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圖1.微快門測試圖形用戶界面

    The Challenge:

　　開發(fā)靈活的測試應用，驅(qū)動數(shù)萬微型快門元件（微快門）進行百萬次循環(huán)，同時記錄數(shù)據(jù)，采集高像素圖像，監(jiān)測、控制測試環(huán)境。

　　The Solution:

　　采用NI基于LabVIEW的應用，使用戶可配置、運行自定義快門驅(qū)動測試，同時監(jiān)測、控制測試環(huán)境。

　　"我們通過LabVIEW快速完成了模塊化測試軟件，留下更多時間進行早期開發(fā)問題的探測及診斷，大量節(jié)省總體成本。"

　　微快門陣列在詹姆斯·韋伯空間望遠鏡中的應用

　　隨著哈勃太空望遠鏡進入應用衰退期，人類對太空探索的興趣卻不斷增長。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）是下一個了解宇宙奧秘，研究大爆炸理論的有力工具。遠大目標的實現(xiàn)需要面對巨大的挑戰(zhàn)，包括開發(fā)用于大孔徑的全新輕質(zhì)材料、改進微弱信號檢測技術(shù)、測量同步光譜的微快門陣列。

　　采用LabVIEW 測試微快門陣列，能夠在早期開發(fā)中發(fā)現(xiàn)及診斷問題，極大縮減成本。

　　近紅外光譜儀（NIRSpec）中對微快門的需求是基于以下任務的約束：

　　● 單一光譜測量需要花費數(shù)天，這就迫切需要多傳感器設備

　　● 在沒有孔掩模的情況下，光譜重疊會污染數(shù)據(jù)集，造成不可用數(shù)據(jù)

　　● 掩摸必須能夠根據(jù)衛(wèi)星移動進行重新配置

　　鑒于上述約束，NASA 戈達德空間飛行中心開發(fā)了可編程孔掩模（微快門）來滿足JWST 的任務需要。

　　微快門陣列的操作

　　微快門陣列由數(shù)千100 μm x 200 μm 的開關(guān)元件組成，能夠根據(jù)傳感器視場，獨立控制其開關(guān)狀態(tài)實現(xiàn)自定義圖像掩模。

　　操作中，探測器在遇到目標時開啟；探測器與目標間存在障礙時關(guān)閉。

　　通過陣列上的磁偏轉(zhuǎn)來推動快門開啟，此后在陣列行、列上加適當電壓，保持單個快門開啟，未加電壓的快門將關(guān)閉。

　　集成測試器硬件

　　微快門測試器的目標有兩個：1）提供設計反饋，2）估計單元使用壽命。由于測試中必須模擬太空環(huán)境，軟件通過GPIB 設備實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)測及溫度、壓力控制。用戶能夠通過設置不同溫度來模擬太陽溫度變化所造成的影響。

　　為提供設計反饋及估計單元使用壽命，自動化測試器驅(qū)動快門元件重復開關(guān)，同時在指定間隔內(nèi)采集圖像。陣列由GPIB 電源和數(shù)字驅(qū)動的繼電器供電。NI PCI-7344 控制器及NI MID-7604 驅(qū)動器控制測試中的磁運動及三軸攝像頭位置。當發(fā)現(xiàn)問題時，用戶可將系統(tǒng)置于更高分辨率的“圖像馬賽克”模式，以4微米分辨率掃描攝像頭，從而獲得單個快門的詳細數(shù)據(jù)。用戶通過Mink Hollow Systems 公司的MosaicVIEW 軟件合成獨立小圖像。

　　發(fā)展靈活測試的技術(shù)

　　通過創(chuàng)建模塊化測試軟件配置自定義測試，以最小的代碼修改來添加或改換設備。在控制環(huán)境中復制測試設備要求軟件同步運行兩個測試。由于需要集成多個不同設備及維護模塊化代碼，LabVIEW成為開發(fā)語言的最佳選擇。

　　測試步驟是向測試器發(fā)送一系列指令，這些指令實現(xiàn)預先定義的功能。通過該步驟，用戶無需修改代碼就可配置新測試。

　　例如，根據(jù)成像的陣列循環(huán)測試步驟如下：

　　● 微快門元件上電

　　● 陣列磁偏轉(zhuǎn)（打開所有快門）

　　● 采集圖像

　　● 微快門陣列斷電（關(guān)閉所有快門）

　　● 采集圖像

　　用戶可以將該測試與之前經(jīng)過陣列磁偏轉(zhuǎn)的采集圖像測試進行 比較。結(jié)果清楚顯示了在沒有附加磁偏轉(zhuǎn)下元件間歇性保持關(guān)閉狀態(tài)時的彈壓。

　　需要成像的測試循環(huán)比不需要成像的測試循環(huán)花費更多的時間。為了在需要成像的情況下進行上萬次測試循環(huán)，我們設計的系統(tǒng)允許同時進行兩組測試步驟。測試腳本中結(jié)合兩個循環(huán)步驟，在成像步驟前列出完整的磁偏轉(zhuǎn)循環(huán)步驟。有了這項功能，用戶可設置在測試開始階段獲取大量圖像，而測試過程中獲取少量圖像，從而提高測試速度及圖像反饋。

　　這是一個重要特性，在微快門的早期測試中顯示，快門失效率隨著激勵的增加而降低。

　　為了適應測試站的硬件修改，設備驅(qū)動以對象形式實現(xiàn)，便于添加設備類型。例如，在下一代測試器中，用Sony 代替QImaging 攝像頭。雖然驅(qū)動不同，但是除開基本代碼需要重寫外，軟件包括成像對象，其方法及屬性仍然保持不變，但其基本代碼需要重寫。

　　該設計中，我們實現(xiàn)了新攝像頭的無縫集成，同時維持軟件整體的版本統(tǒng)一。更重要的是無需更新測試步驟。

　　縮短開發(fā)時間，節(jié)省成本

　　NIRSpec通過微快門陣列讓科學家能從詹姆斯·韋伯太空望遠鏡上同步采集數(shù)百條光譜，這一能力在航天領(lǐng)域中首屈一指。新技術(shù)通過現(xiàn)代傳感器獲取大量數(shù)據(jù)，但要求設備有足夠長的使用壽命。我們設計的自動化測試器允許用戶自定義測試，快速適應新測試設備，同時只付出最小代價，從而有助于微快門的性能研究及可行性驗證。我們通過LabVIEW 快速完成了模塊化測試軟件，留下更多時間進行早期開發(fā)問題的探測及診斷，大量節(jié)省總體成本。