NASA在微快门自动化测试中采用NI LabVIEW缩短开发时间降低成本

The Challenge:
开发灵活的测试应用，驱动数万微型快门元件（微快门）进行百万次循环，同时记录数据，采集高像素图像，监测、控制测试环境。

The Solution:
采用NI基于Labview的应用，使用户可配置、运行自定义快门驱动测试，同时监测、控制测试环境。

"我们通过LabVIEW快速完成了模块化测试软件，留下更多时间进行早期开发问题的探测及诊断，大量节省总体成本。"

图1.微快门测试图形用户界面

微快门阵列在詹姆斯·韦伯空间望远镜中的应用

随着哈勃太空望远镜进入应用衰退期，人类对太空探索的兴趣却不断增长。詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）是下一个了解宇宙奥秘，研究大爆炸理论的有力工具。远大目标的实现需要面对巨大的挑战，包括开发用于大孔径的全新轻质材料、改进微弱信号检测技术、测量同步光谱的微快门阵列。

采用LabVIEW 测试微快门阵列，能够在早期开发中发现及诊断问题，极大缩减成本。

近红外光谱仪（NIRSpec）中对微快门的需求是基于以下任务的约束：

● 单一光谱测量需要花费数天，这就迫切需要多传感器设备
● 在没有孔掩模的情况下，光谱重叠会污染数据集，造成不可用数据
● 掩摸必须能够根据卫星移动进行重新配置

鉴于上述约束，NASA 戈达德空间飞行中心开发了可编程孔掩模（微快门）来满足JWST 的任务需要。

微快门阵列的操作

微快门阵列由数千100 μm x 200 μm 的开关元件组成，能够根据传感器视场，独立控制其开关状态实现自定义图像掩模。
操作中，探测器在遇到目标时开启；探测器与目标间存在障碍时关闭。
通过阵列上的磁偏转来推动快门开启，此后在阵列行、列上加适当电压，保持单个快门开启，未加电压的快门将关闭。

集成测试器硬件

微快门测试器的目标有两个：1）提供设计反馈，2）估计单元使用寿命。由于测试中必须模拟太空环境，软件通过GPIB 设备实现对系统的监测及温度、压力控制。用户能够通过设置不同温度来模拟太阳温度变化所造成的影响。

为提供设计反馈及估计单元使用寿命， 自动化测试 器驱动快门元件重复开关，同时在指定间隔内采集图像。阵列由GPIB 电源和数字驱动的继电器供电。NI PCI-7344 控制器及NI MID-7604 驱动器控制测试中的磁运动及三轴摄像头位置。当发现问题时，用户可将系统置于更高分辨率的“图像马赛克”模式，以4微米分辨率扫描摄像头，从而获得单个快门的详细数据。用户通过Mink Hollow Systems 公司的MosaicVIEW 软件合成独立小图像。

发展灵活测试的技术

通过创建模块化测试软件配置自定义测试，以最小的代码修改来添加或改换设备。在控制环境中复制测试设备要求软件同步运行两个测试。由于需要集成多个不同设备及维护模块化代码，LabVIEW成为开发语言的最佳选择。

测试步骤是向测试器发送一系列指令，这些指令实现预先定义的功能。通过该步骤，用户无需修改代码就可配置新测试。

例如，根据成像的阵列循环测试步骤如下：

● 微快门元件上电
● 阵列磁偏转（打开所有快门）

● 采集图像
● 微快门阵列断电（关闭所有快门）
● 采集图像

用户可以将该测试与之前经过阵列磁偏转的采集图像测试进行 比较。结果清楚显示了在没有附加磁偏转下元件间歇性保持关闭状态时的弹压。

需要成像的测试循环比不需要成像的测试循环花费更多的时间。为了在需要成像的情况下进行上万次测试循环，我们设计的系统允许同时进行两组测试步骤。测试脚本中结合两个循环步骤，在成像步骤前列出完整的磁偏转循环步骤。有了这项功能，用户可设置在测试开始阶段获取大量图像，而测试过程中获取少量图像，从而提高测试速度及图像反馈。

这是一个重要特性，在微快门的早期测试中显示，快门失效率随着激励的增加而降低。

为了适应测试站的硬件修改，设备驱动以对象形式实现，便于添加设备类型。例如，在下一代测试器中，用Sony 代替QImaging 摄像头。虽然驱动不同，但是除开基本代码需要重写外，软件包括成像对象，其方法及属性仍然保持不变，但其基本代码需要重写。

该设计中，我们实现了新摄像头的无缝集成，同时维持软件整体的版本统一。更重要的是无需更新测试步骤。

缩短开发时间，节省成本

NIRSpec通过微快门阵列让科学家能从詹姆斯·韦伯太空望远镜上同步采集数百条光谱，这一能力在航天领域中首屈一指。新技术通过现代传感器获取大量数据，但要求设备有足够长的使用寿命。我们设计的 自动化测试 器允许用户自定义测试，快速适应新测试设备，同时只付出最小代价，从而有助于微快门的性能研究及可行性验证。我们通过LabVIEW 快速完成了模块化测试软件，留下更多时间进行早期开发问题的探测及诊断，大量节省总体成本。