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

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

為了觀測這些位置上的天體，NASA開發了微快門陣列，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測量超過100個的微弱星體，成比例地改善主要科學設施的效率。該系統對微快門陣列的開發至關重要，并且也是這項主要國際任務陣列飛行資格的重要指標。

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

在我們開始這個項目時，制造快門陣列是一項全新而復雜的流程，仍處于開發階段。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格上，這樣我們可以利用行和列對每個快門進行尋址。需要開啟快門，我們令磁鐵經過陣列的前方，然后在快門的行和列上施加高電壓。磁場將開啟快門，行和列交點上的靜態電荷將使快門保持開啟狀態。

每一個快門陣列都是被制造來測試整個設計的某方面。對這個設備的測試可以使我們對制造流程進行進一步定義。使用NI PCI-7344四軸步進電機控制器和NI MID-7604功率電機驅動器，我們開發了控制真空室、快門控制儀器、攝像機和其它設備的軟件，以評估陣列的性能。

對系統的測試表明，未受控制的快門關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。

開發團隊決定使用運動的磁體以同步方式關閉快門，這樣磁場可以緩沖快門關閉的影響。2005年完工的測試室包含了新型的同步式開啟-關閉功能。

微快門控制系統
在不同的快門設計中，微快門必須能夠可靠地工作10萬個周期以上。與長時間測試不同，新型的測試室中快門的周期很快。由于電機的轉速高達240rpm，因此使用離心電纜連接到電機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，而且相距只有3英尺遠。

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行通信。新型系統還需要快速通信，并對584塊芯片的各項操作進行測試和功能驗證。系統必須滿足所有這些要求，而且需要在發生故障時保證安全。一次測試需要數天時間，并在一分鐘內開啟和關閉所有62,000個快門240次。如果系統不同步，在幾分鐘內就將造成快門的損壞。

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

控制設計
整個系統包含了控制測試室的主控計算機、在PXI控制器上運行的現場可編程門陣列(FPGA)主程序及在PXI-7813R上運行的FPGA軟件。利用FPGA主界面，工程師們可以校正系統和執行人工控制命令、創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的單周期循環內，以確保其不會錯過任何步驟。經濾波消除抖動后，位置值被寫入到先進先出存儲器(FIFO)中。FPGA上的另一個循環從FIFO中讀出數據，并根據磁鐵當前的位置決定快門的操作。該狀態機與584塊芯片進行通信，并使用協議開啟或關閉所需的行和列。

當FIFO溢出時，會導致控制微快門的狀態機運行速度不夠。軟件將向主計算機發送一個同步錯誤信號，這樣系統將關閉。

這個算法可以很好的工作，而且已經成為快門陣列控制實驗的基礎。在工程師們開發出新的算法來改善快門操作時，我們可以很容易地在狀態機方框圖中添加或更改算法。

LabVIEW FPGA Module和PXI-7813R節省了自定義芯片開發所需的數百個工時和數千美元的開銷。同時，我們能夠以較低成本修改控制算法來改進測試、查找快門問題，并進一步進行NASA MEMS微快門的陣列開發。