一种基于vpx总线的工件台同步运动控制系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体装备技术领域，涉及一种基于VPX总线的工件台同步运动控制系统及方法的设计。
【背景技术】
[0002]光刻机是IC制造的关键装备，国内外光刻机生产厂商如ASML、Nikon、Canon、SMEE以及一些工件台研究机构荷兰埃因霍温大学、飞利浦、以及国内高校清华大学、华中科技大学等均采用VME并行总线架构来开发光刻机工件台控制系统，最具代表性的是ASML的PASStepper^PAS Scanner^TffINSCAN AT^TffINSCAN XT等相关产品。
[0003]随着光刻机及其光刻工艺技术的发展与进步，光刻机工件台控制系统对并行计算、多传感器信息融合、复杂运动控制算法、实时性控制等要求越来越高，对相应的计算机系统平台的总线架构形式、总线带宽、数据处理性能、实时性能以及稳定性、可靠性和能耗等提出了更加苛刻的要求。
[0004]虽然VME总线计算机系统在可靠性、稳定性和扩展性等方面都得到充分的肯定，但传统的基于VME总线的工件台运动控制系统瓶颈主要在于总线数据吞吐速率、网络拓扑、数据处理能力等方面。随着计算机总线技术的不断发展，出现了新一代的串行总线，如Rapid1、PC1-E、千兆以太网Ethernet等，其中一些总线的数据传输带宽可达1Gbps，并得到广泛的应用。
[0005]VPX总线是由VITA组织制定的用以满足恶劣环境下高可靠性、高带宽要求的下一代高级计算平台标准。它是在VME工业总线的基础上发展而来的，是一种包含SerialRapid10[3]、PCIe、千兆以太网Ethernet等多种总线协议的多总线互连架构，其主要特点是:I)采用高速串行总线替代并行总线的技术；2)采用了 Serial Rapid1和AdvancedSwithching Interconnect等现代的工业标准的串行交换结构;3)具备强大的I/O能力和高性能网络交换能力支持更高的背板带宽，其最高理论带宽可达8GB/s;4)支持多种系统拓扑结构。
[0006]因此，为了实现光刻机工件台控制系统的有效和高性能控制，开展基于VPX总线的工件台运动控制系统研究具有重要工程价值与理论指导意义。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，针对类似于光刻机工件台的电机轴数多、信息量大以及控制算法复杂的平台，提出一种基于VPX总线的工件台同步运动控制系统及方法。该控制系统不但能够负载复杂的控制算法，而且具有灵活的网络拓扑结构、强实时性、高速数据传输能力以及强大的数据处理能力。
[0008]本发明的技术方案如下:
[0009]本发明所述的一种基于VPX总线的工件台同步运动控制系统包括VPX总线机箱、CPU主控单元、运动控制单元、光纤接口单元、功率放大器单元、电机驱动器单元、测量单元和人机交互单元;所述的VPX机箱设有一块6U五槽VPX背板、一个电源模块和多个散热风扇；所述的主控单元为一块CI3U主控卡;所述的运动控制单元包括一块或者两块DSP运动控制卡;所述的光纤接口单元包括一块或者两块FPGA光纤接口卡;所述的CPU主控卡、DSP运动控制卡和FPGA光纤接口卡均安插在VPX背板上，机箱内每块板卡通过背板上Rapid1总线通道互连;所述的功率放大器包括至少一块D/A数模转换卡；每块D/A数模转换卡的输入端与FPGA光纤接口卡对应的SFP光纤接口连接;所述的电机驱动器单元的输入端与相应的D/A数模转换卡的输出端连接，电机驱动器单元的输出端与平面电机电气接口的输入端连接;所述的测量单元包括电涡流信号采集卡、光栅信号采集卡和九轴激光信号采集卡;所述的人机交互单元与CPU主控单元通过有线或者无线连接。所述的人机交互单元包括远程监控模块、手动控制模块和警报器;远程监控模块通过以太网与CPU主控单元连接，手动控制模块和CPU主控单元通过232串行通信线、485串口通信线、蓝牙和USB中的一种或多种的组合相连接;警报器和CHJ主控单元通过232串行通信线、485串口通信线、蓝牙和USB中的一种或多种的组合相连接。
[0010]所述的VPX背板共有五个槽位，每个槽的PO区提供+12V、+5V供电、系统管理和复位接口，PI区提供四个X4串行Rap i d 1负载接口，构成基于Rap i d 1总线的FULLME SH拓扑结构，P2、P3、P4、P5、P6区分别提供PCIe负载接口、GTX接口、千兆以太网接口、TS201LINK接口和同步定时总线接口。
[0011]所述的CPU主控单元中的CPU主控卡为标准6U板卡，内嵌一片PowerPC微处理器、至少一个4X Rapid1总线接口、至少一个PC1-E总线接口、至少一个千兆以太网接口、一个串口接口、至少一个USB接口和一组8GB的DDR3内存。
[0012]所述的运动控制单元中的DSP运动控制卡为标准6U板卡，配置有四片多核TMS320C6678 DSP芯片、一片V6FPGA芯片、一个Rapid1交换芯片和一组16GB的DDR3内存；其中，四片C6678芯片分为两个处理节点，每个节点内的两片C6678之间通过总线Hyperlink互连;所述的每片TMS320C6678 DSP芯片和V6 FPGA芯片通过Rapid1交换芯片与VPX总线机箱背板上的Rapid1连接器相互连接。
[0013]所述的光纤接口单元中的FPGA光纤接口卡为标准6U板卡，包括一片K7FPGA芯片、一路4X Rapid1总线接口、十二路SFP光纤接口、一路同步定时信号输出接口、一路同步定时信号输入接口和一个JTAG接口。
[0014]所述的远程监控模块采用台式计算机、笔记本电脑、工控机、平板电脑和智能手机中的一种或多种组合，手动控制模块采用移动式有线或者无线示教盒，警报器采用具有蜂鸣器和LED闪灯的报警器装置。
[0015]本发明提供的一种同步运动控制方法，其特征在于:所述的系统控制方法如下:
[0016]I)电涡流信号采集卡、光栅信号采集卡和九轴激光信号采集卡采集到的多路模拟信号转换成光信号，发送至FPGA光纤接口卡；
[0017]2)远程监控模块通过以太网通信接口将控制指令发送给CPU主控单元的CPU主控卡PowerPC处理板卡；
[0〇18] 3 )PowerPC处理板卡将接收到的指令解析并通过Rapid1总线发送到FPGA光纤接口卡；
[0019]4)FPGA光纤接口卡将光信号转换成数字信号，将反馈的光纤数据及上位机指令数据整理、打包，通过Rapid1总线同步分发给DSP运动控制卡上对应的子节点DSP;
[0020]5)各子节点DSP对光纤反馈数据进行多核同步伺服控制，并将控制过程信息和电机控制量通过Rapid1总线返回给FPGA光纤接口卡；
[0021 ] 6)FPGA光纤接口卡将经FPGA处理后的电机控制量通过光纤发送到D/A数模转换卡，完成电机模拟控制量的输出，并将控制过程信息反馈至PowerPC处理板卡；
[0022]7)PoWerPC处理板卡通过以太网通信接口将控制过程信息或紧急信息发送至远程监控模块和警报器。
[0023]所述的多核同步伺服控制的流程如下:
[0024]I )DSP运动控制卡启动锁相环PLL、计时器、Rapid1初始化程序，并进行多核定时同步设置；
[0025]2)所述的多核定时同步设置采用如下步骤:
[0026]1.光纤接口单元内置FPGA初始化完成后，通过内部计时器生成T单位的定时脉冲；
[0027]?.每次定时脉冲产生时，FPGA触发GP1端口上升沿或下降沿信号，相应的GP1端口与VPX背板P6接口内的LVDS时钟信号线连接，其他FPGA光纤接口卡、DSP运动控制卡和CPU主控卡上对应的GP1端口均与VPX背板P6接口内的LVDS时钟信号线相连；
[0028]ii1.DSP运动控制卡内四个多核DSP TMS320C6678初始化各自GP1中断，并禁止相应GP1端口中断。
[0029]iv.将四个TMS320C6678各自的GP1中断号挂载相应的中断服务子程序，由TMS320C6678的主核通过外设产生一个或多个次级中断事件，作为DSP芯片中片级中断控制器0、1的系统事件触发源；
[0030]V.片级中断控制器O、I接收系统中断事件后，将其映射到对应的内部通道口，并产生广播事件，其中内部通道口与TMS320C6678各核内部中断系统连接；
[0031 ] v1.将TMS320C6678各核接收对应的广播事件与各自的伺服中断服务子程序相关联。
[0032]3)根据TMS320C6678核号执行相应分支中的控制台参数初始化程序，包括平台运动模式、轨迹参数、测量系统参数、控制器参数、执行器参数初始化；
[0033]4)使能TMS320C6678的GP1 口中断，允许接收由FPGA光纤接口卡产生的T单位的定时脉冲信号，未接收到，执行流程5)背景循环任务，若接收到，通过Rapid1接收由FPGA光纤卡发送的传感器反馈数据包，并存储于4M共享内存相应区间，转跳到流程6)伺服中断服务子程序；
[0034]5)所述的背景循环任务流程如下:
[0035]1.通过Rapid1接收处理由FPGA光纤接口卡转发的上位机命令、参数；
[0036]i1.通过Rapid1发送非实时状态信息至FPGA光纤接口卡；
[0037]ii1.定时脉冲信号是否触发，“是”则转跳到流程6)伺服中断服务子程序；“否”则跳转到流程5)的步骤i;
[0038]6)所述的伺服中断任务流程如下:
[0039]1.各核从4M共享内存相应区间取传感器反