基于FPGA 的VME自定義總線接口設(shè)計論文

　　1 引言

　　在光刻機(jī)雙工件臺控制系統(tǒng)中,VME 總線使用了三個接口共430 根線路接入, 通過背板互聯(lián)的有P1, P2 兩個接口320 根線路接入。實(shí)際上V M E 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議并沒有完全使用全部線路, 而是為用戶預(yù)留了部分自定義線路,增加了設(shè)計的靈活性。由于V M E 總線主要用于工控機(jī)與各板卡的通信, 同步控制卡與激光計數(shù)卡和光柵譯碼卡使用總線就會產(chǎn)生嚴(yán)重沖突, 影響采用是實(shí)時性,因此這里將V M E 總線中未使用的管腳作為自定義總線管腳, 這樣避免了增加新的硬件接口, 而且在硬件設(shè)計上可以和VME 總線一起考慮。

　　自定義同步總線數(shù)據(jù)傳輸完全根據(jù)主控總線提供的時序進(jìn)行, 地址線包含了對數(shù)據(jù)發(fā)送和接收方的定義。每個總線傳輸周期中, 數(shù)據(jù)發(fā)送端和接收端的身份根據(jù)地址尋址關(guān)系自動切換, 而避免了總線控制權(quán)更迭時的握手, 及數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)先級或傳輸搶占等問題, 總線控制信號來自同一個時鐘域, 從節(jié)點(diǎn)僅響應(yīng)控制信號, 可忽略節(jié)點(diǎn)間時鐘相位差影響。在每個伺服周期, 設(shè)計了一個數(shù)據(jù)傳輸序列來實(shí)現(xiàn)共享數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)傳輸序列由若干個總線傳輸周期構(gòu)成, 每個周期完成32b i t 的數(shù)據(jù)共享。通過設(shè)定總線地址來設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸序列的傳輸內(nèi)容, 當(dāng)所有的設(shè)定總線地址被遍歷, 則當(dāng)前周期數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成, 所有被規(guī)劃傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都被所有的運(yùn)動控制卡所共享。

　　2 VME 自定義總線邏輯協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

　　V M E 自定義總線是一條并行運(yùn)行的總線, 該總線

　　采用數(shù)據(jù)廣播的方式, 可以方便各個板塊同時接收同一個數(shù)據(jù)。其由同步控制卡提供5KHz 時鐘, 每200us同步控制卡將數(shù)據(jù)鎖存線拉高, 向光柵譯碼卡發(fā)出一個脈沖, 此時光柵譯碼卡和激光干涉儀等設(shè)備鎖存該時刻的數(shù)據(jù), 其讀數(shù)不再發(fā)生變化, 然后同步控制卡產(chǎn)生一連串的讀取信號, 將各個光柵尺的數(shù)據(jù)讀出。同時切換總線上的地址, 并生成采樣保持, 讀取和地址三個信號置于自定義總線, 運(yùn)動控制卡通過對自身所需的地址的識別在讀信號低電平時獲得相應(yīng)位置傳感器的信號。

　　2.1 VME 自定義總線接口的實(shí)現(xiàn)

　　V M E 自定義總線在V M E 的P2 口上, 時鐘頻率是5KHz, 用于傳輸激光干涉儀和光柵尺的測量數(shù)據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中, 位置環(huán)采樣周期為200us, 并且有大量的實(shí)時伺服數(shù)據(jù)在運(yùn)動控制卡與光柵譯碼卡之間、運(yùn)動控制卡與運(yùn)動控制卡之間、運(yùn)動控制卡與同步總線控制卡之間交換。如果在運(yùn)動控制中, 這些伺服數(shù)據(jù)使用V M E總線進(jìn)行交換, 則會堵塞系統(tǒng)總線, 使P o w e r P C 無法進(jìn)行正常工作。為此, 利用光柵譯碼卡的技術(shù)特點(diǎn)以及V M E 的P2 自定義接口, 構(gòu)造自定義局部總線。并設(shè)計專用同步總線控制模塊對同步總線進(jìn)行控制。自定義同步總線接口邏輯同樣采用FPGA 芯片來實(shí)現(xiàn), 使其達(dá)到靈活、可靠、集成度高的設(shè)計要求。

　　自定義同步總線的.主控制器由運(yùn)動控制系統(tǒng)中的同步總線控制卡來實(shí)現(xiàn), 而運(yùn)動控制卡中只需實(shí)現(xiàn)自定義總線的從接口。從控制器結(jié)構(gòu)如 所示, 其功能包含以下方面:

　　(1) 提供DSP 對于雙口RAM 訪問的地址譯碼, 將DSP 的標(biāo)準(zhǔn)EMIF 接口時序轉(zhuǎn)換成雙口RAM 訪問時序,該功能在EMIF 時序匹配模塊中完成;

　　(2) 完成自定義總線的讀寫邏輯, 當(dāng)自定義總線的地址有效后, 數(shù)據(jù)方向控制模塊將判斷當(dāng)前運(yùn)動控制卡是數(shù)據(jù)發(fā)送端還是數(shù)據(jù)接收方, 以切換數(shù)據(jù)總線方向;

　　(3) 當(dāng)某一個特定的自定義總線地址訪問出現(xiàn)的時候, 總線時序匹配模塊將產(chǎn)生中斷信號提供給D S P , 提供同步觸發(fā)。

　　2.2 同步控制卡VME 自定義總線邏輯功能的實(shí)現(xiàn)

　　光柵譯碼卡接收來自光柵尺的信號, 實(shí)現(xiàn)對工件臺宏動部分的位置測量, 測量數(shù)據(jù)通過自定義總線傳送給同步控制卡。同步控制卡通過內(nèi)部的定時器, 產(chǎn)生運(yùn)動周期開始信號, 讀取光柵譯碼卡的數(shù)據(jù), 然后將各個運(yùn)動控制卡所需的信號, 按照一定的地址編碼,發(fā)送到V M E64x 總線的自定義總線上, 由運(yùn)動控制卡接收。運(yùn)動控制卡接收到同步控制卡的運(yùn)動周期開始信號后, 依次接收指令位置和光柵尺數(shù)據(jù), 運(yùn)動控制卡進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲等其他操作, 并等待下個運(yùn)動周期的開始信號。

　　對于同步控制卡FPGA 中邏輯協(xié)議的設(shè)計, 采用三段式狀態(tài)機(jī)進(jìn)行設(shè)計, 第一段描述次態(tài)寄存器轉(zhuǎn)到現(xiàn)態(tài)寄存器; 第二段對狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件進(jìn)行判斷, 從而完成狀態(tài)轉(zhuǎn)移變換; 第三段描述在各個狀態(tài)完成的動作和對狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件進(jìn)行描述。

　　在狀態(tài)S0 處檢測200u s 的脈沖, 因?yàn)橥娇刂瓶?00u s 向光柵譯碼卡發(fā)出一個脈沖, 光柵譯碼卡接收到該脈沖后就會鎖存當(dāng)前數(shù)據(jù), 當(dāng)脈沖到來時則轉(zhuǎn)到S1狀態(tài), 否則仍然處于S0。在S1 狀態(tài)時等待20n s , 即讓光柵譯碼卡把數(shù)據(jù)鎖存完成, 接著轉(zhuǎn)到狀態(tài)S2。在狀態(tài)S2, 將地址發(fā)送給光柵譯碼卡, 并且等待30n s , 讓輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定, 然后轉(zhuǎn)到狀態(tài)S3。在狀態(tài)S3, 將數(shù)據(jù)鎖存,讀操作的次數(shù)置零, 并且將地址發(fā)送給雙口R A M , 延時10n s 等待數(shù)據(jù)和地址穩(wěn)定, 然后轉(zhuǎn)到狀態(tài)S4。在S4對雙口R A M 進(jìn)行寫操作使能, 即給寫使能引腳置高電平, 然后進(jìn)入狀態(tài)S5。在S5 將讀操作次數(shù)加1, 并判斷是12 路數(shù)據(jù)是否讀取完畢, 即讀次數(shù)是否等于12, 若否則進(jìn)入狀態(tài)S6, 否則進(jìn)入狀態(tài)S11。從狀態(tài)S6 到狀態(tài)S10 重復(fù)狀態(tài)S1 到S5 的過程, 直到讀取完成。在狀態(tài)S11, 發(fā)出讀取完成脈沖, 并延時20ns 到狀態(tài)S12, 最后返回狀態(tài)S0 等待。

　　2.3 同步控制卡VME 自定義總線設(shè)計實(shí)測結(jié)果

　　實(shí)測模塊是接收12 路光柵尺的數(shù)據(jù), 從 可以看出, 送到光柵譯碼卡的地址, 在延遲一定時間后, 穩(wěn)定的數(shù)據(jù)才輸出, 所以這里是根據(jù)實(shí)測的延遲時間來決定模塊設(shè)計中的相關(guān)信號的延遲。將數(shù)據(jù)寫入緩存必須等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定才能發(fā)出寫信號。

　　2.4 運(yùn)動控制卡讀取VME 自定義總線數(shù)據(jù)邏輯功能的實(shí)現(xiàn)

　　在光刻機(jī)雙工件臺控制系統(tǒng)中, 每塊運(yùn)動控制卡實(shí)現(xiàn)對三個電機(jī)的控制, 整個系統(tǒng)需要12 塊運(yùn)動控制卡,它通過光纖口將控制信號傳送到電機(jī)驅(qū)動。同步控制卡通過內(nèi)部的定時器, 產(chǎn)生運(yùn)動周期信號, 讀取光柵譯碼卡中數(shù)據(jù), 進(jìn)行解耦, 然后將各個運(yùn)動控制卡所需的信號, 按照一定的地址編碼, 發(fā)送到V M E64x 自定義總線, 由運(yùn)動控制卡接收。運(yùn)動控制卡接收到同步控制卡的運(yùn)動周期開始信號后, 依次接收指令位置和光柵譯碼卡的數(shù)據(jù)。

　　3 結(jié)束語

　　本文提供了一種基于FPGA 的VME 自定義總線的邏輯接口設(shè)計, 同步控制卡作為“主卡”, 讀取光柵譯碼卡中的測量數(shù)據(jù), 并將數(shù)據(jù)置于VME 自定義總線上,其負(fù)責(zé)自定義在總線的邏輯設(shè)計。運(yùn)動控制卡, 接收來自自定義總線上的數(shù)據(jù), 并通過DSP 進(jìn)行處理, 最后發(fā)送給電機(jī), 控制電機(jī)的運(yùn)動軌跡。該設(shè)計方案通過了實(shí)際驗(yàn)證, 并利用SignalTapII 觀測了其邏輯時序, 可得該方案正確。

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