CN112129971A - 基于fpga的光栅尺实时辨向方法及系统 - Google Patents

基于fpga的光栅尺实时辨向方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的光栅尺实时辨向方法及系统，涉及光电信号处理领域。本方法包括以下步骤：使用两级D触发器分别对两路光栅尺数据信号进行过采样和延迟处理，基于过采样和延迟处理后的数据信号生成上升信号、下降信号和保持信号三种变化趋势信号以及静止信号；分别统计每一路数据信号的符号位以及变化趋势信号；当符号位和变化趋势信号符合设定的运动方向判据时，判定运动方向为有效的运动方向。本发明能检测出光栅尺被测量物体的运动方向，具有高实时性和可靠性。

Description

基于FPGA的光栅尺实时辨向方法及系统
(一)技术领域
本发明涉及光电信号处理领域，尤其涉及一种光栅尺实时辨向方法及系统。
(二)背景技术
光刻设备是一种将所需图案应用到衬底上的半导体设备。现有的光刻设备包括承载掩模片的掩模台和承载硅片的工件台以及其测量系统，对于芯片制造业，掩模台和工件台的测量系统的工作效率直接影响最终的生产效率。由于工艺制程的提升和生成规模的扩大，需要提高测量系统的实时性，尤其是辨向系统的实时性。
现有技术中的高精度位移测量系统主要包括双频激光干涉仪和光栅尺。激光干涉仪测量系统以激光波长为测量基准，对测量环境的温度和压力比较敏感，当测量环境发生变化时，测量精度极大受限。光栅尺对测量环境的温度和压力不敏感，鲁棒性强。
现有技术中的光栅尺公开了一种四细分辨向的辨向方法。该四细分辨向的辨向方法通过监测信号符号位的变化，变化趋势为11-10-00-01-11依次循环变化时，规定此方向为正方向；变化趋势为10-11-01-00-10依次循环变化时，规定此方向为反方向。
现有技术中的四细分辨向方法无法检测正余弦光电信号相位在四分之一周期内的变化，即无法检测物体运动距离在四分之一栅距内的运动方向。
现有技术中的四细分辨向方法对待测物体行进过程中的方向切换不敏感，尤其是正余弦光电信号处于波峰或波谷处的方向切换。
现有技术中的四细分辨向方法中的信号符号位变化周期长，导致辨向结果更新慢，会造成光刻设备的其他部件需要等待结果更新才能正常工作，极大拖累了整套设备的工作效率。
现有技术中的光栅尺公开了一种利用光电元件判别物体运动方向的方法。光栅用N个光电元件，每个光电元件相距1/N栅距，当物体移动时，光信号通过各个光电元件的时间不同，虽然输出光电信号波形相同，但相位相差1/N周期。根据光电元件输出信号相位关系，可以确定物体移动方向。
现有技术中光电元件辨向方法，当辨向精度要求提升时，需要在系统中加入大量的光电元件，增加了系统安装调试难度，也提高了硬件开销。
(三)发明内容
针对现有技术中的光栅尺辨向系统中小量程测量无效、行进中方向切换不敏感、状态更新慢、硬件开销大和安装调试困难等缺陷，本发明的主要目的在于提供一种光栅尺实时辨向方法，本发明的另一目的是提供一种光栅尺实时辨向系统，能够检测光栅尺待测物体的运动方向，具有高实时性和可靠性。
本发明提供一种基于FPGA的光栅尺实时辨向方法，包括以下步骤：
分别对两路光栅尺数据信号进行过采样和延迟处理，基于过采样和延迟处理后的数据信号生成上升信号、下降信号和保持信号三种变化趋势信号以及静止信号；
分别统计每一路数据信号的符号位以及变化趋势信号；
当符号位、变化趋势信号和静止信号符合设定的运动方向判据时，判定运动方向为有效的运动方向；
使用两级D触发器分别对两路光栅尺数据信号进行过采样和延迟处理,得到原始数据信号、第一延时数据信号和第二延时数据信号，其中，第一延时数据信号的延时为1个时钟周期，第二延时数据信号的延时为2个时钟周期；
将所述原始数据信号和所述第一延时数据信号通过进行大小比较，得到所述变化趋势信号的最高位；
将所述第一延时数据信号和所述第二延时数据信号进行大小比较，得到所述变化趋势信号的最低位；
在上述技术方案的基础上，对于所述变化趋势信号的最高位与所述变化趋势信号的最低位通过拼接得到所述变化趋势信号；
在上述技术方案的基础上，将所述原始数据信号和所述第一延时数据信号通过相等判断，得到第一静止判断信号；
将所述原始数据信号和所述第一延时数据信号通过相等判断，得到第二静止判断信号；
将所述第一静止判断信号和第二静止判断信号相或后得到所述静止信号；
在上述技术方案的基础上，将所述光栅尺输入的第一路正弦信号和所述光栅尺输入的第二路余弦信号分别进行拆分，得到各自的最高位作为符号位；
在上述技术方案的基础上，将所述正弦信号符号位、所述余弦信号符号位、所述正弦信号变化趋势信号、所述余弦信号变化趋势信号和所述静止判断信号拼接，得到方向判据信号；
本发明还提供了一种基于FPGA的光栅尺实时辨向系统，所述系统包括：
采样模块，其用于两级D触发器分别对两路光栅尺数据信号进行过采样和延迟处理，基于过采样和延迟处理后的数据信号生成上升信号、下降信号和保持信号三种变化趋势信号以及静止信号；
比较模块，其用于比较原始数据信号、第一延时数据信号以及第二延时数据信号的大小关系；
拆分模块，其用于将输入正弦信号和输入余弦信号拆分，得到符号位；
拼接模块，其用于将正弦信号符号位、余弦信号符号位、正弦信号变化趋势信号、余弦信号变化趋势信号以及静止判断信号拼接，得到判断模块所需的输入信号；
判断模块，其用于当符号位、变化趋势信号和静止信号符合设定的运动方向判据时，判定运动方向为有效的运动方向。
在上述技术方案的基础上，所述采样模块使用两级D触发器分别对两路光栅尺数据信号进行过采样和延迟处理,得到原始数据信号、第一延时数据信号和第二延时数据信号，其中，第一延时数据信号的延时为1个时钟周期，第二延时数据信号的延时为2个时钟周期。
在上述技术方案的基础上，所述比较模块包括：
趋势比较单元，其用于统计输入信号的变化趋势；
相等比较单元，其用于统计输入信号是否处于静止状态。
在上述技术方案的基础上，所述拆分模块将输入信号最高位数据与其余位数据拆分，得到最高位作为符号位。
在上述技术方案的基础上，所述拼接模块用于将正弦信号符号位、余弦信号符号位、正弦信号变化趋势信号、余弦信号变化趋势信号和静止判断信号拼接，得到方向判据信号。
在上述技术方案的基础上，所述判断模块包括：
Moore状态机单元，对方向判据信号进行状态判断，使用方向判据信号作为Moore状态机的状态转移变量；
寄存单元，使用D触发器对Moore状态机不同状态下的输出进行寄存；
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)能够辨别光栅尺待测物体移动距离在四分之一栅距以下时的物体运动方向，避免与之配套的光刻设备在进行小面积精密光刻时，因分辨量程过短造成的测量错误，提高光刻精度。
(2)基于变化趋势的判据，对输入信号的毛刺和待测物体运动过程中的运动方向切换均有强鲁棒性，适用于频繁切换待测物体运动方向的设备。
(3)基于Moore状态机的状态判断，输出直接与状态耦合，不与输入相关，能够提升信号处理的速度，降低电路面积，有普遍的适用性。
(4)基于FPGA器件的实时辨向系统不依赖外围光电元件，能节约系统成本，降低安装调试难度。
(四)附图说明
图1是本发明实施例基于FPGA的光栅尺实时辨向方法流程图。
图2是本发明实施例基于FPGA的光栅尺实时辨向系统示意图。
图3为本发明实施例基于FPGA的光栅尺实时辨向系统Moore状态机状态转移图。
图4为本发明实施例基于FPGA的光栅尺实时辨向系统时序仿真图
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来对本发明作进一步的详细描述。
参照图1所示，本发明实施例提供一种基于FPGA的光栅尺实时辨向方法，包括以下步骤：
S1.分别对两路光栅尺数据信号进行过采样和延迟处理，基于过采样和延迟处理后的数据信号生成上升信号、下降信号和保持信号三种变化趋势信号以及静止信号；
步骤S1具体包括：
S1.1使用两级D触发器分别对两路光栅尺数据信号进行过采样和延迟处理,得到原始数据信号、第一延时数据信号和第二延时数据信号，其中，第一延时数据信号的延时为1个时钟周期，第二延时数据信号的延时为2个时钟周期；
具体的，可以利用FPGA外部产生的晶振时钟作为FPGA的基准时钟，可以利用FPGA内部的锁相环对基准时钟倍频得到高频时钟作为全局时钟sys_clk，其时钟频率为f3，其中，f3为D触发器的采样时钟，f3＝B*f2，其中，f2为为光栅尺光电转换部分ADC的采样频率，f2＝A*f1，其中，f1为光电信号的频率，f1＝f0±△f，其中，f0为光栅尺激光器的基频，△f为物体移动产生的多普勒频移，A和B均为正整数。为保证光栅尺的测量精度，通常A大于等于1024，为保证采样数据不失真，通常B大于等于2。例如，使用至少2048倍于光电信号频率的sys_clk对接收数据信号进行过采样。基于FPGA的过采样过程，使用D触发器采样，属于时序逻辑，便于数字电路的时序约束，同时对毛刺有较强抵抗能力。
S1.2将所述原始数据信号和所述第一延时数据信号通过进行大小比较，得到所述变化趋势信号的最高位。
S1.3将所述第一延时数据信号和所述第二延时数据信号进行大小比较，得到所述变化趋势信号的最低位。
S1.4将所述原始数据信号和所述第一延时数据信号通过相等判断，得到第一静止判断信号。
S1.5将所述原始数据信号和所述第一延时数据信号通过相等判断，得到第二静止判断信号。
S1.6将所述第一静止判断信号和第二静止判断信号相或后得到所述静止信号。
具体的，使用FPGA内部的LUT作为比较器，实现S1.2至S1.3所述的变化趋势比较器和S1.4至S1.5所述的相等判断比较器。例如，使用00、10、01和11作为二输入LUT的输入，调整输出Y1的值，可以分别表示为下降、保持、保持和上升四种变化趋势。使用00、11作为二输入LUT的输入，调整输出Y2的值，可以表示静止状态。每个二输出LUT用作1位信号的比较器，对上述二输入LUT进行级联，可以作为多bit信号的比较器。
S2.分别统计每一路数据信号的符号位以及变化趋势信号。
具体的，分别统计位宽为1bit的正弦信号符号位sign_sin、位宽为1bit的余弦信号符号位sign_cos、位宽为2bit的正弦信号变化趋势trend_sin、位宽为2bit的余弦信号变化趋势trend_cos以及静止判据信号static。例如，对输入正弦信号和输入余弦信号的最高位信号和拆分模块进行连接，其余信号位悬空，使用FPGA器件内的7bit寄存器，对sign_sin、sign_cos、trend_sin、trend_cos、static并行输入，拼接为7bit的运动方向判据信号state。
S3.当符号位和变化趋势信号符合设定的运动方向判据时，判定运动方向为有效的运动方向。本发明能检测出光栅尺被测量物体的运动方向，具有高实时性和可靠性。
具体的，使用Moore状态机对运动方向进行判断，state作为该Moore状态机的状态跳转变量。
参照图2所示，本发明实施例提供一种基于FPGA的光栅尺实时辨向系统，包括采样模块、比较模块、拆分模块、拼接模块和判断模块。
采样模块，其用于两级D触发器分别对两路光栅尺数据信号进行过采样和延迟处理，基于过采样和延迟处理后的数据信号生成上升信号、下降信号和保持信号三种变化趋势信号以及静止信号；
比较模块，其用于比较原始数据信号、第一延时数据信号以及第二延时数据信号的大小关系。
拆分模块，其用于将输入正弦信号和输入余弦信号拆分，得到符号位。
拼接模块，其用于将正弦信号符号位、余弦信号符号位、正弦信号变化趋势信号、余弦信号变化趋势信号以及静止判断信号拼接，得到判断模块所需的输入信号。
判断模块，其用于当符号位、变化趋势信号和静止信号符合设定的运动方向判据时，判定运动方向为有效的运动方向。
参照图3所示，本发明实施例提供一种基于FPGA的光栅尺实时辨向系统Moore状态机状态转移图。
对于Moore状态机的状态跳转变量，x表示不关心，基于FPGA器件的x变量使用verilog语言关键字casex实现。
Moore状态机基于FPGA实现，当系统上电时默认待测物体处于静止状态，对应状态机中的IDLE状态。
对于state满足正向运动的判据时，状态跳转为FORWARD，state满足反向运动的判据时，状态跳转为BACKWARD。
当Moore状态机处于FORWARD状态或BACKWARD状态时，检测sign_sin，若为保持状态，可以认为光电信号处于波峰或波谷，或输入信号有毛刺。上述两种情况任意一种均不影响运动方向判定，在上述两种情况下，状态机跳转到DEFAULT状态。
对于Moore状态机的输出，在最终输出运动方向结果direction前，使用D触发器进行寄存。需要特别指出的是，该D触发器仅和IDLE、FORWARD和BACKWARD状态连接，不连接DEFAULT状态，以完成在DEFAULT状态下保持上一个状态输出的功能。
参照图4所示，本发明实施例提供一种基于FPGA的光栅尺实时辨向系统时序仿真图。
对于运动方向结果direction，规定00为静止，01为正向，10为反向。
本发明不局限于上述实现方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于FPGA的光栅尺实时辨向方法，其特征在于包括以下步骤：
分别对两路光栅尺数据信号进行过采样和延迟处理，基于过采样和延迟处理后的数据信号生成上升信号、下降信号和保持信号三种变化趋势信号以及静止信号；
分别统计每一路数据信号的符号位以及变化趋势信号；
当符号位、变化趋势信号和静止信号符合设定的运动方向判据时，判定运动方向为有效的运动方向；
使用两级D触发器分别对两路光栅尺数据信号进行过采样和延迟处理,得到原始数据信号、第一延时数据信号和第二延时数据信号，其中，第一延时数据信号的延时为1个时钟周期，第二延时数据信号的延时为2个时钟周期；
将所述原始数据信号和所述第一延时数据信号通过进行大小比较，得到所述变化趋势信号的最高位；
将所述第一延时数据信号和所述第二延时数据信号进行大小比较，得到所述变化趋势信号的最低位。
2.如权利要求1所述的基于FPGA的光栅尺实时辨向方法，其特征在于：对于所述变化趋势信号的最高位与所述变化趋势信号的最低位通过拼接得到所述变化趋势信号。
3.如权利要求2所述的基于FPGA的光栅尺实时辨向方法，其特征在于：将所述原始数据信号和所述第一延时数据信号通过相等判断，得到第一静止判断信号；
将所述原始数据信号和所述第一延时数据信号通过相等判断，得到第二静止判断信号；
将所述第一静止判断信号和第二静止判断信号相或后得到所述静止信号。
4.如权利要求3所述的基于FPGA的光栅尺实时辨向方法，其特征在于:
将所述光栅尺输入的第一路正弦信号和所述光栅尺输入的第二路余弦信号分别进行拆分，得到各自的最高位作为符号位。
5.如权利要求4所述的基于FPGA的光栅尺实时辨向方法，其特征在于:将所述正弦信号符号位、所述余弦信号符号位、所述正弦信号变化趋势信号、所述余弦信号变化趋势信号和所述静止判断信号拼接，得到方向判据信号。
6.一种基于FPGA的光栅尺实时辨向系统，其特征在于，所述光栅尺实时辨向系统包括：
采样模块，其用于两级D触发器分别对两路光栅尺数据信号进行过采样和延迟处理，基于过采样和延迟处理后的数据信号生成上升信号、下降信号和保持信号三种变化趋势信号以及静止信号；
比较模块，其用于比较原始数据信号、第一延时数据信号以及第二延时数据信号的大小关系；
拆分模块，其用于将输入正弦信号和输入余弦信号拆分，得到符号位；
拼接模块，其用于将正弦信号符号位、余弦信号符号位、正弦信号变化趋势信号、余弦信号变化趋势信号以及静止判断信号拼接，得到判断模块所需的输入信号；
判断模块，其用于当符号位、变化趋势信号和静止信号符合设定的运动方向判据时，判定运动方向为有效的运动方向；
采样模块包括：
过采样和延时单元，其使用两级D触发器分别对两路光栅尺数据信号进行过采样和延迟处理,得到原始数据信号、第一延时数据信号和第二延时数据信号，其中，第一延时数据信号的延时为1个时钟周期，第二延时数据信号的延时为2个时钟周期。
7.如权利要求6所述的基于FPGA的光栅尺实时辨向系统，其特征在于，所述比较模块包括：
趋势比较单元，其用于统计输入信号的变化趋势；
相等比较单元，其用于统计输入信号是否处于静止状态。
8.如权利要求6所述的基于FPGA的光栅尺实时辨向系统，其特征在于，所述拆分模块将输入信号最高位数据与其余位数据拆分，得到最高位作为符号位。
9.如权利要求6至8所述的基于FPGA的光栅尺实时辨向系统，其特征在于，所述拼接模块用于将正弦信号符号位、余弦信号符号位、正弦信号变化趋势信号、余弦信号变化趋势信号和静止判断信号拼接，得到方向判据信号。
10.如权利要求6至9所述的基于FPGA的光栅尺实时辨向系统，其特征在于，所述判断模块使用Moore型状态机进行状态判断，使用方向判据信号作为Moore状态机的状态转移变量。
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