本發(fā)明是關(guān)于一種用于靜電陀螺小角度信號(hào)測(cè)量或通過(guò)整周期脈沖指示信號(hào)作為參考信號(hào)的相敏解調(diào)測(cè)量的光電傳感器測(cè)角系統(tǒng)信號(hào)處理方法,涉及傳感器檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
在傳感器技術(shù)領(lǐng)域,某些傳感器的敏感信號(hào)輸出為交流信號(hào),同時(shí)也能輸出該交流信號(hào)的整周期參考脈沖,要獲得最終的傳感器檢測(cè)輸出還需要進(jìn)行相敏解調(diào)。這類(lèi)傳感器以靜電陀螺為典型應(yīng)用代表,靜電陀螺的球形轉(zhuǎn)子的極點(diǎn)兩端刻有長(zhǎng)方形漫反射條紋,如圖1所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí),每轉(zhuǎn)一圈赤道光電傳感器發(fā)出的光束掃過(guò)刻線(xiàn)時(shí)便產(chǎn)生一個(gè)電脈沖信號(hào),經(jīng)過(guò)前置放大器后得到整周期脈沖指示信號(hào);而頂端光電傳感器發(fā)出的光束聚焦于球形轉(zhuǎn)子的極點(diǎn)形成一個(gè)圓形光斑,如果光斑的中心與轉(zhuǎn)子極點(diǎn)重合,則轉(zhuǎn)子表面反射的光能不隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而變化,如果轉(zhuǎn)子相對(duì)于殼體繞X軸和/或Y軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)小角度,則光斑偏離極點(diǎn)、反射光能被漫反射刻線(xiàn)調(diào)制成正弦波交流信號(hào),經(jīng)過(guò)前置放大器后得到傳感器檢測(cè)交流輸出信號(hào),其幅值與轉(zhuǎn)角的模成正比、相對(duì)于整周期脈沖指示信號(hào)的相位由繞X軸和Y軸的角度比值確定。因此只要將傳感器檢測(cè)交流輸出信號(hào)以整周期脈沖指示信號(hào)為參考進(jìn)行相敏解調(diào),得到的同相輸出可以反映轉(zhuǎn)子繞X軸轉(zhuǎn)角的大小,得到正交輸出可以反映轉(zhuǎn)子繞Y轉(zhuǎn)角的大小。因此,測(cè)角系統(tǒng)信號(hào)處理電路的精度和動(dòng)態(tài)性能對(duì)陀螺性能有直接的影響。
通常情況下,以整周期脈沖指示信號(hào)為參考對(duì)傳感器檢測(cè)交流輸出信號(hào)進(jìn)行相敏解調(diào)的方法是將整周期脈沖指示信號(hào)進(jìn)行四倍頻后得到細(xì)分的兩路參考脈沖(0°相位脈沖和90°相位脈沖),通過(guò)開(kāi)關(guān)解調(diào)的方法對(duì)傳感器檢測(cè)交流輸出信號(hào)進(jìn)行處理。但是上述方法有以下幾個(gè)缺點(diǎn):1)參考脈沖的抖動(dòng)直接作用在開(kāi)關(guān)上會(huì)引入開(kāi)關(guān)抖動(dòng)脈沖,并引起解調(diào)輸出的噪聲增大;2)得到的解調(diào)輸出含有幅度很高的倍頻交流信號(hào),需要通過(guò)高階的低通濾波器進(jìn)行濾波,從而引入額外的相位滯后,降低信號(hào)的動(dòng)態(tài)性能;3)解調(diào)輸出往往為模擬信號(hào),還需要通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路獲取數(shù)字信息進(jìn)行后續(xù)的處理和補(bǔ)償。如何克服這些缺點(diǎn)是提高陀螺測(cè)角系統(tǒng)信號(hào)處理電路的精度和動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
針對(duì)上述問(wèn)題,本發(fā)明的目的是提供一種具有高信噪比和高動(dòng)態(tài)性能的光電傳感器測(cè)角系統(tǒng)信號(hào)處理方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種光電傳感器測(cè)角系統(tǒng)的信號(hào)處理方法,包括以下內(nèi)容:高頻時(shí)鐘源將產(chǎn)生高頻時(shí)鐘信號(hào)發(fā)送到ADC采樣脈沖發(fā)生器,ADC采樣脈沖發(fā)生器將產(chǎn)生的采樣脈沖發(fā)送到ADC電路對(duì)其進(jìn)行激發(fā),ADC電路定時(shí)對(duì)光電傳感器的檢測(cè)交流輸出信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字量,并將數(shù)字量發(fā)送到數(shù)字處理單元;高頻時(shí)鐘源將產(chǎn)生高頻時(shí)鐘信號(hào)發(fā)送到計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù);高頻時(shí)鐘源將產(chǎn)生高頻時(shí)鐘信號(hào)作為第一計(jì)數(shù)值捕捉電路的時(shí)鐘信號(hào),ADC采樣脈沖發(fā)生器輸出的ADC采用脈沖作為捕獲脈沖控制第一計(jì)數(shù)值捕捉電路對(duì)計(jì)數(shù)器輸出的計(jì)數(shù)值進(jìn)行捕獲,得到ADC采樣脈沖發(fā)生時(shí)刻對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值Tadc,并將計(jì)數(shù)值Tadc發(fā)送到數(shù)字處理單元;高頻時(shí)鐘源將產(chǎn)生高頻時(shí)鐘信號(hào)作為第二計(jì)數(shù)值捕捉電路的時(shí)鐘信號(hào),經(jīng)光電傳感器輸出的整周期脈沖指示信號(hào)作為捕獲脈沖控制第二計(jì)數(shù)值捕捉電路對(duì)計(jì)數(shù)器輸出的計(jì)數(shù)值進(jìn)行捕獲,獲得整周期脈沖指示信號(hào)發(fā)生時(shí)刻對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值Tp,并將計(jì)數(shù)值Tp發(fā)送到數(shù)字處理單元;高頻時(shí)鐘源將產(chǎn)生高頻時(shí)鐘信號(hào)發(fā)送到數(shù)字處理單元引起中斷,控制數(shù)字處理單元的計(jì)算周期為ADC采樣脈沖周期;數(shù)字處理單元根據(jù)輸入的計(jì)數(shù)值Tadc和計(jì)數(shù)值Tp,通過(guò)時(shí)鐘同步參考信號(hào)恢復(fù)算法實(shí)現(xiàn)參考正余弦信號(hào)的重構(gòu),恢復(fù)出與整周期脈沖指示信號(hào)同相位的參考正弦波Rsin和參考余弦波Rcos,并通過(guò)參考正弦波Rsin和參考余弦波Rcos通過(guò)最小均方誤差解調(diào)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)ADC采樣得到的檢測(cè)信號(hào)的相敏解調(diào),完成光電傳感器的角度測(cè)量。
進(jìn)一步地,所述第一計(jì)數(shù)值捕捉電路和第二計(jì)算值捕捉電路的電路實(shí)現(xiàn)形式完全相同。
進(jìn)一步地,所述第一計(jì)數(shù)值捕捉電路包括第一~第三D觸發(fā)器、一與門(mén)和一反門(mén),高頻時(shí)鐘源的輸出端并聯(lián)連接第一D觸發(fā)器和第二D觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)端,ADC采樣脈沖發(fā)生器作為捕獲脈沖連接第一D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)端D,第一D觸發(fā)器的輸出端Q分別連接第二D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)端D和與門(mén)Y輸入端,第二D觸發(fā)器的輸出端通過(guò)反門(mén)F和與門(mén)Y的另一輸入端連接,與門(mén)Y的輸出端連接第三D觸發(fā)器的時(shí)鐘端,計(jì)數(shù)器輸出端連接第三D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)端D,第三D觸發(fā)器的輸出即為捕捉到的計(jì)數(shù)值數(shù)據(jù)。
進(jìn)一步地,時(shí)鐘同步參考信號(hào)恢復(fù)算法的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為:
A)判斷計(jì)數(shù)值Tp是否等于Tp1,Tp1為上一次Tp值,初始化時(shí)與Tp相等,若相等則進(jìn)入步驟F),若不相等則進(jìn)入步驟B);
B)計(jì)算ADC采樣脈沖時(shí)刻與整周期脈沖指示信號(hào)時(shí)刻的時(shí)間差dT1=Tp-Tadc;
C)對(duì)整周期脈沖參考相位Φr進(jìn)行累加更新:
Φr+=(2π-dT1×freq0);
D)計(jì)算整周期脈沖參考相位Φr和恢復(fù)信號(hào)估計(jì)相位Φ之間的差值:dΦ=Φr–Φ;
E)將dΦ發(fā)送到一PI控制器C(z)中計(jì)算得到頻率估計(jì)值freq0,其中,PI控制器C(z)的Z變換公式如下:
其中:KP為控制器比例系數(shù),KI為控制器積分系數(shù),T為ADC采樣時(shí)間間隔,z為Z變換變量,freq0為整周期脈沖的頻率估計(jì)值;
F)計(jì)算兩次ADC采樣脈沖之間的時(shí)間差:dT2=Tadc-Tadc1,計(jì)算完成后令Tadc1=Tadc且令Tp1=Tp;
G)對(duì)恢復(fù)信號(hào)估計(jì)相位Φ進(jìn)行累加更新:Φ+=dT2×freq0;
H)利用更新得到的恢復(fù)信號(hào)估計(jì)相位Φ計(jì)算得到與整周期脈沖指示信號(hào)同相位的參考正弦波Rsin和參考余弦波Rcos,完成時(shí)鐘同步參考信號(hào)恢復(fù)過(guò)程:
Rsin=sin(Φ)
Rcos=cos(Φ)。
進(jìn)一步地,計(jì)數(shù)器采用自由運(yùn)行的加計(jì)數(shù)器。
本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案,其具有以下優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明提出的時(shí)鐘同步參考信號(hào)恢復(fù)算法可以顯著降低由于參考脈沖抖動(dòng)引入的噪聲;同時(shí),本發(fā)明利用最小均方誤差解調(diào)(LMSD)進(jìn)行相敏解調(diào)可降低后續(xù)濾波器的階次,提高解調(diào)輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)性能,因此,本發(fā)明的光電傳感器測(cè)角系統(tǒng)具有高信噪比、高動(dòng)態(tài)性能等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于靜電陀螺小角度信號(hào)測(cè)量或通過(guò)整周期脈沖指示信號(hào)作為參考信號(hào)的相敏解調(diào)測(cè)量的光電傳感器測(cè)角系統(tǒng)信號(hào)處理過(guò)程中。
附圖說(shuō)明
圖1是現(xiàn)有技術(shù)靜電陀螺光電傳感器結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2是本發(fā)明的光電傳感器測(cè)角系統(tǒng)的信號(hào)處理原理示意圖;
圖3是本發(fā)明的計(jì)數(shù)值捕捉電路原理示意圖;
圖4是本發(fā)明的時(shí)鐘同步參考信號(hào)恢復(fù)算法的流程示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖來(lái)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描繪。然而應(yīng)當(dāng)理解,附圖的提供僅為了更好地理解本發(fā)明,它們不應(yīng)該理解成對(duì)本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的描述中,需要理解的是,術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”等僅僅是用于描述的目的,而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性。
如圖2所示,本發(fā)明以靜電陀螺光電傳感器(但是不限于此,本發(fā)明可以適用通過(guò)整周期脈沖指示信號(hào)作為參考信號(hào)的相敏解調(diào)測(cè)量的光電傳感器)為具體實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明光電傳感器測(cè)角系統(tǒng)的信號(hào)處理方法,包括以下內(nèi)容:
1、本發(fā)明設(shè)置有光電傳感器測(cè)角系統(tǒng)信號(hào)處理電路系統(tǒng),包括有高頻時(shí)鐘源A1、ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)采樣脈沖發(fā)生器A2、計(jì)數(shù)器A3、ADC電路A4、第一計(jì)數(shù)值捕捉電路A5、第二計(jì)數(shù)值捕捉電路A6和數(shù)字處理單元A7。
2、高頻時(shí)鐘源A1將產(chǎn)生高頻時(shí)鐘信號(hào)(通常頻率為幾十MHZ)發(fā)送到ADC采樣脈沖發(fā)生器A2,ADC采樣脈沖發(fā)生器A2將產(chǎn)生的采樣脈沖(通常頻率為幾十kHZ)發(fā)送到ADC電路A4對(duì)其進(jìn)行激發(fā),ADC電路A4定時(shí)對(duì)靜電陀螺光電傳感器的傳感器檢測(cè)交流輸出信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字量S1,并將數(shù)字量S1發(fā)送到數(shù)字處理單元A7。
3、高頻時(shí)鐘源A1將產(chǎn)生高頻時(shí)鐘信號(hào)發(fā)送到計(jì)數(shù)器A3進(jìn)行計(jì)數(shù),每個(gè)高頻時(shí)鐘周期輸出當(dāng)前計(jì)數(shù)值,本發(fā)明實(shí)施例中計(jì)數(shù)器A3可以采用自由運(yùn)行的加計(jì)數(shù)器,其計(jì)數(shù)最大值為T(mén)max,當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到Tmax后自動(dòng)回零。
4、高頻時(shí)鐘源A1將產(chǎn)生高頻時(shí)鐘信號(hào)作為第一計(jì)數(shù)值捕捉電路A5的時(shí)鐘信號(hào),ADC采樣脈沖發(fā)生器A2輸出的ADC采用脈沖作為捕獲脈沖控制第一計(jì)數(shù)值捕捉電路A5對(duì)計(jì)數(shù)器A3輸出的計(jì)數(shù)值進(jìn)行捕獲,得到ADC采樣脈沖發(fā)生時(shí)刻對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器A3的計(jì)數(shù)值Tadc,并將計(jì)數(shù)值Tadc發(fā)送到數(shù)字處理單元A7。
5、高頻時(shí)鐘源A1將產(chǎn)生高頻時(shí)鐘信號(hào)作為第二計(jì)數(shù)值捕捉電路A6的時(shí)鐘信號(hào),經(jīng)靜電陀螺光電傳感器輸出的整周期脈沖指示信號(hào)作為捕獲脈沖控制第二計(jì)數(shù)值捕捉電路A6對(duì)計(jì)數(shù)器A3輸出的計(jì)數(shù)值進(jìn)行捕獲,獲得整周期脈沖指示信號(hào)發(fā)生時(shí)刻對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器A3的計(jì)數(shù)值Tp,并將計(jì)數(shù)值Tp發(fā)送到數(shù)字處理單元A7。
6、高頻時(shí)鐘源A1將產(chǎn)生高頻時(shí)鐘信號(hào)發(fā)送到數(shù)字處理單元A7引起中斷,控制數(shù)字處理單元A7的計(jì)算周期為ADC采樣脈沖周期。數(shù)字處理單元A7根據(jù)輸入的計(jì)數(shù)值Tadc和計(jì)數(shù)值Tp,通過(guò)時(shí)鐘同步參考信號(hào)恢復(fù)算法實(shí)現(xiàn)參考正余弦信號(hào)的重構(gòu),恢復(fù)出與整周期脈沖指示信號(hào)同相位的參考正弦波Rsin和參考余弦波Rcos,并通過(guò)參考正弦波Rsin和參考余弦波Rcos通過(guò)最小均方誤差解調(diào)(LMSD)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)ADC采樣得到的檢測(cè)信號(hào)的相敏解調(diào),即解調(diào)出同向輸出和正交輸出,得到的同向輸出為反映轉(zhuǎn)子繞X軸轉(zhuǎn)角的大小,得到的正交輸出為反映轉(zhuǎn)子繞Y轉(zhuǎn)角的大小,完成靜電陀螺光電傳感器的角度測(cè)量。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中,如圖3所示,第一計(jì)數(shù)值捕捉電路A5和第二計(jì)算值捕捉電路A6的電路實(shí)現(xiàn)形式完全相同,本發(fā)明以第一計(jì)數(shù)值捕捉電路A5為例詳細(xì)說(shuō)明其電路結(jié)構(gòu),第一計(jì)數(shù)值捕捉電路A5包括第一~第三D觸發(fā)器D1~D3、一與門(mén)Y和一反門(mén)F,高頻時(shí)鐘源A1的輸出端并聯(lián)連接第一D觸發(fā)器D1和第二D觸發(fā)器D2的時(shí)鐘信號(hào)端clk,ADC采樣脈沖發(fā)生器A2作為捕獲脈沖s連接第一D觸發(fā)器D1的數(shù)據(jù)段D,第一D觸發(fā)器D1的輸出端Q分別連接第二D觸發(fā)器D2的數(shù)據(jù)端D和與門(mén)Y輸入端,第二D觸發(fā)器D2的輸出端通過(guò)反門(mén)F和與門(mén)Y的另一輸入端連接,與門(mén)Y的輸出端連接第三D觸發(fā)器D3的時(shí)鐘端clk,計(jì)數(shù)器A3輸出端連接第三D觸發(fā)器D3的數(shù)據(jù)端D,第三D觸發(fā)器D3的輸出即為捕捉到的計(jì)數(shù)值數(shù)據(jù)do,其中,如果計(jì)數(shù)器A3輸出數(shù)據(jù)為多位數(shù)據(jù),例如8位,則第三D觸發(fā)器D3為多位輸入D觸發(fā)器(例如8位)。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中,如圖4所示,假設(shè)整周期脈沖參考相位Φr和恢復(fù)信號(hào)估計(jì)相位Φ的初值均等于0,它們均會(huì)在ADC采樣脈沖引起的中斷中進(jìn)行累加和更新,每產(chǎn)生一次ADC采樣脈沖時(shí)鐘同步參考信號(hào)恢復(fù)算法就計(jì)算一次,時(shí)鐘同步參考信號(hào)恢復(fù)算法的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為:
A)判斷計(jì)數(shù)值Tp是否等于Tp1,Tp1為上一次Tp值,初始化時(shí)與Tp相等,若相等則進(jìn)入步驟F),若不相等則進(jìn)入步驟B);
B)計(jì)算ADC采樣脈沖時(shí)刻與整周期脈沖指示信號(hào)時(shí)刻的時(shí)間差dT1=Tp-Tadc,以便同步ADC采樣脈沖及整周期脈沖指示信號(hào);
C)對(duì)整周期脈沖參考相位Φr進(jìn)行累加更新:
Φr+=(2π-dT1×freq0);
D)計(jì)算整周期脈沖參考相位Φr和恢復(fù)信號(hào)估計(jì)相位Φ之間的差值:dΦ=Φr–Φ;
E)將dΦ發(fā)送到一PI控制器C(z)中計(jì)算得到頻率估計(jì)值freq0(是整周期脈沖的頻率估計(jì)值),其中,PI控制器C(z)的Z變換公式如下:
其中:KP為控制器比例系數(shù),KI為控制器積分系數(shù),T為ADC采樣時(shí)間間隔,z為Z變換變量。
F)計(jì)算兩次ADC采樣脈沖之間的時(shí)間差:dT2=Tadc-Tadc1,計(jì)算完成后令Tadc1=Tadc且令Tp1=Tp;
G)對(duì)恢復(fù)信號(hào)估計(jì)相位Φ進(jìn)行累加更新:Φ+=dT2×freq0;
H)利用更新得到的恢復(fù)信號(hào)估計(jì)相位Φ計(jì)算得到與整周期脈沖指示信號(hào)同相位的參考正弦波Rsin和參考余弦波Rcos,完成時(shí)鐘同步參考信號(hào)恢復(fù)過(guò)程:
Rsin=sin(Φ)
Rcos=cos(Φ)。
上述各實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明,其中方法的各實(shí)施步驟等都是可以有所變化的,凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn),均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。