CN110968000A - 基于OpenVPX架构的测控系统同步控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OpenVPX架构的测控系统同步控制系统，包括：硅片对准测量分系统，内置有对准测量并行计算板卡；工件台位置测量分系统，与硅片对准测量分系统通过光纤数据通道和外同步总线实现互连；以及系统同步控制时序，基于操作系统并结合硅片对准测量分系统和工件台位置测量分系统共同实现同步控制。本发明提供的该基于OpenVPX架构的测控系统同步控制系统，具有灵活的网络拓扑结构，能够完成测控系统精确的同步控制和高精度并行计算。

Description

基于OpenVPX架构的测控系统同步控制系统

技术领域

本发明涉及测控系统技术领域，针对先进测控系统对同步控制精度和并行计算能力要求高的特点，尤其涉及一种基于OpenVPX架构的测控系统同步控制系统。

背景技术

随着不同应用场合的先进测控系统对性能和分辨力要求的逐步提高，尤其是在极紫外光刻(EUV)设备的先进对准测控系统中，为满足摩尔定律对单位面积可容纳的晶体管数量逐年翻番的要求，对准测控系统对同步精度、并行计算能力、多路对准信息融合、控制实时性等要求越来越高，与此相应的，对控制系统的总线架构形式、数据处理能力、信号带宽、实时性能以及稳定性、可靠性提出了更加苛刻的要求。

为实现对准标记位置信息的准确测量，对准光源系统产生不同波长的多路调制激光光束，经光纤传输后照射到硅片对准光栅标记上。工件台扫描过程中，硅片对准标记产生携带对准位置信息的多级衍射光信号。对准控制系统首先完成多级衍射光强信号和工件台位置数据的高速同步采集和位置匹配，然后对采集的光强信号和工件台位置数据进行实时处理，提取出高精度的对准标记位置信息。

国内外光刻机生产厂商大多采用VME并行总线架构实现光刻机对准同步控制和对准标记位置信息的测量。并行总线架构在总线数据吞吐率、总线拓扑架构、数据延迟和抖动、数据处理能力等方面存在固有的缺陷，难以满足高精度的硅片对准同步控制及测量需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于OpenVPX架构的测控系统同步控制系统，以至少部分解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明提供的该基于OpenVPX架构的测控系统同步控制系统，包括：

硅片对准测量分系统，内置有对准测量并行计算板卡；

工件台位置测量分系统，与该硅片对准测量分系统通过光纤数据通道和外同步总线实现互连；以及

系统同步控制时序，基于操作系统并结合该硅片对准测量分系统和该工件台位置测量分系统共同实现同步控制。其中：

一些实施例中，该硅片对准测量分系统还包括：

通过管理总线和数据总线互联的对准测量CPU板、对准测量同步控制板卡、对准测量数据交换板卡、上述对准测量并行计算板卡和对准光电解调采集板卡；以及

通过内同步总线互联的该对准测量同步控制板卡、该对准测量数据交换板卡、该对准光电解调采集板卡和该对准测量并行计算板卡。

一些实施例中，该工件台位置测量分系统包括：

通过管理总线和数据总线互联的位置测量CPU板、位置测量计数板卡、位置测量数据交换板卡和位置测量同步控制板卡；以及

通过内同步总线互联的该位置测量计数板卡、该位置测量数据交换板卡和该位置测量同步控制板卡。

一些实施例中，该系统同步控制时序中的操作系统为VxWorks操作系统。

一些实施例中，其中的对准测量并行计算板卡包括由内同步总线、管理总线和数据总线互联的多组镜像结构，各组镜像结构均包括：

FPGA协处理器，对应第一镜像缓存区，实现数据的复制与分发；

DSP处理器，对应第二镜像缓存区，并结合该FPGA协处理器共同实现并行计算。

进一步的，该镜像结构还包括：

各组镜像结构内，FPGA协处理器与第一镜像缓存区之间通过AXI4总线互联，DSP处理器与第二镜像缓存区之间通过EDMA总线互联；

各组镜像结构间的DSP处理器之间通过Hyperlink总线互联；

各组镜像结构间的FPGA协处理器之间、以及FPGA协处理器与DSP处理器之间通过Serial RapidIO总线互联。

且，该对准测量并行计算板卡具有多个时，还包括：

多个光纤接口卡，每个光纤接口卡对应连接一个该对准测量并行计算板卡，光纤接口卡为对应的对准测量并行计算板卡提供同步控制信号及数据传输。

一些实施例中，光纤接口卡与对准测量并行计算板卡之间通过Serial RapidIO总线互联。

一些实施例中，外同步总线和内同步总线采用相同的自定义三线制时序协议，该协议包括时钟信号、输入信号、输出信号，以及与时钟信号复用的复位信号。

一些实施例中，管理总线采用PCIe，数据总线采用Serial RapidIO，外同步总线采用隔离RS-485差分总线。

本发明针对先进测控系统，特别是极紫外(EUV)光刻机对准测控系统随着工艺节点的逐渐减小对套刻精度高、对准光束通道较多、同步控制严格、并行处理数据量大以及强实时性等要求，提出的该基于OpenVPX架构的测控系统同步控制系统，具有灵活的网络拓扑结构，能够完成测控系统精确的同步控制和高精度并行计算。

附图说明

图1为本发明一实施例硅片对准同步控制系统框图；

图2为本发明一实施例专用三线制外同步和内同步时序图；

图3为本发明一实施例同步控制系统并行计算镜像缓存示意图；

图4为本发明一实施例对准同步控制系统多总线互联的多处理器架构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

OpenVPX是由VITA组织制定的具有高可靠性、高带宽和高实时性的先进工业计算机平台标准。它包含Serial RapidIO、PCIe、千兆以太网等多种高速串行总线协议和互连架构，该架构采用高速点到点交换机制，支持更高的背板带宽和多种定制化的系统拓扑结构，能够实现各类先进测控系统的高精度同步控制和精密测量。

有鉴于此，本发明提供了一种基于OpenVPX架构的测控系统同步控制系统，包括：

硅片对准测量分系统，内置有对准测量并行计算板卡；

工件台位置测量分系统，与该硅片对准测量分系统通过光纤数据通道和外同步总线实现互连；以及

系统同步控制时序，基于操作系统并结合该硅片对准测量分系统和该工件台位置测量分系统共同实现同步控制。

如图1所示即为基于该同步控制系统的本发明一实施例提供的硅片对准同步控制系统框图。本实施例中，该系统基于OpenVPX架构进行设计，主要由硅片对准测量分系统和工件台位置测量分系统两部分组成。其中：

一些实施例中，该硅片对准测量分系统包括通过内同步总线、管理和数据总线连接的对准测量CPU板、对准测量同步控制板卡、对准测量数据交换板卡、所述对准测量并行计算板卡和对准光电解调采集板卡，以及符合OpenVPX标准的机箱、电源和定制背板。具体而言，其中的对准测量CPU板、对准测量同步控制板卡、对准测量数据交换板卡、上述对准测量并行计算板卡和对准光电解调采集板卡通过管理总线和数据总线互联，且其中的对准测量同步控制板卡、对准测量数据交换板卡、对准光电解调采集板卡和对准测量并行计算板卡通过内同步总线互联。

一些实施例中，该工件台位置测量分系统包括通过内同步总线、管理和数据总线连接的位置测量CPU板、位置测量计数板卡、位置测量数据交换板卡和位置测量同步控制板卡，以及符合OpenVPX标准的机箱、电源和定制背板。具体而言，其中的位置测量CPU板、位置测量计数板卡、位置测量数据交换板卡和位置测量同步控制板卡通过管理总线和数据总线互联，且其中的位置测量计数板卡、位置测量数据交换板卡和位置测量同步控制板卡通过内同步总线互联。

一些实施例中，管理总线采用PCIe，具有延迟小，实时性高等特点；内同步总线采用自定义三线制结构，实现纳秒级同步控制，使光强信号和位置数据实现精确匹配；数据总线采用Serial RapidIO点到点的特性，具有高带宽、低延迟等特点；光纤数据通道包含管理总线数据和位置数据；外同步总线和内同步总线采用相同的自定义三线制时序协议，该协议包括时钟信号、输入信号、输出信号，以及与时钟信号复用的复位信号，实现对准光强信号和工件台位置数据的同步采集和时间戳匹配。本实施例中，外同步总线采用隔离RS-485差分总线，均可远程连接，具有强抗电磁干扰的特性。

本实施例所述的极紫外(EUV)光刻机系统的控制执行流程极其繁琐，步骤复杂，任何工序上的丢失或者时序上的错误都有可能引起系统的运行故障甚至整体崩溃。因此各个工序控制环节需要严格可靠的同步控制。为保证EUV光刻机系统各个执行环节严格按照我们既定的逻辑流程和时序进行工作，在本发明及实施例中构建了一套专用的系统同步控制时序，该系统同步控制由VxWorks操作系统和底层数据同步板卡(包括硅片对准测量分系统和工件台位置测量分系统中的各个板卡)协同实现。

图2所示为本发明及实施例中所构建的专用三线制外同步和内同步时序图。该三线制总线由时钟线缆、数据发送线缆和数据接收线缆三根线组成。基于VxWorks操作系统的底层数据同步板卡负责同步总线广播。每个同步时钟上升沿，位置测量同步控制板卡控制位置测量计数板卡进行位置数据更新，并对位置数据打上相应的时间戳。同时对准光电解调采集板卡对多衍射级次的光强信号进行一次数据采集，也打上相同的时间戳。位置测量同步控制板卡通过光纤数据通道把含有时间戳的位置数据发送给对准测量同步控制板卡，同时也通过位置测量数据交换板卡，把位置测量数据发送给工件台伺服单元。同步时钟超过一定的时钟周期仍保持低电平，则对时间戳信息进行复位。同步控制板卡(包括位置测量同步控制板卡和对准测量同步控制板卡)发送时间戳信息，同时接收到对端时间戳信息，用于比对校验。

一些实施例中，上述的对准测量并行计算板卡包括由内同步总线、管理总线和数据总线互联的多组镜像结构，各组镜像结构均包括：

FPGA协处理器，对应第一镜像缓存区，实现数据的复制与分发；

DSP处理器，对应第二镜像缓存区，并结合该FPGA协处理器共同实现并行计算。

进一步的，该镜像结构还包括：

各组镜像结构内，FPGA协处理器与第一镜像缓存区之间通过AXI4总线互联，DSP处理器与第二镜像缓存区之间通过EDMA总线互联；

各组镜像结构间的DSP处理器之间通过Hyperlink总线互联；

各组镜像结构间的FPGA协处理器之间、以及FPGA协处理器与DSP处理器之间通过Serial RapidIO总线互联。

且，该对准测量并行计算板卡具有多个时，还包括：

多个光纤接口卡，每个光纤接口卡对应连接一个该对准测量并行计算板卡，光纤接口卡为对应的对准测量并行计算板卡提供同步控制信号及数据传输。

一些实施例中，光纤接口卡与对准测量并行计算板卡之间通过Serial RapidIO总线互联。具体的，本实施例中，请参照图3和图4。

图3所示为本实施例中对准同步控制系统对准测量并行计算板卡的并行计算镜像缓存示意图。为简化描述，本示意图给出了由内同步、管理和数据总线互联的两组完全相同的镜像结构，在实际应用中可根据具体需求配置多组镜像结构。每组镜像结构包含一个高性能FPGA协处理器和一个多核DSP处理器以及配套的大容量镜像缓存区。通过SerialRapidIO数据总线传输的对准光电解调数据经对准测量并行计算板卡中的一个FPGA协处理器接收后，进行复制分发操作，通过Serial RapidIO数据总线将复制的多份数据分发到多个镜像缓存区，各FPGA和DSP根据管理总线下发的信息，按上述时间戳匹配原则自主选择缓存区数据进行并行计算。

图4所示为本实施例中对准同步控制系统多总线互联的多处理器架构图。在该架构图中，对准测量并行计算板卡具有两个，对应的光纤接口卡也具有两个。对准测量并行计算板卡1和2通过Serial RapidIO总线与光纤接口卡1和2互联。每块对准测量并行计算板卡中各包含两片K7 FPGA芯片和两片TMS320C6678型8核DSP芯片，每片FPGA芯片各用一组由多片DDR3 SDRAM存储芯片构成的大容量镜像缓存区，每片多核DSP也各用一组由多片DDR3SDRAM存储芯片构成的大容量镜像缓存区，各芯片与大容量镜像缓存区之间的数据交互通过EDMA总线实现。板卡内DSP之间和板卡间DSP之间均通过Hyperlink总线互联，传输速率可达10Gbps，板卡内FPGA之间和板卡间FPGA之间以及FPGA与DSP之间通过Serial RapidIO总线互联，光纤接口卡向对准测量并行计算板卡传输数据前先向其发送同步控制信号。通过以上多处理器架构的总线互联方式，即可实现对多通道对准信号的同步并行控制与计算。

通过以上对图1-图4的描述，本发明提出的该基于OpenVPX架构的测控系统同步控制系统，即可满足先进测控系统特别是极紫外(EUV)光刻机对准测控系统对严格的同步控制、大数据量的并行处理以及强实时性等应用要求。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于OpenVPX架构的测控系统同步控制系统，其特征在于，包括：

硅片对准测量分系统，内置有对准测量并行计算板卡；

工件台位置测量分系统，与所述硅片对准测量分系统通过光纤数据通道和外同步总线实现互连；以及

系统同步控制时序，基于操作系统并结合所述硅片对准测量分系统和所述工件台位置测量分系统共同实现同步控制。

2.根据权利要求1所述的同步控制系统，其特征在于，所述对准测量并行计算板卡包括由内同步总线、管理总线和数据总线互联的多组镜像结构，各组所述镜像结构均包括：

FPGA协处理器，对应第一镜像缓存区，实现数据的复制与分发；

DSP处理器，对应第二镜像缓存区，并结合所述FPGA协处理器共同实现并行计算。

3.根据权利要求2所述的同步控制系统，其特征在于，所述镜像结构还包括：

各组镜像结构内，所述FPGA协处理器与所述第一镜像缓存区之间通过AXI4总线互联，所述DSP处理器与所述第二镜像缓存区之间通过EDMA总线互联；

各组镜像结构间的所述DSP处理器之间通过Hyperlink总线互联；

各组镜像结构间的所述FPGA协处理器之间、以及所述FPGA协处理器与所述DSP处理器之间通过SerialRapidIO总线互联。

4.根据权利要求3所述的同步控制系统，其特征在于，所述对准测量并行计算板卡具有多个时，还包括：

多个光纤接口卡，每个所述光纤接口卡对应连接一个所述对准测量并行计算板卡，所述光纤接口卡为对应的所述对准测量并行计算板卡提供同步控制信号及数据传输。

5.根据权利要求4所述的同步控制系统，其特征在于，所述光纤接口卡与所述对准测量并行计算板卡之间通过Serial RapidIO总线互联。

6.根据权利要求1或5所述的同步控制系统，其特征在于，所述硅片对准测量分系统还包括：

通过管理总线和数据总线互联的对准测量CPU板、对准测量同步控制板卡、对准测量数据交换板卡、对准光电解调采集板卡和所述对准测量并行计算板卡；以及

通过内同步总线互联的所述对准测量同步控制板卡、所述对准测量数据交换板卡、所述对准光电解调采集板卡和所述对准测量并行计算板卡。

7.根据权利要求6所述的同步控制系统，其特征在于，所述工件台位置测量分系统包括：

通过管理总线和数据总线互联的位置测量CPU板、位置测量计数板卡、位置测量数据交换板卡和位置测量同步控制板卡；以及

通过内同步总线互联的所述位置测量计数板卡、所述位置测量数据交换板卡和所述位置测量同步控制板卡。

8.根据权利要求7所述的同步控制系统，其特征在于，所述系统同步控制时序中的操作系统为VxWorks操作系统。

9.根据权利要求8所述的同步控制系统，其特征在于，所述外同步总线和所述内同步总线采用相同的自定义三线制时序协议，所述协议包括时钟信号、输入信号、输出信号，以及与时钟信号复用的复位信号。

10.根据权利要求9所述的同步控制系统，其特征在于，所述管理总线采用PCIe，所述数据总线采用Serial RapidIO，所述外同步总线采用隔离RS-485差分总线。

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