美國太空總署 (NASA) 使用 NI LabVIEW 進行整合式的雷射光束特性記述與長期測試系統

Author(s):
Eric Lyness - Mink Hollow Systems

Industry:
Electronics, Aerospace/Avionics

Products:
LabVIEW

The Challenge:
特意延長測試時間來量測雷射光束的品質與效率，藉以評估軌道衛星進行地表量測 (Terrestrial measurement) 的適用性；並同時模擬軌道的加熱與冷卻週期 (Heating and cooling cycle)。

The Solution:
於 Mac OS X 安裝 NI LabVIEW 7，以整合多組 CCD 相機、GPIB 儀器，與 RS232 儀器的資料，進行完整的雷射光束分析；並有效利用多執行緒功能與物件導向的技術，進一步以低成本產生穩定、彈性，且可調整的產品。

穩定與效率缺一不可
高效率特性為任何雷射太空任務的重要關鍵。NASA 的雷射效率一般均低於5%。若能提升1 ~ 2% 的雷射效率，則可大幅減少太陽能電池陣列(Solar array)、冷卻系統，與衛星搭載整組雷射系統的體積。但若提升雷射的效率，往往也跟著降低其穩定性。若要研發高穩定度且高效率的雷射，NASA 的科學家則需要完整且可靠的測試工具，以輔助此研發工作。

在開發此組系統之前，NASA 科學家使用2 或3 組電腦，針對雷射系統執行4 組以上的測試應用。若頻率系統(Frequent system) 發生故障，則將影響長時間的測試結果。當測試完成後，科學家必須花上述個小時，以彙整各個應用的相關資料。科學家必須全心全力維護此測試系統。NASA 並要求Mink Hollow Systems 公司能夠整合所有功能至單一且穩定的Mac OS X 應用中。

NASA 要求使用2 組CCD 相機進行雷射光束的量測。一般常見的雷射光束量測，均為光束從空腔(Cavity) 射出時的寬度、高度(厚度)，與中心點。另外1 組CCD 則透過底端的對鏡，量測空腔內部的光束性質，以監控內空腔(Intracavity) 光束的密度與品質。CCD 陣列均暴露於微弱的光束之下，而軟體的影像處理運算式將量測光束寬度、高度、漂移度(Drift)、分叉度(Divergence)，與雷射功率(Fluence)。系統將透過精確儀器，量測雷射光束的光功率(Optical power)。系統亦將量測該空間的雷射頭、四周環境，與露點(Dew point) 溫度。在此同時，系統將模擬軌道中可能的溫度變化，並控制週期內的雷射環境溫度。

每次測試所產生的所有資料，均將儲存為單一且完整的.html 檔案，包含光束影像、所有量測，與資料的統計分析。測試作業將於無塵環境中連續執行數個星期。NASA 科學家透過NI LabVIEW Web server，可從家中或辦公室連接至系統，除了觀察且控制進行中的測試作業，並可了解目前結果，以避免問題擴大。

LabVIEW 符合嚴苛的設計標準

NASA 的系統設計同時需要彈性與穩定性。我們透過 LabVIEW 的多執行緒功能達到這些要求，並套用物件導向的程式編碼技術，以達極佳的可調整性。僅需相對較低廉的成本，即可建置遠超乎預期的系統需求。

雷射的使用壽命測試可能連續執行數個月。若軟體運行 5 週之後，卻無法順利進入第 6 週的運算，則整個測試必須重新開始，且 5 個禮拜的資料將全部遺失。為了達到穩定性，我們選擇了多執行緒的模組化方式，亦即每個量測子系統均獨立運作。核心的測試控制模組將建立並銷毀 LabVIEW 佇列，並透過該佇列溝通量測子系統；且該模組將不容納任何儀器 I/O。此功能則代表核心程式碼將較為簡單明確並穩定。

測試控制模組將透過佇列以啟動、停止，並提供組態設定，進一步傳送指令至各個量測子系統。量測子系統將執行所有的 I/O 作業，並透過佇列傳送結果至核心模組。由於每組子系統均擁有各自的執行緒，因此不需降低速度或暫停測試控制模組，即可處理 I/O 錯誤、重設連結，或執行其他耗時的作業。又由於每個量測子系統模組均可為獨立運作的程式，因此亦可輕鬆進行測試，或用於不同的應用中。

NASA 必須至少複製系統達 3 次。從先前的系統來看，NASA 已經整合了來自於多家製造商的 CCD 相機與儀控設備。而該系統的彈性應足以符合多項儀控需要。針對分類為 5 項物件的儀器，我們選擇了物件導向的程式碼撰寫技術 – 相機物件、功率計物件、溫度量測物件、露點溫度計 (Dew point meter) 物件，與溫度控制物件。每項物件均具有常見功能，如連結、設定、讀取，與關閉功能。NASA 科學家可於執行時間中選擇控制儀器。透過物件導向的方法，並整合多執行緒的架構，科學家不需中斷測試作業，即可更換所需的儀器。此絕佳的可調整性，則是來自於多執行緒與物件導向的技術。我們不僅可輕鬆加裝新型儀器至系統，亦不需修改核心程式碼，即可安裝全新的量測子系統；而且仍維持應有的穩定度。

由於 Active Silicon 公司的影像擷取介面卡，可於單一機板上提供 4 個 CCD 相機輸入，因此我們選擇該介面卡用於 Macintosh G4 電腦中。此設定相容於大部分 PAL 或 NTSC 視訊編碼的類比 CCD 相機。由 Mink Hollow Systems 公司用 C 語言撰寫的驅動程式，可將Active Silicon 介面卡的影像轉換至 LabVIEW，並執行某些影像處理功能。而儀器透過 RS232 或 GPIB 以溝通 LabVIEW。針對 GPIB 溝通作業，NI GPIB-ENET/100 介面卡則可透過乙太網路連線，進一步存取 GPIB 匯流排。針對 RS232 通訊作業，系統則使用 Keyspan USB/RS232-4 序列以溝通 USB 轉換器。適用於 OS X 的 NI-VISA 與 LabVIEW，則可讓確保每組序列或 GPIB 版本的儀器均使用相同的驅動程式。

節省 NASA 的時間與成本
從 2003 年的秋天建置完成之後，此系統一直保持在即為穩定的狀態中，且每年均為 NASA 的科學家省下數百個小時。歸功於物件導向的方法，讓我們可再使用現有的儀器控制與 CCD 相機，並讓 NASA 省下許多複製系統時的儀器控制成本。透過軟體的彈性與可調整性，我們開發了通用的雷射特性記述 (Characterization) 系統，並成為獨立的軟體產品。

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Eric Lyness
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