CN106767745A - 一种光电传感器测角系统的信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光电传感器测角系统的信号处理方法，包括有高频时钟源、ADC采样脉冲发生器、计数器、ADC电路、第一计数值捕捉电路、第二计数值捕捉电路A6和数字处理单元。数字处理单元根据输入的计数值和计数值，通过时钟同步参考信号恢复算法实现参考正余弦信号的重构，恢复出与整周期脉冲指示信号同相位的参考正弦波和参考余弦波，并通过参考正弦波和参考余弦波通过最小均方误差解调算法实现对ADC采样得到的检测信号的相敏解调，完成光电传感器的角度测量。本发明可以广泛应用于静电陀螺小角度信号测量或通过整周期脉冲指示信号作为参考信号的相敏解调测量的光电传感器测角系统信号处理过程中。

Description

一种光电传感器测角系统的信号处理方法

技术领域

本发明是关于一种用于静电陀螺小角度信号测量或通过整周期脉冲指示信号作为参考信号的相敏解调测量的光电传感器测角系统信号处理方法，涉及传感器检测技术领域。

背景技术

在传感器技术领域，某些传感器的敏感信号输出为交流信号，同时也能输出该交流信号的整周期参考脉冲，要获得最终的传感器检测输出还需要进行相敏解调。这类传感器以静电陀螺为典型应用代表，静电陀螺的球形转子的极点两端刻有长方形漫反射条纹，如图1所示。当转子旋转时，每转一圈赤道光电传感器发出的光束扫过刻线时便产生一个电脉冲信号，经过前置放大器后得到整周期脉冲指示信号；而顶端光电传感器发出的光束聚焦于球形转子的极点形成一个圆形光斑，如果光斑的中心与转子极点重合，则转子表面反射的光能不随转子旋转而变化，如果转子相对于壳体绕X轴和/或Y轴旋转一个小角度，则光斑偏离极点、反射光能被漫反射刻线调制成正弦波交流信号，经过前置放大器后得到传感器检测交流输出信号，其幅值与转角的模成正比、相对于整周期脉冲指示信号的相位由绕X轴和Y轴的角度比值确定。因此只要将传感器检测交流输出信号以整周期脉冲指示信号为参考进行相敏解调，得到的同相输出可以反映转子绕X轴转角的大小，得到正交输出可以反映转子绕Y转角的大小。因此，测角系统信号处理电路的精度和动态性能对陀螺性能有直接的影响。

通常情况下，以整周期脉冲指示信号为参考对传感器检测交流输出信号进行相敏解调的方法是将整周期脉冲指示信号进行四倍频后得到细分的两路参考脉冲(0°相位脉冲和90°相位脉冲)，通过开关解调的方法对传感器检测交流输出信号进行处理。但是上述方法有以下几个缺点：1)参考脉冲的抖动直接作用在开关上会引入开关抖动脉冲，并引起解调输出的噪声增大；2)得到的解调输出含有幅度很高的倍频交流信号，需要通过高阶的低通滤波器进行滤波，从而引入额外的相位滞后，降低信号的动态性能；3)解调输出往往为模拟信号，还需要通过模数转换电路获取数字信息进行后续的处理和补偿。如何克服这些缺点是提高陀螺测角系统信号处理电路的精度和动态性能的关键。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种具有高信噪比和高动态性能的光电传感器测角系统信号处理方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种光电传感器测角系统的信号处理方法，包括以下内容：高频时钟源将产生高频时钟信号发送到ADC采样脉冲发生器，ADC采样脉冲发生器将产生的采样脉冲发送到ADC电路对其进行激发，ADC电路定时对光电传感器的检测交流输出信号进行模数转换得到数字量，并将数字量发送到数字处理单元；高频时钟源将产生高频时钟信号发送到计数器进行计数；高频时钟源将产生高频时钟信号作为第一计数值捕捉电路的时钟信号，ADC采样脉冲发生器输出的ADC采用脉冲作为捕获脉冲控制第一计数值捕捉电路对计数器输出的计数值进行捕获，得到ADC采样脉冲发生时刻对应的计数器的计数值Tadc，并将计数值Tadc发送到数字处理单元；高频时钟源将产生高频时钟信号作为第二计数值捕捉电路的时钟信号，经光电传感器输出的整周期脉冲指示信号作为捕获脉冲控制第二计数值捕捉电路对计数器输出的计数值进行捕获，获得整周期脉冲指示信号发生时刻对应的计数器的计数值Tp，并将计数值Tp发送到数字处理单元；高频时钟源将产生高频时钟信号发送到数字处理单元引起中断，控制数字处理单元的计算周期为ADC采样脉冲周期；数字处理单元根据输入的计数值Tadc和计数值Tp，通过时钟同步参考信号恢复算法实现参考正余弦信号的重构，恢复出与整周期脉冲指示信号同相位的参考正弦波Rsin和参考余弦波Rcos，并通过参考正弦波Rsin和参考余弦波Rcos通过最小均方误差解调算法实现对ADC采样得到的检测信号的相敏解调，完成光电传感器的角度测量。

进一步地，所述第一计数值捕捉电路和第二计算值捕捉电路的电路实现形式完全相同。

进一步地，所述第一计数值捕捉电路包括第一～第三D触发器、一与门和一反门，高频时钟源的输出端并联连接第一D触发器和第二D触发器的时钟信号端，ADC采样脉冲发生器作为捕获脉冲连接第一D触发器的数据端D，第一D触发器的输出端Q分别连接第二D触发器的数据端D和与门Y输入端，第二D触发器的输出端通过反门F和与门Y的另一输入端连接，与门Y的输出端连接第三D触发器的时钟端，计数器输出端连接第三D触发器的数据端D，第三D触发器的输出即为捕捉到的计数值数据。

进一步地，时钟同步参考信号恢复算法的具体实现过程为：

A)判断计数值Tp是否等于Tp1，Tp1为上一次Tp值，初始化时与Tp相等，若相等则进入步骤F)，若不相等则进入步骤B)；

B)计算ADC采样脉冲时刻与整周期脉冲指示信号时刻的时间差dT1＝Tp-Tadc；

C)对整周期脉冲参考相位Φr进行累加更新：

Φr+＝(2π-dT1×freq0)；

D)计算整周期脉冲参考相位Φr和恢复信号估计相位Φ之间的差值：dΦ＝Φr–Φ；

E)将dΦ发送到一PI控制器C(z)中计算得到频率估计值freq0，其中，PI控制器C(z)的Z变换公式如下：

其中：K_P为控制器比例系数，K_I为控制器积分系数，T为ADC采样时间间隔，z为Z变换变量，freq0为整周期脉冲的频率估计值；

F)计算两次ADC采样脉冲之间的时间差：dT2＝Tadc-Tadc1，计算完成后令Tadc1＝Tadc且令Tp1＝Tp；

G)对恢复信号估计相位Φ进行累加更新：Φ+＝dT2×freq0；

H)利用更新得到的恢复信号估计相位Φ计算得到与整周期脉冲指示信号同相位的参考正弦波Rsin和参考余弦波Rcos，完成时钟同步参考信号恢复过程：

Rsin＝sin(Φ)

Rcos＝cos(Φ)。

进一步地，计数器采用自由运行的加计数器。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明提出的时钟同步参考信号恢复算法可以显著降低由于参考脉冲抖动引入的噪声；同时，本发明利用最小均方误差解调(LMSD)进行相敏解调可降低后续滤波器的阶次，提高解调输出信号的动态性能，因此，本发明的光电传感器测角系统具有高信噪比、高动态性能等优点。本发明可以广泛应用于静电陀螺小角度信号测量或通过整周期脉冲指示信号作为参考信号的相敏解调测量的光电传感器测角系统信号处理过程中。

附图说明

图1是现有技术静电陀螺光电传感器结构示意图；

图2是本发明的光电传感器测角系统的信号处理原理示意图；

图3是本发明的计数值捕捉电路原理示意图；

图4是本发明的时钟同步参考信号恢复算法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图2所示，本发明以静电陀螺光电传感器(但是不限于此，本发明可以适用通过整周期脉冲指示信号作为参考信号的相敏解调测量的光电传感器)为具体实施例详细说明光电传感器测角系统的信号处理方法，包括以下内容：

1、本发明设置有光电传感器测角系统信号处理电路系统，包括有高频时钟源A1、ADC(模数转换器)采样脉冲发生器A2、计数器A3、ADC电路A4、第一计数值捕捉电路A5、第二计数值捕捉电路A6和数字处理单元A7。

2、高频时钟源A1将产生高频时钟信号(通常频率为几十MHZ)发送到ADC采样脉冲发生器A2，ADC采样脉冲发生器A2将产生的采样脉冲(通常频率为几十kHZ)发送到ADC电路A4对其进行激发，ADC电路A4定时对静电陀螺光电传感器的传感器检测交流输出信号进行模数转换得到数字量S1，并将数字量S1发送到数字处理单元A7。

3、高频时钟源A1将产生高频时钟信号发送到计数器A3进行计数，每个高频时钟周期输出当前计数值，本发明实施例中计数器A3可以采用自由运行的加计数器，其计数最大值为Tmax，当计数器计数到Tmax后自动回零。

4、高频时钟源A1将产生高频时钟信号作为第一计数值捕捉电路A5的时钟信号，ADC采样脉冲发生器A2输出的ADC采用脉冲作为捕获脉冲控制第一计数值捕捉电路A5对计数器A3输出的计数值进行捕获，得到ADC采样脉冲发生时刻对应的计数器A3的计数值Tadc，并将计数值Tadc发送到数字处理单元A7。

5、高频时钟源A1将产生高频时钟信号作为第二计数值捕捉电路A6的时钟信号，经静电陀螺光电传感器输出的整周期脉冲指示信号作为捕获脉冲控制第二计数值捕捉电路A6对计数器A3输出的计数值进行捕获，获得整周期脉冲指示信号发生时刻对应的计数器A3的计数值Tp，并将计数值Tp发送到数字处理单元A7。

6、高频时钟源A1将产生高频时钟信号发送到数字处理单元A7引起中断，控制数字处理单元A7的计算周期为ADC采样脉冲周期。数字处理单元A7根据输入的计数值Tadc和计数值Tp，通过时钟同步参考信号恢复算法实现参考正余弦信号的重构，恢复出与整周期脉冲指示信号同相位的参考正弦波Rsin和参考余弦波Rcos，并通过参考正弦波Rsin和参考余弦波Rcos通过最小均方误差解调(LMSD)算法实现对ADC采样得到的检测信号的相敏解调，即解调出同向输出和正交输出，得到的同向输出为反映转子绕X轴转角的大小，得到的正交输出为反映转子绕Y转角的大小，完成静电陀螺光电传感器的角度测量。

在一个优选的实施例中，如图3所示，第一计数值捕捉电路A5和第二计算值捕捉电路A6的电路实现形式完全相同，本发明以第一计数值捕捉电路A5为例详细说明其电路结构，第一计数值捕捉电路A5包括第一～第三D触发器D1～D3、一与门Y和一反门F，高频时钟源A1的输出端并联连接第一D触发器D1和第二D触发器D2的时钟信号端clk，ADC采样脉冲发生器A2作为捕获脉冲s连接第一D触发器D1的数据段D，第一D触发器D1的输出端Q分别连接第二D触发器D2的数据端D和与门Y输入端，第二D触发器D2的输出端通过反门F和与门Y的另一输入端连接，与门Y的输出端连接第三D触发器D3的时钟端clk，计数器A3输出端连接第三D触发器D3的数据端D，第三D触发器D3的输出即为捕捉到的计数值数据do，其中，如果计数器A3输出数据为多位数据，例如8位，则第三D触发器D3为多位输入D触发器(例如8位)。

在一个优选的实施例中，如图4所示，假设整周期脉冲参考相位Φr和恢复信号估计相位Φ的初值均等于0，它们均会在ADC采样脉冲引起的中断中进行累加和更新，每产生一次ADC采样脉冲时钟同步参考信号恢复算法就计算一次，时钟同步参考信号恢复算法的具体实现过程为：

A)判断计数值Tp是否等于Tp1，Tp1为上一次Tp值，初始化时与Tp相等，若相等则进入步骤F)，若不相等则进入步骤B)；

B)计算ADC采样脉冲时刻与整周期脉冲指示信号时刻的时间差dT1＝Tp-Tadc，以便同步ADC采样脉冲及整周期脉冲指示信号；

C)对整周期脉冲参考相位Φr进行累加更新：

Φr+＝(2π-dT1×freq0)；

D)计算整周期脉冲参考相位Φr和恢复信号估计相位Φ之间的差值：dΦ＝Φr–Φ；

E)将dΦ发送到一PI控制器C(z)中计算得到频率估计值freq0(是整周期脉冲的频率估计值)，其中，PI控制器C(z)的Z变换公式如下：

其中：K_P为控制器比例系数，K_I为控制器积分系数，T为ADC采样时间间隔，z为Z变换变量。

F)计算两次ADC采样脉冲之间的时间差：dT2＝Tadc-Tadc1，计算完成后令Tadc1＝Tadc且令Tp1＝Tp；

G)对恢复信号估计相位Φ进行累加更新：Φ+＝dT2×freq0；

H)利用更新得到的恢复信号估计相位Φ计算得到与整周期脉冲指示信号同相位的参考正弦波Rsin和参考余弦波Rcos，完成时钟同步参考信号恢复过程：

Rsin＝sin(Φ)

Rcos＝cos(Φ)。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中方法的各实施步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种光电传感器测角系统的信号处理方法，其特征在于包括以下内容：

高频时钟源将产生高频时钟信号发送到ADC采样脉冲发生器，ADC采样脉冲发生器将产生的采样脉冲发送到ADC电路对其进行激发，ADC电路定时对光电传感器的检测交流输出信号进行模数转换得到数字量，并将数字量发送到数字处理单元；

高频时钟源将产生高频时钟信号发送到计数器进行计数；

高频时钟源将产生高频时钟信号作为第一计数值捕捉电路的时钟信号，ADC采样脉冲发生器输出的ADC采用脉冲作为捕获脉冲控制第一计数值捕捉电路对计数器输出的计数值进行捕获，得到ADC采样脉冲发生时刻对应的计数器的计数值Tadc，并将计数值Tadc发送到数字处理单元；

高频时钟源将产生高频时钟信号作为第二计数值捕捉电路的时钟信号，经光电传感器输出的整周期脉冲指示信号作为捕获脉冲控制第二计数值捕捉电路对计数器输出的计数值进行捕获，获得整周期脉冲指示信号发生时刻对应的计数器的计数值Tp，并将计数值Tp发送到数字处理单元；

高频时钟源将产生高频时钟信号发送到数字处理单元引起中断，控制数字处理单元的计算周期为ADC采样脉冲周期；

数字处理单元根据输入的计数值Tadc和计数值Tp，通过时钟同步参考信号恢复算法实现参考正余弦信号的重构，恢复出与整周期脉冲指示信号同相位的参考正弦波Rsin和参考余弦波Rcos，并通过参考正弦波Rsin和参考余弦波Rcos通过最小均方误差解调算法实现对ADC采样得到的检测信号的相敏解调，完成光电传感器的角度测量。

2.如权利要求1所述的一种光电传感器测角系统的信号处理方法，其特征在于，所述第一计数值捕捉电路和第二计算值捕捉电路的电路实现形式完全相同。

3.如权利要求2所述的一种光电传感器测角系统的信号处理方法，其特征在于，所述第一计数值捕捉电路包括第一～第三D触发器、一与门和一反门，高频时钟源的输出端并联连接第一D触发器和第二D触发器的时钟信号端，ADC采样脉冲发生器作为捕获脉冲连接第一D触发器的数据端D，第一D触发器的输出端Q分别连接第二D触发器的数据端D和与门Y输入端，第二D触发器的输出端通过反门F和与门Y的另一输入端连接，与门Y的输出端连接第三D触发器的时钟端，计数器输出端连接第三D触发器的数据端D，第三D触发器的输出即为捕捉到的计数值数据。

4.如权利要求1～3任一项所述的一种光电传感器测角系统的信号处理方法，其特征在于，时钟同步参考信号恢复算法的具体实现过程为：

A)判断计数值Tp是否等于Tp1，Tp1为上一次Tp值，初始化时与Tp相等，若相等则进入步骤F)，若不相等则进入步骤B)；

B)计算ADC采样脉冲时刻与整周期脉冲指示信号时刻的时间差dT1＝Tp-Tadc；

C)对整周期脉冲参考相位Φr进行累加更新：

Φr+＝(2π-dT1×freq0)；

D)计算整周期脉冲参考相位Φr和恢复信号估计相位Φ之间的差值：dΦ＝Φr–Φ；

E)将dΦ发送到一PI控制器C(z)中计算得到频率估计值freq0，其中，PI控制器C(z)的Z变换公式如下：

$C\left(z\right)=\frac{freq0\left(z\right)}{d\mathrm{\Φ}\left(z\right)}=\frac{K_P-(K_P-K_{I}T)z^{-1}}{1-z^{-1}}$

其中：K_P为控制器比例系数，K_I为控制器积分系数，T为ADC采样时间间隔，z为Z变换变量，freq0为整周期脉冲的频率估计值；

F)计算两次ADC采样脉冲之间的时间差：dT2＝Tadc-Tadc1，计算完成后令Tadc1＝Tadc且令Tp1＝Tp；

G)对恢复信号估计相位Φ进行累加更新：Φ+＝dT2×freq0；

H)利用更新得到的恢复信号估计相位Φ计算得到与整周期脉冲指示信号同相位的参考正弦波Rsin和参考余弦波Rcos，完成时钟同步参考信号恢复过程：

Rsin＝sin(Φ)

Rcos＝cos(Φ)。

5.如权利要求1～3任一项所述的一种光电传感器测角系统的信号处理方法，其特征在于，计数器采用自由运行的加计数器。