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轴激光干涉仪实现微动台与粗动台相对位置局部闭环测量采用 3 个 PSD 传感器粗动台与线缆台相对位置测量采用 2 个 PSD 传感器线 缆台与平衡块相对位置测量由 2 个光栅编码器采集完成平衡块相对地面位置信 息则由 4 个绝对光栅编码器采集平衡块电气限位信号 8 个。 在掩模台的测量系统中微动台绝对位置反馈测量由 9 轴激光干涉仪实现 微动台与粗动台相对位置局部闭环测量由 8 个电涡流传感器完成粗动台与平衡 块相对位置采用 2 个绝对编码器采集平衡块相对地面位置通过 2 个绝对光栅编 码器采集粗动台电气限位信号和平衡块电气限位信号共 8 个。系统所需采集的 信号数统计如表 2-3、表 2-4 所示。 2.1.2 系统设计问题分析及需求提出 为保证工件台控制系统的实时性系统中数百个传感器反馈数据须实时传输到运动控制器而运动控制器必须要在规定的伺服周期内完成 44 轴的位置解算、 精密轨迹插补、位置-加速度误差补偿、电机解耦等控制算法以及误差处理、控制 过程数据保存等任务最后将伺服运算结果输送到各个电机的驱动器。 目前步进扫描光刻机工件台控制系统广泛采用 VME 总线构架由于工件台控 制系统所需控制的电机数量大量增加而且反馈信号也大量增加如果只采用一台工控机来处理所有的信号导致系统数据负载量大、结构复杂一台机箱无法容纳众多的控制卡和信号处理卡。针对这种情况控制系统被分为运动控制子系统和激光数据采集子系统分别嵌入于运动控制侧与测量侧两个 VME 机箱中。运动控制子系统的 VME 机箱中插有多块运动控制卡MC、单板计算机卡和一块带有光纤 接口的主同步总线控制板MBC。MC 卡之间通过 VME 机箱的 P2 口自定义的非 复用同步位置数据总线PDB进行数据传输MBC 接收来自激光数据采集子系 统发过来的硅片台微动台、掩模台微动台的位置数据VME 总线作为单板计算机 与运动控制卡和 MBC 之间数据传输的通道用MBC、MC 初始化MC 固件下 载和命令传输等。针对以上 VME 控制系统归纳以下几点在进行系统设计中存在 的问题及需求 1多处理器之间数据传输实时性 VME 系统利用机箱背板的 P2 口自定义的非复用同步位置数据总线PDB作 为多块 MC 运动控制卡之间高速数据传输的通道用以在每个中断伺服周期200us 内传输实时的伺服数据和状态信息。由于 PDB 总线的数据传输带宽理论带宽为 320Mbps据统计系统数据传输量在 800B-4KB 范围内为了提高伺服系统采样 频率增强系统实时性总线带宽必须有所提高。 2处理器运算性能 VME系统中MC卡集成单核TMS320C6713b处理器其主频性能只有300MHz 现在 DSP 处理性能已超过 1GHz因此提高处理器主频可使得控制算法计算时间 缩短进而提升系统的实时性。 3光纤接口数量 在 VME 系统中每个 MC 卡集成了相应的光纤接口都能进行独立的数据采 集由于一块 MC 卡上光纤口资源有限导致出现以下复杂情况 情况 i例如微动台的伺服计算由一块 MC 完成由于单块 MC 卡光纤口有 限无法采集该微动台的所有传感器反馈信号那么微动台某一个反馈信号则必须 由另一块 MC 卡采集完成后经PDB 总线传输过来增加了不必要的总线数据传 输环节 情况 ii除了采集问题一块 MC 卡在每个伺服周期内控制微动台的 8 个电 机光纤口的不足致使此块 MC 卡须将相应的电机控制量通过 PDB 总线传输至另 一块 MC 卡由另一块 MC 卡的光纤口将最终的电机控制量发送至驱动器。 虽然单 DSP 单光纤口具有模块化的功能但所面临的系统环境复杂无法更 优的应用于当前系统中使得系统数据流不合理、凌乱。 4系统计算架构 VME 运动控制系统在数据计算方面采用多个单核 DSP 并行处理模式面对众多控制对象和传感器信号一台 VME 机箱无法容纳更的控制卡和信号处理卡。随着多核 DSP 技术的快速发展多个多核 DSP 并行计算模式有待应用不仅可以精简整个控制系统而且提高编程效率。 因此为了提高光刻机工件台的定位、跟踪精度以及生产效率控制系统必须在更短的伺服周期内完成大量的位置数据采集、数据传输、控制计算和控制量输出 等任务。然而基于 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、数据处理能力以及接口局限等多方面原因。因此亟待构建一种基于 VPX 总线的多核处理器并行处理架构并以此为基础开发工件台控制系统的硬件和软件试图将伺服周期缩短至 100us。 2.2.2 运动控制卡MC_4DSP_VPX 除了总线带宽之外运动控制卡核心处理器的性能也对工件台控制系统伺服周期影响较大目前在工业控制领域中单片机、ARM、DSP、FPGA 和 PowerPC 等一些微处理器比较常用。相比较而言单片机主要面向于低端市场ARM 在任 务管理、软件系统支持等方面具有优势FPGA 虽然在理论上可以达到更高频率和 信号处理速度可是编译复杂开发周期长由于 FPGA 具有超强的逻辑编程柔性和并行处理资源故只作为协处理器用在接收发送信号端ASML 公司采用的单核 PowerPC 成本高且存在技术封锁问题而且经过前期在 PowerPC 上的 RapidIO 带 宽测试通信延迟较大不符合系统设计要求DSP 具有杰出的大数据处理能力 而且随着处理数据量的增加单核 DSP 芯片发展越来越不满足系统要求传统嵌 入式系统是增加并行处理板上单核 DSP 芯片数量[34]或者增加单板数量这样会导 致单板面积增大、I/O 不足或机箱内板卡数过多等问题因此多核 DSP 在运算速 度、系统精简度和开发难度上有较好优势并且依靠上一代单核 DSP 系统具有 一定的可移植性。通过对系统需求以及处理芯片的性能和价格等方面的比较和分 析本文选取 TI 公司的 TMS320C6678 这一款多核 DSP 作为运动控制板卡的核心 处理器。 2运动控制卡MC_4DSP_VPX 运动控制卡 MC_4DSP_VPX 是一块通用的 6U VPX 板卡。考虑到系统的扩展 性例如后期需要融入对准系统曝光系统等子系统单板采用集成 4 片 C6678 和 1 片 K7 FPGA 的方案增加系统处理器的冗余度。每片 C6678 芯片可外挂 4GB 的 DDR3单板总存储容量可高达 16GB实现海量数据的存储可使用于大规模实 时信号处理。单板内部总体框图及实物图如图 2-7、图 2-8 所示。 运动控制卡 MC_4DSP_VPX 部分资源如下所述 板载 4 片 C6678 处理芯片工作频率最高为 1.25GHz一般保守设置为 1GHz 2 片 C6678 芯片作为 1 个处理节点其间通过互连总线 Hyperlink 实现通信 每片 C6678 和 FPGA 与 RapidIO Switch 的互连分别通过 1 路 X4 RapidIO 接口 和 2 路 X4 RapidIO 接口实现RapidIO Switch 提供 4 路 X4 RapidIO 接口与VPX 背板的 P1 口相连则多块板卡则通过背板的 RapidIO 总线和 P1 口实现数据传输。 2.2.3 光纤接口卡FC_FPGA_VPX 正如 2.1.2 节中提到的光纤接口数量受限问题本文方案拟将光纤接口与运动控制处理 卡 分离 所 有 的 光 纤 接 口 接 口 集 成 于 单 块 板 卡 。 光纤接口 卡FC_FPGA_VPX由硬件公司根据实验室需求完全定制设计板上使用 1 片 K7FPGA 实现光纤接口的管理。常用接口包括前面板 12 个协议可定义光口同步信号输入输出接口、JTAG 接口等。参考方案框如图 2-9 所示 光纤接口卡 FC_FPGA_VPX 部分资源如下所述 P1K7 FPGA 提供 4 个 x4 GTX P2K7_FPGA 提供 2 个 x1 PCIe P4K7 FPGA 提供多路 LVDS 差分对2 个 Ethernet P5K7 FPGA 提供多路 LVDS 差分对并根据要求定义 P6K7 FPGA 提供系统 SYN 信号及 32bit 自定义总线 前面板提供 12 路光纤采用 SFP 接口形式提供 LED 指示通断 前面板提供 1 路输出同步定时信号1 路输入同步定时信号采用 RJ45 接口 形式 2.2.4 主控卡HOST_CPU_VPX 主控卡 HOST_CPU_VPX 拟选用 PPCTBD结构根据项目要求所提的部 分资源需求描述如下 主控单元 CPU 采用高性能 PowerPC 内存8 GB DDR3 (1600 MHz) 硬盘采用 256G 固态硬盘 1 片 PCIE 转 RapidIO Switch 支持 VxWorks6.8 操作系统 对外接口 前面板 3 个 USB2.0 接口 前面板 2 个 RJ-45 输出千兆以太网 前面板 1 个 VGA 视频输出接口 背板 2 个 4XRapidIO。 2.2.5 VPX 机箱背板 VPX 机箱背板是系统数据传输链路是各功能模块之间的数据交互的基础 承载着系统全部功能模块除了给各个模块供电还为各模块间的数据高速传输提 供通道并为外接信号提供接口等。根据拓扑结构VPX 背板可以是星型、双星 型、菊花链型和孔网型等。 实验室所定制的 VPX 机箱采用 6U 加固式机箱背板共有 6 个槽位包括 1 个电源槽和 5 个处理模块槽其中3 槽为主控槽1,2,4,5 槽为负载槽。背板各槽 的连接方式如图 2-10 所示。 VPX 机箱背板部分资源描述如下所述 主控槽 P0P1P2 与其它板卡互连P3P4P5P6 与其它板卡不互连预 留为后插卡 P0主电源采用12V 供电、5V 供电、系统管理和复位等 P14 个 4X RapidIO 组成 FULLMESH 拓扑 P4 上每个负载槽有 2 路千兆以太网 P4 和 P5可作为 4 个 4XTS201LINK 接口使用也可作为 32 对高速 LVDS 信 号使用 P6 上定义了 32bit 自定义总线和 23bit 同步单端定时总线。 2.3 基于 RapidIO 总线的控制系统硬件体系结构设计 2.3.1 控制系统总体层次结构划分 由于工件台整机系统非常复杂涉及的传感器和电机轴特别多因此通过采用 主从结构对系统进行分层设计分析各部分的关联程度将不同的部分合理部署 在相应的层次中。如图 2-11 所示光刻机工件台整体运动控制系统共规划了五层 从上之下依次是总控制层、分系统层、运动控制层、IO 接口层和传感器执行器层 各层控制结构的具体功能[36]如下 1总控制层即上位机监视器不仅提供人机交互界面进行运行操作、测试 诊断、数据记录与存储、数据分析等工作而且通过与分系统层进行数据交互实 现对各个分系统的工作指令调度及协调管理完成工件台的工作流程。 2分系统层主要包含工件台运动控制分系统、对准分系统等各个分系统的主 控制器负责对各个分系统的软硬件管理及任务调度等。在工件台运动控制分系统 主控卡为 Power PC 板卡其工作在主模式对工件台运动控制层的从设备进行管 理与调度。通过以太网Ethernet与上位机通信实现命令接收、命令解析、任 务调度以及上传数据等任务。 3运动控制层包含有工作台运动控制卡、光纤接口卡和激光计数卡相对于 主控卡 HOST_CPU_VPX工作在从模式主要负责各控制台运动轴的闭环伺服控 制。其中运动控制卡主要实现相关伺服运算以及与分系统层通讯完成命令解析与 功能执行光纤接口卡作为数据交互中心为各种数据提供的外围接口负责位置 数据的接收数据的传输计算结果的输出激光计数卡则同步采集激光数据。 4IO 接口层由功率放大器控制卡驱动器和传感器卡组成。功率放大器控 制卡通过高速光纤接收运动控制层的控制指令并转化成电流实现对电机的驱动 而传感器卡将采集的多种传感器信号通过光纤上传至运动控制层。 5传感器执行器层的设备主要是各种传感器和电机负责实现物理信号位 置、温度、力等的采集以及电机的驱动。 2.3.2 基于 RapidIO 总线的控制系统架构 考虑到目前 DSP 性能的极大提高特别是保持与前期工作的兼容性充分利 用已有成果经验避免较大幅度的方案变动总控制层、IO 接口层和传感器执行 器层基本沿用了 VME 系统的部分技术方案依旧使用一台 VME 系统完成激光双 频干涉信号的处理与运动控制侧之间采用高速光纤连接。 运动控制子系统则根据控制系统分层结构并针对所提出的问题和需求采用 如图 2-12 所示的结构方案。方案中运动控制侧机箱采用 VPX 系统并结合 ASML 和华中科技大学等高校研制的基于 VME 总线的运动控制系统架构的优点将 RapidIO 总线作为运动控制卡 MC_4DSP_VPX 和光纤接口卡 FC_FPGA_VPX 互连 通信网络具体优点体现在一下几点 1运动控制卡 MC 采用高性能的多核处理器 TMS320C6678一方面提高了主频 另一方面多 DSP 多核大规模并行处理模式极大增强了系统的运算能力。 2运动控制卡 MC 采用 DSP 处理器与光纤接口模块分离式设计独立的光纤接口 卡增加了光纤接口数量以及提高了连线灵活性避免了系统数据流不合理现象。 3将 VME 总线和 PDB 总线替换成 RapidIO 总线和 UDB 总线运动控制卡和光 纤接口卡之间采用 RapidIO 互连通信由于总线带宽极大提升以及无须担心总线 拥堵等问题而且通过 UDB 总线自行构建合理的时钟网络。
