本发明属于mems加速度计技术领域，涉及加速度计的信号检测与驱动控制系统设计方法，特别是涉及mems硅微谐振加速度计的闭环测量技术。
背景技术：
硅微谐振加速度计具有体积小、功耗低、准数字量输出、精度提升潜力大等优点，具有良好的应用前景，近些年成为国内外惯性领域的研究热点。现有谐振加速度计的频率控制多采用锁相环形式，其中的环路滤波器多基于pi控制，但由于pi参数固定，无法解决带宽与响应速度之间的矛盾，进而限制了加速度计的量程、零偏稳定性、标度因数线性度等指标。
有文献提出模糊pid控制、神经网络pid控制等方法在线调整pi参数，但算法过于复杂，会降低系统的可靠性，并会极大地占用硬件资源。同时，现有谐振加速度计的信号幅值解调模块多采用整流滤波、峰值检测等方式，会占用较多的硬件资源。
本领域技术人员急需一种简单可靠的控制方法，解决锁相环路带宽与响应速度之间的矛盾。
技术实现要素：
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种谐振加速度计的自适应闭环测量系统，根据外界加速度的变化情况自适应地调节谐振加速度计的驱动方式，进而实现了硅微谐振加速度计同时满足大量程、高响应速度的性能要求。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案包括：
提供一种谐振加速度计的自适应闭环测量系统，第一采集模块、第二采集模块和数字测量单元；
第一采集模块采集谐振加速度计第一谐振音叉的振动位移检测信号，并发送给数字测量单元；第二采集模块采集谐振加速度计第二谐振音叉的振动位移检测信号，发送给数字测量单元；
数字测量单元包括第一控制单元和第二控制单元；第一控制单元对第一采集模块发送的信号，进行自适应频率控制和幅值控制后生成驱动信号驱动第一谐振音叉做谐振运动；第二控制单元对第二采集模块发送的信号，进行自适应频率控制和幅值控制后生成驱动信号驱动第二谐振音叉做谐振运动。
优选的，所述第一采集模块包括第一电容电压转换电路(c/v)和第一滤波电路；所述第二采集模块包括第二滤波电路和第二电容电压转换电路(c/v)；第一电容电压转换电路(c/v)连接第一谐振音叉的检测梳齿，检测第一谐振音叉与第一检测梳齿之间电容值的变化，并转换成电压信号输出；第二电容电压转换电路(c/v)连接第二谐振音叉的检测梳齿，检测第二谐振音叉与检测梳齿之间电容值的变化，并转换成电压信号输出。
优选的，第一控制单元包括第一频率控制模块和第一幅值控制模块，所述第一频率控制模块采用自适应锁相环结构进行频率控制；第一幅值控制模块采用交流自动幅值控制方式进行幅值控制；第二控制单元包括第二频率控制模块和第二幅值控制模块，所述第二频率控制模块采用自适应锁相环结构进行频率控制；第二幅值控制模块采用交流自动幅值控制方式进行幅值控制。
优选的，第一频率控制模块包括第一鉴相器、第一自适应环路滤波器和第一数控振荡器；所述第一鉴相器接收第一采集模块发送的信号和第一数控振荡器输出的第一余弦信号，获取二者相位差后作为第一相位差信号输出到自适应环路滤波器；第一自适应环路滤波器包括第一鉴频模块、第一判断模块、第一比例控制模块和第一增量式比例积分控制模块；第一鉴频模块接收第一采集模块发送的信号和第一数控振荡器输出的第一余弦信号，获取二者频差后作为第一频差信号输出到判断模块，第一判断模块还接收第一相位差信号，当第一频差大于等于阈值时，第一判断模块将第一相位差信号发送给第一比例控制模块，由第一比例控制模块输出与第一相位差信号成正比的信号作为第一频率控制字输出；当第一频差小于阈值时，第一判断模块将第一相位差信号发送给第一增量式比例积分控制模块，第一增量式比例积分控制模块对第一相位差信号进行比例积分控制后生成第一控制字输出到第一数控振荡器；第一数控振荡器生成与第一采集模块发送的信号同频的第一余弦信号和第一正弦信号；第一余弦信号输出到第一幅值控制模块同时反馈给给第一鉴相器；第一正弦信号输出到第一幅值控制模块；
第二频率控制模块包括第二鉴相器、第二自适应环路滤波器和第二数控振荡器；所述第二鉴相器接收第二采集模块发送的信号和第二数控振荡器输出的第二余弦信号，获取二者相位差后作为第二相位差信号输出到自适应环路滤波器；第二自适应环路滤波器包括第二鉴频模块、第二判断模块、第二比例控制模块和第二增量式比例积分控制模块；第二鉴频模块接收第二采集模块发送的信号和第二数控振荡器输出的第二余弦信号，获取二者频差后作为第二频差信号输出到第二判断模块，第二判断模块还接收第二相位差信号，当第二频差大于等于阈值时，第二判断模块将第二相位差信号发送给第二比例控制模块，由第二比例控制模块输出与第二相位差信号成正比的信号作为频率控制字输出；当第二频差小于阈值时，第二判断模块将第二相位差信号发送给第二增量式比例积分控制模块，第二增量式比例积分控制模块对第二相位差信号进行比例积分控制后生成控制字输出到第二数控振荡器；第二数控振荡器生成与第二采集模块发送的信号同频的第二余弦信号和第二正弦信号；第二余弦信号输出到第二幅值控制模块同时反馈给给第二鉴相器；第二正弦信号输出到第二幅值控制模块。
优选的，第一增量式比例积分控制模块生成第一控制字u1(k)形式如下：
u1(k)＝u1(k-1)+(kp+ki)·e1(k)-kp·e1(k-1)；
第二增量式比例积分控制模块生成第二控制字u2(k)形式如下：
u2(k)＝u2(k-1)+(kp+ki)·e2(k)-kp·e2(k-1)；
其中kp为比例作用系数，ki为积分作用系数，e1(k)为第一相位差信号，e1(k-1)为上一时刻的第一相位差信号，e2(k)为第二相位差信号，e2(k-1)为上一时刻的第二相位差信号，u1(k-1)为上一时刻的第一控制字，u2(k-1)为上一时刻的第二控制字。
优选的，kp和ki取值使得第一相位差信号e1(k)和第二相位差信号e2(k)趋近于0。
优选的，第一幅值控制模块包括第一乘法器、第一低通滤波器和第一pi控制模块；第一乘法器将第一采集模块发送的信号与第一数控振荡器发送的正弦信号相乘后发送给第一低通滤波器，将第一幅值参考值与第一低通滤波器输出信号作差获得第一幅值差值信号，经第一pi控制模块进行比例积分控制输出第一幅值调节信号，与第一数控振荡器输出的余弦信号相乘后生成第一数字驱动信号；
第二幅值控制模块包括第二乘法器、第二低通滤波器和第二pi控制模块；第二乘法器将第二采集模块发送的信号与第二数控振荡器发送的正弦信号相乘后发送给第二低通滤波器，将第二幅值参考值与第二低通滤波器输出信号作差获得第二幅值差值信号，经第二pi控制模块进行比例积分控制输出第二幅值调节信号，与第二数控振荡器输出的余弦信号相乘后生成第二数字驱动信号。
优选的，还包括d/a转换模块、第一驱动接口和第二驱动接口；
d/a转换模块接收第一数字驱动信号发送给第一驱动接口，第一驱动接口将第一驱动信号转换成驱动电压，并施加在谐振加速度计的第一激励梳齿电极上，驱动第一谐振音叉做谐振运动；
d/a转换模块同时还接收第二数字驱动信号发送给第二驱动接口，第二驱动接口将第二驱动信号转换成驱动电压，并施加在谐振加速度计的第二激励梳齿电极上，驱动第二谐振音叉做谐振运动。
优选的，数字测量单元还包括频率测量输出模块，频率测量输出模块接收第一采集模块和第二采集模块输出的信号，并分别进行频率测量，进行频率相减后输出与轴向加速度成正比的频率差值。
优选的，还包括通信接口模块，将频率差值传输给上位机。
本发明的有益效果：
(1)本发明基于积分分离控制的锁相环具有自适应调节特点，可以根据检测信号和驱动信号的频差自动选择控制方式，使锁相环既可以在外界加速度变化较快时快速跟频，使谐振音叉始终稳定保持谐振状态，进而有助于提高加速度计的量程和标度因数线性度；又可以在外界加速度一定时，采用比例积分控制，消除稳态相差，进而提高加速度计的零偏稳定性；与先进控制算法相比，结构简单，具有简单高效、适应性强的优点。
(2)本发明采用增量式pi控制算法，与传统的pi控制算法相比，由于不需要累加误差值，减小了外界加速度变化过大对锁相环路的影响，可以提高系统的稳定性。
(3)本发明的幅值解调方法，无需设置整流滤波、峰值检测等模块，简化了电路，有效节省了硬件资源；采用交流自动增益控制方式，可以在较大范围内调节驱动信号的幅值。
附图说明
图1为本发明的自适应闭环测量系统所适用的硅微谐振加速度计mems结构示意图；
图2为本发明的硅微谐振加速度计的自适应闭环测量系统总体框图；
图3为本发明的积分分离自适应控制的结构框图；
图4为本发明的增量式pi算法结构框图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例进一步详细说明本发明的内容。
如图1所示，每个硅微谐振加速度计包括位于中部的检测质量，检测质量的两侧对称设置杠杆结构，杠杆结构的外侧连接音叉，以及检测梳齿和激励梳齿。当检测质量在外界轴向加速度的作用下产生轴向惯性力，经杠杆结构将作用力放大后传递到音叉。音叉分别固定在mems结构的两个对称的锚点处，以固有频率振动，受惯性力作用，音叉振动的固有频率产生变化。该轴向惯性力在双端固定音叉轴向上产生推拉负载，一个谐振音叉受轴向拉力而谐振频率增加，另一个谐振音叉受轴向压力而谐振频率下降，两谐振音叉的频率之差正比于外界输入加速度的大小。因此，外界输入加速度信息被转换成频率信号输出。每个音叉上下两端分别对称设置检测梳齿和激励梳齿。硅微谐振加速度计mems结构中两个对称的谐振音叉在激励梳齿输出的静电驱动力的作用下做谐振运动，谐振音叉与对应的检测梳齿分别构成了两个可变电容。根据梳齿电容计算公式，谐振音叉振动位移信号可转换成同频同相位的电容检测信号输出。
谐振音叉工作在谐振状态时，音叉振动位移信号(检测信号)相对于驱动电压信号具有90°的相位滞后。一个谐振音叉对应一个闭环控制回路，硅微谐振加速度计的驱动控制系统是一个自激振荡系统，需满足以下相位条件和幅值条件：
a(jω)为闭环控制回路的开环增益，h(jω)为闭环控制回路的反馈增益，ω为闭环控制回路的角频率。
硅微谐振加速度计的自适应闭环测量系统，包括第一电容电压转换电路(c/v)、第一滤波电路、第二电容电压转换电路(c/v)、第二滤波电路a/d转换模块、fpga数字测量单元、d/a转换模块、第一驱动接口、第二驱动接口。
第一电容电压转换电路(c/v)连接第一音叉的检测梳齿，检测第一谐振音叉与第一检测梳齿之间电容值的变化，并转换成电压信号输出，经第一滤波电路滤除模拟电压信号噪声后发送到a/d转换模块。类似的第二电容电压转换电路(c/v)连接第二音叉的检测梳齿，检测第二谐振音叉与检测梳齿之间电容值的变化，并转换成电压信号输出，经第二滤波电路滤除模拟电压信号噪声后发送到a/d转换模块。所述a/d转换模块分别接收第一和第二滤波电路输出的模拟电压信号，将模拟电压信号分别转换成第一路数字检测信号和第二路数字检测信号，并将两路数字检测信号分别输入至fpga测量单元。
所述fpga测量单元与a/d转换模块相连，包括两路控制单元、频率测量输出模块以及通信接口模块。
频率测量输出模块用于测量mems结构中两路谐振音叉的谐振频率，进行频率相减后输出频率差值，频率差值正比于外界输入轴向加速度信息。所述通信接口模块与fpga测量单元相连，将fpga输出的加速度信息传输给上位机。
第一控制单元和第二控制单元结构相同，分别完成第一谐振音叉和第二谐振音叉的驱动控制。第一控制单元包括第一频率控制模块和第一幅值控制模块，通过对输入的检测信号进行频率控制和幅值控制，实现对mems结构闭环驱动控制。
所述第一频率控制模块采用自适应锁相环结构形式，由鉴相器、自适应环路滤波器和数控振荡器三部分组成，是实现相位跟踪的闭环控制系统。所述鉴相器接收第一路数字检测信号和第一数控振荡器输出的第一余弦信号，获取二者相位差后将相位差信号输出到自适应环路滤波器。自适应环路滤波器包括鉴频模块、判断模块、比例控制模块和比例积分控制模块。鉴频模块接收第一路数字检测信号和第一数控振荡器输出的第一余弦信号，获取二者频差后输出到判断模块，判断模块还接收相位差信号，当频差大于等于阈值时，采用纯比例(p)控制，判断模块将相位差信号发送给比例控制模块，由比例控制模块输出与相位差成正比的信号作为频率控制字u(k)输出；当频差小于阈值时，采用增量式比例积分(pi)控制，判断模块将相位差信号发送给比例积分控制模块。
结合图4比例积分控制模块接收相位差信号e(k)分为两路，一路进行处理后获得(kp+ki)·e(k)信号，其中kp为设定的比例作用系数，基于现有的pid参数整定方法确定；ki为设定的积分作用系数，基于现有的pid参数整定方法确定；另一路经过寄存器后获得上一时刻的相位差信号e(k-1)，进行处理后获得kp*e(k-1)。将输出的频率控制字u(k)经过寄存器后获得上一时刻的频率控制字u(k-1)，将三路信号进行叠加后作为频率控制字u(k)输出。
pi控制采用增量式算法，控制量的增量δu(k)仅最近两次的相位误差量e(k)、e(k-1)有关，
δu(k)＝u(k)-u(k-1)＝kp[e(k)-e(k-1)]+ki·e(k-1)(2)
则u(k)可表示为：
u(k)＝u(k-1)+(kp+ki)·e(k)-kp·e(k-1)(3)
通过调整kp和ki使得锁相环系统达到期望的响应速度和带宽指标，使得相位差信号e(k)趋近于0，由此确定kp和ki的值。
第一数控振荡器接收频率控制字u(k)，产生与第一路数字检测信号同频的余弦信号和正弦信号，余弦信号输出到第一幅值控制模块同时反馈给给第一鉴相器；正弦信号输出到第一幅值控制模块。具体地，数控振荡器采用cordic迭代算法实现。
第一幅值控制模块包括第一乘法器、第一低通滤波器和第一pi控制模块；第一乘法器接收第一路数字检测信号与第一数控振荡器发送的正弦信号相乘后发送给第一低通滤波器，经低通滤波器滤除高频分量，即得到第一路数字检测信号的幅值信息，无需增设专门的峰值检测或整流滤波模块；采用交流自动增益控制方式，即幅值参考值与第一路数字检测信号的幅值信息作差，进行pi控制降低差值保持信号幅值稳定，与数控振荡器输出的余弦信号相乘，得到mems结构的数字驱动信号发送给d/a转换模块，以达到在较大范围内调节驱动信号幅值的作用。
所述d/a转换模块，用于将fpga测量单元的两路控制单元输出的数字驱动信号转换成模拟驱动信号。第一控制单元输出的控制信号经d/a转换模块发送给第一驱动接口，将驱动信号转换成驱动电压，并施加在第一激励梳齿电极上，驱动第一谐振音叉做谐振运动。类似的，第二控制单元输出的控制信号经d/a转换模块发送给第二驱动接口，将驱动信号转换成驱动电压，并施加在第二激励梳齿电极上，驱动第二谐振音叉做谐振运动。对谐振音叉产生驱动力，完成对mems谐振音叉的闭环驱动。
第一和第二电容电压转换电路(c/v)，可采用电荷放大电路形式进行转换。其中，运放芯片可采用lmc6035运算放大器。
第一和第二滤波电路，用于滤除模拟电压信号噪声。具体地，可采用无源rc低通滤波电路，以滤除电路中的高频信号干扰。
a/d转换模块，可采用adi公司的ad9218双路10bit单芯片采样模数转换器。
fpga测量单元包括两路控制单元以及频率测量输出模块。控制单元包括频率控制模块和幅值控制模块，通过对输入的检测信号进行频率控制和幅值控制，实现对mems结构闭环驱动控制。频率测量输出模块用于测量mems结构中两路谐振音叉的谐振频率，进行频率相减后输出加速度信息，通过rs-232与上位机相连。
通信接口模块将fpga输出的加速度信息传输给上位机。具体地，可采用maxim公司的max3232。
鉴相器可采用乘法器与fir低通滤波器级联的结构形式。
乘法器和低通滤波环节的可分别通过quartusii软件中乘法器ip核和fir滤波器ip核实现。
具体地，fpga芯片可采用intel公司的cycloneiiiep3c40f系列。
d/a转换模块用于将fpga测量单元输出的数字驱动信号转换成模拟驱动信号。具体地，可采用adi公司的adv7123单芯片10bit三路高速数模转换器。
本发明的硅微谐振加速度计的自适应闭环测量系统的自适应性好，相应速度快，能够广泛应用于谐振式加速度计。