一种基于数字信号处理器平台的微分测频方法及系统与流程

本发明涉及数字信号处理与硬件编程领域，特别涉及一种对信号微分测频的算法在数字信号处理器平台上的实现。

背景技术：
随着我国生产和科学技术事业的发展，许多电参量的测量方案、测量结果都与频率有着非常密切的关系，因此频率的测量也尤为重要。近年来，以频率作为输出信号的MEMS谐振式惯性器件的精度都在不断提高，因此相匹配的高精度低噪声的频率测量技术也成为了各国专家研究对象。目前国内外主要的频率测量电路的基本原理有三种：(1)通过对被测信号进行傅里叶变换测量周期信号的频率，这种方法具有良好的抗噪性，但在傅里叶变换过程中要进行时域的截断，这会造成频谱的泄露，导致测量结果的失真，精准度较差。(2)在标准的闸门时间内对被测频率信号的周期个数进行计数而得出被测频率值，这种方法测量方便、读数直接，但是计数所导致的量化误差，限制测频精度的提高；尽管有改进的多周期同步法和延迟链法对量化误差进行限制，但是多周期同步法是以牺牲系统带宽为代价，而延迟链法对延迟单元的精度要求极高，实现难度较大，而且存在延迟链长度分布不均以及延迟抖动等问题，使其实际精度远低于理论值。(3)基于锁相环的测频电路，利用压控振荡器(VCO)控制信号与频率成正比的特性实现频率识别；锁相环测频法优点在于灵敏度与精度高，但是锁相环是一个闭环系统，如果频率信号变化过大过快，会出现失锁现象，锁相环测频不具有良好的稳定性。2013年，南京理工大学的夏国明提出了一种sigma-deltaPLL频率测量电路及方法(夏国明，裘安萍，施芹，石然，苏岩，丁衡高。sigma-deltaPLL频率测量电路及方法。公开号:CN103487648A)，该方法分辨率高、易于实现，在数字部分抗干扰性好，但是，模拟部分信号会受到外界的干扰，降低精度，且sigma-delta不具有较高的稳定性。综上所述，目前普遍使用的频率测量方法无法满足精度与稳定性的双方面要求，且无法消除信号中包含的倍频项，难以适应新MEMS谐振式惯性器件的高精度频率读取的要求。

技术实现要素：
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种稳定性好、抗噪能力强、精度高、灵敏度高、易于实现的一种基于数字信号处理器平台利用微分算法的可消除倍频项影响的高精度MEMS谐振式惯性器件频率测量方法及系统。一种基于数字信号处理器平台的微分测频方法，包括以下步骤：步骤1，提供微分测频系统，包括带通滤波器、裂相器、第一微分器模块、第二微分器模块、第一延迟模块、第二延迟模块、第三延迟模块、第四延迟模块、交叉相乘法或绝对值法推导频率算法模块、低通滤波器；步骤2，带通滤波器对MEMS惯性器件的谐振信号进行滤波，得到信号Asin(ωt)；步骤3，裂相器将滤波后的信号分成两路信号，一路信号进行希尔伯特变换，一路信号进行低通滤波；步骤4，第一微分器模块与第二微分器模块将步骤2中的两路信号分别进行一次微分和两次微分；步骤5，第一延迟模块、第二延迟模块、第三延迟模块、第四延迟模块分别延迟步骤3中的两路信号和步骤4中第一次微分后的两路信号；步骤6，交叉相乘法或绝对法值推导频率算法模块利用交叉相乘法或绝对值法得到信号的频率值的平方；步骤7，低通滤波器对频率值的平方进行滤波后输出，并将输出信号反馈于带通滤波器。一种基于数字信号处理器平台的微分测频系统，包括带通滤波器、裂相器、第一低通滤波器、希尔伯特变换器、第一微分器模块、第二微分器模块、第一延迟模块、第二延迟模块、第三延迟模块、第四延迟模块、交叉相乘法或绝对值法推导频率算法模块、第二低通滤波器；所述带通滤波器以反馈回来的输出信号为控制量，选择不同的参数，调节带通滤波器的带宽，滤除输入信号中的高倍频项；裂相器包括第一低通滤波器和希尔伯特变换器，带通滤波器输出的信号分成两路信号分别给第一低通滤波器和希尔伯特变换器进行低通滤波和希尔伯特变换，输出两路正交的正弦信号；第一微分器模块与第二微分器模块将低通滤波器、希尔伯特变换输出的两路信号分别进行一次微分和二次微分；第一延迟模块、第二延迟模块、第三延迟模块、第四延迟模块将低通滤波后的信号、希尔伯特变换后的信号、两个正交的正弦信号、两路一次微分后信号延迟，消除两个正交的正弦信号、两路一次微分后信号和两路二次微分后信号之间的延迟和超前的时序关系；交叉相乘法或绝对值法推导频率算法模块，将消除延迟和超前的时序关系后的信号通过平方或绝对值推导算法，计算得出频率的平方后输出；第二低通滤波器，对交叉相乘法或绝对值法推导频率算法模块输出的信号进行低通滤波后输出和反馈给带通滤波器。与现有技术相比，本发明的显著优点为：(1)系统为开环，因此稳定性很好；(2)全系统都在数字信号处理器内实现，没有模拟电路，不易受干扰，抗噪能力强；(3)设置了可调参数的带通滤波器，带宽能随着测量频率的变化而变化，解决了输入信号包含高倍频项使频率测量精度降低的问题，同时也降低到了噪声干扰，提高了测频的精度以及灵敏度；(4)系统协调应用了裂相器，微分器以及交叉相乘法或绝对法值推导频率算法，消除由于希尔伯特变换器与低通滤波器造成的信号随频率变化而产的生幅值波动，同时也避免了极小数除极小数造成的大误差。在很大程度上提高了系统的精度与灵敏度。(5)系统结构简单易于实现。下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。附图说明图1为本发明的系统框图；图2为本发明的方法流程图；图3是本发明的交叉相乘法或绝对值法推导频率算法模块的交叉相乘法结构示意图；图4是本发明的交叉相乘法或绝对值法推导频率算法模块绝对值相加法结构示意图；图5是本发明的交叉相乘法或绝对值法推导频率算法模块的绝对值比较法结构示意图；图6是本发明的FIR滤波器的波纹现象。具体实施方式结合图2，一种基于数字信号处理器平台的微分测频方法，包括以下步骤：步骤1，提供上述微分测频系统，包括带通滤波器100、裂相器200、第一微分器模块300A、第二微分器模块300B、第一延迟模块410A、第二延迟模块410B、第三延迟模块420A、第四延迟模块420B、交叉相乘法或绝对值法推导频率算法模块400、低通滤波器500；步骤2，MEMS惯性器件的谐振信号输入到参数可调带通滤波器100的输入端口，参数可调带通滤波器100根据控制端接收到的来自输出端的反馈，首先利用算法对反馈回来的值进行判断，看系统是否处于以下三种情况：(1)系统处于刚开机的初始状态，输出端没有数据输出；(2)惯性器件损坏输出异常；(3)惯性器件的工作环境超出设计指标。若为以上任意一种情况，对信号进行在设计的测量范围以内的全通滤波。否则根据控制端接收到的信号调整FIR滤波器参数，降低带通滤波器的通带宽度，使通带宽度上限小于反馈回来的频率的1.5倍且大于反馈回来的频率的1.3倍，下限小于反馈回来的信号的0.8倍且大于反馈回来信号的0.6倍，若超过默认的全通滤波器的范围，上限或下限以全通滤波器的范围为标准，从而抑制频带外的噪声对振荡信号相位噪声的影响。用设计好的滤波器对信号进行滤波后，将信号Asin(ωt)输出。步骤3，信号Asin(ωt)输入进裂相器200，裂相器200由希尔伯特变换器210与低通滤波器220构成，信号分成两路：一路进行希尔伯特变换，输出C＝-b×Acos(ωt)；一路进行低通滤波，输出S＝a×Asin(ωt)。S与C信号中的参数a与b是关于ω的函数，其值会随着ω的变化而在数值1周围产生小幅的波动，最大幅度小于10％，这是由于FIR滤波器的波纹现象造成的，如图6所示，如果不加处理它会影响测频精度，后面的步骤中会通过算法将其影响消除。步骤4，将信号S与C分别输入到第一微分器模块300A与第二微分器模块300B，经第一次微分后输出信号与经两次微分后输出信号与微分器是由根据前后数据用数学算法推导得出当前的数据点的导数值，输出数据会存在滞后现象。步骤5，第一延迟模块410A、第二延迟模块410B、第三延迟模块420A、第四延迟模块420B分别延迟步骤3中的两路信号和步骤4中第一次微分后的两路信号。第一延迟模块(410A)延迟信号S，第二延迟模块(410B)延迟信号C，第三延迟模块(420A)延迟信号第四延迟模块(420B)延迟信号步骤6，在步骤5中，利用第一延迟模块410A、第二延迟模块410B将信号S、C、之间的延迟和超前的时序关系消除后，保证信号的同步关系，利用绝对值比较法公式计算推导得到信号的频率值的平方ω2，其公式为(其中使用了第一全波整流模块420A、第二全波整流模块420B、第三全波整流模块420C、第四全波整流模块420D，数值比较模块430，除法器440)：③步骤7，将除法器的输出信号ω2输入到低通滤波器500。低通滤波器500是根据加速度计的输入环境与要求而设计，用于降低数字信号处理器与外部干扰而造成的高频噪声，由于输出信号ω2是与惯性器件的敏感量成正比，低通截止频率可以根据惯性器件的带宽来设置，抑制高频信号的干扰。作为本发明的一种改进，在步骤5中，利用第一延迟模块410A、第二延迟模块410B将信号S、C、之间的延...