以MEMS元件組成的微快門系統，除了在設計上有諸多挑戰外，在整體系統測試工作的進行上，也遭遇須自製客製化晶片與如何有效控制快門開關的問題，然透過PXI模組化儀器與LabVIEW軟體，可同步作業控制MEMS微快門，進一步節省人力與成本。
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，此望遠鏡將可協助NASA進一步解宇宙誕生與大爆炸(Big Bang)理論。
由歐洲太空總署(European Space Agency, ESA)開發，並由NASA所主建的近紅外線分光儀(Near Infrared Spectrometer, NIRSpec)為JWST主要架構。為量測眾多的暗天體(Faint Object)，JWST須能於不明位置中，同時觀察大量天體。
對於這些不明位置觀察天體，NASA特別開發微機電系統(MEMS)微快門(Microshutter)陣列，是由尺寸為100微米(μm)×200微米快門構成的171×365行列矩陣，透過隨機存取控制(RAC)開啟。以2×2矩陣所構成的四組微快門陣列，將可建立約包含二十五萬組快門的可程式化透射光罩(Transmission Mask)，讓NIRSpec可同步對準超過一百個暗天體，進而提升望遠鏡的作業效率。
微快門陣列設計挑戰大
微快門是長方形快門，可藉由其開關動作阻擋光線。快門轉軸安裝於撓曲(Flexure)的氮化矽上，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。快門陣列的製作程序實為開發中的複雜新技術。NASA製作的單一陣列為三百六十五行與一百七十一列所構成，共超過六萬二千組快門，將快門固定於基板上，並以一組格線銜接陣列，使其可判斷行列乃至於各組快門。若要開啟快門，可將一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，而行列間的靜電電荷將維持其開啟狀態。
工程師須自行製作快門陣列，以針對整體設計的某些概念進行測試，透過美商國家儀器(NI)模組化四軸式步進馬達控制器與電動馬達驅動器，再利用LabVIEW開發的軟體控制真空室、快門控制儀控作業、相機與其他裝置，可評估陣列的整體效能。
透過此測試系統，可發現未受控制的快門釋放(Shutter Release)將影響快門的效能，而在不進行控制的方法中，必須關閉快門行列的電源，才能關閉快門。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，因此開發團隊決定使用磁石同步開啟快門，並以磁場緩衝關閉快門時的衝擊力道，目前測試實驗室已完成同步化的鎖存與釋放(Latching-and-release)功能。
控制系統同步以減少快門損壞
在不同快門設計中，微快門均須穩定作業超過十萬個週期，測試實驗室須能迅速進行快門測試，而不能花上數年進行測試。由於馬達的旋轉速度最高可達240rpm，因此使用偏心繩索(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四次。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三百六十五行。
為控制快門，必須溝通控制電子裝置與客製的高壓移位暫存器。系統亦須能迅速溝通公用程式，以測試並檢驗五百八十四組晶片的多項作業，且系統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六萬二千組快門達二百四十次，若系統無法達到同步化，其誤差將於數分鐘內損壞多組快門。
為達到上述要求，工程師須設計並製作客製化晶片，為更節省時間，可利用PXI機箱與控制器，搭配一組可重設輸入/輸出(I/O)模組，並使用LabVIEW現場可編程閘陣列(FPGA)模組程式執行快門控制作業。整組系統包含可控制測試實驗室的主機電腦、由PXI控制器所執行的一組FPGA主程式，與PXI模組化儀器所執行的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、建立並下載點陣圖寫入至陣列中，並透過五百八十四組晶片的其他函式進行自我診斷作業。
FPGA軟體透過相位差編碼器(Quadrature Encoder)或絕對型編碼器(Absolute Encoder)，讀取磁石的位置。將Encoder-decoding運算式置於40MHz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後，將位置值(Position Value)放置於先進先出(FIFO)中。FPGA的另一組迴路將讀取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五百八十四組晶片，以關閉或開啟相對應的行與列。若FIFO發生溢位(Overflow)，亦即控制快門的狀態機器未達所需速度，軟體將對主機電腦發出同步化作業錯誤訊息，系統進而關機。未來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區塊中的運算式。
由上述可知，LabVIEW FPGA模組與PXI-7813R，可針對客製晶片的開發作業，省下大量的人力工時與成本。此外，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。
(本文作者Eric Lyness任職於Mink Hollow Systems、David Rapchun與Knute Ray任職於美國太空總署Goddard太空飛行中心)