詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(JWST)是NASA的下一代大型望遠(yuǎn)鏡。它比前輩哈勃太空望遠(yuǎn)鏡更具雄心，NASA將把它布置在離地球約100公里遠(yuǎn)的穩(wěn)定拉格朗日點(diǎn)上。該望遠(yuǎn)鏡將是NASA理解宇宙和研究大爆炸理論的基石。

由NASA做出重大貢獻(xiàn)、歐洲航天局(ESA) 開發(fā)的近紅外光譜儀是望遠(yuǎn)鏡上的主要儀器。它對數(shù)以千計(jì)的遙遠(yuǎn)星系進(jìn)行觀測，以探測宇宙早期形成的星系。為了測量大量微弱的天體，儀器必須同時(shí)對以往未知位置的多個天體進(jìn)行觀測。

為了觀測這些位置上的天體，NASA開發(fā)了微快門陣列，它是一個由100x200微米的快門組成的171x365陣列，可以在隨機(jī)訪問控制條件下開啟。4個微快門陣列組成的2x2矩陣，包含了約250,000個可編程快門，這樣紅外光譜儀可以同時(shí)測量超過100個的微弱星體，成比例地改善主要科學(xué)設(shè)施的效率。該系統(tǒng)對微快門陣列的開發(fā)至關(guān)重要，并且也是這項(xiàng)主要國際任務(wù)陣列飛行資格的重要指標(biāo)。

什么是微快門？
微快門是100x200微米的矩形開關(guān)，它利用開啟或關(guān)閉來阻止或允許光的通過?？扉T以氮化硅彎曲為軸，借助于磁性涂層進(jìn)行磁性傳動，并利用電子連接進(jìn)行靜電鎖存。

在我們開始這個項(xiàng)目時(shí)，制造快門陣列是一項(xiàng)全新而復(fù)雜的流程，仍處于開發(fā)階段。NASA制造了擁有365列171行的快門陣列，每個陣列包含總計(jì)62,000多個快門。我們將快門陣列安裝在基底上并將陣列連到網(wǎng)格上，這樣我們可以利用行和列對每個快門進(jìn)行尋址。需要開啟快門，我們令磁鐵經(jīng)過陣列的前方，然后在快門的行和列上施加高電壓。磁場將開啟快門，行和列交點(diǎn)上的靜態(tài)電荷將使快門保持開啟狀態(tài)。

每一個快門陣列都是被制造來測試整個設(shè)計(jì)的某方面。對這個設(shè)備的測試可以使我們對制造流程進(jìn)行進(jìn)一步定義。使用NI PCI-7344四軸步進(jìn)電機(jī)控制器和NI MID-7604功率電機(jī)驅(qū)動器，我們開發(fā)了控制真空室、快門控制儀器、攝像機(jī)和其它設(shè)備的軟件，以評估陣列的性能。

對系統(tǒng)的測試表明，未受控制的快門關(guān)閉會限制快門的性能。在這種未受控制的方法中，可以通過切斷快門行或列的電源來關(guān)閉快門，但是無論何種方式，都會影響快門的光擋板，顯著地縮短快門的壽命。

開發(fā)團(tuán)隊(duì)決定使用運(yùn)動的磁體以同步方式關(guān)閉快門，這樣磁場可以緩沖快門關(guān)閉的影響。2005年完工的測試室包含了新型的同步式開啟-關(guān)閉功能。

微快門控制系統(tǒng)
在不同的快門設(shè)計(jì)中，微快門必須能夠可靠地工作10萬個周期以上。與長時(shí)間測試不同，新型的測試室中快門的周期很快。由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速高達(dá)240rpm，因此使用離心電纜連接到電機(jī)的磁鐵以每秒四次的速度在快門陣列前面來回移動。在磁鐵移動過程中，控制系統(tǒng)需要鎖存或釋放微快門陣列的365列。為了理解所需的精度和速度，可以將快門陣列的每一列想像成30英尺長的柵欄中的一條1英尺寬的板條。磁體就像是以700mph飛過它的噴氣式飛機(jī)，而且相距只有3英尺遠(yuǎn)。

為了控制快門，我們需要與控制磁鐵和自定義的高電壓移位寄存器進(jìn)行通信。新型系統(tǒng)還需要快速通信，并對584塊芯片的各項(xiàng)操作進(jìn)行測試和功能驗(yàn)證。系統(tǒng)必須滿足所有這些要求，而且需要在發(fā)生故障時(shí)保證安全。一次測試需要數(shù)天時(shí)間，并在一分鐘內(nèi)開啟和關(guān)閉所有62,000個快門240次。如果系統(tǒng)不同步，在幾分鐘內(nèi)就將造成快門的損壞。

為了滿足這些需要，我們可以設(shè)計(jì)和制造自定義的芯片或使用LabVIEW FPGA Module。我們選擇了PXI機(jī)箱和包含PXI-7813R可重配置I/O模塊的控制器，并且使用LabVIEW FPGA Module進(jìn)行快門控制。

控制設(shè)計(jì)
整個系統(tǒng)包含了控制測試室的主控計(jì)算機(jī)、在PXI控制器上運(yùn)行的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)主程序及在PXI-7813R上運(yùn)行的FPGA軟件。利用FPGA主界面，工程師們可以校正系統(tǒng)和執(zhí)行人工控制命令、創(chuàng)建和下載寫入到陣列的位圖，并且對584塊芯片的其它功能進(jìn)行自我測試診斷。
FPGA軟件從正交編碼器或絕對式編碼器中讀取磁鐵的位置。編解碼算法被放在40MHz的單周期循環(huán)內(nèi)，以確保其不會錯過任何步驟。經(jīng)濾波消除抖動后，位置值被寫入到先進(jìn)先出存儲器(FIFO)中。FPGA上的另一個循環(huán)從FIFO中讀出數(shù)據(jù)，并根據(jù)磁鐵當(dāng)前的位置決定快門的操作。該狀態(tài)機(jī)與584塊芯片進(jìn)行通信，并使用協(xié)議開啟或關(guān)閉所需的行和列。

當(dāng)FIFO溢出時(shí)，會導(dǎo)致控制微快門的狀態(tài)機(jī)運(yùn)行速度不夠。軟件將向主計(jì)算機(jī)發(fā)送一個同步錯誤信號，這樣系統(tǒng)將關(guān)閉。

這個算法可以很好的工作，而且已經(jīng)成為快門陣列控制實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。在工程師們開發(fā)出新的算法來改善快門操作時(shí)，我們可以很容易地在狀態(tài)機(jī)方框圖中添加或更改算法。

LabVIEW FPGA Module和PXI-7813R節(jié)省了自定義芯片開發(fā)所需的數(shù)百個工時(shí)和數(shù)千美元的開銷。同時(shí)，我們能夠以較低成本修改控制算法來改進(jìn)測試、查找快門問題，并進(jìn)一步進(jìn)行NASA MEMS微快門的陣列開發(fā)。