CN104360639A - 基于vme自定义总线的多运动控制卡实时同步读取光栅尺数据的方法 - Google Patents

基于vme自定义总线的多运动控制卡实时同步读取光栅尺数据的方法 Download PDF

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Abstract

基于VME自定义总线的多运动控制卡实时同步读取光栅尺数据的方法，属于运动控制的信号采集与数据通信技术领域。为了解决多运动控制卡同时读取光栅尺数据时，存在竞争冒险、相互干扰和实时同步性能差的问题。方法包括：单一运动控制卡输出同步时钟信号，当VME自定义总线产生的读信号为低电平，发送所需光栅尺数据的地址，并通过VME自定义总线接收相应地址发送的光栅尺数据的步骤；其他运动控制卡读取同步时钟信号，当同步时钟信号为上升沿，获取所需光栅尺数据的地址，且与单一运动控制卡同步接收相应地址发送的光栅尺数据的步骤；当VME自定义总线接收到时钟信号时，生成采样保持信号、读取信号和地址信号的步骤。它用于控制多运动控制卡实时同步读取光栅尺数据。

Description

基于VME自定义总线的多运动控制卡实时同步读取光栅尺数据的方法
技术领域
本发明属于高精度运动控制的信号采集与数据通信技术领域。
背景技术
双工件台扫描光刻机是对实时性要求极高的位置伺服控制系统，其要求在200μs周期内完成扫描、曝光、光刻等所有的操作。VME总线由Versa总线的电气标准和Eurocard标准的机械架构两部分构成，是一种异步传输总线，广泛用于工控机与各板卡的通信。现有多块运动控制卡通过VME自定义总线与光栅译码卡通信时，存在竞争冒险，相互干扰以及实时同步性能差的问题。
发明内容
本发明目的是为了解决现有多运动控制卡在同时读取光栅尺数据时，存在竞争冒险，相互干扰以及实时同步性能差的问题，本发明提供一种基于VME自定义总线的多运动控制卡实时同步读取光栅尺数据的方法。
本发明的基于VME自定义总线的多运动控制卡实时同步读取光栅尺数据的方法，
所述方法是基于多个运动控制卡和VME自定义总线实现的，每个运动控制卡通过VMEP2/J2模块与VME自定义总线相互通讯，所述方法包括如下步骤：
单一运动控制卡向其他运动控制卡及VME自定义总线输出同步时钟信号，当检测到VME自定义总线产生的读信号为低电平时，向其他运动控制卡及VME自定义总线发送所需光栅尺数据的地址，并通过VME自定义总线接收相应地址发送的光栅尺数据的步骤；
其他运动控制卡读取同步时钟信号，且当判断同步时钟信号为上升沿时，获取单一运动控制卡所需光栅尺数据的地址，且与单一运动控制卡同步接收相应地址发送的光栅尺数据的步骤；
当VME自定义总线接收到单一运动控制卡发送的时钟信号时，生成采样保持信号、读取信号和地址信号，根据所需光栅尺数据的地址，传输光栅译码卡的光栅尺数据的步骤。
所述单一运动控制卡包括DSP模块、FPGA模块、电平转换CPLD模块和VME P2/J2模块；
DSP模块，用于通过EMIF读取FPGA模块内的光栅尺数据；
FPGA模块，用于向其他运动控制卡及VME自定义总线输出同步时钟信号，当检测到VME自定义总线产生的读信号为低电平时，向其他运动控制卡及VME自定义总线发送所需光栅尺数据的地址，并通过VME自定义总线接收相应地址发送的光栅尺数据；
电平转换CPLD模块，用于完成FPGA模块到VME P2/J2模块的电平转换；
VME P2/J2模块，用于运动控制卡与VME自定义总线建立通讯。
所述FPGA模块内嵌入逻辑时序，所述逻辑时序采用状态机实现，所述状态机包括S0状态-S12状态；
S0状态，空闲态，当检测到每200μs的脉冲，进入S1状态；
S1状态，延时T1，等待光栅译码卡锁数完成，进入S2状态；
S2状态，将所需一路光栅尺数据的地址送给光栅译码卡，延时T2，进入S3状态；
S3状态，将光栅尺数据锁存，延时T3，等待锁存完成，进入S4状态；
S4状态，进入S5状态，；
S5状态，，判断光栅尺数据是否读取完成，若完成，进入S11状态，否则，进入S6状态；
S6状态，进入S7状态；
S7状态，延时T1，等待光栅译码卡锁数完成，进入S8状态；
S8状态，将另一路所需光栅尺数据的地址送给光栅译码卡，延时T2，进入S9状态；
S9状态，将光栅尺数据锁存，延时T3，等待锁存完成，进入S10状态；
S10状态，进入S5状态，；
S11状态，进入S12状态；
S12状态，发出读取完成脉冲，进入S0状态。
T1为20ns，T2为30ns，T3为30ns。
本发明的有益效果在于，本发明是在单一运动控制卡通过VME自定义总线与光栅译码卡进行通信的基础上实现的，单一运动控制卡充当VME自定义总线控制器的角色，提供数据接收地址和同步时钟给VME自定义总线，并且将VME自定义总线设置成数据广播的方式。而其他运动控制卡不再提供时钟给VME自定义总线，也不再提供接收地址，充当总线设备的角色，实时读取单一运动控制卡提供给VME自定义总线的同步时钟，当读取到同步时钟时，其他运动控制卡再从VME自定义总线上获取相应于单一运动控制卡的总线接收地址，从这个地址上，同步读取光栅尺的数据，解决了多运动控制卡在同时读取光栅尺数据时竞争冒险，相互干扰以及实时同步性能差的问题。
附图说明
图1为具体实施方式一中采用三块运动控制卡进行实时同步读取光栅尺数据的原理示意图。
图2为具体实施方式二中单一运动控制卡的原理示意图。
图3为具体实施方式三中的状态机的原理示意图。
图4为本发明运动控制卡与光栅译码卡通信的原理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于VME自定义总线的多运动控制卡实时同步读取光栅尺数据的方法，所述方法是基于多个运动控制卡和VME自定义总线实现的，每个运动控制卡通过VME P2/J2模块与VME自定义总线相互通讯，所述方法包括如下步骤：
单一运动控制卡向其他运动控制卡及VME自定义总线输出同步时钟信号，当检测到VME自定义总线产生的读信号为低电平时，向其他运动控制卡及VME自定义总线发送所需光栅尺数据的地址，并通过VME自定义总线接收相应地址发送的光栅尺数据的步骤；
其他运动控制卡读取同步时钟信号，且当判断同步时钟信号为上升沿时，获取单一运动控制卡所需光栅尺数据的地址，且与单一运动控制卡同步接收相应地址发送的光栅尺数据的步骤；
当VME自定义总线接收到单一运动控制卡发送的时钟信号时，生成采样保持信号、读取信号和地址信号，根据所需光栅尺数据的地址，传输光栅译码卡的光栅尺数据的步骤。
在单一运动控制卡与光栅译码卡通信的基础上，实现多块运动控制卡与光栅译码卡的同步通信，双工件台系统共需要11块运动控制卡同时工作，本实施方式以3块为例进行说明；
实验表明，将三块运动控制卡做相同的处理，三块运动控制卡的光栅尺读数相互干扰，而且与实际值差别很大。从逻辑上分析来看，当三块运动控制卡同时提供时钟给总线时，假如三个时钟稍有不同步，就会造成整个系统时序的紊乱，造成光栅读数的错乱；而且即使三个时钟很好地满足了同步，运动控制卡通过自身所需的地址的识别在读信号低电平时获取相应的光栅尺的信号时，很容易发生争抢，即同一时刻，VME自定义总线到底应该将光栅尺的数据传输给哪个地址，哪个运动控制卡。因此，为了规避这两个问题，本实施方式，在单一运动控制卡的基础上，作出了修改；
三块运动控制卡分别命名为HOST、SLAVE1、SLAVE2，如图1所示，其中HOST按照单一运动控制卡的原则，进行设置，并且HOST充当VME自定义总线的控制器的角色，提供数据接收地址和同步时钟给VME自定义总线，并且将VME自定义总线设置成数据广播的方式。而SLAVE1和SLAVE2不再提供时钟给VME自定义总线，也不再提供接收地址，充当总线设备的角色，实时读取HOST提供给VME自定义总线的同步时钟，当读取到同步时钟时，SLAVE1和SLAVE2再从VME自定义总线上获取相应于HOST的总线接收地址，从这个地址上，同步读取光栅尺的数据。
三块运动控制卡，只有HOST提供时钟和自身所需地址给VME自定义总线，SLAVE1和SLAVE2所做的工作，只是实时读取同步时钟和接收总线地址。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于VME自定义总线的多运动控制卡实时同步读取光栅尺数据的方法的进一步限定，
所述单一运动控制卡包括DSP模块、FPGA模块、电平转换CPLD模块和VME P2/J2模块；
DSP模块，用于通过EMIF读取FPGA模块内的光栅尺数据；
FPGA模块，用于向其他运动控制卡及VME自定义总线输出同步时钟信号，当检测到VME自定义总线产生的读信号为低电平时，向其他运动控制卡及VME自定义总线发送所需光栅尺数据的地址，并通过VME自定义总线接收相应地址发送的光栅尺数据；
电平转换CPLD模块，用于完成FPGA模块到VME P2/J2模块的电平转换；
VME P2/J2模块，用于运动控制卡与VME自定义总线建立通讯。
本实施方式中，下位机基于DSP开发软件CCS3.3，对光栅尺数据进行实时显示；
运动控制卡以FPGA+DSP为核心，并基于VME总线通信协议，设置了相应的外围模块。单一运动控制卡包括DSP模块、FPGA模块、电平转换CPLD模块、VME P2/J2模块；
下位机使用CCS3.3软件直接读取DSP模块的内存，从而读取光栅尺的数据，本实施方式DSP采用TMS320C6414；
DSP模块通过自带的外部存储扩展接口EMIF与FPGA模块进行通信，FPGA模块有两个双口RAM的数据缓存区，FPGA模块采集到的光栅尺数据先放到双口RAM中缓存，然后DSP模块再通过EMIF读取，本实施方式选用的FPGA为EP2S60F1020I4N；
VME总线信号是5V的TTL电平，而FPGA模块的I/O引脚信号是3.3V的LVTTL电平，因此将VME总线无法直接接入FPGA，二者之间需要电平转换电路，对应于VME P2口的电平转换模块选取CPLD为EPM3512，电平转换CPLD模块完成FPGA模块到VME P2/J2模块的电平转换；
VME P2/J2模块为运动控制卡上的物理层外部VME硬件插口，运动控制卡通过VMEP2/J2模块与VME自定义总线建立通讯；
VME自定义总线作为传输中介，将光栅译码卡采集到的光栅尺数据传输到运动控制卡，定义在VME的P2口上，时钟频率是5KHz，用于传输光栅尺的测量数据；
光栅译码卡通过VME的P2口插在VME工控机箱上，用于采集光栅尺的数据；
VME自定义总线由运动控制卡提供时钟，生产采样保持、读取和地址三个信号置于VME自定义总线，运动控制卡通过自身所需的地址的识别在读信号低电平时获取相应的光栅尺的信号；运动控制卡提供5KHZ时钟，每200us，运动控制卡将数据锁存线拉高，此时光栅尺的读数不再变化，然后运动控制卡产生一连串的读取(READ)信号，同时切换总线地址。如此循环，完成单一运动控制卡与光栅译码卡的通信。该通信时序在FPGA模块内部完成。
FPGA模块完成光栅尺数据的接收之后，会继续与DSP模块进行通信，通过双口RAM和EMIF，实现光栅尺数据从FPGA模块到DSP模块的传输，然后下位机再运用与DSP配套的开发软件，实时显示光栅尺数据。综上，完成了单一运动控制卡的光栅尺读数。
具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的基于VME自定义总线的多运动控制卡实时同步读取光栅尺数据的方法的进一步限定，所述FPGA模块内嵌入逻辑时序，所述逻辑时序采用状态机实现，所述状态机包括S0状态-S12状态；
S0状态，空闲态，当检测到每200μs的脉冲，进入S1状态；
S1状态，延时T1，等待光栅译码卡锁数完成，进入S2状态；
S2状态，将所需一路光栅尺数据的地址送给光栅译码卡，延时T2，进入S3状态；
S3状态，将光栅尺数据锁存，延时T3，等待锁存完成，进入S4状态；
S4状态，进入S5状态，；
S5状态，，判断光栅尺数据是否读取完成，若完成，进入S11状态，否则，进入S6状态；
S6状态，进入S7状态；
S7状态，延时T1，等待光栅译码卡锁数完成，进入S8状态；
S8状态，将另一路所需光栅尺数据的地址送给光栅译码卡，延时T2，进入S9状态；
S9状态，将光栅尺数据锁存，延时T3，等待锁存完成，进入S10状态；
S10状态，进入S5状态，；
S11状态，进入S12状态；
S12状态，发出读取完成脉冲，进入S0状态。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的基于VME自定义总线的多运动控制卡实时同步读取光栅尺数据的方法的进一步限定，T1为20ns，T2为30ns，T3为30ns。
状态S0是空闲态，检测每200μs的脉冲，一旦脉冲到来，就进入S1状态；
在S1状态，等待延时20ns，目的是等待光栅译码卡锁数完成，然后进入S2状态；
在S2状态，将地址送给光栅译码卡，等待延时30ns，目的是让输出数据稳定，然后进入S3状态；
在状态S3，将光栅尺数据锁存，延时10ns等待锁存完成，然后进入S4和S5状态，；
在S5状态，所以光栅尺数据是否读取完成，若完成则进入S11和S12状态，并发出读取完成脉冲，否则进入S6和S7状态；
从S7到S10状态重复S1到S4的过程，读取多路光栅尺的数据。
本发明还提供一具体实施例：
现以三块运动控制卡为例说明，即Host卡5，Slave1卡6，Slave2卡7，因Slave1和Slave2在配置上一致，所以统称为Slave卡6、7；
Host卡5充当了VME自定义总线8的总线控制器，该总线控制器功能是基于光栅尺读数而言的，Host卡作具体实施方式一的设置，为VME自定义总线8提供同步时钟和数据接收地址；
Slave卡6、7则作为总线设备，实时监测Host卡5同步时钟的到来，然后读取Host卡5映射到VME自定义总线8上的数据接收地址，从该数据接收地址上读取光栅尺的数据；
与光栅译码卡9进行直接通信的只有Host卡5，Slave卡6、7受Host卡5同步时钟的支配，间接与光栅译码卡9通信。
Slave卡管脚的输入输出，与电平转换CPLD模块管脚的输入输出对应；
步骤一：将Host卡的FPGA和DSP程序进行固化，这是Slave卡正常读取光栅尺数据的前提；
步骤二：将运动控制卡Slave进行统一的修改；
步骤三：将FPGA部分CLK5KHZ时钟改为外部读取，相应的必须将CPLD中F2E12的电平转换部分进行对调；
步骤四：将FPGA部分VMEADDRESS这个地址改为外部读取，相应的需要将CPLD中相应的管脚F2A30、F2C31、F2A31、F2C32、F2A5、F2C4、F2C5电平转换部分对调；
步骤五：将FPGA部分光栅尺读数部分中，对VMEADDRESS进行操作的程序注释掉，这部分操作由Host卡完成；
步骤六：将修改好的Slave卡程序进行烧写，即分别对Slave1和Slave2的FPGA和DSP程序进行烧写；
步骤七：同时用三块运动控制卡读取光栅尺的数据，结果一致，并且与只用单一运动控制卡读取的数据相同。
对Slave卡进行重新设计之后，三块运动控制卡同时读取光栅尺数据的实现方式：
开始时，HOST卡提供同步时钟给VME自定义总线，VME自定义总线上会产生保持、读取和保持三个信号；
然后等待读信号低电平的到来，当检测到低电平时，HOST卡提供自身接收数据所对应的地址，进而读取光栅尺的数据；
开始时，Slave卡不进行任何操作，而是不断地读取VME自定义总线上的信号，等待同步时钟上升沿的到来；
当检测到上升沿时，Slave卡会到VME自定义总线上获取HOST卡提供的数据接收地址；
获取数据接收地址后，Slave卡与HOST卡同步读取同一地址上的光栅尺数据，完成读数。
在整个读数过程中，只有一个同步时钟，Slave卡与HOST卡都是以该时钟为基准，进行与读数相关的操作，所以不会发生多时钟存在下时序错乱的情况；只有一个数据接收地址，Slave卡与HOST卡都是从该地址上，读取光栅尺的数据，避免了多地址存在情况下，竞争冒险、相互干扰的问题。
作为总线控制器的HOST卡，其程序必须固化，在所有进行多运动控制卡光栅读数的时刻，HOST卡必须处于运行状态。本发明以两块Slave卡为例，后续Slave卡可以扩展到n块，而且所有的Slave卡只需做相同的设置即可。

Claims (4)

1.基于VME自定义总线的多运动控制卡实时同步读取光栅尺数据的方法，其特征在于，所述方法是基于多个运动控制卡和VME自定义总线实现的，每个运动控制卡通过VMEP2/J2模块与VME自定义总线相互通讯，所述方法包括如下步骤：
单一运动控制卡向其他运动控制卡及VME自定义总线输出同步时钟信号，当检测到VME自定义总线产生的读信号为低电平时，向其他运动控制卡及VME自定义总线发送所需光栅尺数据的地址，并通过VME自定义总线接收相应地址发送的光栅尺数据的步骤；
其他运动控制卡读取同步时钟信号，且当判断同步时钟信号为上升沿时，获取单一运动控制卡所需光栅尺数据的地址，且与单一运动控制卡同步接收相应地址发送的光栅尺数据的步骤；
当VME自定义总线接收到单一运动控制卡发送的时钟信号时，生成采样保持信号、读取信号和地址信号，根据所需光栅尺数据的地址，传输光栅译码卡的光栅尺数据的步骤。
2.根据权利要求1所述的基于VME自定义总线的多运动控制卡实时同步读取光栅尺数据的方法，其特征在于，所述单一运动控制卡包括DSP模块、FPGA模块、电平转换CPLD模块和VME P2/J2模块；
DSP模块，用于通过EMIF读取FPGA模块内的光栅尺数据；
FPGA模块，用于向其他运动控制卡及VME自定义总线输出同步时钟信号，当检测到VME自定义总线产生的读信号为低电平时，向其他运动控制卡及VME自定义总线发送所需光栅尺数据的地址，并通过VME自定义总线接收相应地址发送的光栅尺数据；
电平转换CPLD模块，用于完成FPGA模块到VME P2/J2模块的电平转换；
VME P2/J2模块，用于运动控制卡与VME自定义总线建立通讯。
3.根据权利要求2所述的基于VME自定义总线的多运动控制卡实时同步读取光栅尺数据的方法，其特征在于，所述FPGA模块内嵌入逻辑时序，所述逻辑时序采用状态机实现，所述状态机包括S0状态-S12状态；
S0状态，空闲态，当检测到每200μs的脉冲，进入S1状态；
S1状态，延时T1，等待光栅译码卡锁数完成，进入S2状态；
S2状态，将所需一路光栅尺数据的地址送给光栅译码卡，延时T2，进入S3状态；
S3状态，将光栅尺数据锁存，延时T3，等待锁存完成，进入S4状态；
S4状态，进入S5状态，；
S5状态，，判断光栅尺数据是否读取完成，若完成，进入S11状态，否则，进入S6状态；
S6状态，进入S7状态；
S7状态，延时T1，等待光栅译码卡锁数完成，进入S8状态；
S8状态，将另一路所需光栅尺数据的地址送给光栅译码卡，延时T2，进入S9状态；
S9状态，将光栅尺数据锁存，延时T3，等待锁存完成，进入S10状态；
S10状态，进入S5状态，；
S11状态，进入S12状态；
S12状态，发出读取完成脉冲，进入S0状态。
4.根据权利要求3所述的基于VME自定义总线的多运动控制卡实时同步读取光栅尺数据的方法，其特征在于，T1为20ns，T2为30ns，T3为30ns。
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Inventor after: Chen Xinglin

Inventor after: Song Fazhi

Inventor after: Wei Kai

Inventor after: Fan Wenchao

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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
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