基于谐振频率自动搜索机制的石英晶片在线研磨的测控方法与流程

本发明涉及石英晶片领域，更具体的说，它涉及基于谐振频率自动搜索机制的石英晶片在线研磨的测控方法。

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。中国是石英晶振的生产大国，但是产品质量与发达国家相比仍有较大差距。近年来行业发展十分迅速，对石英晶振生产过程中的在线研磨石英晶片高精度频率分析监控设备的需求量也在不断增加，同时对该设备的测控能力提出了更高的要求。

石英晶片研磨是石英晶振生产过程中必不可少的步骤，石英晶片电参数测量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片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网络法测量石英晶片电参数的原理及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200mhz的石英晶片电参数测量系统。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片参数测量系统，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，国内外的石英晶片测频技术差距很大。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20khz-400khz和0.5mhz-200mhz，负载谐振频率测量精度达到2ppm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。以上介绍的各种研究内容和商业产品都是针对石英晶片在静止状态下的固定谐振频率测量。

石英晶片研磨生产过程中磨盘相对于石英晶片是不断滑动的，探测头下并不是始终存在石英晶片，谐振信号是间断的；同时，不同频段石英晶片所需的dds扫频范围和射频激励功率是不同的；因此，要在研磨的动态过程中实时准确地测量石英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”、“动态dds扫频范围修改”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。目前国内外许多石英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”、“动态dds扫频范围修改”和“动态功率反馈”功能，能够实现石英晶片生产中的在线测频功能，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，传统的alc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50mhz-60mhz，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，有时甚至发生超频事件，特别是在40mhz以上发生频率大幅上升，严重影响产品质量和生产进度。这是由于当alc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”，在噪声环境中出现测频值跳变的问题也就成为必然，同时alc扫频范围很大也增大了测频值跳变的几率。

其次，很多企业在使用alc的过程中会发生“晶片开始研磨后，alc开始显示的测频值跟石英晶片的实际谐振频率值不同”而导致alc无法正常监控石英晶片的研磨过程，这是由于alc按下开始按钮后对石英晶片谐振频率的搜索不正确导致，而谐振频率搜索不正确是由于alc的测频程序中搜索石英晶片谐振频率方法不完善。同时使用alc的过程中有时会出现“测频过程中发生显示频率乱跳”的现象，当发生这种现象时，alc不能恢复正常的测频功能，显示频率一直异常。

同时，随着石英晶振的产量大幅提高，研磨砂、石英晶片研磨载体和研磨盘的消耗量十分巨大，如何提高研磨砂、石英晶片研磨载体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石英晶片频率分布和研磨速率的能力，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、石英晶片研磨载体和维护研磨盘面的依据。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的监控以及相应的控制策略和异常策略并没有涉及，这就导致其无法对研磨砂、石英晶片研磨载体和研磨盘面状态进行监控，对研磨过程中发生的异常状况不能有效的判断并作出处理。

因此，结合生产实际研究和探索石英晶片在线测频技术，摆脱传统的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”、“开始测频后显示频率值不对”、“容易受到外界干扰”、“无法实时准确监控研磨机状态”这些问题的解决，是非常迫切和必要的。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术的不足，提供了基于谐振频率自动搜索机制的石英晶片在线研磨的测控方法，具有测量精度高、抗干扰性强、运行稳定、统计参数多样、控制策略开放等优点。

本发明的技术方案如下：

基于谐振频率自动搜索机制的石英晶片在线研磨的测控方法，包括如下步骤：初始化数据步骤、谐振频率自动搜索流程步骤、基于扫频数据机制的跟踪测频流程步骤、惯性导航流程步骤；

101)初始化数据设置和检测步骤：对异常监控、统计控制、测频策略和研磨程序的参数进行初始化设置，并对研磨机控制模块进行自检，确保设备控制正常；

102)谐振频率自动搜索流程步骤：步骤101)设置后，通过谐振频率自动搜索、自动搜索频率切换参数设置和自动搜索完成数据处理，来实行自动搜索；谐振频率自动搜索包括数据初始化，测频和扫频参数设置，在自动搜索中dds数据采集未完成，则继续进行自动搜索谐振频率，进行dds数据采集，如果采集完成，则进行频率切换时间是否到达的判断，如果到达，且当前搜索频段的起始频率已经小于石英晶片设置的研磨起始频率，则进入自动搜索完成数据处理流程，否则进行自动搜索频率切换参数设置流程，对参数进行重新设置，继续数据采集，如果未到达，则继续进行数据采集；

103)跟踪测试流程步骤：通过步骤102)自动搜索成功后，进入跟踪测试，其包括进行参数初始化，扫频参数设置、进行dds扫频，扫频数据的处理，数据的进一步分析处理和对参数的重新设置；

104)惯性导航流程步骤：在步骤103)处理异常数据时启动惯性导航，根据相应数据运用模拟参数弥补部分数据的缺失，再将补充完的数据写入dds，返回步骤103)中的dds扫频。

进一步的，104)惯性导航流程步骤具体如下：首先根据石英晶片当前研磨速率得到dds扫频的起始频率和截止频率，然后根据得到的dds扫频的起始频率和截止频率分别更新峰值约束、搜索宽度、扫频幅度、扫频步进参数，所述扫频起始频率为当前扫频频率值加上谐振频率速率与指定圈数的乘积值，用于模拟参数弥补部分数据的缺失；参数更新完成后将dds的扫频参数写入dds，返回步骤103)中的dds扫频。

进一步的，所述步骤101)中的参数包括异常监控参数、统计控制参数、测频策略参数、研磨程序参数，用于在线测频过程中的各种异常控制和统计控制。

进一步的，所述步骤103)中扫频数据的处理包括对紧急暂停的操作，接着对dds扫频数据采集是否完成的判断，并根据跟踪测频谐振频率搜索方法来获得是否搜索成功的判断，如果以上判断为无紧急暂停的操作、dds扫频数据采集完成，但搜索成功判断为不成功，则进入数据的进一步分析处理，若无紧急暂停的操作、dds扫频数据采集完成，搜索成功判断为成功，则对峰峰值是否大于约束值进行判断，判断为否，则进入数据的进一步分析处理，判断为是，则由谐振频率值判断是不是在频宽约束范围内，如果判断为不是，则进入数据的进一步分析处理，如果判断为是，则将谐振频率存入数组，判断是否收到圈数信息，如果收到圈数信息，则计算散差并判断圈数是否大于速率统计约束值，如果未收到圈数信息，则直接判断圈数是否大于速率统计约束值，如果是则通过最小二乘法获取速率再计算频率平均值，如果不大于速率统计约束值，则跳过获取速率，直接计算频率平均值，并转向数据的进一步分析处理。

进一步的，所述步骤103)、步骤104)中dds扫频方式为从起始频率扫频到截止频率，再从截止频率扫频到起始频率，这样周而复始。

进一步的，所述数据的进一步分析处理包括对获取的数据与设置的监控参数进行比对，其包括对频率散差、研磨速率和研磨圈数的判断，并与目标频率进行比对，其中在指定圈数内测到的谐振次数小于设定的次数，提示“测频异常”，并进入惯性导航流程。

进一步的，所述参数的修正包括扫频参数的修改和在线测频实时数据发送时间，如果修改扫频参数设置则包括扫频起始频率、扫频截至频率、扫频幅度、扫频步进、扫频速度；搜索宽度、峰值约束和频宽约束，这些参数为测频参数，用于搜索谐振频率，如果不修改扫频参数设置则判断在线测频实时数据发送时间，如果到达指定时间则获取谐振频率平均值，并发送谐振频率平均值、散差、研磨速率，如果未到达指定时间则回到跟踪测试流程的数据采集的处理。

本发明相比现有技术优点在于：创新地提出一种基于谐振频率自动搜索机制的石英晶片在线研磨的测控方法，通过本发明提出的自动搜索谐振频率方法能在测频开始后准确地搜索到石英晶片当前的谐振频率，通过本发明提出的惯性导航机制能在测频系统发生测频异常时能继续有效的进行谐振频率的测量直至恢复正常的测频功能，通过本发明提出的在线测频过程中的控制策略和异常策略，能够有效地发生的异常状况并作出处理，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、异常测频完整的石英晶片研磨在线测频系统，异常测频完整更是对频率散差、研磨速率和研磨圈数的数据进行了实时比对，它是当前国内各大石英晶振生产厂商迫切需求的。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。

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为人机交互界面异常监控参数设置界面设计；

图5为人机交互界面统计控制参数设置界面设计；

图6为人机交互界面测频策略参数设置界面设计；

图7为人机交互界面研磨程序参数设置界面设计；

图8为石英晶片的谐振波形；

图9为在线测频总流程图；

图10为谐振频率自动搜索流程图；

图11为自动搜索谐振频率搜索方法流程图；

图12为自动搜索谐振频率搜索方法示意图；

图13为波形匹配方法流程图；

图14为数据平滑处理流程图；

图15为求最大值方法流程图；

图16为自动搜索完成数据处理流程图；

图17为自动搜索谐振频率滤波求均值方法流程图；

图18为跟踪测频总流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。

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。所述dds为直接数字式频率合成器。

如图2～图7所示，为石英晶片研磨在线测频系统的交互主界面、管理员设置界面，异常监控参数设置界面、统计控制参数设置界面、测频策略参数设置界面、研磨程序参数设置界面，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。对石英晶片研磨机控制模块进行自检，确保设备控制正常。

石英晶片研磨在线测频总流程图如图9所示，在交互主界面判断是否按下研磨按钮，按下研磨按钮后进入谐振频率自动搜索流程，如果谐振频率搜不到，且搜索小于研磨圈数设定值，则继续自动搜索谐振频率，如果大于研磨圈数设定值，则停止研磨，触摸屏主界面显示搜索异常提示信息，进入待机流程。如果进入谐振频率自动搜索流程并搜索到谐振频率则进入跟踪测频流程，根据如果存在异常，则判断谐振频率是否超出约束，如果是超出约束则停止研磨，进入待机流程，如果没有超出约束进入惯性导航流程，返回到跟踪测频流程。如果不存在异常，则回到跟踪测频流程继续测频。具体包括如下步骤：初始化数据步骤、谐振频率自动搜索流程步骤、跟踪测频流程步骤、惯性导航流程步骤；

101)初始化数据设置和检测步骤：对异常监控、统计控制、测频策略和研磨程序的参数进行设置，并对研磨机控制模块进行自检，确保设备控制正常。所述参数包括触摸屏中异常监控参数设置界面、统计控制参数设置界面、测频策略参数设置界面、研磨程序参数设置界面中设置的相关参数，用于在线测频过程中的各种异常控制和统计控制。具体的主要设置参数为异常监控的测频异常和操作异常数据的设置，统计控制的控制策略、圈数统计、统计参数和修整圈数数据的设置，测频策略的扫频幅度、搜索宽度、扫频速度、低频峰值约束、高频峰值约束、扫频频率、散差约束和频率校准数据的设置，研磨程序的起始频率、截止频率和正常速率数据的设置。

102)谐振频率自动搜索流程：如图10所示，步骤101)设置后，通过谐振频率自动搜索、自动搜索频率切换参数设置和自动搜索完成数据处理，来实行自动搜索。谐振频率自动搜索流程包括数据初始化，测频和扫频参数设置，在自动搜索中dds数据采集未完成，只进行紧急暂停是否按下的判断，只要未按下紧急暂停，则继续进行自动搜索谐振频率，进行dds数据采集，如果采集完成，则进行频率切换时间是否到达的判断，如果到达，且当前搜索频段的起始频率已经小于石英晶片设置的研磨起始频率，则进入自动搜索完成数据处理流程，否则进行自动搜索频率切换参数设置流程，对参数进行重新设置，继续数据采集，如果未到达，则继续进行数据采集。

103)跟踪测试流程步骤：如图18所示，通过步骤102)自动搜索成功后，包括进行跟踪测频参数初始化，扫频参数设置、进行dds扫频，扫频采样数据的处理，数据的进一步分析处理和对参数的重新设置。

所述扫频数据的处理包括对紧急暂停的操作判断，同时该操作判别扫频数据的处理是否恰当。接着对dds扫频数据采集是否完成的判断，并根据跟踪测频谐振频率搜索方法来判断是否谐振频率搜索成功，如果以上判断为无紧急暂停的操作、dds扫频数据采集完成，但搜索成功判断为不成功，则进入数据的进一步分析处理，若无紧急暂停的操作、dds扫频数据采集完成，搜索成功判断为成功，则对峰峰值是否大于约束值进行判断，判断为否，则进入数据的进一步分析处理，判断为是，则由谐振频率值判断是不是在频宽约束范围内，如果判断为不是，则进入数据的进一步分析处理，如果判断为是，则将谐振频率存入数组，判断是否收到圈数信息，如果收到圈数信息，则计算散差并判断圈数是否大于速率统计约束值，如果未收到圈数信息，则直接判断圈数是否大于速率统计约束值，如果是则通过最小二乘法获取速率再计算频率平均值，如果不大于速率统计约束值，则跳过获取速率，直接计算频率平均值，并转向数据的进一步分析处理。

所述数据的进一步分析处理，包括对获取的数据与触摸屏中设置的监控参数进行比对，其包括对频率散差、研磨速率和研磨圈数的判断，并与目标频率进行比对，其中在指定圈数内测到的谐振次数小于设定的次数，主界面会提示“测频异常”，并进入惯性导航流程。

所述参数的重新设置包括扫频参数的修改和在线测频实时数据发送时间，如果修改扫频参数设置则包括扫频参数和谐振频率搜索参数，其中扫频参数包括扫频起始频率、扫频截至频率、扫频幅度、扫频步进、扫频速度；其中谐振频率搜索参数包括搜索宽度、峰值约束和频宽约束，这些参数为测频参数，用于搜索谐振频率，如果不修改扫频参数设置则判断在线测频实时数据发送时间，如果到达指定时间则获取谐振频率平均值，并发送谐振频率平均值、散差、研磨速率，如果未到达指定时间则回到跟踪测试流程的数据采集的处理。

104)惯性导航流程：在步骤103)处理异常数据时启动惯性导航，首先根据石英晶片当前研磨速率得到dds扫频的起始频率和截止频率，然后根据得到的dds扫频的起始频率和截止频率分别更新峰值约束、搜索宽度、扫频幅度、扫频步进等参数，所述扫频起始频率为当前扫频起始频率值加上谐振频率速率与指定圈数的乘积值，用于模拟参数弥补部分数据的缺失；参数更新完成后将dds的扫频参数写入dds，返回步骤103中的dds扫频。

所述步骤103、104中dds扫频方式为从起始频率扫频到截止频率，再从截止频率扫频到起始频率，这样周而复始。自动搜索谐振频率中会涉及很多方法包括谐振频率搜索方法，波形匹配方法、临近点数据平滑处理方法、求最大值方法、和自动搜索谐振频率滤波求均值方法。自动搜索完成，数据会有自己的处理流程。

如图11所示，自动搜索中的谐振频率搜索方法，将采样值处理点数计数i＝0，匹配次数计数j＝0。初始化后，进入自动搜索每段指定匹配次数，判断j是否达到自动搜索每段指定匹配次数，如果达到，则结束；如果达不到则峰峰值清零，谐振波形信号起始位置清零，对i与dds扫频采样点数的预设值进行比较，如果i小于dds扫频采样点数的预设值，则有谐振频率8点搜索方法遍历，如图12所示，所述图为8点搜索方法遍历的示意图，通过8点搜索方法遍历获取谐振频率。如果i不小于dds扫频采样点数的预设值，则进入搜索成功的判断中，如果搜索不成功，返回j的判断进行下一轮循环，如果搜索成功，则进入判断峰峰值是否大于峰值约束，如果成立，则计算谐振频率值并存储谐振频率，本段本次匹配的谐振频率次数+1，且j++，返回j的判断进行下一轮循环，如果不成立，直接返回j的判断进行下一轮循环。

波形匹配方法如图13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14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15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。

自动搜索完成数据处理流程如图16所示。首先求得自动搜索完成前本次测频指定次匹配谐振次数的最大值，并根据自动搜索的起始频段序列值和自动搜索频段数，对每个频段存储的谐振频率利用误测信号剔除方法后，获取本频段的谐振次数和将误测信号剔除后的谐振频率平均值，然后通过比较获取谐振最大次数，判断谐振最大次数大于约束值，则进行跟踪测频流程，谐振最大次数小于约束值，则判断研磨机圈数是否大于异常监控参数设置界面内的搜索异常值，若大于搜索异常值，则认为在研磨机运行指定圈数内未搜索到谐振频率，结束自动搜索流程，并在触摸屏主界面上显示搜索异常信息，系统进入待机流程；否则继续自动搜索流程。

如图17所示为自动搜索谐振频率滤波求均值方法流程图，其中先对谐振频率数据进行冒泡排序法进行排序，再通过在异常监控界面设置的参数进行比对，数据组中按顺序排列的每相邻两个数据进行有效点数的测算，其值必须大于所设置的参数起终下限值，即图中的effectivenum这个比较的参数值，舍去小于起终下限值的数据，再对数组中最大和最小值与间距滤波数进行比对，大于滤波数及为有效数据，其比较的参数为图中的filterspace，并对所有有效数据进行取平均值，获得所求自动搜索谐振频率滤波求均值。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。