CN106017450B - 压电半球谐振微陀螺仪的数字信号处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压电半球谐振微陀螺仪的数字信号处理系统，其中：压电半球谐振微陀螺仪模块在给定反馈信号下被激振或被驱动并产生检测信号和监测信号；数字检波模块对压电半球谐振微陀螺仪模块输出监测信号的幅值进行检测；数字锁相模块对压电半球谐振微陀螺仪模块输出监测信号的频率进行检测；数字AGC模块根据数字检波模块提供的幅值信息对输入压电半球谐振微陀螺仪模块信号的幅值进行调整；数字调相模块对压电半球谐振微陀螺仪模块输出监测信号的相位进行调整；乘法器，确定力平衡反馈模块所需要反馈信号的幅值；力平衡反馈模块向压电半球谐振微陀螺仪模块输出反馈信号。本发明实现了对压电半球谐振微陀螺仪的稳幅稳频控制和数字检测。

Description

压电半球谐振微陀螺仪的数字信号处理系统

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域，具体地，涉及一种压电半球谐振微陀螺仪的数字信号处理系统。

背景技术

微机械电子系统(MEMS)主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分。MEMS利用各种加工工艺，尤其是微细加工技术，在电子通信以及微电子技领域最新成果的基础上，逐渐成为了高科技前沿学科。

压电半球谐振微陀螺仪采用压电材料作为主体部件，采用MEMS加工工艺和技术，具有抗过载、抗冲击能力强、工作谐振频率高、分辨率高、启动时间短等优越特性，在军用导航、航空航天、制导技术以及民用消费电子等领域等具有广泛的应用前景。这种陀螺利用谐振状态和压电效应，在极化方向上获得外界相应方向上输入的角速度对应的电信号，通过检测电信号的幅值和频率，反映出外加角速度的信号。

对压电半球谐振微陀螺仪的信号处理，是它工作的重要环节。对一些文献进行检索，浙江大学信电系半导体光电子研究所的王慧泉和上海微系统与信息技术研究所的焦继伟等人在2006年CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS上发表的文章“高性能微机械陀螺接口电路研究”。文献中提到，高性能微机械陀螺的接口电路采用的是闭环驱动，并给出了基本的框图。微机械陀螺接口电路可分为两部分:驱动环路和检测电路；驱动环路包括陀螺监测端、隔离放大器、自动增益控制(automatic gain control,AGC电路)、相移电路、功放电路以及陀螺驱动端,检测电路包括电容-电压转换电路(C-V电路)、滤波放大电路、乘法器和低通滤波器。驱动环路为陀螺提供驱动信号,并为检测电路提供载波信号,检测电路将陀螺输出的变化电容转换为电压信号,通过同步解调电路得到角速度信号。但是，文献中所述的工作方式并没有给出具体的实施方案，而且所采用的方案中并没有结合数字信号处理方法。

在实际应用中，对不同特征的陀螺所需要配套的信号处理系统中各项参数是不同的。即便针对一种陀螺，当其谐振频率随着外部因素变化而变化时，信号处理参数也必须随之进行调整。同时针对高谐振频率的陀螺，必须控制信号处理所花费的时间，从而保证陀螺检测的实时性。为了应对陀螺在控制检测过程中多样而变化的需求，采用合理的数字信号处理方案，不仅能够快速的实现控制检测系统与陀螺的配套，也为通过有限硬件水平来达到陀螺的检测精度要求提供了便利。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种压电半球谐振微陀螺仪的数字信号处理系统，该方法能够根据控制检测的需要对陀螺的输入角速度进行检测并对陀螺进行反馈控制，具有响应快、调试简单等特点。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种压电半球谐振微陀螺仪的数字信号处理系统，包括压电半球谐振微陀螺仪模块、数字检波模块、数字锁相模块、数字AGC模块、数字调相模块、乘法器和力平衡反馈模块，其中：

所述压电半球谐振微陀螺仪模块，在给定反馈信号下被激振或被驱动，并产生检测信号和监测信号；

所述数字检波模块，对压电半球谐振微陀螺仪模块输出的监测信号的幅值进行检测；

所述数字锁相模块，对压电半球谐振微陀螺仪模块输出的监测信号的频率进行检测；

所述数字AGC模块，根据数字检波模块所提供的幅值信息，对输入压电半球谐振微陀螺仪模块信号的幅值进行调整；

所述数字调相模块，对压电半球谐振微陀螺仪模块输出的监测信号的相位进行调整；

所述乘法器，接收所述压电半球谐振微陀螺仪模块的检测信号，与所述数字调相模块调相后的监测信号进行相乘，从而确定力平衡反馈模块所需要反馈信号的幅值；

所述力平衡反馈模块，向压电半球谐振微陀螺仪模块输出反馈信号。

优选地，所述的压电半球谐振微陀螺仪模块具有半球壳，半球壳上均匀分布有八个金属电极，依次为第一驱动电极、第一检测电极、第一监测电极、第一平衡电极、第二驱动电极、第二检测电极、第二监测电极和第二平衡电极，其中：在第一驱动电极、第二驱动电极上施加一个与压电半球谐振微陀螺仪模块谐振频率同频的正弦电压信号，将压电半球谐振微陀螺仪模块激振；压电半球谐振微陀螺仪模块被激振后，在第一监测电极、第二监测电极上产生与驱动信号同频的电荷信号，在第一检测电极、第二检测电极上产生由与驱动信号同频定幅值的信号和与驱动信号同频、且幅值和压电半球谐振微陀螺仪模块输入角速度正相关的信号所叠加的信号，在第一平衡电极、第二平衡电极上产生由与驱动信号同频定幅值的信号和与驱动信号同频、且幅值和压电半球谐振微陀螺仪模块输入角速度正相关的信号所叠加的信号。

更优选地，所述的第一检测电极、第二检测电极和第一平衡电极、第二平衡电极上与驱动信号同频定幅值的信号相位相同时，第一检测电极、第二检测电极和第一平衡电极、第二平衡电极上与驱动信号同频且幅值和压电半球谐振微陀螺仪模块输入角速度正相关的信号的相位相差180°。

优选地，所述的压电半球谐振微陀螺仪模块被激振后，产生的检测信号、监测信号经过接口电路，通过数字检波模块、数字锁相模块、数字AGC模块、数字调相模块、乘法器和力平衡反馈模块后，一部分信号作为反映压电半球谐振微陀螺仪模块输出角速度的信息进行对外输出，另一部分信号作为反馈，经过接口电路反馈给压电半球谐振微陀螺仪模块。

优选地，所述的数字检波模块，通过检测压电半球谐振微陀螺仪模块输出的监测信号的几个周期的峰值大小，并取平均值，从而对监测信号的幅值进行检测。

优选地，所述的数字锁相模块，通过检测压电半球谐振微陀螺仪模块输出的监测信号的几个周期的峰值所在位置，并根据采集监测信号的采样频率进行计算，从而对监测信号的频率进行检测。

优选地，所述的数字AGC模块，首先设定放大倍数为1，并根据数字检波模块所提供的压电半球谐振微陀螺仪模块输出的监测信号的幅值信息设定参考幅值，当下一次得到的监测信号的幅值是参考幅值的1/k时，则将放大倍数变为原来的k倍，如此循环。

优选地，所述的数字调相模块，通过检测压电半球谐振微陀螺仪模块输出的监测信号和检测信号某个周期的峰值和谷值所在位置，将监测信号的峰值位置调整至与检测信号的峰值和谷值所在位置正中间。

更优选地，所述的数字调相模块实现自动调相，具体如下：

所述压电半球谐振微陀螺仪模块具有检测电极和监测电极，将检测电极信号和监测电极信号的数据通过接口电路分别保存在Sen[]、Mon[]两个数组中；

初始化阶段，外部输入角速度Ω为0，此时Sen[]数组中的信号仅为载波信号；求出Sen[]数组中某一个周期中数据点中的峰值和谷值在数组中所在的位置p1和p2，以及上述两位置的中间位置p3；

另一方面，求出Mon[]数组中某一个周期中数据点中峰值在数组中的位置p4，通过平移Mon[]数组中数据的位置，将p4与p3重合，并将经过保存信号位置调整后的Mon[]数组中的数据与Sen[]中的数据相乘，得到解调信号数组Mul[]，之后对数组Mul[]进行低通滤波，得到与Ω大小正比例相关的数据。

优选地，所述的力平衡反馈模块根据数组Mul[]到的数据通过PID控制的方式处理得出需要新增反馈给压电半球谐振微陀螺仪模块平衡电极的信号的幅值大小r，使得通过一定时间的反馈后，将通过对压电半球谐振微陀螺仪模块检测电极上的输出信号进行处理得到的与压电半球谐振微陀螺仪模块输入角速度相关的数据保持为0，则得到通过由r所累加而得的R的大小，如此生成一个幅值为R、频率为数字锁相模块检测到的频率的正弦信号数组Bal[n]，作为反馈信号输入到压电半球谐振微陀螺仪模块的平衡电极，同时通过R的大小来确定压电半球谐振微陀螺仪模块输入角速度的大小。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明通过采用数字信号处理，实现了当陀螺所处环境变化时，可以不修改数字信号处理参数继续对陀螺进行检测的功能。同时，为了在给定硬件条件下提高陀螺检测的实时性，在保证陀螺检测效果的前提下使用了处理速度较快的数字信号处理方法。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例中系统原理框图；

图2为本发明一优选实施例数字锁相模块原理图；

图3为本发明一优选实施例数字AGC模块框图；

图4为本发明一优选实施例自动调相模块原理图；

图5为本发明一优选实施例压电半球谐振微陀螺仪数字信号处理的原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种压电半球谐振微陀螺仪的数字信号处理系统，包括压电半球谐振微陀螺仪模块、数字检波模块、数字锁相模块、数字AGC模块、数字调相模块、乘法器和力平衡反馈模块，其中：

所述压电半球谐振微陀螺仪模块在给定反馈信号下被激振或被驱动，并产生检测信号和监测信号；所述数字检波模块对压电半球谐振微陀螺仪模块输出的监测信号的幅值进行检测；所述数字锁相模块对压电半球谐振微陀螺仪模块输出的监测信号的频率进行检测；所述数字AGC模块根据数字检波模块所提供的幅值信息，对输入压电半球谐振微陀螺仪模块信号的幅值进行调整；所述数字调相模块对压电半球谐振微陀螺仪模块输出的监测信号的相位进行调整；所述乘法器，接收所述压电半球谐振微陀螺仪模块的检测信号，与所述数字调相模块调相后的监测信号进行相乘，从而确定力平衡反馈模块所需要反馈信号的幅值；所述力平衡反馈模块向压电半球谐振微陀螺仪模块输出反馈信号。

在一优选实施例中，所述的压电半球谐振微陀螺仪模块具有半球壳，该半球壳上均匀分布有八个金属电极，依次为第一驱动电极、第一检测电极、第一监测电极、第一平衡电极、第二驱动电极、第二检测电极、第二监测电极和第二平衡电极，其中：在第一驱动电极、第二驱动电极上施加一个与压电半球谐振微陀螺仪模块谐振频率同频的正弦电压信号，将压电半球谐振微陀螺仪模块激振；压电半球谐振微陀螺仪模块被激振后，在第一监测电极、第二监测电极上将产生与驱动信号同频的电荷信号，在第一检测电极、第二检测电极上将产生由与驱动信号同频定幅值的信号和与驱动信号同频、且幅值和压电半球谐振微陀螺仪模块输入角速度正相关的信号所叠加的信号，在第一平衡电极、第二平衡电极上将产生由与驱动信号同频定幅值的信号和与驱动信号同频、且幅值和压电半球谐振微陀螺仪模块输入角速度正相关的信号所叠加的信号。如图1所示，图中：D为驱动电极，S为检测电极，M为监测电极，B为平衡电极。

本实施例中，所述的第一检测电极、第二检测电极和第一平衡电极、第二平衡电极上与驱动信号同频定幅值的信号相位相同时，第一检测电极、第二检测电极和第一平衡电极、第二平衡电极上与驱动信号同频且幅值和压电半球谐振微陀螺仪模块输入角速度正相关的信号的相位相差180°。

本实施例中，所述的压电半球谐振微陀螺仪模块被激振后，产生的检测信号、监测信号经过接口电路，通过数字检波模块、数字锁相模块、数字AGC模块、数字调相模块、乘法器和力平衡反馈模块后，一部分信号作为反映压电半球谐振微陀螺仪模块输出角速度的信息进行对外输出(陀螺的目的是检测角速度，角速度信息可以对外输出给需要用到陀螺检测出的角速度的器件或显示设备)，另一部分信号作为反馈，经过接口电路反馈给压电半球谐振微陀螺仪模块。

本实施例中，所述的数字检波模块通过检测压电半球谐振微陀螺仪模块输出的监测信号的几个周期的峰值大小，并取平均值，从而对监测信号的幅值进行检测。

如图2所示，为本发明一优选实施例数字锁相模块原理图，如果保存所述压电半球谐振微陀螺仪模块监测信号的数组中第i个峰值出现在第k位，第j个峰值出现在第l位上(假设j>i，那么l>k)，如图2所示，则上述两个峰值间约相差了j-i个信号周期，并且产生了了l-k个采样点，那么一个周期的采样点约为(l-k)/(j-i)个。如果采样频率为f，则可以得到监测信号的频率约为f·(j-i)/(l-k)。考虑到采样得到的峰值和实际信号的峰值可能存在错位，最多错位半个采样间隔，则在计算反馈信号频率时可能因此相差一个采样间隔，形成的误差至多为f·(j-i)/(l-k-1)-f·(j-i)/(l-k)。

如图3所示，为本发明一优选实施例数字AGC模块框图，所述的数字AGC模块首先设定放大倍数为1，并根据数字检波模块所提供的压电半球谐振微陀螺仪模块输出的监测信号的幅值信息设定参考幅值，当下一次得到的监测信号的幅值是参考幅值的1/k时，则将放大倍数变为原来的k倍，如此循环。

如图4所示，为本发明一优选实施例自动调相原理图，可以将保存所述压电半球谐振微陀螺仪模块监测信号的数组中第一个周期内的峰值所在位置第i位和谷值所在位置第j位检测出来，也将保存所述压电半球谐振微陀螺仪模块检测测信号的数组中第一个周期内的峰值所在位置第k位和谷值所在位置第l位检测出来(假设k>i，那么l>j)，如图4所示，可以知道信号一个周期的采样点数为2|j-i|个左右。需要将监测信号与检测信号的相位差调整至相差90°，则可以将保存监测信号的数组中的所有元素的保存位置全部后移k-i+|j-i|位。考虑到采样得到的峰值和谷值与实际信号的峰值和谷值可能存在错位，最多错位半个采样间隔，则在调相时可能因此相差一个采样间隔，形成的误差至多为一个采样间隔所对应的相位。

如图5所示，为本发明一优选实施例压电半球谐振微陀螺仪数字信号处理方法的原理图，假设输入压电半球谐振微陀螺仪模块的驱动信号U_d为Asin(ωt)，其中：ω为压电半球谐振微陀螺仪模块的谐振频率，可由所述数字锁相模块得到；A为压电半球谐振微陀螺仪模块的驱动幅值，可由所述数字AGC模块得到；

则驱动电极D处的等效质量体的振动速度为：

v_d＝∫a_d＝∫F_d/m＝∫k_dU_d＝Bcos(ωt)，

其中：v_d为驱动电极D处等效质量体的振动速度，a_d为驱动电极D处等效质量体的振动加速度，F_d为驱动电极D处等效质量体由逆压电效应所受的力，m为驱动电极D处等效质量体的质量，k_d为比例系数，大小为驱动电极D处等效质量体单位质量受到单位电压能通过逆压电效应而产生的力。

而在检测电极S处等效质量体所受到的等效柯氏力F_c为：

其中Ω为外部输入的角速度；

因此检测电极S处的输出电荷信号大小为：

其中k_s表示压电材料在单位压力作用下能产生的电荷量大小。

考虑到由陀螺制造过程中所存在的不对称性等原因所带来的影响，若输入压电半球谐振微陀螺仪模块的驱动信号为Asin(ωt)，则在检测电极S处输出接口输出的信号为一由与驱动信号同频的载波信号和由柯氏效应产生的信号叠加所产生的信号Dsin(ωt)+EΩcos(ωt)。由于平衡电极B处和检测电极S处的输出信号中载波分量相位、频率相同，同时由柯氏效应产生的信号频率相同，相位相差180゜，所以在平衡电极B处输出接口输出的信号为Fsin(ωt)-GΩcos(ωt)。为了检测上述信号中的Ω，将检测电极S的输出信号与调相过的监测电极M的输出信号进行乘法解调，就可以得到[Dsin(ωt)+EΩcos(ωt)]*Hcos(ωt)＝Icos(2ωt)+Jsin(2ωt)-KΩ，最后通过低通滤波的方法就可以得到Ω的大小。

本实施例中，所述的力平衡反馈模块根据数组Mul[]的数据通过PID控制的方式处理得出需要新增反馈给压电半球谐振微陀螺仪模块平衡电极的信号的幅值大小r，使得通过一定时间的反馈后，将通过对压电半球谐振微陀螺仪模块检测电极上的输出信号进行处理得到的与压电半球谐振微陀螺仪模块输入角速度相关的数据保持为0，则可以得到通过由r所累加而得的R的大小，如此可以生成一个幅值为R、频率为数字锁相模块检测到的频率的正弦信号数组Bal[n]，作为反馈信号输入压电半球谐振微陀螺仪模块的平衡电极，同时通过R的大小来确定压电半球谐振微陀螺仪模块输入角速度的大小。

本发明压电半球谐振微陀螺仪的数字信号处理系统，由于使用的处理方法简单，未使用计算量较大的检波、测频等算法，保证了信息处理的实时性，同时实现了应用程序自动调相的功能，避免了模拟检测系统中每次开机都需要手动调相的繁琐步骤。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种压电半球谐振微陀螺仪的数字信号处理系统，其特征在于，包括压电半球谐振微陀螺仪模块、数字检波模块、数字锁相模块、数字AGC模块、数字调相模块、乘法器和力平衡反馈模块，其中：

所述压电半球谐振微陀螺仪模块，在给定反馈信号下被激振或被驱动，并产生检测信号和监测信号；

所述数字检波模块，对压电半球谐振微陀螺仪模块输出的监测信号的幅值进行检测；所述的数字检波模块，通过检测压电半球谐振微陀螺仪模块输出的监测信号的几个周期的峰值大小，并取平均值，从而对监测信号的幅值进行检测；

所述数字锁相模块，对压电半球谐振微陀螺仪模块输出的监测信号的频率进行检测；

所述数字AGC模块，根据数字检波模块所提供的幅值信息，对输入压电半球谐振微陀螺仪模块信号的幅值进行调整；所述的数字AGC模块，首先设定放大倍数为1，并根据数字检波模块所提供的压电半球谐振微陀螺仪模块输出的监测信号的幅值信息设定参考幅值，当下一次得到的监测信号的幅值是参考幅值的1/k时，则将放大倍数变为原来的k倍，如此循环；

所述数字调相模块，对压电半球谐振微陀螺仪模块输出的监测信号的相位进行调整；

所述乘法器，接收所述压电半球谐振微陀螺仪模块的检测信号，与所述数字调相模块调相后的监测信号进行相乘，从而确定力平衡反馈模块所需要反馈信号的幅值；

所述力平衡反馈模块，向压电半球谐振微陀螺仪模块输出反馈信号；

所述的数字调相模块，通过检测压电半球谐振微陀螺仪模块输出的监测信号和检测信号某个周期的峰值和谷值所在位置，将监测信号的峰值位置调整至与检测信号的峰值和谷值所在位置正中间；所述的数字调相模块实现自动调相，具体如下：

所述压电半球谐振微陀螺仪模块具有检测电极和监测电极，将检测电极信号和监测电极信号的数据通过接口电路分别保存在Sen[]、Mon[]两个数组中；

在初始化阶段，外部输入角速度Ω为0，此时Sen[]数组中的信号仅为载波信号；求出Sen[]数组中某一个周期中数据点中的峰值和谷值在数组中所在的位置p1和p2，以及上述两位置的中间位置p3；

另一方面，求出Mon[]数组中某一个周期中数据点中峰值在数组中的位置p4，通过平移Mon[]数组中数据的位置，将p4与p3重合，并将经过保存信号位置调整后的Mon[]数组中的数据与Sen[]中的数据相乘，得到解调信号数组Mul[]，之后对数组Mul[]进行低通滤波，得到与Ω大小正比例相关的数据；

所述的力平衡反馈模块，根据数组Mul[]的数据通过PID控制的方式处理得出需要新增反馈给压电半球谐振微陀螺仪模块平衡电极的信号的幅值大小r，使得通过一定时间的反馈后，将通过对压电半球谐振微陀螺仪模块检测电极上的输出信号进行处理得到的与压电半球谐振微陀螺仪模块输入角速度相关的数据保持为0，则得到通过由r所累加而得的R的大小，如此生成一个幅值为R、频率为数字锁相模块检测到的频率的正弦信号数组Bal[n]，作为反馈信号输入到压电半球谐振微陀螺仪模块的平衡电极，同时通过R的大小确定压电半球谐振微陀螺仪模块输入角速度的大小。

2.根据权利要求1所述的一种压电半球谐振微陀螺仪的数字信号处理系统，其特征在于，所述的压电半球谐振微陀螺仪模块具有半球壳，半球壳上均匀分布有八个金属电极，依次为第一驱动电极、第一检测电极、第一监测电极、第一平衡电极、第二驱动电极、第二检测电极、第二监测电极和第二平衡电极，其中：在第一驱动电极、第二驱动电极上施加一个与压电半球谐振微陀螺仪模块谐振频率同频的正弦电压信号，将压电半球谐振微陀螺仪模块激振；压电半球谐振微陀螺仪模块被激振后，在第一监测电极、第二监测电极上产生与驱动信号同频的电荷信号，在第一检测电极、第二检测电极上产生由与驱动信号同频定幅值的信号和与驱动信号同频、且幅值和压电半球谐振微陀螺仪模块输入角速度正相关的信号所叠加的信号，在第一平衡电极、第二平衡电极上产生由与驱动信号同频定幅值的信号和与驱动信号同频、且幅值和压电半球谐振微陀螺仪模块输入角速度正相关的信号所叠加的信号。

3.根据权利要求2所述的一种压电半球谐振微陀螺仪的数字信号处理系统，其特征在于，所述的第一检测电极、第二检测电极和第一平衡电极、第二平衡电极上与驱动信号同频定幅值的信号相位相同时，第一检测电极、第二检测电极和第一平衡电极、第二平衡电极上与驱动信号同频且幅值和压电半球谐振微陀螺仪模块输入角速度正相关的信号的相位相差180°。

4.根据权利要求2所述的一种压电半球谐振微陀螺仪的数字信号处理系统，其特征在于，所述的压电半球谐振微陀螺仪模块被激振后，产生的检测信号、监测信号经过接口电路，通过数字检波模块、数字锁相模块、数字AGC模块、数字调相模块、乘法器和力平衡反馈模块后，一部分信号作为反映压电半球谐振微陀螺仪模块输出角速度的信息进行对外输出，另一部分信号作为反馈，经过接口电路反馈给压电半球谐振微陀螺仪模块。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种压电半球谐振微陀螺仪的数字信号处理系统，其特征在于，所述的数字锁相模块，通过检测压电半球谐振微陀螺仪模块输出的监测信号的几个周期的峰值所在位置，并根据采集监测信号的采样频率进行计算，从而对监测信号的频率进行检测。

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