域中首屈一指。新技術通過現代傳感器獲取大量數據，但要求設備有足夠長的使用壽命。我們設計的自動化測試器允許用戶自定義測試，快速適應新測試設備，同時只付出較小代價，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，留下更多時間進行早期開發問題的探測及診斷，大量節省總體成本。