阅读说明：本技术 一种基于数字信号处理的铁路信号在线测试记录仪及方法 (Railway signal online test recorder and method based on digital signal processing ) 是由 杨燕红 于 2020-08-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及铁路信号处理技术领域,具体是一种基于数字信号处理的铁路信号在线测试记录仪及方法,包括：壳体；测试链路,其包括均用于采集和转换测试信号的第一信道和第二信道,依次连接的电流钳、程控放大器和模数转换器组成第一信道,依次连接的程控放大器和模数转换器组成第二信道；处理模块,所述处理模块分别连接第一信道和第二信道的模数转换器,用于接收、处理第一信道和第二信道输送的测试信号,并输出测试结果；以及所述壳体上设有的输入模块、显示模块和电源管理模块,所述电源管理模块提供电能。本发明的有益效果是：通过将模拟信号转换为数字信号进行处理,稳定性高,实现了多参数的在线测试记录和显示。(The invention relates to the technical field of railway signal processing, in particular to a railway signal on-line test recorder based on digital signal processing and a method thereof, wherein the railway signal on-line test recorder comprises the following steps: a housing; the test link comprises a first channel and a second channel which are used for acquiring and converting test signals, wherein the first channel consists of a current clamp, a program control amplifier and an analog-to-digital converter which are connected in sequence, and the second channel consists of the program control amplifier and the analog-to-digital converter which are connected in sequence; the processing module is respectively connected with the analog-to-digital converters of the first channel and the second channel, and is used for receiving and processing the test signals transmitted by the first channel and the second channel and outputting test results; and the input module, the display module and the power management module are arranged on the shell, and the power management module provides electric energy. The invention has the beneficial effects that: the analog signals are converted into digital signals for processing, so that the stability is high, and the online test recording and display of multiple parameters are realized.)

一种基于数字信号处理的铁路信号在线测试记录仪及方法

技术领域

本发明涉及铁路信号处理技术领域，具体是一种基于数字信号处理的铁路信号在线测试记录仪及方法。

背景技术

铁路信号系统是保证铁路高效安全运行的重要基础设备，随着铁路不断提速、车辆频次的不断增加，对信号系统的维护要求越来越高。通过专用仪表对铁路信号的各项参数进行精确测量和分析，可以***可能会出现的故障，指导及时维修处理，避免故障发生影响铁路正常运行；同时在故障或异常出现时也可以在复杂信号环境中提取有效信息，快速准确定位故障。

现有铁路信号测试仪表多采用复杂的模拟信号处理硬件电路配合简单的处理算法完成数据处理，一般采用单参数处理方式，一次只能计算和显示一个参数。模拟信号处理硬件电路复杂，稳定性差，功耗大，无法实现多参数同步显示。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于数字信号处理的铁路信号在线测试记录仪及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于数字信号处理的铁路信号在线测试记录仪，包括：壳体；测试链路，其包括均用于采集和转换测试信号的第一信道和第二信道，依次连接的电流钳、程控放大器和模数转换器组成第一信道，依次连接的程控放大器和模数转换器组成第二信道；处理模块，所述处理模块分别连接第一信道和第二信道的模数转换器，用于接收、处理第一信道和第二信道输送的测试信号，并输出测试结果；以及所述壳体上设有的输入模块、显示模块和电源管理模块，所述输入模块与处理模块连接，用于写入参数至处理模块，所述显示模块用于显示测试结果，所述电源管理模块提供电能。

作为本发明进一步的方案：所述测试链路还包括转换器、程控放大器和模数转换器依次连接组成的第三信道。

作为本发明再进一步的方案：所述处理模块分别与第一信道和第二信道的模数转换器连接，用于同步各模数转换器的转换时间。

作为本发明再进一步的方案：所述处理模块还连接程控放大器，用于控制程控放大器的工作。

作为本发明再进一步的方案：所述测试链路中接入有保护电路，用于保护测试链路的各部件。

作为本发明再进一步的方案：所述输入模块包括键盘控制器和键盘，所述键盘设置在所述壳体上，所述键盘通过键盘控制器连接处理模块。

作为本发明再进一步的方案：还包括环境数据采集模块，所述环境数据采集模块与所述处理模块连接。

作为本发明再进一步的方案：所述电源管理模块上设有用于充电的无线充电单元。

作为本发明再进一步的方案：所述处理模块连接有通讯单元和/或扩展单元，所述处理模块通过通讯单元和扩展单元与外部交换数据。

本发明提供的另一个方案：一种基于数字信号处理的铁路信号在线测试方法，其特征在于，采用如上任一所述的基于数字信号处理的铁路信号在线测试记录仪，包括以下步骤：

处理模块接收、存储所述测试链路传输的经转换后的两路测试信号；

处理模块根据存储的测试信号幅值确定每路信道增益，设置程控放大器的控制量程，并判断测试信号的状态；

处理模块对存储的测试信号进行时域信号至频域信号的变换；

对频域信号进行处理得出相关参数，并输出为测试结果。

作为本发明进一步的方案：所述相关参数至少包括电压、电流、频率、相位差、失真度、移频参数、高压脉冲参数、阻抗、电容值、电容ESR（Equivalent Series Resistance，等效串联电阻）参数、信号能量频谱曲线、波形曲线。

作为本发明进一步的方案：复阻抗变换为电容值和电容ESR，实现补偿电容的缺陷或故障的排查、电容失效的预测。

作为本发明进一步的方案：所述处理模块还用于对叠加的多种信号进行测试；电压电流的频域序列变换为测试信号的能量频谱曲线，实现测试信号中干扰信号的排查。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过将模拟信号转换为数字信号进行处理，稳定性高，实现了多参数的在线测试记录和显示。

附图说明

图1为基于数字信号处理的铁路信号在线测试记录仪的原理示意图。

附图中：1-微处理器（MCU）、2-第一模数转换器、3-第一程控放大器、4-第一保护电路、5-第二保护电路、6-第二程控放大器、7-第二模数转换器。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本实施例公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

请参阅图1，本发明实施例中，一种基于数字信号处理的铁路信号在线测试记录仪，包括：壳体；测试链路，其包括均用于采集和转换测试信号的第一信道和第二信道，依次连接的电流钳、程控放大器和模数转换器组成第一信道，依次连接的程控放大器和模数转换器组成第二信道；处理模块，所述处理模块分别连接第一信道和第二信道的模数转换器，用于接收、处理第一信道和第二信道输送的测试信号，并输出测试结果；以及所述壳体上设有的输入模块、显示模块和电源管理模块，所述输入模块与处理模块连接，用于写入参数至处理模块，所述显示模块用于显示测试结果，所述电源管理模块提供电能。

具体的，第一信道内的程控放大器和模数转换器分别为第一程控放大器3和第一模数转换器2；第二信道内的程控放大器和模数转换器分别为第二程控放大器6和第二模数转换器7。所述处理模块包括微处理器1和FLASH存储器（Flash Memory，属于内存器件的一种）。FLASH存储器用于截屏图像及记录数据的存储。所述显示模块包括液晶显示屏。所述输入模块包括键盘控制器和键盘，所述键盘为矩阵键盘，所述矩阵键盘设置在所述壳体上，所述矩阵键盘通过键盘控制器连接处理模块。通过矩阵键盘进行功能选择和参数输入。

对电流和电压等测试信号进行测试时，第一信道，电流信号经电流钳流入第一程控放大器3，所述第一程控放大器3对输入的电流信号进行增益或放大，在输入第一模数转换器2，所述第一模数转换器2将第一程控放大器3输入的电流信号转换为数字信号一，之后输送给微处理器。第二信道，电压信号I输入第二程控放大器6，所述第二程控放大器6对输入的电压信号I进行增益或放大，在输入第二模数转换器7，所述第二模数转换器7将第二程控放大器6输入的电压信号I转换为数字信号二，之后输送给微处理器1；微处理器1分别对数字信号一和数字信号二进行处理，得到测试结果，再将测试结果输出给显示模块进行显示，液晶显示屏进行多参数显示。通过测试链路将模拟信号转换为数字信号输送给处理模块进行处理，简化了对模拟信号的输送流程，稳定性高；且微处理器1可以单独或同步对多个测试信号进行处理，并输出给显示模块的液晶显示屏进行多参数显示，显示色彩和显示效果优于单色显示屏；显示的测试结果可对比、可视化，测试结果包括电压、电流、频率、相位差、失真度、移频参数、高压脉冲参数、阻抗、电容值、电容ESR参数、信号能量频谱曲线、波形曲线等。

请参阅图1，本发明的一个优选实施例中，所述测试链路还包括转换器、程控放大器和模数转换器依次连接组成的第三信道。

具体的，所述程控放大器和模数转换器分别为第一程控放大器3和第一模数转换器2。当测试信号为电压信号I和电压信号II，第二信道和第三信道用于采集转换电压信号I和电压信号II；通过转换器对电压信号II进行转换再输送第一程控放大器3进行增益和放大，再输送给第一模数转换器2转换为数字信号三；之后输送给微处理器1，微处理器1分别对数字信号三进行处理，得到测试结果；再将测试结果输出给显示模块进行显示。

综上所述，测试链路的三个信道可以实现电流和电压信号、电压和电压信号的采集转换；在通过微处理器1进行分时或同步处理，并输出用以显示；拓展了基于数字信号处理的铁路信号在线测试记录仪功能，简化了基于数字信号处理的铁路信号在线测试记录仪硬件电路，提高了稳定性和可靠性。

优选的，所述处理模块分别与第一信道和第二信道的模数转换器连接，用于同步各模数转换器的转换时间；即微处理器1分别与第一模数转换器2和第二模数转换器连接7，控制第一模数转换器2和第二模数转换器连接7同步转换所接收的测试信号，并输送给微处理器1；微处理器1同步处理、同步输出。实现多参数同屏同步显示，保持测量参数的相关性和实时性，以便对被测系统做综合分析进而确定和定位被测电路故障，也有利于发现潜在故障提前处理。

本发明实施例中，所述处理模块还连接程控放大器，用于控制程控放大器的工作。

具体的，在微处理器1中内置有适用于第一程控放大器3、第二程控放大器6的参数，微处理器1将写入第一程控放大器3、第二程控放大器6，控制第一程控放大器3、第二程控放大器6的工作状态。

进一步的，所述测试链路中接入有保护电路，用于保护测试链路的各部件。所述保护电路分别为第一保护电路4和第二保护电路5，分别接入第一信道中电流钳与第一程控放大器3之间、第二信道中第二程控放大器6的前端；避免电流和电压波动损坏第一信道、第二信道上的其他部件。

请参阅图1，本发明实施例中，还包括环境数据采集模块，所述环境数据采集模块与所述处理模块连接。

具体的，所述环境数据采集模块包括光传感器和温度传感器，所述光传感器和温度传感器分别与所述微处理器1连接；为微处理器1（MCU）提供光照和温度信息，由MCU完成液晶显示屏背光调整及各种温度补偿。

请参阅图1，本发明实施例中，所述电源管理模块包括电源和连接所述电源与处理模块的电源管理电路，所述电源管理电路连接有用于充电的无线充电单元。

具体的，所述电源是锂电池组，所述锂电池组通过电源管理电路连接微处理器1；所述无线充电单元包括无线充电线圈和充电指示灯，通过无线充电线圈给锂电池组充电，所述充电指示灯显示所述锂电池组的充电状态。实现非接触充电，设置的锂电池组保证了在无电供应环境下，测试的顺利进行，拓展了应用场景。

请参阅图1，本发明的另一个实施例中，所述处理模块连接有通讯单元和/或扩展单元，所述处理模块通过通讯单元和扩展单元与外部交换数据。

具体的，通讯单元和扩展单元可以是USB接口和外拓展接口，通过USB接口或外拓展接口，可以连接PC导出记录图片和数据，还可以外置以太网适配器或4G网络适配器等配件，实现远程控制测量和数据导出；壳体使用塑胶材料制成，并采用人体工学设计，握持处配有防滑橡胶材料。

本发明提供的另一个实施例中，一种基于数字信号处理的铁路信号在线测试方法，其特征在于，采用如上任一所述的基于数字信号处理的铁路信号在线测试记录仪，包括以下步骤：

处理模块接收、存储所述测试链路传输的经转换后的两路测试信号；

处理模块根据存储的测试信号幅值确定每路信道增益，设置程控放大器的控制量程，并判断测试信号的状态；

处理模块对存储的测试信号进行时域信号至频域信号的变换；

对频域信号进行处理得出相关参数，并输出为测试结果。

具体的，所述处理模块包括微处理器1和FLASH存储器；所述相关参数至少包括电压、电流、频率、相位差、失真度、移频参数、高压脉冲参数、阻抗、电容值、电容ESR参数、信号能量频谱曲线、波形曲线。所述处理模块还用于对叠加的多种信号进行测试；电压电流的频域序列变换为测试信号的能量频谱曲线，实现测试信号中干扰信号的排查。

测试信号的采集和转换：第一信道，电流信号经电流钳流入第一程控放大器3，所述第一程控放大器3对输入的电流信号进行增益或放大，在输入第一模数转换器2，所述第一模数转换器2将第一程控放大器3输入的电流信号转换为数字信号一，之后输送给微处理器。第二信道，电压信号I输入第二程控放大器6，所述第二程控放大器6对输入的电压信号I进行增益或放大，在输入第二模数转换器7，所述第二模数转换器7将第二程控放大器6输入的电压信号I转换为数字信号二，之后输送给微处理器1；

其中，微处理器1根据数字信号一和数字信号二的幅值分别确定第一信道及第二信道信道的增益，设置程控放大器的控制量程调节至最佳；还可根据数字信号一和数字信号二的数据判断测试信号是否异常，是否存在通道故障或外接电流钳等配件异常。

时域信号至频域信号的变换：

采集的时域信号x(t)通过傅里叶变换获得频域信号F(w)，

；

对于存储的离散时域信号采用离散傅里叶变换获得频域信号序列，

；

k=0，1，2，……N-1；其中x(n)为时域序列，F(k)为频域序列。

由于采样获得的两路时域信号，即电压信号I（v（n））和电流信号（i（n））均为实数序列，可以采用一次离散傅里叶变换完成两路时域信号的计算，节省微处理器资源。

；

；

；

其中为的共轭。

之后，微处理器1利用频域序列可以获得电压和电流、相位差及复阻抗等信息，进而获得阻抗、电容等数据。利用电压电流的频域序列可以获得测试信号的能量频谱曲线，据此可以直观判断测试信号中是否存在其它干扰成分以及干扰信号所在频段，方便现场排查系统故障；利用对补偿电容两端的电压和电流同步采样计算出的频域序列可以进一步计算获得复阻抗，进而可以计算出电容值和电容的等效串联电阻（ESR）。使用ESR数据配合电容值比单独使用电容值能够更加准确地在线排查补偿电容的缺陷或故障，另外根据其趋势性变化还可以对可能出现的电容失效进行预测。将频域信号进一步进行频谱细化分析可以获得采样移频信号的中心频率和低频调制信号等频率信息。将时域和频域序列进行时频域综合分析，可以获得移频信号的边频频率和幅值等数据。并输出给液晶显示屏进行多参数显示。

本发明的工作原理：对电流和电压等测试信号进行测试时，第一信道，电流信号经电流钳流入第一程控放大器3，所述第一程控放大器3对输入的电流信号进行增益或放大，在输入第一模数转换器2，所述第一模数转换器2将第一程控放大器3输入的电流信号转换为数字信号一，之后输送给微处理器。第二信道，电压信号I输入第二程控放大器6，所述第二程控放大器6对输入的电压信号I进行增益或放大，在输入第二模数转换器7，所述第二模数转换器7将第二程控放大器6输入的电压信号I转换为数字信号二，之后输送给微处理器1；微处理器1分别对数字信号一和数字信号二进行处理，得到测试结果，再将测试结果输出给显示模块进行显示。

需要说明的是，本发明所采用的微处理器为现有技术的应用，本专业技术人员能够根据相关的描述实现所要达到的功能，或通过相似的技术实现所需完成的技术特性，在这里就不再详细描述。

本领域技术人员在考虑说明书及实施例处的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。