基于VME总线的多处理器运动控制卡

摘要

超精密运动控制是光刻机的核心技术之一,本文结合国家重大科技专项课题《双工件台运动控制系统硬件研发》的研究工作,对基于 VME总线的多处理器运动控制卡进行了研制与实践。
　　分析了双工件台超精密同步运动控制需求,研究了光刻运动过程中各子系统间的相互关系;对常用的计算机总线:ISA总线、PCI总线、VME总线等进行了比较分析,对适用于工业控制的微处理器:单片机、ARM、DSP、FPGA等进行了优缺点对比,确立了以标准 VME总线为基础、以 DSP+FPGA为控制核心的运动控制卡总体结构;针对运动控制卡具体功能需求对各个功能模块进行了简要的分析。
　　根据运动控制卡总体结构进行详细的硬件设计,包括:DSP外围电路、FPGA外围电路、VME总线接口电路、高速光纤电路、数字和模拟 IO电路、运动控制卡供电系统等。在硬件电路的基础上设计了三层软件结构,利用FPGA灵活可重新配置、集成度高等优点实现硬件接口层软件:VME从接口逻辑、自定义总线接口逻辑、高速光纤控制器和模拟 IO控制器等。DSP通过外部存储器接口 EMIF统一管理FPGA控制器,实现了DSP+FPGA核心处理器架构。同时,在 DSP中实现 FLASH启动、应用层代码从上位机下载、DSP底层程序等底层软件;最后通过搭建系统调试平台,对运动控制卡功能设计的完整性和稳定性进行了验证。
　　本文针对超精密双工件运动平台,设计了基于多总线数据传输的多处理器并行处理运动控制卡,实现多轴纳米级同步运动控制;根据运动控制系统总体架构进行了详细的运动控制软硬件设计和验证;运动控制卡经过长时间测试,已交付使用。

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1 绪 论

1.1 课题来源

1.2 课题研究的目的及意义

1.3 光刻机原理和国内外研究概况

1.4 本文主要内容

2 运动控制卡需求分析与总体结构

2.1 运动控制系统需求分析与架构

2.2 运动控制卡需求分析

2.3 运动控制卡总体结构

2.4 本章小结

3 运动控制卡硬件电路设计

3.1 核心处理单元电路设计

3.2 FPGA硬件电路设计

3.3 VME总线接口电路设计

3.4 高速光纤电路设计

3.5 数字与模拟IO电路设计

3.6 供电系统设计

3.7 本章小结

4 运动控制卡固件设计

4.1 DSP底层软件实现

4.2 VME从接口逻辑

4.3自定义总线接口逻辑

4.4高速光纤控制器

4.5 模拟IO控制器

4.6 本章小结

5调试与验证

5.1 调试环境

5.2 通过VME与上位机通信测试

5.3 位置数据传输联机测试

5.4 高速光纤稳定性测试

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录 攻读学位期间发表学术论文目录