基于FPGA的增量式光柵信號采集系統(tǒng)設(shè)計

涂 驍，周云飛，周柔剛，梁 濤

（華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430074）

0 引 言

在100nm 的步進(jìn)掃描光刻機(jī)中，要求硅片臺和掩膜臺的定位精度小于10nm，對于粗動臺而言其精度也要達(dá)到μm 級別［1，2］。目前，工作臺的位置和速度信息的獲取主要由高精度的增量式光柵尺來測量。而工作臺高精度位置速度信息的獲取僅靠光柵尺本身的物理測量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，更需要建立一套高速實時有效的增量式光柵尺信號采集系統(tǒng)，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和快速上傳。

針對上述要求，本文設(shè)計了一種基于FPGA （現(xiàn)場可編程門陣列），能實現(xiàn)增量式光柵信號高速實時采集的系統(tǒng)。以RS485為接口，建立增量式光柵尺信號的高速采集通道，利用FPGA 實現(xiàn)光柵信號的處理邏輯和光纖數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂七壿嫞⒁噪p模光纖作為傳輸媒介，將數(shù)據(jù)高速上發(fā)給上位機(jī)控制系統(tǒng)。

本系統(tǒng)傳輸速率高、距離長、抗干擾能力強(qiáng)，且具有良好的拓展性。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

增量式光柵尺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)涵蓋了從光柵尺信號輸入端到輸出端的系統(tǒng)的整體構(gòu)架。包括DB9接口、RS485收發(fā)器、FPGA 內(nèi)部的增量式鑒相解析模塊、光纖接口模塊、光纖控制內(nèi)核模塊。其主要功能說明如下：

（1）DB 9接口：該接口共9根引線，選取該接口是為了和增量式光柵尺的輸出接口配套。

（2）RS485 收發(fā)器：本系統(tǒng)選取的RS485 收發(fā)器為SN75HVD10D。該芯片支持差分信號輸入輸出，實現(xiàn)差分與單端信號的相互轉(zhuǎn)化，具有較好的抗干擾能力。本系統(tǒng)是作為光柵信號的接收端，故只需通過FPGA 設(shè)置該芯片為接收模式。

（3）增量式鑒相解析模塊：該模塊由FPGA 實現(xiàn)，主要將接收的A、B 脈沖進(jìn)行鑒相比較，然后將比較的結(jié)果計數(shù)上傳。若A 脈沖超前B脈沖90度，則計數(shù)器加1，反之，則計數(shù)器減1［3］。計數(shù)器的值代表具有相位關(guān)系的AB脈沖的個數(shù)，表征光柵尺運動軸相對移動位置。

（4）光纖接口模塊：該模塊主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集緩沖和存儲時序邏輯。

（5）光纖控制內(nèi)核模塊：該模塊是本系統(tǒng)最核心模塊，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收邏輯，光纖通信協(xié)議的控制邏輯，包括數(shù)據(jù)的成幀與解幀，8B10B 編碼與解碼等。負(fù)責(zé)與上位機(jī)的光纖通信控制。

圖1 增量式光柵數(shù)據(jù)采集卡結(jié)構(gòu)

2 增量式光柵信號采集原理

在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，增量式光柵尺由動尺和定尺2部分組成。動尺在定尺上移動的過程中產(chǎn)生脈沖序列：A 脈沖、B脈沖、Z脈沖［4］。3種脈沖包含了動尺的運動位置、速度和方向信息。其中，A、B脈沖包含了動尺相對于定尺的移動距離和方向信息，Z 脈沖表征了動尺在光柵尺中點和兩端點的信息［5］。

增量式光柵尺信號的輸出方式有TTL 輸出方式和EIA422A 輸出方式。其中，TTL 輸出方式易產(chǎn)生共模干擾，且傳輸距離較短；而EIA422A 輸出方式屬于差分傳輸方式，則抗干擾能力強(qiáng)，且傳輸距離相對較長［6］。本系統(tǒng)采用EIA422A 方式傳輸。

對于每個時鐘周期，輸出A 脈沖與B脈沖的相位始終相差90°。當(dāng)A 脈沖相位超前B脈沖90°時，表示動尺相對于定尺正向移動；反之，若A 脈沖相位滯后B脈沖90°，則意味著動尺相對于定尺反向移動［7］，如圖2所示。由于光柵尺動尺相對于定尺每移動一個柵距，光柵尺就輸出一個A、B、Z脈沖。因此通過在一定時間內(nèi)，計算采樣的AB 脈沖數(shù)，就可以準(zhǔn)確換算出動尺對定尺的相對位移。本系統(tǒng)本質(zhì)上就是實現(xiàn)對AB脈沖數(shù)的采集以及AB相位判斷。

圖2 A、B、R 脈沖相位

3 增量式光柵尺信號控制邏輯的FPGA實現(xiàn)

3.1 增量式鑒相解析模塊

該模塊是FPGA 控制邏輯中的信號處理端，主要實現(xiàn)脈沖的相位鑒定和脈沖計數(shù)。其結(jié)構(gòu)包含光柵尺信號緩沖器、濾波去抖模塊、鑒相比較模塊、32位可逆計數(shù)器和時延去抖模塊，如圖3所示。

（1）光柵尺信號緩沖器：由于傳輸線路阻抗不匹配或者焊接存在虛焊等，有可能使得A、B、Z 三路信號不穩(wěn)定，因此在接口端需要一個緩沖器，將數(shù)據(jù)鎖存延時，待穩(wěn)定之后再下發(fā)給下一模塊。本系統(tǒng)經(jīng)實驗驗證將數(shù)據(jù)鎖存2個節(jié)拍可滿足要求。

圖3 增量式鑒相解析模塊結(jié)構(gòu)

（2）濾波去抖模塊：由于采用的是DB9接口，不具有信號屏蔽功能，信號傳輸時可能會引入噪聲；同時光柵尺的動尺在運動時因意外出現(xiàn)的抖動也會反映在輸出信號中；另外，采集卡硬件設(shè)計的缺陷等都會引入噪聲，因此建立濾波去抖模塊很有必要。該模塊濾波去抖原理如下：本系統(tǒng)的采樣時鐘為125 M，當(dāng)信號在連續(xù)3個時鐘周期內(nèi)檢測的電平為高或者為低，則認(rèn)為該信號有效；反之，若該信號在連續(xù)的3時鐘周期內(nèi)檢測的電平出現(xiàn)高低跳變，則認(rèn)為該信號中存在毛刺，為無效。通過上述方法可以濾除一定頻率范圍噪聲，不能濾除全部噪聲，但實驗證明對于本系統(tǒng)已經(jīng)足夠。

（3）鑒相比較模塊：該模塊主要實現(xiàn)A、B 脈沖的相位判定。在一個信號周期內(nèi)，AB脈沖的電平變化如圖4所示。當(dāng)A 脈沖超前B 90°時：A、B的電平變化為00→10→11→01；當(dāng)A 脈沖滯后B 90°時，A、B的電平變化為00→01→11→10，通過檢測AB的電平變化，可以判定A、B脈沖的相位［8，9］。本文采用的脈沖檢測法：即通過在A 或B脈沖邊沿時，檢測B或A 的電平狀態(tài)來判斷兩者的相位關(guān)系，如表1所示：其中A＿pos、A＿neg、A＿h(yuǎn)igh、A＿low、A＞B、A＜B、◎分別是A 脈沖上升沿、下降沿、高電平、低電平標(biāo)志位、A 超前B900、A 脈沖滯后B 脈沖900、該狀態(tài)有效 “1”；B同上。當(dāng)A＿pos＝1，B＿low＝1時，可以確定A 脈沖超前B 脈沖900，其它狀態(tài)按照表1依次類推，最后將A 超前B或B超前A 的各個狀態(tài)分別求或，即可判定AB的相位關(guān)系。

圖4 A、B脈沖相位比較

表1 A、B鑒相狀態(tài)圖

（4）32位可逆計數(shù)器：當(dāng)計數(shù)器收到A 超前B 脈沖90°的標(biāo)志信息時，則加1；反之，則減1。由于采用的是32位二進(jìn)制計數(shù)器，且時鐘為125 M，那么該計數(shù)器會出現(xiàn)多位同時翻轉(zhuǎn)的情況，這樣會產(chǎn)生干擾脈沖，出現(xiàn)競爭冒險，使得計數(shù)數(shù)據(jù)出現(xiàn)不穩(wěn)定甚至錯誤。對于該情況，一般可以采用格雷碼計數(shù)器，因為格雷碼計數(shù)器不存在多位同時翻轉(zhuǎn)的情況，就不會引入噪聲，但是該計數(shù)器數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制后才便于直觀的讀取，且增加了編寫難度［10］。本系統(tǒng)利用D 觸發(fā)器的D 輸入端對毛刺信號不敏感的特點，在可逆計數(shù)器后面，用2級D 觸發(fā)器鎖存，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，再上傳。該功能由時延去抖模塊完成。實驗證明此方法可行有效。

3.2 光纖接口模塊

光纖接口模塊主要用于接收各類傳感器信號，按照一定的邏輯時序傳給光纖控制內(nèi)核，為數(shù)據(jù)存儲提供接口。該模塊包括32位數(shù)據(jù)接收端口、信號緩沖器、數(shù)據(jù)發(fā)送端口3部分，如圖5所示。其中當(dāng)32位數(shù)據(jù)接收端口接到來自光纖內(nèi)核的觸發(fā)信號時，就開始進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，傳給信號緩沖器，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定之后，傳到數(shù)據(jù)發(fā)送端口，該端口將數(shù)據(jù)及地址和寫使能信號按照DPRAM （雙口RAM）的存儲時序，發(fā)送至光纖控制內(nèi)核的發(fā)送DPRAM 存儲，當(dāng)數(shù)據(jù)存儲完畢后，數(shù)據(jù)發(fā)送端口會向光纖控制內(nèi)核中的發(fā)送控制器發(fā)送觸發(fā)啟動信號，表示發(fā)送控制器可以啟動數(shù)據(jù)讀取，開始工作。

圖5 光纖接口模塊結(jié)構(gòu)

該光纖接口模塊可以將多種傳感器信號，按照一定的存儲時序下發(fā)給控制內(nèi)核中的DPRAM，具有良好的擴(kuò)展性。

3.3 光纖控制內(nèi)核模塊

3.3.1 數(shù)據(jù)幀格式定義光纖通信鏈路中數(shù)據(jù)按照一定的幀格式定義，目的是為了保證數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中不出現(xiàn)失幀、丟幀錯誤［11］。而繁雜的數(shù)據(jù)幀定義能夠提高數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，但是增加了FPGA 邏輯資源開銷。為了減小FPGA 的開銷且保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，本文簡化了幀格式定義，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)幀格式定義

一個完整的數(shù)據(jù)幀包含開始幀SOF、幀頭、幀頭檢驗、實際數(shù)據(jù)、同步字符、數(shù)據(jù)和校驗和結(jié)束幀EOF。其中，開始幀SOF表示新的一幀的開始。幀頭共4個字節(jié)：第一個存放當(dāng)前幀包含的數(shù)據(jù)個數(shù)，即幀長；第二個存放當(dāng)前幀的起始地址，當(dāng)接收數(shù)據(jù)幀時，數(shù)據(jù)域中的長字將逐字存放到目標(biāo)模塊中從該地址開始的一系列連續(xù)的空間中；第三字節(jié)未使用；第四字節(jié)存放發(fā)送模塊對接收模塊的控制信息，當(dāng)控制信息中指定位被置1后，目標(biāo)模塊將被復(fù)位。和校驗就是幀頭或數(shù)據(jù)中所有字節(jié)之和，是保證數(shù)據(jù)傳輸正確的重要方式。同步字符SYNC用于數(shù)據(jù)幀的填充，作為接收端字對齊的標(biāo)志，若接收端檢測到該字符在數(shù)據(jù)邊界，表明該幀中數(shù)據(jù)邊界對齊，反之，則通過重新調(diào)整恢復(fù)時鐘與字邊界的相位關(guān)系，來調(diào)整數(shù)據(jù)邊界，雖然當(dāng)前的數(shù)據(jù)被縮短或延長，數(shù)據(jù)出現(xiàn)損壞，但同步字符之后的數(shù)據(jù)又重新對齊了字邊界。

3.3.2 光纖控制內(nèi)核結(jié)構(gòu)

光纖控制內(nèi)核模塊是整個系統(tǒng)中的核心模塊，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送控制邏輯，光纖通信協(xié)議解析，主要包含通信的物理層和傳輸層。其中物理層由光纖頭、串并轉(zhuǎn)換器和LED 指示燈組成，實現(xiàn)編碼數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換、時鐘倍頻、時鐘提取、錯誤顯示，為高速實時通信提供物理支持；傳輸層由FPGA 實現(xiàn)，包含時延模塊、8B10B編碼解碼模塊、物理鏈路檢測模塊、LED 驅(qū)動模塊、發(fā)送接收控制模塊、發(fā)送端接收端DPRAM 和跨時鐘域同步模塊。各個模塊協(xié)調(diào)工作，完成數(shù)據(jù)的組幀與解幀，編碼與解碼，發(fā)送與接收。

光纖控制內(nèi)核結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 光纖控制內(nèi)核結(jié)構(gòu)

（1）串并轉(zhuǎn)換器 （SERDES）：本系統(tǒng)采用的SERDES為TLK1221芯片，最大支持1.3Gbps傳輸速率。發(fā)送端，SERDES用高速時鐘調(diào)質(zhì)編碼數(shù)據(jù)流，將接收的10bit的并行數(shù)據(jù)以PECL 差分信號串行輸出，為長距離傳輸提供電平支持；接收端，SERDES主要從數(shù)據(jù)流中恢復(fù)出時鐘信號，并解調(diào)還原數(shù)據(jù)。

（2）8B10B 編碼解碼模塊：8B10B 編碼是一種將8bit元數(shù)據(jù)通過運算編碼為10bit的算法，其特點為編碼后的數(shù)據(jù)沒有5個長的連 “0”或連 “1”串，因為連 “0”或連“1”串所含的數(shù)據(jù)信息量小，不利于驅(qū)動參考時鐘與數(shù)據(jù)隨路時鐘對齊，會造成恢復(fù)時鐘的抖動或漂移。8B10B 解碼的過程與編碼相反，主要將10bit數(shù)據(jù)恢復(fù)成8bit元數(shù)據(jù)。8B10B的編碼方式已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，這里不再詳述［12］。

（3）物理鏈路檢測模塊：該模塊實現(xiàn)對光纖線路通信狀態(tài)的實時監(jiān)測，其原理為：數(shù)據(jù)幀中會插入同步字符，當(dāng)光纖正常傳輸時，數(shù)據(jù)幀中相應(yīng)位置會有同步字符，該模塊通過在一定時間內(nèi)檢測到同步字符，來判斷光纖正常，并將正常標(biāo)志位傳給LED 驅(qū)動器，以驅(qū)動相應(yīng)LED 顯示；反之，若在一段時間未在指定地方檢測到同步字符，則判定光纖物理連接錯誤，并報以LED 指示。

（4）發(fā)送邏輯控制器 （TX＿CTRL）：當(dāng)收到觸發(fā)啟動信號后，TX＿CTRL開始按照讀時序，從發(fā)送DPRAM 中讀取數(shù)據(jù)，然后按照定義的數(shù)據(jù)幀的格式，每8位為一組發(fā)送，當(dāng)發(fā)送結(jié)束幀EOF時表示一幀已經(jīng)發(fā)送完畢，返回到等待狀態(tài)，等待下一次的觸發(fā)。在數(shù)據(jù)幀中插入了同步字符SYNC，便于接收端的字對齊。另外，當(dāng)TX＿CTRL接收到來自接收控制器的反饋信息應(yīng)答幀ATC 時，表示接受端數(shù)據(jù)接收完畢，則TX＿CTRL 將該信息反饋至上位機(jī)。其躍遷狀態(tài)如圖8所示。

圖8 發(fā)送控制器狀態(tài)躍遷

（5）接收邏輯控制器RX＿CTRL：接收控制器在恢復(fù)時鐘的節(jié)拍下將串行的數(shù)據(jù)流經(jīng)過8B／10B譯碼接收，將校驗正確的數(shù)據(jù)保存到接收DPRAM 中，同時產(chǎn)生應(yīng)答信號ATC，反饋給發(fā)送控制器，途中經(jīng)過跨時鐘域同步模塊，即經(jīng)過雙D 觸發(fā)器串聯(lián)緩沖，可減少亞穩(wěn)態(tài)。當(dāng)檢測到SOF字符表示一幀開始，然后按照數(shù)據(jù)幀的格式每8位一組接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)正確，則存儲到DPRAM 中，當(dāng)檢測到EOF字符表示一幀結(jié)束，此時發(fā)出應(yīng)答幀ATC 表示該幀數(shù)據(jù)接收完畢，其躍遷狀態(tài)如圖9所示。

圖9 接收控制器狀態(tài)躍遷

4 光柵信號采集系統(tǒng)實驗驗證

本實驗旨在驗證該增量式光柵信號采集系統(tǒng)的可行性與可靠性。實驗原理如下圖所示：增量式編碼器連續(xù)產(chǎn)生相位差為90°脈沖信號A、B，以此作為信號源，光柵信號采集卡連續(xù)采集該信號，并將計數(shù)數(shù)據(jù)通過光纖線以1.25 Gbps速率上傳到運動控制板卡中DSP的相應(yīng)的寄存器中，然后通過CCS開發(fā)軟件實時觀測數(shù)據(jù)變化，如圖10所示。由于信號源按照一定頻率連續(xù)上傳，那么計數(shù)器的數(shù)值會等差遞增或者遞減，在code composer studio DSP開發(fā)軟件中觀測的計數(shù)值相對于時間的函數(shù)則是一條遞增或遞減的直線，如圖11所示，經(jīng)過長時間測試，直線穩(wěn)定，表明本采集系統(tǒng)可行可靠。

圖10 實驗原理連接

圖11 實驗結(jié)果

5 結(jié)束語

為了實現(xiàn)增量式光柵尺精確定位，設(shè)計了基于FPGA的光柵尺信號的高速采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有如下特點：

（1）利用FPGA 實現(xiàn)增量式光柵脈沖信號的相位鑒別和4倍頻脈沖計數(shù)，125 M 的采樣時鐘滿足系統(tǒng)采樣速度要求；

（2）定義了光纖傳輸數(shù)據(jù)幀格式，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院腿蒎e性；

（3）設(shè)計了光纖控制內(nèi)核結(jié)構(gòu)，采用TLK1221芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的串并轉(zhuǎn)換和1.25G 的高速光纖傳輸；同時，發(fā)送接收控制模塊的設(shè)計，控制數(shù)據(jù)流流向，實現(xiàn)光柵數(shù)據(jù)采集卡與上位機(jī)控制卡的信號交互的邏輯控制。

該系統(tǒng)已在100nm 光刻機(jī)中得到應(yīng)用，且具有較好的擴(kuò)展性。

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