CN114035474B - 采样信号同步控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种采样信号同步控制系统，包括硅片对准测量模块、以及工件台位置测量模块；其中，所述硅片对准测量模块包括通过外同步总线、内同步总线、以及管理和数据总线连接的对准测量CPU板卡、对准测量同步控制板卡、对准测量数据交换板卡、对准测量并行计算板卡、对准光电解调采集板卡；所述工件台位置测量模块包括通过自定义总线、以及管理总线连接的位置测量CPU板卡、位置测量同步控制板卡、位置测量计数板卡。本发明提供的技术方案可有效解决采样信号同步误差大、同步脉冲触发失效和同步节拍漏拍以及系统可靠性低等问题。
Description
技术领域
本发明涉及测控系统技术领域，特别涉及一种采样信号同步控制系统。
背景技术
测控技术是一门实践性很强的技术，在工业、农业和国防等领域有深入而广泛的应用基础。随着现代科学技术的飞速发展以及我国产业升级的现实需求，对测控系统的性能和可靠性提出了越来越高的要求。
尤其是在超精密先进测控系统应用领域，为实现纳米级的位置测控目标，通常采用高精度双频激光干涉仪作为测量标尺，采用光栅标记作为位置基准，测控系统中的双频激光干涉仪测量轴和光栅标记随着位移台的扫描运动分别产生严格对齐的位移变化和光强变化同步信号，对以上两信号通过联合解算求得纳米级精度的位置信息。为使上述两种信号产生严格的同步关系，应在同步脉冲触发方式下，对上述两种信号进行同步数据采集，将采集到的位移变化数据和光强变化数据分别作为平面直角坐标系的横坐标和纵坐标，两两对齐，然后进行数字信号处理和曲线拟合，以解算出精确的位置信息。
在工程应用实践中，由于受到信号线路延迟、电磁干扰、震动、设备老化以及软件缺陷等多种因素的影响，致使同步误差增大甚至导致同步脉冲触发失效以及引起同步节拍漏拍等问题频发，从而造成同步数据误差增大和错位，由此导致位置解算误差显著增大，从而造成测控系统性能和可靠性的显著下降。
为解决上述问题，现有技术中通用的方法是采用专用的同步信号板卡，由其产生同步脉冲信号并以并发形式发送到双频激光干涉仪位置信号采集板卡和光栅标记光强信号采集板卡，触发两块板卡进行同步数据采样。在此方法中为减小同步误差需降低同步脉冲频率和采样频率，从而降低了测控系统精度。该方法无法避免同步脉冲触发失效和同步节拍漏拍导致的数据不同步问题。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种采样信号同步控制系统，旨在解决采样信号同步误差大、同步脉冲触发失效和同步节拍漏拍以及系统可靠性低的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种采样信号同步控制系统，包括硅片对准测量模块、以及工件台位置测量模块；
其中，所述硅片对准测量模块包括通过外同步总线、内同步总线、以及管理和数据总线连接的对准测量CPU板卡、对准测量同步控制板卡、对准测量数据交换板卡、对准测量并行计算板卡、对准光电解调采集板卡；
所述工件台位置测量模块包括通过自定义总线、以及管理总线连接的位置测量CPU板卡、位置测量同步控制板卡、位置测量计数板卡。
可选地，所述对准测量同步控制板卡的三个脉冲计数单元分别对所述位置测量同步控制板卡发送的同步脉冲、以及对所述对准光电解调采集板卡返回的脉冲应答进行计数，所述对准测量同步控制板卡的脉冲比对单元实时对三个脉冲计数单元的脉冲计数值进行比对，当三个脉冲计数值一致且等于拨码数值的整数倍时，产生异步中断信号并发送到所述对准测量并行计算板卡，通知其保存所述对准测量数据交换板卡发送的采样数据，当三个脉冲计数值不一致时，产生异步清零信号并发送到所述位置测量同步控制板卡通知其清零时间戳值。
可选地，所述采样信号同步控制系统还包括定时模块，所述定时模块包括两个定时器，所述对准光电解调采集板卡包括第一对准光电解调采集板卡和第二对准光电解调采集板卡，两个所述定时器分别设于所述第一对准光电解调采集板卡和所述第二对准光电解调采集板卡上。
可选地，所述位置测量计数板卡为双频激光干涉仪测量轴干涉光信号采集板卡，每块所述位置测量计数板卡包含多个并行光电信号采集通道，可同时对N个测量轴的干涉光信号进行数据采集。
可选地，所述硅片台测量模块的管理总线采用的是PCIe，上述工件台位置测量模块的管理总线采用的是VME，所述内同步总线采用三线制闭环结构，所述外同步总线采用隔离RS-485差分总线。
可选地，所述位置测量同步控制板卡作为所述工件台位置测量模块多轴位置解算单元，实时将所述位置测量计数板卡采集到的双频激光干涉仪多轴干涉光强信号解算为工件台位置数据，按规定的帧格式组帧后形成干涉仪多轴位置数据发送到所述对准测量数据交换板卡。
本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，针对超精密先进测控系统对高精度和高可靠性的要求，提出了一种测控系统高速采样信号同步控制方法，可有效解决采样信号同步误差大、同步脉冲触发失效和同步节拍漏拍以及系统可靠性低等问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明提供的采样信号同步控制系统结构框图；
图2为采样信号同步控制系统数据链路原理框图；
图3为自定义总线时序图示；
图4为高速采样信号的闭环同步控制框图示；
图5为补位采样数据时序图示；
图6为数据对齐原理图示。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。还有就是，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
参见图1，本发明采样信号同步控制系统包括硅片对准测量模块和工件台位置测量模块。
其中，硅片对准测量模块包括通过外同步总线、内同步总线、以及管理和数据总线连接的对准测量CPU板卡、对准测量同步控制板卡、对准测量数据交换板卡、对准测量并行计算板卡和对准光电解调信号采集板卡，本系统采用2块对准光电解调信号采集板卡，记为1#和2#对准光电解调信号采集板卡，每块对准光电解调信号采集板卡包含8个并行采样通道，以及符合OpenVPX标准的机箱、电源和定制背板。
工件台位置测量模块包括通过自定义总线和管理总线连接的位置测量CPU板卡、位置测量同步控制板卡、位置测量计数板卡，以及符合VME标准的机箱、电源和定制背板。
硅片台测量分系统的管理总线采用PCIe，工件台位置测量分系统的管理总线VME；内同步总线采用三线制闭环结构，实现高可靠性纳秒级同步控制，使光强信号和位置数据实现精确匹配；数据总线采用Serial RapidIO，具有高带宽、低延迟等特点；光纤数据通道兼容Serial RapidIO(SRIO)总线协议；外同步总线采用隔离RS-485差分总线，具有强抗电磁干扰的特性；P2BUS总线为自定义同步总线架构，兼容位置测量计数板卡。
所述的P2BUS为自定义总线，包括“CLK”时钟信号、“SYNC-IN”内同步脉冲信号、“SAMPLE”采样信号、“LOCK”锁存信号、“DATA(48bit)”数据信号和“ADDR(6bit)”地址信号，共计六种信号端口。
VME-CPU板卡将一块位置测量计数板卡配置为主卡，并配置其产生h MHz(例如，10MHz)的“CLK”时钟信号，作为P2BUS总线时钟。
所述的位置测量同步控制板卡的FPGA作为同步信号发生单元，以“CLK”时钟信号为基准，产生占空比为1∶1的“SYNC-IN”内同步脉冲信号和“SYNC-EX”外同步脉冲信号，本方案中“SYNC-IN”内同步脉冲信号与CLK信号频率相同，均为h Hz(例如，10MHz)；对内同步脉冲信号进行d(例如，20)分频产生“SYNC-EX”外同步脉冲信号，其频率为h/d Hz(例如，500kHz)。
所述的内同步脉冲信号用于同步上述多块位置测量计数板卡的数据采集与传输。
所述的外同步脉冲信号由位置测量同步控制板卡的FPGA输出给硅片对准测量分系中的对准测量同步控制板卡，再由对准测量同步控制板卡分发给1#和2#对准光电解调信号采集板卡。
所述的位置测量同步控制板卡的DSP作为工件台位置测量分系统多轴位置解算单元，实时将位置测量计数板卡采集到的双频激光干涉仪多轴干涉光强信号解算为工件台位置数据，按规定的帧格式组帧后形成干涉仪多轴位置数据发送到硅片对准测量分系统的对准测量数据交换板卡。
所述的干涉仪多轴位置数据采用光纤传输，通信速率为Gbps 1X级别。干涉仪多轴位置数据里的一个重要信息是时间戳，用于对齐工件台位置数据和对准光电解调信号采集板卡采集数据。
位置测量同步控制板卡周期性产生“SAMPLE”信号，在每个“SAMPLE”周期位置测量计数板卡都同时对双频激光干涉仪N个测量轴的光强信号进行采样，最大采样速率h Hz。
位置测量同步控制板卡周期性产生“LOCK”信号，锁住数据，留给位置测量同步控制板卡读取，“LOCK”信号最大锁存速率为h Hz(例如，10MHz)。
P2BUS总线尽量保持以最快速率刷新和读取各轴数据。刷新速率可测试，逐步提高。在“ADDR(6bit)”控制下，以“SYNC-IN”信号为同步时序，位置测量同步控制板卡依次读取位置测量计数板卡的N轴数据。
对准测量同步控制板卡收到外同步脉冲信号(“SYNC-EX”)，要进行脉冲计数P2BUS-pCOUNTER，并将其作为工件台位置测量分系统和硅片对准测量分系统之间的同步控制信号，环出给1#和2#对准光电解调信号采集板卡，实现与位置测量计数板卡的同步采样控制。1#和2#对准光电解调信号采集板卡收到“SYNC-EX”信号之后，需进行应答，以防止同步节拍漏拍导致采样数据对不齐的问题，同时要即刻开始多通道的对准光电信号并行采样。
对准测量同步控制板卡收到1#和2#对准光电解调信号采集板卡的应答信号后，也要进行脉冲计数ADC-pCOUNTER，同时比对P2BUS-pCOUNTER和ADC-pCOUNTER的计数值，如果一致，则认为为本次数据有效。反之，认为发生了丢脉冲异常问题，数据对不齐，对准测量同步控制板卡向系统发送异常中断信号，系统进行异常处理。
对1#和2#对准光电解调信号采集板卡中的FPGA设置周期为0.2us的内部定时器，由“SYNC-EX”信号触发，一旦检测到2us+0.2us未收到下一个“SYNC-EX”节拍时，要自行进行帧计数补位。
设置位置测量同步控制板卡主动发送干涉仪多轴位置数据，发送的触发条件是脉冲计数值Px-Counter等于拨码设置个数，按Px-Counter数值进行同步数据组帧，完成组帧后即可发送数据，数据通过光纤按SRIO总线协议发送到对准测量数据交换板卡。
1#和2#对准光电解调信号采集板卡对采样数据发送的触发条件可设定与位置测量同步控制板卡一致，脉冲计数值Px-Counter等于拨码设置个数，完成组帧后即可发送数据，数据通过OpenVPX定制背板按SRIO总线协议发送到对准测量数据交换板卡。
对准测量数据交换板卡完成干涉仪多轴位置数据和对准光电信号采样数据从位置测量同步控制板卡和两块对准光电解调信号采集板卡到对准测量并行计算板卡的快速交换。
对准测量并行计算板卡收到位置测量同步控制板卡和两块对准光电解调信号采集板卡各自的SRIO门铃中断，表示数据传输完毕，可以进行数据后处理了。
参见图2，为采样信号同步控制系统数据链路原理框图。位置测量计数板卡采用高分辨率激光器轴电路板卡，将其作为双频激光干涉仪测量轴干涉光信号采集板卡，每块位置测量计数板卡包含多个并行光电信号采集通道，可同时对N个测量轴的干涉光信号进行数据采集。对于包含N个测量轴的超精密先进测控系统平台，本方案采用多块高分辨率激光器轴电路板卡予以实现。
对上述多块位置测量计数板卡进行编号，分别为1#、2#、3#、4#、……、n#。采用主从结合的工作模式，VME-CPU板卡通过VME管理总线配置1#位置测量计数板卡为主卡，配置2#、3#、4#、……、n#位置测量计数板卡为副卡。配置1#主卡的时钟频率为h Hz，对应的时钟周期为1/hus。1#主卡通过P2BUS总线的“CLK”端口输出hHz时钟信号，位置测量同步控制板卡接收此时钟信号并在其FPGA中通过P2BUS总线的“SYNC-IN”端口以并发形式环出给位置测量计数板卡，位置测量计数板卡接收此信号将其作为内同步信号，并以此为同步基准。以此内同步信号为触发条件，位置测量计数板卡的N个光电信号采集通道对双频激光干涉仪的N轴干涉光强信号进行并行同步数据采样。
参见图3，为自定义P2BUS总线时序图。下面根据图3所示来说明位置测量计数板卡对双频激光干涉仪的N轴干涉光强信号的具体并行同步数据采样步骤：
如图3所示，位置测量同步控制板卡接收1#主卡“CLK”端口输出的频率为h Hz(例如，10MHz)的时钟信号，在其内部FPGA处理后环出多路与“CLK”信号完全相同的“SYNC-IN”信号，以此作为工件台位置测量分系统同步基准，同时FPGA以“SYNC-IN”信号为基准，环出多路频率为h Hz的“SAMPLE”脉冲信号，作为P2BUS总线的采样信号。1～n#位置测量计数板卡的多个光电信号采集通道在“SAMPLE”采样信号触发下对双频激光干涉仪N个测量轴的光强信号以h Hz采样频率进行并行同步采样。“LOCK”信号为FPGA产生的锁存信号，如图3所示每个“LOCK”信号占用20个“SYNC-IN”信号周期，其作用是通过上升沿将1～n#位置测量计数板卡当前采集的16×48bit数据锁存在16个48Bit数据缓存区。P2BUS总线的ADDR端口在16个“SYNC-IN”信号触发下地址值从0向15递增，从而将锁存在数据缓存区的16×48bit数据依次通过P2BUS总线的“DATA”端口发送到位置测量同步控制板卡中用于工件台位置解算。由“LOCK”锁存信号的周期数可知，对双频激光干涉仪N个测量轴的一次并行同步数据采集需要20个“SYNC-IN”信号周期，其中数据采集使用1个周期，数据传输使用16个周期，剩余3个“SYNC-IN”信号周期作为空闲周期。
位置测量同步控制板卡接收到通过P2BUS总线的“DATA”端口发送的工件台位置采样原始数据后，进行位置数据解算得到解算后数据，将此N轴原始数据和解算后数据组成一组，然后按规定的帧格式进行数据组帧。其中，一帧位置数据中的数据组数由拨码设置个数决定。
由于一次并行同步数据采集需要20个“SYNC-IN”信号周期，因此位置测量同步控制板卡以“SYNC-IN”信号为基准，在其FPGA中进行d(例如，20)分频，将h Hz(例如，10MHz)同步脉冲频率降为h/d Hz(例如，500kHz)，以此作为外同步信号“SYNC-EX”，输出到对准测量同步控制板卡(VPX外同步控制板卡)。对准测量同步控制板卡将此外同步信号以并发形式发送给1#和2#对准光电解调信号采集板卡，作为此两块板卡的并行采样同步信号。1#和2#对准光电解调信号采集板卡各有多个光电信号采集通道，为降低AD采样信号噪声，每个外同步信号“SYNC-EX”脉冲周期进行连续多次并行采样，并将此多次并行采样数据组成一组，然后按规定的帧格式进行数据组帧。其中，一帧对准光电信号采样数据中的数据组数也由拨码设置个数决定。此方法实现了以上多块位置测量计数板卡与1#和2#对准光电解调信号采集板卡的高速采样信号的开环同步控制。
由于受到系统硬件环境等多种因素的影响，致使外同步信号“SYNC-EX”偶发传输失效，从而导致外同步信号“SYNC-EX”无法从位置测量同步控制板卡到达1#或2#对准光电解调信号采集板卡，此时即造成了干涉仪多轴位置数据与对准光电信号采样数据之间的错位。
如图4，为避免此问题，本发明采用了一种如图4所示的同步脉冲应答机制，对准测量同步控制板卡的三个脉冲计数单元分别对位置测量同步控制板卡发送的同步脉冲和2块对准光电解调信号采集板卡返回的脉冲应答进行计数，对准测量同步控制板卡的脉冲比对单元实时对三个脉冲计数单元的脉冲计数值进行比对，当三个脉冲计数值一致且等于拨码数值的整数倍时，产生异步中断信号并发送到对准测量并行计算板卡，通知其保存对准测量数据交换板卡发送的采样数据，当三个脉冲计数值不一致时，产生异步清零信号并发送到位置测量同步控制板卡，通知其清零时间戳值，通过此方法实现了位置测量计数板卡与2块对准光电解调信号采集板卡的高速采样信号的闭环同步控制。
在闭环同步控制方案中，如果发生外同步脉冲偶发传输失效的频率较高，将会导致对准测量同步控制板卡频繁向位置测量同步控制板卡发送异步清零信号，从而严重影响测控系统的工作效率。
为避免以上问题，在原有闭环同步控制方案的基础上，在1#和2#对准光电解调信号采集板卡上的FPGA中分别增加1个周期为0.2us的内部定时器，记为“TIMER-IN”。此外，为避免异步时钟导致的累计误差，以“SYNC_OUT”外同步脉冲的上升沿作为“TIMER-IN”信号复位触发条件，每个“SYNC_OUT”外同步脉冲的上升将复位“TIMER-IN”计数值，使其从0开始计数。
如图5所示，每个“SYNC-OUT”外同步脉冲周期内包含10个“TIMER-IN”计数脉冲，正常情况下位置测量同步控制板卡累计够10个“TIMER-IN”计数脉冲周期时，将会收到下一个“SYNC_OUT”外同步脉冲的上升沿。异常情况时，当“TIMER-IN”计数脉冲累计到第11个时位置测量同步控制板卡还未收到下一个“SYNC_OUT”外同步脉冲的上升沿时，则认为这个“SYNC_OUT”外同步脉冲已丢失，此时位置测量同步控制板卡将自动发送一个占空比为4∶5且周期为1.8us的同步应答信号，并且在不依赖“SYNC_OUT”外同步脉冲触发条件对对准光电信号进行一次自动采样，以补齐因同步脉冲丢失导致的采样数据错位。由于此次数据采样将延迟0.2us，由此引入补位误差，此误差造成的影响对于数据处理可以忽略不计。
图6所示为干涉仪位置数据与对准光电信号采样数据的对齐原理图示。其中，①为干涉仪位置数据与时间戳关系曲线；②为对准光电信号采样数据与时间戳关系曲线；③对①和②按时间戳相等原则进行了合并，合并后的干涉仪位置数据和对准光电信号采样数据以时间戳为基准实现了数据对齐；④为数据对齐后，以干涉仪位置数据为横坐标，以对准光电信号采样数据为纵坐标，建立的干涉仪位置与对准信号光强之间的平面直角坐标系。在此坐标系下，即可在对准测量并行计算板卡中通过数字信号处理和曲线拟合等算法进行X轴(干涉仪多轴位置数据)和Y轴(多通道对准光电信号采样数据)的联合解算，以解算出精密测控系统的精确对准位置信息。
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，所应理解的是，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 (2)
1.一种采样信号同步控制系统，其特征在于，包括硅片对准测量模块、以及工件台位置测量模块；
其中，所述硅片对准测量模块包括通过外同步总线、内同步总线、以及管理和数据总线连接的对准测量CPU板卡、对准测量同步控制板卡、对准测量数据交换板卡、对准测量并行计算板卡、对准光电解调采集板卡；
所述工件台位置测量模块包括通过自定义总线、以及管理总线连接的位置测量CPU板卡、位置测量同步控制板卡、位置测量计数板卡；
其中，所述对准测量同步控制板卡的三个脉冲计数单元分别对所述位置测量同步控制板卡发送的同步脉冲、以及对所述对准光电解调采集板卡返回的脉冲应答进行计数，所述对准测量同步控制板卡的脉冲比对单元实时对三个脉冲计数单元的脉冲计数值进行比对，当三个脉冲计数值一致且等于拨码数值的整数倍时，产生异步中断信号并发送到所述对准测量并行计算板卡，通知其保存所述对准测量数据交换板卡发送的采样数据，当三个脉冲计数值不一致时，产生异步清零信号并发送到所述位置测量同步控制板卡通知其清零时间戳值；
其中，所述对准光电解调采集板卡包括第一对准光电解调采集板卡和第二对准光电解调采集板卡；
其中，所述位置测量同步控制板卡作为所述工件台位置测量模块多轴位置解算单元，实时将所述位置测量计数板卡采集到的双频激光干涉仪多轴干涉光强信号解算为工件台位置数据，按规定的帧格式组帧后形成干涉仪多轴位置数据发送到所述对准测量数据交换板卡；
其中，所述位置测量计数板卡为双频激光干涉仪测量轴干涉光信号采集板卡，每块所述位置测量计数板卡包含多个并行光电信号采集通道，可同时对N个测量轴的干涉光信号进行数据采集。
2.如权利要求1所述的采样信号同步控制系统，其特征在于，所述采样信号同步控制系统还包括定时模块，所述定时模块包括两个定时器，两个所述定时器分别设于所述第一对准光电解调采集板卡和所述第二对准光电解调采集板卡上。
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