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(tái)和掩膜臺(tái)的定位精度小于10nm，對(duì)于粗動(dòng)臺(tái)而言其精度也要達(dá)到μm 級(jí)別［1，2］。目前，工作臺(tái)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(cè)量。而工作臺(tái)高精度位置速度信息的獲取僅靠光柵尺本身的物理測(cè)量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，更需要建立一套高速實(shí)時(shí)有效的增量式光柵尺信號(hào)采集系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和快速上傳。

針對(duì)上述要求，本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA （現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列），能實(shí)現(xiàn)增量式光柵信號(hào)高速實(shí)時(shí)采集的系統(tǒng)。以RS485為接口，建立增量式光柵尺信號(hào)的高速采集通道，利用FPGA 實(shí)現(xiàn)光柵信號(hào)的處理邏輯和光纖數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂七壿?，并以雙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(jì)

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(hào)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(hào)輸入輸出，實(shí)現(xiàn)差分與單端信號(hào)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(hào)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(shí)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(jì)數(shù)上傳。若A 脈沖超前B脈沖90度，則計(jì)數(shù)器加1，反之，則計(jì)數(shù)器減1［3］。計(jì)數(shù)器的值代表具有相位關(guān)系的AB脈沖的個(gè)數(shù)，表征光柵尺運(yùn)動(dòng)軸相對(duì)移動(dòng)位置。

（4）光纖接口模塊：該模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集緩沖和存儲(chǔ)時(shí)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(shí)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(hào)采集原理

在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，增量式光柵尺由動(dòng)尺和定尺2部分組成。動(dòng)尺在定尺上移動(dòng)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(dòng)尺的運(yùn)動(dòng)位置、速度和方向信息。其中，A、B脈沖包含了動(dòng)尺相對(duì)于定尺的移動(dòng)距離和方向信息，Z 脈沖表征了動(dòng)尺在光柵尺中點(diǎn)和兩端點(diǎn)的信息［5］。

增量式光柵尺信號(hào)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(duì)較長［6］。本系統(tǒng)采用EIA422A 方式傳輸。

對(duì)于每個(gè)時(shí)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(shí)，表示動(dòng)尺相對(duì)于定尺正向移動(dòng)；反之，若A 脈沖相位滯后B脈沖90°，則意味著動(dòng)尺相對(duì)于定尺反向移動(dòng)［7］，如圖2所示。由于光柵尺動(dòng)尺相對(duì)于定尺每移動(dòng)一個(gè)柵距，光柵尺就輸出一個(gè)A、B、Z脈沖。因此通過在一定時(shí)間內(nèi)，計(jì)算采樣的AB 脈沖數(shù)，就可以準(zhǔn)確換算出動(dòng)尺對(duì)定尺的相對(duì)位移。本系統(tǒng)本質(zhì)上就是實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)控制邏輯的FPGA實(shí)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(hào)處理端，主要實(shí)現(xiàn)脈沖的相位鑒定和脈沖計(jì)數(shù)。其結(jié)構(gòu)包含光柵尺信號(hào)緩沖器、濾波去抖模塊、鑒相比較模塊、32位可逆計(jì)數(shù)器和時(shí)延去抖模塊，如圖3所示。

（1）光柵尺信號(hào)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(hào)不穩(wěn)定，因此在接口端需要一個(gè)緩沖器，將數(shù)據(jù)鎖存延時(shí)，待穩(wěn)定之后再下發(fā)給下一模塊。本系統(tǒng)經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證將數(shù)據(jù)鎖存2個(gè)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(hào)屏蔽功能，信號(hào)傳輸時(shí)可能會(huì)引入噪聲；同時(shí)光柵尺的動(dòng)尺在運(yùn)動(dòng)時(shí)因意外出現(xiàn)的抖動(dòng)也會(huì)反映在輸出信號(hào)中；另外，采集卡硬件設(shè)計(jì)的缺陷等都會(huì)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(shí)鐘為125 M，當(dāng)信號(hào)在連續(xù)3個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)檢測(cè)的電平為高或者為低，則認(rèn)為該信號(hào)有效；反之，若該信號(hào)在連續(xù)的3時(shí)鐘周期內(nèi)檢測(cè)的電平出現(xiàn)高低跳變，則認(rèn)為該信號(hào)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(shí)驗(yàn)證明對(duì)于本系統(tǒng)已經(jīng)足夠。

（3）鑒相比較模塊：該模塊主要實(shí)現(xiàn)A、B 脈沖的相位判定。在一個(gè)信號(hào)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(shí)：A、B的電平變化為00→10→11→01；當(dāng)A 脈沖滯后B 90°時(shí)，A、B的電平變化為00→01→11→10，通過檢測(cè)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(cè)法：即通過在A 或B脈沖邊沿時(shí)，檢測(cè)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(shí)，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(gè)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(jì)數(shù)器：當(dāng)計(jì)數(shù)器收到A 超前B 脈沖90°的標(biāo)志信息時(shí)，則加1；反之，則減1。由于采用的是32位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，且時(shí)鐘為125 M，那么該計(jì)數(shù)器會(huì)出現(xiàn)多位同時(shí)翻轉(zhuǎn)的情況，這樣會(huì)產(chǎn)生干擾脈沖，出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)，使得計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)出現(xiàn)不穩(wěn)定甚至錯(cuò)誤。對(duì)于該情況，一般可以采用格雷碼計(jì)數(shù)器，因?yàn)楦窭状a計(jì)數(shù)器不存在多位同時(shí)翻轉(zhuǎn)的情況，就不會(huì)引入噪聲，但是該計(jì)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(duì)毛刺信號(hào)不敏感的特點(diǎn)，在可逆計(jì)數(shù)器后面，用2級(jí)D 觸發(fā)器鎖存，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，再上傳。該功能由時(shí)延去抖模塊完成。實(shí)驗(yàn)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(hào)，按照一定的邏輯時(shí)序傳給光纖控制內(nèi)核，為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供接口。該模塊包括32位數(shù)據(jù)接收端口、信號(hào)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(hào)時(shí)，就開始進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，傳給信號(hào)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(hào)按照DPRAM （雙口RAM）的存儲(chǔ)時(shí)序，發(fā)送至光纖控制內(nèi)核的發(fā)送DPRAM 存儲(chǔ)，當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完畢后，數(shù)據(jù)發(fā)送端口會(huì)向光纖控制內(nèi)核中的發(fā)送控制器發(fā)送觸發(fā)啟動(dòng)信號(hào)，表示發(fā)送控制器可以啟動(dòng)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(hào)，按照一定的存儲(chǔ)時(shí)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(cuò)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(jiǎn)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(gè)完整的數(shù)據(jù)幀包含開始幀SOF、幀頭、幀頭檢驗(yàn)、實(shí)際數(shù)據(jù)、同步字符、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)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(gè)字節(jié)：第一個(gè)存放當(dāng)前幀包含的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，即幀長；第二個(gè)存放當(dāng)前幀的起始地址，當(dāng)接收數(shù)據(jù)幀時(shí)，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(duì)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(yàn)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(duì)齊的標(biāo)志，若接收端檢測(cè)到該字符在數(shù)據(jù)邊界，表明該幀中數(shù)據(jù)邊界對(duì)齊，反之，則通過重新調(diào)整恢復(fù)時(shí)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(duì)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(gè)系統(tǒng)中的核心模塊，主要實(shí)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(shí)現(xiàn)編碼數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換、時(shí)鐘倍頻、時(shí)鐘提取、錯(cuò)誤顯示，為高速實(shí)時(shí)通信提供物理支持；傳輸層由FPGA 實(shí)現(xiàn)，包含時(shí)延模塊、8B10B編碼解碼模塊、物理鏈路檢測(cè)模塊、LED 驅(qū)動(dòng)模塊、發(fā)送接收控制模塊、發(fā)送端接收端DPRAM 和跨時(shí)鐘域同步模塊。各個(gè)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(shí)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(hào)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(shí)鐘信號(hào)，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(yùn)算編碼為10bit的算法，其特點(diǎn)為編碼后的數(shù)據(jù)沒有5個(gè)長的連 “0”或連 “1”串，因?yàn)檫B “0”或連“1”串所含的數(shù)據(jù)信息量小，不利于驅(qū)動(dòng)參考時(shí)鐘與數(shù)據(jù)隨路時(shí)鐘對(duì)齊，會(huì)造成恢復(fù)時(shí)鐘的抖動(dòng)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(cè)模塊：該模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖線路通信狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其原理為：數(shù)據(jù)幀中會(huì)插入同步字符，當(dāng)光纖正常傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)幀中相應(yīng)位置會(huì)有同步字符，該模塊通過在一定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)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(dòng)器，以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)LED 顯示；反之，若在一段時(shí)間未在指定地方檢測(cè)到同步字符，則判定光纖物理連接錯(cuò)誤，并報(bào)以LED 指示。

（4）發(fā)送邏輯控制器 （TX＿CTRL）：當(dāng)收到觸發(fā)啟動(dòng)信號(hào)后，TX＿CTRL開始按照讀時(shí)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(shí)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(duì)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(shí)，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(shí)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(yàn)正確的數(shù)據(jù)保存到接收DPRAM 中，同時(shí)產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)ATC，反饋給發(fā)送控制器，途中經(jīng)過跨時(shí)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(cè)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(chǔ)到DPRAM 中，當(dāng)檢測(cè)到EOF字符表示一幀結(jié)束，此時(shí)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(hào)采集系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本實(shí)驗(yàn)旨在驗(yàn)證該增量式光柵信號(hào)采集系統(tǒng)的可行性與可靠性。實(shí)驗(yàn)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(hào)A、B，以此作為信號(hào)源，光柵信號(hào)采集卡連續(xù)采集該信號(hào)，并將計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)通過光纖線以1.25 Gbps速率上傳到運(yùn)動(dòng)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(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)變化，如圖10所示。由于信號(hào)源按照一定頻率連續(xù)上傳，那么計(jì)數(shù)器的數(shù)值會(huì)等差遞增或者遞減，在code composer studio DSP開發(fā)軟件中觀測(cè)的計(jì)數(shù)值相對(duì)于時(shí)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(shí)間測(cè)試，直線穩(wěn)定，表明本采集系統(tǒng)可行可靠。

圖10 實(shí)驗(yàn)原理連接

圖11 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語

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

（1）利用FPGA 實(shí)現(xiàn)增量式光柵脈沖信號(hào)的相位鑒別和4倍頻脈沖計(jì)數(shù)，125 M 的采樣時(shí)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(cuò)性；

（3）設(shè)計(jì)了光纖控制內(nèi)核結(jié)構(gòu)，采用TLK1221芯片實(shí)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(shí)，發(fā)送接收控制模塊的設(shè)計(jì)，控制數(shù)據(jù)流流向，實(shí)現(xiàn)光柵數(shù)據(jù)采集卡與上位機(jī)控制卡的信號(hào)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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