Mink Hollow Systems 公司使用 NI LabVIEW FPGA 建立高速控制系統，以測試美國太空總署 (NASA) 微機電系統 (MEMS) 的微快門 (Microshutter) 裝置

Author(s):
Eric Lyness - Mink Hollow Systems
David Rapchun - NASA Goddard Space Flight Center
Knute Ray - NASA Goddard Space Flight Center

Industry:
Aerospace/Avionics

Products:
FPGA Module, PCI-7344, LabVIEW, PXI-7813R, MID-7604

The Challenge:
開啟並關閉數千組細如髮絲的微機電系統 (MEMS) 微快門裝置，以超過 1 m/s 的速率進行磁石運動的同步化。

The Solution:
使用 NI LabVIEW FPGA Module 與 NI PXI-7813R 可重設 I/O 模組，以精確定位磁石位置並進行輸出，進一步以完美的同步作業控制 MEMS 微快門。

詹姆士偉伯太空望遠鏡 (James Webb Space Telescope，JWST) 為美國太空總署 (NASA) 的新一代大型望遠鏡。與其前一代的哈伯太空望遠鏡 (Hubble Space Telescope) 相較，NASA 預計 JWST 要能觀測到距離地球約 160 萬公里的星際。此望遠鏡將可協助 NASA 進一步了解宇宙誕生與大爆炸 (Big Bang) 理論。

由歐洲太空總署 (European Space Agency，ESA) 所開發，並由 NASA 所主建的近紅外線分光儀 (Near infrared spectrometer，NIRSpec)，即成為此望遠鏡中的主要架構。此裝置可觀察數千個遠處的銀河，以獲得宇宙銀河的初始生成資訊。為了量測為數眾多的暗天體 (Faint object)，此儀器必須能夠於先前的不明位置中，同時觀察大量的天體。

為了於這些位置觀察天體，NASA 特別開發了微快門 (Microshutter) 陣列，是由 100 x 200 µm 組快門所構成的 171 x 365 矩陣，透過隨機存取控制 (Random access control，RAC) 進而開啟之。shutters that can open under .以 2 x 2 矩陣所構成的 4 組微快門陣列，將可建立約包含 250,000 組快門的可程式化透射光罩 (Transmission mask)，讓 NIRSpec 可同步對準超過 100 個暗天體，進而提升望遠鏡的作業效率。此系統屬於微快門陣列的基本開發要件，亦為此陣列的基礎架構。

何謂微快門？

微快門是 100 x 200 µm 的長方形快門，藉由其開關動作決定是否需阻擋光線。快門轉軸安裝於氮化矽的撓曲 (Flexure) 之上，以磁性塗層 (Magnetic coating) 進行精確運動，並可透過電力連結進行靜電鎖存。

當我們開始進行此專案時，快門陣列的製作程序實為開發中的複雜新技術。NASA 所製作的單一陣列為 365 行與 171 列所構成，共超過 62,000 組快門。我們將快門固定於基板 (Substrate) 上，並以 1 組格線 (Grid) 銜接陣列，使其可判斷 (Assert) 行列乃至於各組快門。若要開啟快門，我們將 1 組磁石傳送過陣列前端，藉以將高電壓傳導至每組快門的行列中。該磁場將開啟快門，而行列之間的靜電電荷將維持其開啟狀態。

我們自行製作快門陣列，以針對整體設計的某些概念進行測試。但此種測試的製程必須更為小心謹慎。透過 NI PCI-7344 的 4 軸式步進馬達控制器，還有 NI MID-7604 電動馬達驅動器，我們所開發的軟體可控制真空室 (Vacuum chamber)、快門控制儀控作業、相機，與其他裝置，以評估陣列的整體效能。

透過此系統測試，我們發現未受控制的快門釋放 (Shutter release)，將影響快門的效能。在此不進行控制的方法中，必須關閉快門行列的電源，才能夠關閉快門。在每次開關的過程中，快門均對擋光板 (Baffle) 產生衝擊，並大幅縮短其使用壽命。

開發團隊決定使用磁石以同步開啟快門，並以磁場緩衝關閉快門時的衝擊力道。於 2005 年時，測試實驗室完成同步化的鎖存與釋放 (Latching-and-release) 功能。

微快門控制系統

在不同的快門設計中，微快門均必須穩定作業超過 100,000 個週期。新的測試實驗室必須能夠迅速進行快門測試，而不能再花上數年進行測試。由於馬達的旋轉速度最高可達 240 rpm；因此我們使用偏心繩索 (Off-center cable) 連接馬達與連桿 (Sled)，使其可於快門陣列前方每秒來回抽動達 4 次。磁石每次穿過系統時，控制系統必須確實鎖存或釋放快門陣列的 365 行。為了說明其速度與精確度，則我們將快門陣列比喻為每 1 行僅為 2.54 公分寬的木板，構成長約 915 公分的柵狀格結構。磁石即以超過 700 mph 的噴射機時速穿過柵狀格結構。

為了控制快門，我們必須溝通控制電子裝置與客制的高壓移位暫存器 (Shift register)。新系統亦必須能夠迅速溝通公用程式，以測試並檢驗 584 組晶片的多項作業。系統必須滿足所有控制需求，並提供失效安全 (Fail-safe) 功能。測試作業必須連續執行數天，於每分鐘開啟並關閉所有的 62,000 組快門達 240 次。若系統無法達到同步化，其誤差將與數分鐘內損壞多組快門。

為了達到上述要求，我們必須設計並製作客制晶片，否則即使用 LabVIEW FPGA Module.我們選擇 PXI 機箱與控制器，搭配 1 組PXI-7813R 可重設 I/O 模組，並使用 LabVIEW FPGA Module 執行快門控制作業。

控制設計

整組系統包含可控制測試實驗室的主機電腦、由 PXI 控制器所執行的 1 組 FPGA 主程式，與 PXI-7813R 所執行的 FPGA 軟體。透過 FPGA 的主機介面，工程師可進行系統校準、執行手動的控制功能、建立並下載點陣圖 (Bitmap) 寫入至陣列中，並透過 584 組晶片的其他函式進行自我診斷作業。

FPGA 軟體將透過相位差編碼器 (Quadrature encoder) 或絕對型編碼器 (Absolute encoder)，讀取磁石的位置。我們將 Encoder-decoding 運算式置於 40 MHz 的單循環迴路中，使其不會遺漏任何步驟。透過篩選作業移除抖動之後，我們將位置值 (Position value) 放置於 FIFO 中。FPGA 中的另 1 組迴路將讀取 FIFO，並根據磁石的目前位置，決定快門的後續動作為何。此狀態機器將透過協定溝通 584 組晶片，以關閉或開啟相對應的行與列。

若 FIFO 發生溢位 (Overflow)，則控制快門的狀態機器未達所需速度。軟體將跟著對主機電腦發出同步化作業錯誤訊息，而系統跟著關機。

此運算式尚無問題，並已成為快門陣列的控制實驗基礎。只要工程師想到可提升快門作業的新想法，均可輕鬆修改狀態機器 (State machine) 區塊中的運算式。

LabVIEW FPGA Module 與 PXI-7813R，可針對客制晶片的開發作業，省下大量的人力工時與成本。除了節省成本之外，控制運算式亦可輕鬆進行修改，以提升測試作業、發現快門問題，並強化 NASA 微快門陣列的開發程序。

Author Information:
Eric Lyness
Mink Hollow Systems
120 Ashton Road
Ashton, MD, MD 20861
United States
Tel: 301-260-1821
Fax: 240-342-2045
elyness@minkhollowsystems.com

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