CN108710025B - 基于波形匹配的石英晶片研磨控制与测频方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于波形匹配的石英晶片研磨控制与测频方法，能在石英晶片研磨过程中稳定实时地测量从5M到70MHZ的频率；本系统可以显示晶片研磨生产过程中的各种状态并提出建议，在线测频过程中实时监控石英晶片研磨状态，若出现异常情况实时关停研磨机，防止超频事件的发生，用户可根据触摸屏上显示的这些状态有效提高生产效率；加入“跳频约束策略”彻底解决ALC系统“在某些频段发生测频值跳变”的问题；提供晶片研磨实时平均频率、研磨速率和散差等多样化统计参数，为更换研磨砂和维修研磨盘面提供科学依据，解决ALC系统“无法监控研磨机状态”的缺陷。

Description

基于波形匹配的石英晶片研磨控制与测频方法

技术领域

本发明涉及基于波形匹配的石英晶片研磨控制与测频方法。

背景技术

电子信息产业是国民经济的支柱产业，石英晶体振荡器在电子信息行业中具有极其重要的地位。中国是石英晶体元器件的生产大国，但是产值、产品质量与发达国家相比仍有较大差距。行业近年来发展十分迅速，对石英晶体元器件生产过程中的加工设备和在线高精度测控设备的需求量也在不断增加。

晶片研磨是石英晶振生产过程中必不可少的步骤，晶片电参数测试是这一步骤中的关键测控技术，国内很多研究机构都对其进行了研究探索。20世纪九十年代，天津大学就基于国际标准的传输法原理对石英晶体的电参数进行了测量。从2002年到2004年，北京机械工业学院对π网络法测量石英晶体电参数的原理及π网络中分布参数对测量精度的影响进行了研究。中南大学信息科学与工程学院在2004年提出了一种使用直接数字频率合成器(DDS)作为激励信号源的方法和以此为基础实现石英晶片电参数计算机测量系统。北京航空航天大学在2006年设计了一种频率高达200 MHz的石英晶体电参数测量系统。2009年哈尔滨工业大学以π网络最大传输测量方法为基础设计石英晶体参数测量系统，设计中选择具有高速数据处理能力的数字信号处理器(DSP)作为系统的控制模块。在产品研发领域，国内外的石英晶体电参数测频技术差距很大。美国S&A公司的250A、250B系列网络分析仪和惠普公司的E5100系列网络分析仪的频率测量范围在20 KHz-400 KHz和0.5 MHz-200 MHz，负载谐振频率测量精度达到2 ppm以内，代表了石英晶片静态测频领域的世界最高水平。国内除了香港Kolinker公司的KH1200测试仪，其误差和250B相当，再没有其他同类产品替代。

在晶片研磨生产过程中磨盘相对于晶片是不断滑动的，探测头下并不是始终存在晶片，谐振信号是间断的；另外，不同频段晶片所需的射频激励功率大小是不同的；因此，要在研磨的动态过程中实时准确地测试晶片的谐振频率参数，准确地使盘内晶片达到目标频率且不能发生过度研磨导致的超频生产事故，就要求相应的测控仪器具备“动态有效信号提取”和“动态功率反馈”功能。因此，上文提到的研究内容和商业产品并不能满足在线测频的技术要求。目前国内外许多晶片制造厂家都使用美国TRANSAT公司的在线频率监控仪（ALC）对晶片频率进行在线测控。传统的ALC系统具备动态有效信号提取和动态功率反馈功能，能够实现晶片生产中在线测频的功能，这一技术目前被国外垄断。但是，随着石英晶振行业技术的日新月异，ALC系统并没有随之更新换代，生产实践中出现了越来越多不能忽视的问题。

首先，石英晶振产品的谐振频率不断提高，最高频段已经达到50 MHz -60 MHz，很多企业在实际使用ALC的过程中会遇到诸如“在某些频段发生测频值跳变”而无法有效控制研磨量的缺陷，严重影响产品质量和生产进度。这是由于当ALC系统出现误测量时，其测频方法并没有根据实际研磨情况去除“误测频率”的机制，在噪声环境中出现测频值跳变的问题也就成为必然。

其次，晶振的产量大幅提高，研磨砂和研磨盘的消耗量十分巨大，如何提高研磨砂和研磨盘的使用效率是每个厂商降低生产成本的关键。从研磨机管控的角度，相应的测控设备需要具备统计研磨盘内晶片频率分布的能力，以评估前道工序的加工质量和研磨系统的状态，作为更换研磨砂和维修研磨盘面的依据。然而，ALC系统仅提供“到达研磨目标频率停止”的控制策略，对研磨速率和频率散差等参数监控和相应的控制策略并没有涉及，这就导致其无法对研磨砂和研磨盘面状态进行监控。

因此，结合生产实际研究和探索石英晶片在线测频技术，摆脱传统ALC系统架构，针对在线测频和控制方法中“在某些频段发生测频值跳变”和“无法监控研磨机状态”这两个问题，创新地提出石英晶片研磨的一种在线测频和控制方法，根据本发明提出的方法设计具有抗干扰性强、运行稳定、统计参数多样、控制策略开放的晶片研磨在线测频系统是当前国内各大晶振生产厂商的迫切需求。本发明的成果对提高石英晶片行业生产效率和产品质量具有重要作用，对提高我国石英晶振行业整体竞争力也有重要意义。

发明内容

针对上述技术缺陷，本发明提出基于波形匹配的石英晶片研磨控制与测频方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

基于波形匹配的石英晶片研磨控制与测频方法，

系统通电开机后，进行外设初始化配置，外设初始化结束后，提示系统开始通电工作；

系统进入硬件自检，硬件自检结果进行显示；硬件自检未通过则等待用户进行检修后重新进行自检；通过硬件自检后则进入数据初始化流程；数据初始化结束后系统进入待机状态；

系统在待机状态下实时监测控制及设置按钮的操作，并根据控制及设置按钮的操作，作出控制动作或者读取设置参数后，根据设置的参数作出控制动作；

所述控制及设置按钮的操作包括参数设置操作，系统实时监控用户参数设置操作状态，一旦进入参数设置操作状态，对系统运行过程中的扫频参数、波形匹配参数、谐振频率显示参数和谐振频率约束参数进行设置；扫频参数包括单位时间内扫频次数、扫频幅值、扫频速度、扫频步进；波形匹配参数包括搜索宽度、峰值约束；谐振频率显示参数包括频率校准；谐振频率约束参数包括极差设置；

所述控制及设置按钮的操作还包括进入单次测频流程的操作、读取控制策略参数的操作、读取在线测频参数的操作、进入修盘流程操作和进入在线测频流程的操作；

单次测频流程的操作包括：

单次测频流程根据扫频参数的设置对石英晶片进行谐振频率测试，单次测频流程对系统的AD采样数据的处理，通过波形匹配方法、数据平滑处理和求最大值方法分析得出晶片的静态谐振频率、标准差、实时峰高、谐振线宽、单位时间内的谐振次数，测频结果发送进行显示;具体流程如下：

首先判断AD采样的数据个数是否达到系统设定值，如果没有到达系统设定值，则等待AD采样的数据个数达到系统设定值，如果达到系统设定值，则进入谐振频率搜索方法；

所述谐振频率搜索方法通过波形匹配方法、数据平滑处理和求最大值方法来处理AD采样的数据，获取谐振频率相关的统计信息；

所述谐振频率相关的统计信息包括谐振波形搜索是否成功，获取谐振波形的峰峰值、谐振波形峰值所在的步进点、谐振线宽、谐振次数信息；

经过谐振频率搜索方法处理后，需要判断谐振频率是否搜索成功，如果搜索不成功，说明本次采集到的数据不是石英晶振谐振时的数据，则等待下一次的数据处理，如果搜索成功，则判断谐振波形的峰峰值是否大于设定值，如果不满足，说明本次采集到的数据不是石英晶振谐振时的数据，则等待下一次的数据处理，如果满足，将计算得到的谐振频率值、标准差、谐振线宽、谐振次数信息发送显示，从而测量获得开始研磨前石英晶振静态频率，保证石英晶振在研磨前起始频率设置正确。

进一步的，读取控制策略参数的操作包括：

系统实时监控读取控制策略参数的操作的状态，一旦进入控制策略参数的操作，对系统运行过程中的在线测频控制策略参数、在线测频统计参数、圈数统计参数、修盘参数进行设置；在线测频控制策略参数包括目标频率到达次数、测频异常跳出次数、异常跳出时间、异常跳出极差设置、速率跳出上限、速率跳出下限；在线测频统计参数包括频率统计、速率统计、极差统计；圈数统计参数包括误触发滤波时间、延时滤波时间、开始统计圈数；修盘参数包括修盘时间、修盘异常退出时间。

进一步的，进入修盘流程操作包括：系统实时监控修盘流程操作的状态，一旦进入修盘流程操作，开始修盘计时， 一旦修盘时间计时结束，结束修盘流程，系统将回到待机状态，系统记录修盘时间；如在修盘过程中遇到紧急暂停，则系统立即待机状态，系统记录修盘时间。

进一步的，进入在线测频流程的操作包括：系统将启动研磨机并打开研磨砂开关；在线测频流程对系统的AD采样数据的处理，通过对AD采样数据进行波形匹配方法、数据平滑处理和求最大值方法计算出石英晶片的实时谐振频率，根据当前的统计参数计算出平均谐振频率、研磨速率和极差，测频结果发送进行显示；

在线测频流程中如果没有进行人为停止，系统将不断监控晶片实时频率，当平均谐振频率超过扫频范围的3/4，则扫频范围向前推移1/2，实现在线测频过程的实时监控。

进一步的，当在线测频流程中如果出现测频异常、速率异常、极差异常、SD卡异常这些异常状态，将跳出在线测频流程，进入待机状态，同时记录跳出在线测频流程的原因。

进一步的，所述外设初始化配置包括蜂鸣器初始化、指示灯初始化、研磨机启停控制端口初始化、研磨机圈数信号检测端口初始化、研磨砂启停控制端口初始化、AD采样初始化、串口初始化、掉电存储模块初始化、定时器初始化和DDS扫频模块初始化。

进一步的，所述硬件自检包括掉电存储模块自检、DDS扫频模块自检、研磨机连接状态自检、研磨砂开关连接状态和圈数信号连接状态自检。

进一步的，数据初始化流程包括初始化控制及设置按钮，根据掉电存储模块中读取的数据设置主界面中的异常系统状态指示灯；初始化测量统计信息；从掉电存储模块读取在线测频参数、静态测试参数和控制策略参数，并发送显示；从掉电存储模块读取研磨起始频率、研磨目标频率和频率校准发送显示。

本发明的有益效果在于：能在石英晶片研磨过程中稳定实时地测量从5M到70MHZ的频率；本系统可以显示晶片研磨生产过程中的各种状态并提出建议，在线测频过程中实时监控石英晶片研磨状态，若出现异常情况实时关停研磨机，防止超频事件的发生，用户可根据触摸屏上显示的这些状态有效提高生产效率；加入“跳频约束策略”彻底解决ALC系统“在某些频段发生测频值跳变”的问题；提供晶片研磨实时平均频率、研磨速率和散差等多样化统计参数，为更换研磨砂和维修研磨盘面提供科学依据，解决ALC系统“无法监控研磨机状态”的缺陷。

附图说明

图1为石英晶片研磨在线测频系统构架图；

图2为人机交互界面主界面设计；

图3为人机交互界面管理员设置界面设计；

图4为人机交互界面静态测试界面设计；

图5为人机交互界面控制策略界面设计；

图6为人机交互界面参数设置界面设计；

图7为石英晶片的谐振波形；

图8为系统总流程图；

图9为外设初始化流程图；

图10为系统自检流程图；

图11为数据初始化流程图；

图12为单次测频流程图；

图13为在线测频流程图；

图14为谐振波形搜索方法示意图；

图15为谐振波形搜索方法流程图；

图16为波形匹配方法流程图；

图17为数据平滑处理流程图；

图18为求最大值方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

本发明提出的测频和控制方法针对石英晶片研磨在线测频系统，在线测频系统用于实时获取石英晶片研磨过程中晶片谐振频率值、研磨速率、散差等信息，同时根据实际研磨情况关停研磨机。

石英晶片研磨在线测频系统：

石英晶片研磨在线测频系统如图1所示。本发明提出的在线测频和控制方法适用于基于该系统构架搭建的测频系统。石英晶片在线测频系统由MCU、DDS扫频模块、功率放大电路模块、π网络电路模块、运放电路模块、峰值检测电路模块、滤波电路模块、触摸屏电路模块和电源模块构成。

石英晶片研磨在线测频和控制方法，包括测频方法以及基于该测评方法的控制方法。

具体包括如下步骤：

如图2~图6所示，为石英晶片研磨在线测频系统的交互界面，把晶片研磨机启停控制开关、研磨机圈数信号检测装置和研磨砂启停控制开关连接到系统，将π网络接口电路模块的输入和输出电极连接到研磨机上磨盘的对应电极插槽；将系统电源接口连接到220V市电，同时保证研磨机上有排列待测晶片。

系统通电开机后，如图8所示，先进行外设初始化配置，包括蜂鸣器初始化、指示灯初始化、研磨机启停控制端口初始化、研磨机圈数信号检测端口初始化、研磨砂启停控制端口初始化、AD采样配置、串口初始化、掉电存储模块初始化、定时器初始化和DDS扫频模块初始化；外设初始化结束后蜂鸣器鸣叫提示系统开始通电工作；

系统进入硬件自检程序，硬件自检包括掉电存储模块自检、DDS扫频模块自检、研磨机连接状态自检、研磨砂开关连接状态和圈数信号连接状态自检；硬件自检结果在触摸屏上显示；硬件自检未通过则等待用户进行检修后重新进行自检；通过硬件自检则进入数据初始化流程，包括初始化触摸屏主界面中的的“研磨”、“修盘”、“紧急暂停”和“管理员设置”按钮；根据掉电存储模块中读取的数据设置主界面中的“测频异常”、“速率异常”和“极差异常”系统状态指示灯；初始化“平均谐振频率”、“平均速率”、“极差”和“历史数据”等测量统计信息；从掉电存储模块读取在线测频参数、静态测试参数和控制策略参数，并发送给触摸屏显示；从掉电存储模块读取研磨起始频率、研磨目标频率和频率校准发给触摸屏显示；数据初始化结束后系统进入待机状态；

系统在待机状态下实时检测触摸屏上的操作，若进入静态测试界面后按下“开始按钮”，则系统进入单次测频流程；若在进入控制策略界面后退出，则读取控制策略参数；若在进入参数设置界面后退出，则获取在线测频参数；若在主界面中按下“修盘”按钮，则进入修盘流程；若在主界面中按下“研磨”按钮，则系统进入在线测频流程；

单次测频流程根据静态测试界面中扫频参数的设置对石英晶片进行谐振频率测试，仅在π网络接口电路模块的输入输出电极下存在晶片时才能准确得到谐振频率；单次测频流程涉及到对AD采样数据的处理，通过波形匹配方法、数据平滑处理和求最大值方法分析得出晶片的静态谐振频率、标准差、实时峰高、谐振线宽、单位时间内的谐振次数，测频结果发送给触摸屏进行显示；

系统实时监控触摸屏上管理员设置界面内“参数设置”按钮的状态，按下“参数设置”按钮，进入参数设置界面，该界面对系统运行过程中的扫频参数、波形匹配参数、谐振频率显示参数和谐振频率约束参数进行设置；扫频参数包括单位时间内扫频次数、扫频幅值、扫频速度、扫频步进；波形匹配参数包括搜索宽度、峰值约束；谐振频率显示参数包括频率校准；谐振频率约束参数包括极差设置；

系统实时监控触摸屏上管理员设置界面内“控制策略”按钮的状态，按下“控制策略”按钮，进入控制策略参数设置界面，该界面对系统运行过程中的在线测频控制策略参数、在线测频统计参数、圈数统计参数、修盘参数进行设置；在线测频控制策略参数包括目标频率到达次数、测频异常跳出次数、异常跳出时间、异常跳出极差设置、速率跳出上限、速率跳出下限；在线测频统计参数包括频率统计、速率统计、极差统计；圈数统计参数包括误触发滤波时间、延时滤波时间、开始统计圈数；修盘参数包括修盘时间、修盘异常退出时间；

系统实时监控触摸屏的状态，若触摸屏按下“修盘”按钮，系统将进入修盘流程，按下修盘界面内的“紧急暂停”按钮或者修盘时间到都将结束修盘流程，系统将回到待机状态，系统记录修盘时间；

将晶片排布到研磨机上下磨盘之间的研磨载具中后，设置研磨起始频率、研磨目标频率和频率校准；在触摸屏按下“研磨”按钮，系统将进入在线测频流程；系统将启动研磨机并打开研磨砂开关；在线测频流程涉及到对AD采样数据的处理，通过对AD采样数据进行波形匹配方法、数据平滑处理和求最大值方法计算出石英晶片的实时谐振频率，根据当前的统计参数计算出平均谐振频率、研磨速率和极差，测频结果发送给触摸屏进行显示；

在线测频流程中如果“停止”按钮没有被按下，系统将不断监控晶片实时频率，当“平均谐振频率”超过“研磨目标频率”的次数达到控制策略参数的“目标频率达到次数”，系统关停研磨机并记录研磨信息；

在线测频流程中如果出现测频异常、速率异常、极差异常、SD卡异常这些异常状态，将跳出在线测频流程，进入待机状态，同时记录跳出在线测频流程原因；

在线测频流程中，当“研磨速率”低于控制策略参数的“速率跳出下限”时，系统将提示需要更换研磨砂；当“散差”大于控制策略参数的“异常跳出极差设置”时，系统将提示需要修研磨盘；研磨过程中，用户可以随时按下“停止”按钮终止在线测频流程，系统将更新“研磨机启停”指示灯状态，并回到待机状态并记录研磨时间、晶片当前频率信息；

上述步骤中，单次测频流程和在线测频流程中的“波形匹配方法”指谐振波形匹配同时截取匹配的波形，“数据平滑处理”指对截取的波形进行临近平滑处理方法，“求最大值方法”指找到截取波形的最大值点对应的谐振频率，同时要求谐振波形的峰峰值大于“峰值约束”；

上述步骤中，在线测频流程中经过“波形匹配方法”、“数据平滑处理”和“求最大值方法”后，就此求得的实时谐振频率与“平均谐振频率”之差也必须小于极差约束条件；满足条件的实时谐振频率将使用堆栈的方式存入实时谐振频率存储数组，取实时谐振频率数组数据的平均值即为“平均谐振频率”；

上述步骤中，当“平均谐振频率”超过扫频范围的3/4，则扫频范围向前推移1/2，这样就实现了在线测频过程的实时监控。

石英晶片谐振波形：

石英晶片谐振波形如图7所示。当石英晶片的谐振频率在DDS扫频范围内时，并且输入晶片的功率达到晶片的起振要求，石英晶片将产生如图所示的谐振波形。

石英晶片研磨在线测频系统的主流程图：

石英晶片研磨在线测频系统的主流程图如图8所示。系统通电开机后，先对外设进行初始化配置；外设初始化结束后蜂鸣器鸣叫提示系统开始通电工作；再进行硬件设备自检，自检通过则进入数据初始化流程，未通过则等待用户检修后重新进行自检；数据初始化结束后进入待机状态；此时系统实时监控触摸屏的按钮状态，若按下触摸屏主界面中的“研磨”按钮，则进入在线测频流程，若按下触摸屏主界面中的“修盘”按钮，则进入修研磨流程，若按下管理员设置界面中的“参数设置”按钮，则进入参数设置流程，若按下管理元设置界面中的“控制策略”按钮，则进入控制策略设置流程，若按下静态测试界面内的“开始”按钮，则进入单次测频流程，否则系统一直处于待机状态。单次测频流程和在线测频流程都会将测频结果发送给触摸屏进行显示，单次测频流程发送给触摸屏的统计信息包括实时频率、标准差、实时峰高、谐振线宽和谐振计数值；在线测频流程发送给触摸屏的统计信息包括当前晶片的谐振频率、极差、研磨速率、圈数。

外设初始化流程：

外设初始化流程如图9所示。外设初始化流程包括中断嵌套向量优先级分组、延时初始化、蜂鸣器初始化、指示灯初始化、AD采样初始化、串口初始化、掉电存储模块初始化、定时器初始化、DAC初始化、DDS扫频模块初始化、研磨机控制端口初始化、研磨砂开关控制端口初始化和研磨机圈数信息检测端口初始化。

系统自检流程图

系统自检流程图如图10所示，系统自检包括触摸屏自检、掉电存储模块自检、DDS扫频模块自检、研磨机连接状态自检、研磨砂设备连接状态自检和研磨机圈数检测装置自检，自检结果将在触摸屏上显示，若所有设备自检通过，则进入下一个流程，若有设备自检不通过，则在触摸屏上显示相应设备自检不通过的提示信息，等待相关技术人员检修后重新自检。

数据初始化流程程图

数据初始化流程程图如图11所示。数据初始化流程包括读取系统状态信息并发送给触摸屏显示、读取晶片在线测频过程中起始频率、目标频率和频率校准并发送给触摸屏显示、读取单次测频和在线测频参数并发送给触摸屏显示、读取控制策略参数并发送给触摸屏显示以及读取掉电存储设备存储地址。

单次测频流程图

单次测频流程图如图12所示，单次测频流程过程中，扫频参数不会根据晶片频率的改变而改变，扫频参数只能通过手动进行修改。单次测频主要在开始研磨前进行石英晶片静态频率测量，保证石英晶片在研磨前起始频率设置正确。在单次测频流程中，首先判断AD采样的数据个数是否达到系统设定值，如果没有到达系统设定值，则等待AD采样的数据个数达到系统设定值，如果达到系统设定值，则进入谐振频率搜索方法；谐振频率搜索方法是通过“波形匹配方法”、“数据平滑处理”和“求最大值方法”处理AD采样数据，获取谐振频率相关的统计信息，如谐振波形是否搜索成功、谐振波形的峰峰值、谐振波形锋值所在的步进点、谐振线宽、谐振次数等信息；经过谐振频率搜索方法处理后，需要判断谐振频率是否搜索成功，如果搜索不成功，说明本次采集到的数据不是石英晶振谐振时的数据，则等待下一次的数据处理，如果搜索成功，则判断峰峰值是否大于设定值，如果不满足，说明本次采集到的数据不是石英晶振谐振时的数据，则等待下一次的数据处理，如果满足，将计算得到的谐振频率值、标准差、谐振线宽、谐振次数等信息发送给触摸屏显示。

在线测频流程图

在线测频流程图如图13所示。在线测频流程中，扫频参数会随着晶片频率的改变而改变。在石英晶片研磨过程中，晶片的频率会随着研磨过程而增大，这时DDS扫频范围、扫频幅度等参数就需要改变，在线测频流程就能实现对扫频参数的动态修改。在线测频流程中，首先将扫频参数修改为在线测频中的扫频参数；随后判断AD采集数据个数是否达到设定值，如果没达到，则继续等待直到AD采集数据个数达到设定值，如果达到，则进行谐振频率搜索方法；经过谐振搜索方法处理后，需要判断谐振频率是否搜索成功，如果搜索不成功，说明本次采集到的数据不是石英晶振谐振时的数据，则等待下一次的数据处理，如果搜索成功，则判断峰峰值是否大于设定值，如果不满足，说明本次采集到的数据不是石英晶振谐振时的数据，则等待下一次的数据处理，如果满足，则判断当前频率是否满足频宽约束条件，如果不满足，则等待下一次的数据处理，如果满足，则计算谐振平均频率及相关的统计量，如散差、研磨速度等信息；将计算得到的统计量信息与设定的约束条件进行比较，如散差是否符合散差约束条件，研磨速度是否大于设定的约束条件，单位时间内的谐振次数是否大于设定的约束条件，谐振平均频率达到目标频率的次数是否小于设定值，如果满足这些约束条件，则将谐振平均频率值及相关统计信息发送给触摸进行显示，否则只有一项条件不满足要求，则停止在线测频流程，停止研磨机，进入单次测频流程；同时如果在线测频过程中按下“停止”按钮，也将停止研磨机，进入待机状态。

单次测频流程和在线测频流程都涉及到对AD采样数据的处理，通过对AD采样数据的处理获取石英晶片的谐振频率。通过对AD采样数据进行谐振频率搜索方法能实时计算出石英晶片的谐振频率。谐振频率搜索方法包括波形匹配方法、数据平滑处理方法和求最值方法。

波形匹配方法如图14~16所示。根据谐振波形的波形特征，在波形上依照时间顺序取8个点进行幅值比较，其中1，2，3，4，5，6，7点间的间距为一个搜索宽度，7，8点的间距为3个搜索宽度，若第4点为最大值，第7点为最小值，且1，2，3点的值依次增大，5，6两点的值依次减小，则为该波形为匹配的波形，将该段波形截取出来做临近点数据平滑处理。

临近点数据平滑处理流程图如图17所示。由于谐振波形存在一些毛刺信号，通过临近点数据平滑处理后可滤除毛刺信号。临近点数据平滑处理对截取的谐振波形上的每一点的值取相邻三点值的平均值。

求最大值方法流程图如图18所示。求最大值方法对数据平滑后的谐振波形求最大值所在的位置，最大值所在的位置即为谐振频率所在的位置，然后根据扫频的起始频率求出实时谐振频率。

触摸屏与MCU之间的通信采用MODBUS通信协议，该通信协议采用查询回应机制，能实现数据的稳定可靠传输。MCU实时监控触摸屏的界面跳转状态、“研磨”按钮是否按下、紧急暂停按钮是否按下、研磨起始频率和目标频率、测频参数是否修改等信息。

参数设置流程同时系统可监控触摸屏上的一些设置信息，包括单次测频参数、在线测频参数，根据这些设置参数在系统运行过程中对扫频参数进行设置。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围内。

Claims (8)

1.基于波形匹配的石英晶片研磨控制与测频方法，其特征在于，

系统通电开机后，进行外设初始化配置，外设初始化结束后，提示系统开始通电工作；

系统进入硬件自检，硬件自检结果进行显示；硬件自检未通过则等待用户进行检修后重新进行自检；通过硬件自检后则进入数据初始化流程；数据初始化结束后系统进入待机状态；

系统在待机状态下实时监测控制及设置按钮的操作，并根据控制及设置按钮的操作，作出控制动作或者读取设置参数后，根据设置的参数作出控制动作；

所述控制及设置按钮的操作包括参数设置操作，系统实时监控用户参数设置操作状态，一旦进入参数设置操作状态，对系统运行过程中的扫频参数、波形匹配参数、谐振频率显示参数和谐振频率约束参数进行设置；扫频参数包括单位时间内扫频次数、扫频幅值、扫频速度和扫频步进；波形匹配参数包括搜索宽度和峰值约束；谐振频率显示参数包括频率校准；谐振频率约束参数包括极差设置；

所述控制及设置按钮的操作还包括进入单次测频流程的操作、读取控制策略参数的操作、读取在线测频参数的操作、进入修盘流程操作和进入在线测频流程的操作；

单次测频流程的操作包括：

单次测频流程根据扫频参数的设置对石英晶片进行谐振频率测试，单次测频流程对系统的AD采样数据的处理，通过波形匹配方法、数据平滑处理和求最大值方法分析得出晶片的静态谐振频率、标准差、实时峰高、谐振线宽以及单位时间内的谐振次数，测频结果发送进行显示;具体流程如下：

首先判断AD采样的数据个数是否达到系统设定值，如果没有到达系统设定值，则等待AD采样的数据个数达到系统设定值，如果达到系统设定值，则进入谐振频率搜索方法；

所述谐振频率搜索方法通过波形匹配方法、数据平滑处理和求最大值方法来处理AD采样的数据，获取谐振频率相关的统计信息；

所述谐振频率相关的统计信息包括谐振波形搜索是否成功，获取谐振波形的峰峰值、谐振波形峰值所在的步进点、谐振线宽和谐振次数信息；

经过谐振频率搜索方法处理后，需要判断谐振频率是否搜索成功，如果搜索不成功，说明本次采集到的数据不是石英晶振谐振时的数据，则等待下一次的数据处理，如果搜索成功，则判断谐振波形的峰峰值是否大于设定值，如果不满足，说明本次采集到的数据不是石英晶振谐振时的数据，则等待下一次的数据处理，如果满足，将计算得到的谐振频率值、标准差、谐振线宽和谐振次数信息发送给触摸屏显示，从而测量获得开始研磨前石英晶片静态频率，保证石英晶片在研磨前起始频率设置正确。

2.根据权利要求1所述的基于波形匹配的石英晶片研磨控制与测频方法，其特征在于，读取控制策略参数的操作包括：

系统实时监控读取控制策略参数的操作的状态，一旦进入控制策略参数的操作，对系统运行过程中的在线测频控制策略参数、在线测频统计参数、圈数统计参数和修盘参数进行设置；在线测频控制策略参数包括目标频率到达次数、测频异常跳出次数、异常跳出时间、异常跳出极差设置、速率跳出上限和速率跳出下限；在线测频统计参数包括频率统计、速率统计和极差统计；圈数统计参数包括误触发滤波时间、延时滤波时间和开始统计圈数；修盘参数包括修盘时间和修盘异常退出时间。

3.根据权利要求1所述的基于波形匹配的石英晶片研磨控制与测频方法，其特征在于，进入修盘流程操作包括：系统实时监控修盘流程操作的状态，一旦进入修盘流程操作，开始修盘计时， 一旦修盘时间计时结束，结束修盘流程，系统将回到待机状态，系统记录修盘时间；如在修盘过程中遇到紧急暂停，则系统立即进入待机状态，系统记录修盘时间。

4.根据权利要求1所述的基于波形匹配的石英晶片研磨控制与测频方法，其特征在于，进入在线测频流程的操作包括：系统将启动研磨机并打开研磨砂开关；在线测频流程对系统的AD采样数据的处理，通过对AD采样数据进行波形匹配方法、数据平滑处理和求最大值方法计算出石英晶片的实时谐振频率，根据当前的统计参数计算出平均谐振频率、研磨速率和极差，测频结果发送进行显示；

在线测频流程中如果没有进行人为停止，系统将不断监控晶片实时频率，当平均谐振频率超过扫频范围的3/4，则扫频范围向前推移1/2，实现在线测频过程的实时监控。

5.根据权利要求4所述的基于波形匹配的石英晶片研磨控制与测频方法，其特征在于，当在线测频流程中如果出现测频异常、速率异常、极差异常以及SD卡异常这些异常状态，将跳出在线测频流程，进入待机状态，同时记录跳出在线测频流程的原因。

6.根据权利要求1所述的基于波形匹配的石英晶片研磨控制与测频方法，其特征在于，所述外设初始化配置包括蜂鸣器初始化、指示灯初始化、研磨机启停控制端口初始化、研磨机圈数信号检测端口初始化、研磨砂启停控制端口初始化、AD采样初始化、串口初始化、掉电存储模块初始化、定时器初始化和DDS扫频模块初始化。

7.根据权利要求6所述的基于波形匹配的石英晶片研磨控制与测频方法，其特征在于，所述硬件自检包括掉电存储模块自检、DDS扫频模块自检、研磨机连接状态自检、研磨砂开关连接状态和圈数信号连接状态自检。

8.根据权利要求7所述的基于波形匹配的石英晶片研磨控制与测频方法，其特征在于，数据初始化流程包括初始化控制及设置按钮，根据掉电存储模块中读取的数据设置主界面中的异常系统状态指示灯；初始化测量统计信息；从掉电存储模块读取在线测频参数、静态测试参数和控制策略参数，并发送显示；从掉电存储模块读取研磨起始频率、研磨目标频率和频率校准发送并显示。

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