石英晶片研磨在线测频的自动搜索方法与流程

本发明涉及石英晶片领域，更具体的说，它涉及用于石英晶片研磨在线测频的自动搜索方法。

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”、“发生测频异常后无法恢复正常测频功能”、“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，提供了石英晶片研磨在线测频的自动搜索方法，在刚开始研磨石英晶片时，不知道当前谐振频率的时候，搜索到当前石英晶片的谐振频率，并以此作为基准开始跟踪测频。

本发明的技术方案如下：

石英晶片研磨在线测频的自动搜索方法，包括如下步骤：自动搜索数据初始化步骤、自动搜索测频参数设置步骤、自动搜索扫频参数设置步骤、自动搜索谐振频率步骤、自动搜索频率切换参数设置步骤、自动搜索完成数据处理步骤；

101)自动搜索数据初始化步骤：将自动搜索频段数进行置位，自动搜索状态标志位、自动搜索测频结果标志位和自动搜索频段切换标志位初始化，其他参数进行清零；

102)自动搜索测频参数设置步骤：在步骤101)后，对参数进行用户定义设置，设置石英晶片研磨目标频率、DDS扫频的起始频率和截止频率以及DDS扫频速率和扫频步进、DDS扫频序列位置，通过基于谐振频率的处理方法获取石英晶片测频工作原理依赖的扫频幅度和搜索宽度两个数据；

103)自动搜索扫频参数设置步骤：在步骤102)后，将DDS扫频的起始频率、截止频率、扫频步进、扫频速率、扫频幅度写入DDS，DDS开始扫频进行定时AD采样；

104)自动搜索频率切换参数设置步骤：在步骤103)后，判断自动搜索频率切换时间满足而自动搜索起始频率不满足，则对步骤103)涉及的参数进行更新，返回步骤103)开始下一轮DDS扫频；

105)自动搜索谐振频率步骤：在步骤103)后，判断自动搜索频率切换时间不满足，进入自动搜索谐振频率，则DDS开始扫频，MCU定时器按照DDS扫频速率的值进行定时AD采样；只要未按下紧急暂停按钮，且AD采样数据个数达到MCU设定值的时候，则进入步骤104)；若按下紧急暂停按钮则退出自动搜索，进入待机状态；所述AD采样的数据处理，用16个搜索宽度依次进行谐振频率搜索匹配，每次谐振频率匹配根据8点搜索方法遍历所有AD采样数据获取谐振频率峰高，根据谐振频率峰高判断搜索结果，并保存搜索成功次数最多的一次谐振频率

106)自动搜索完成数据处理步骤：在步骤103)后，判断自动搜索频率切换时间和自动搜索起始频率，如果都满足要求，则根据自动搜索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次数最多的频段，并根据本频段的谐振次数判断是否索搜成功，成功后进入跟踪测频流程，不成功则回到步骤103)。

进一步的，所述步骤101)中其他参数进行清零包括自动搜索谐振频率清零，自动搜索每段谐振次数存储数组清零，自动搜索每段获取的谐振频率存储数组清零，自动搜索每段指定次搜索宽度匹配获取谐振频率次数存储数组清零，自动搜索每段指定次搜索宽度匹配获取谐振频率存储数组清零，自动搜索测频扫频频段切换计时清零，自动搜索圈数清零，DDS边沿跳变标志位清零，谐振频率采样DDS上升沿和下降沿的步进数清零，DDS扫频采样完成标志位清零，DDS扫频采样数据处理标志位清零。

进一步的，所述步骤102)中频率的处理方法为，对DDS扫频的起始频率和截止频率范围内的频率值进行16等分得到16个频率值，将这16个值代入如下搜索宽度计算方法A1，

s＝af²+bf+c (A1)

式中s为搜索宽度，f是石英晶片当前的谐振频率值，a，b，c的值通过全频段测试后拟合得到，通过式子A1分别算出当前频段下计算谐振频率的搜索宽度；将DDS扫频的中心频率值代入扫频幅度计算方法算出当前频段DDS扫频的扫频幅度，所述DDS扫频的中心频率为DDS扫频的起始频率和截止频率之间的中点的频率，所述扫频幅度计算方法为A2，

r＝ae^-f/b+c (A2)

式中r为扫频幅度，f是石英晶片当前的谐振频率值，a，b，c的值通过全频段测试后拟合得到，e为自然常量。

进一步的，所述步骤103)中AD采样值为DDS扫频信号经过了功率放大电路模块、π网络模块、运放电路模块、峰值检测电路模块、滤波电路模块后的谐振信号，其中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，所述步骤104)中谐振频率峰高大于峰值约束为搜索成功，对谐振频率峰高数据进行平滑处理和求最大值方法获取谐振频率，将谐振频率存入当前频段本次匹配谐振频率存储数组，当前频段本次匹配谐振频率次数也进行加1操作。

进一步的，所述步骤106)中所述自动搜索成功为，判断本频段的谐振次数大于控制策略界面内设置的谐振点数下限值。

进一步的，所述判断本频段的谐振次数小于控制策略界面内设置的谐振点数下限值时，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。

本发明相比现有技术优点在于：创新地提出一种石英晶片研磨在线测频的自动搜索方法，本发明提出的在线测频过程中能够有效地在发生异常状况时作出处理。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，且谐振频率搜索稳定、操作简单、测量精度高。根据本发明提出的方法设计具有抗干扰性强、搜索稳定、操作简单、测量精度高、测频信息完整的石英晶片研磨在线测频系统是当前国内各大石英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。

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。

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。

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。

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，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，根据如果存在测频异常，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，在惯性导航流程结束后返回到跟踪测频流程。如果不存在异常，则一直在跟踪测频流程进行监视。

石英晶片研磨在线测频的自动搜索方法，如图10所示，包括如下步骤：自动搜索数据初始化步骤、自动搜索测频参数设置步骤、自动搜索扫频参数设置步骤、自动搜索谐振频率步骤、自动搜索频率切换参数设置步骤、自动搜索完成数据处理步骤。

具体包括如下步骤：

101)自动搜索数据初始化步骤：将自动搜索频段数进行置位，一般设置为1，自动搜索状态标志位、自动搜索测频结果标志位和自动搜索频段切换标志位初始化，其他参数进行清零；所述其他参数进行清零包括自动搜索谐振频率清零，自动搜索每段谐振次数存储数组清零，自动搜索每段获取的谐振频率存储数组清零，自动搜索每段指定次搜索宽度匹配获取谐振频率次数存储数组清零，自动搜索每段指定次搜索宽度匹配获取谐振频率存储数组清零，自动搜索测频扫频频段切换计时清零，自动搜索圈数清零，DDS(直接数字频率合成器)边沿跳变标志位清零，谐振频率采样DDS上升沿和下降沿的步进数清零，DDS扫频采样完成标志位清零，DDS扫频采样数据处理标志位清零。

102)自动搜索测频参数设置步骤：在步骤101)后，首先根据用户设置的石英晶片研磨目标频率判断目标频率所处的频段范围，分别设置DDS扫频的起始频率和截止频率以及DDS扫频速率和扫频步进，DDS扫频序列位置设置为DDS扫频开始所在序列位置，根据DDS扫频的起始频率设置自动搜索峰值约束条件，并根据各个频率点谐振频率的峰峰值将8MHz作为高低频的区分频率，如果DDS扫频起始频率高于8MHz则设置自动搜索峰值约束条件为高频峰值约束值，否则设置为低频峰值约束值。对DDS扫频的起始频率和截止频率范围内的频率值进行16等分得到16个频率值，将这16个值代入搜索宽度计算方法，分别算出当前频段下计算谐振频率的搜索宽度，将DDS扫频的中心频率值代入扫频幅度计算方法算出当前频段DDS扫频的扫频幅度。所述DDS扫频的中心频率为DDS扫频的起始频率和截止频率之间的中点的频率。石英晶片测频工作原理依赖于“扫频幅度”和“搜索宽度”两个参数，由于这两个参数均跟晶片频率有关，因此表现以频率的函数方式，其中搜索宽度计算方法是一个以谐振频率为参数，具体如下公式：

s＝af²+bf+c (A1)

式中s为搜索宽度，f是石英晶片当前的谐振频率值，a，b，c的值通过全频段测试后拟合得到。

扫频幅度计算方法是一个以谐振频率为参数，具体如下公式：

r＝ae^-f/b+c (A2)

式中r为扫频幅度，f是石英晶片当前的谐振频率值，a，b，c的值通过全频段测试后拟合得到，e为自然常量。

所述全频段测试后拟合得到为，通过在“主界面”中点击“管理员设置界面”，再点击“静态测试”进入“静态测试界面”，通过静态测试分别采集扫频幅度和搜索宽度的上限值和下限值。其中要确保研磨机上的测频探头下有晶片，可以实时测频，再特定软件，如OriginPro 7.0软件，进行函数拟合获取出a，b，c常量。

103)自动搜索扫频参数设置步骤：在步骤102)后，将DDS扫频的起始频率、截止频率、扫频步进、扫频速率、扫频幅度写入DDS，DDS开始扫频进行定时AD采样。DDS开始扫频后，MCU定时器按照DDS扫频速率的值进行定时AD采样，其中AD采样值为DDS扫频信号经过了功率放大电路模块、π网络模块、运放电路模块、峰值检测电路模块、滤波电路模块后的谐振信号，其中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。

104)自动搜索频率切换参数设置步骤：在步骤103)后，判断自动搜索频率切换时间满足而自动搜索起始频率不满足，则对步骤103)涉及的参数进行更新，返回步骤103)开始下一轮DDS扫频。其中在DDS扫频会进行AD采样数据处理，用16个搜索宽度依次进行谐振频率搜索匹配，每次谐振频率匹配根据8点搜索方法遍历所有AD采样数据获取谐振频率峰高，若峰高大于峰值约束，则搜索成功，通过数据平滑处理方法和求最大值方法获取谐振频率，将谐振频率存入当前频段本次匹配谐振频率存储数组，当前频段本次匹配谐振频率次数也进行加1操作。当16次谐振频率搜索匹配完成后，求出其中谐振频率搜索成功次数最多的一次并保存谐振频率。返回到步骤103)，更新自动搜索扫频参数。

105)自动搜索谐振频率，在步骤103)后，判断自动搜索频率切换时间不满足，进入自动搜索谐振频率，则DDS开始扫频，MCU定时器按照DDS扫频速率的值进行定时AD采样；只要未按下紧急暂停按钮，且AD采样数据个数达到MCU设定值的时候，则进入步骤104)；若按下紧急暂停按钮则退出自动搜索，进入待机状态。如图11所示，具体的自动搜索谐振频率中的搜索方法将，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，如果达不到，则结束；如果达到则峰峰值清零，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点搜索算法遍历。否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。

106)自动搜索完成数据处理如图16所示：在步骤103)后，判断自动搜索频率切换时间和自动搜索起始频率，如果都满足要求，则根据自动搜索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次数最多的频段，并根据本频段的谐振次数判断是否索搜成功，成功后进入跟踪测频流程，不成功则回到步骤103)。所述自动搜索起始频段序列值为AD采样的数据处理中用16个搜索宽度，即16个搜索宽度进行序列编号的值。所述自动搜索成功为，判断本频段的谐振次数大于控制策略界面内设置的谐振点数下限值。并将跟踪测频流程中的研磨起始频率设置为自动搜索谐振频率平均值后进入跟踪测频流程。所述判断本频段的谐振次数小于控制策略界面内设置的谐振点数下限值时，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。

波形匹配方法如图12、13所示。根据谐振波形的波形特征结合8点搜索算法，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。

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。