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

Jason Spyromilio,欧洲​南方​天文台

“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。”

——​Jason Spyromilio,​欧洲​南方​天文台

挑战:

使用​商用​现成​(COTS)​解决​方案,​支持​特​大型​望远镜​主动​自​适应​光学​实​时​控制​中的​高性能​计算​(HPC)。

解决​方案:

将​NI LabVIEW​​图形​化​编​程​环境​和​多核​处理​器​结合​在一起,​开发​实​时​控制​系统,​证明​COTS​技术​能够​用于​控制​欧洲​特​大型​望远镜​(E-​ELT)​中的​光学​系统,​目前​E-​ELT​还​处于​设计​和​原型​验证​阶段。

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​团队​在​E-​ELT​的​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。

 

要​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

要​了解​有关​LabVIEW​在​HPC​应用​方面​的​更多​信息,​请​联系:

Jeff Meisel,​LabVIEW​产品​经理

电话:​(512) 683-8795

​ ​大小​对比,​两​个人​和​一辆车​在​E-​ELT​旁。​M1​主​镜​面​直径​为​42​米,​采用​分​节​镜​面​结构。 ​
​ ​E-​ELT​总计​包含​5​块​镜​面。 ​
​ ​LabVIEW​软件​控制​由​984​个​1.5​米​分​节​组成​的​M1​系统,​每​个​分​节​有​6​个​传感器​和​3​个​执行​器​支架,​后者​支持​3​度​的​移动​偏差。 ​
​ 4/7 M4​是​一个​灵活​的​薄​镜​面,​横跨​8,000​个​执行​器,​每隔​几​毫秒​就​可​变形,​以​抵消​大气​干扰。 ​
​ ​NI​工程​师​利用​M1​镜​面​HIL​仿真​(左)​验证​镜​面​控制​系统​(右)。 ​
​ ​为了​达到​所需​的​循环​速率,​NI​工程​师​建立​了​一个​高度​确定​的​网络,​并​使用​定​时​顺序​和​定​时​循环​通过​应用​程序​调​用。 ​
​ 7/7​说明​了​目前​NI​实现​M4​的​方法。​该​问题​比​M1​控制器​的​要求​约​苛刻​15​倍 ​