CN105509897A - 一种红外线轴温探测系统音频通道频率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外线轴温探测系统音频通道频率测量方法，以红外热轴通道监视诊断系统为基础，在分析诊断设备与监测终端上分别设置频率测量模块，所述频率测量模块包括整形电路、FPGA测量模块和控制计算模块，所述整形电路接收音频信号进行整形后输出至FPGA测量模块；所述FPGA测量模块采用多周期同步测量技术测量标准时钟信号和输入待测信号个数，并送至控制计算模块；所述控制计算模块接收标准时钟信号和输入待测信号个数，计算输入待测信号频率。该方法使用FPGA测量信号频率，减小测量误差，提高测量精度，实时监测信号频率，为故障判定提供依据。

Description

一种红外线轴温探测系统音频通道频率测量方法

技术领域

本发明涉及红外线轴温探测系统自动检测领域，具体涉及一种红外线轴温探测系统音频通道频率测量方法。

背景技术

铁路系统广泛采用红外线轴温探测系统对车辆轴温进行实时监测。系统主要由红外主机、音频通道和监测中心组成，有效预防了车辆热切轴，在保障行车安全方面取得了良好效果，发挥了重要作用。

红外线轴温探测系统通讯协议往往是不公开的，即使获取了音频信号解码数据，也不能得知数据含义，无法判定系统是否故障。通过测量音频信号频率，可以获取线路状态，为故障判定提供依据。

目前频率测量方法主要有时域测频法和频域测频法两种。时域测频法一般使用微处理器，如单片机，进行过零周期检测，然而单片机工作频率偏低，计数频率不高，导致测量精度较差。频域测频法采用频谱分析技术，如快速傅立叶变换(FFT)，但是FFT需要整周期采样，而音频信号属于非线性调制，难以对所有成分都进行整周期采样，不能满足要求。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种红外线轴温探测系统音频通道频率测量方法，使用现场可编程门阵列(FPGA)测量信号频率，减小测量误差，提高测量精度，实时监测信号频率，为故障判定提供依据。

本发明是红外热轴通道监视诊断系统的扩展和延伸，该系统内容详见实用新型《一种红外热轴通道监视诊断系统》，专利号：ZL201420533301.6。

通过以下技术方案实现，一种红外线轴温探测系统音频通道频率测量方法，其特征在于，以红外热轴通道监视诊断系统为基础，在分析诊断设备与监测终端上分别设置频率测量模块，所述频率测量模块包括整形电路、FPGA测量模块和控制计算模块，所述整形电路接收音频信号进行整形后输出至FPGA测量模块；所述FPGA测量模块采用多周期同步测量技术测量标准时钟信号和输入待测信号个数，并送至控制计算模块；所述控制计算模块接收标准时钟信号和输入待测信号个数，计算输入待测信号频率。

作为上述技术方案的优选，所述整形电路使用高速比较器构成滞回比较器电路，将音频信号转换为矩形波信号。

作为上述技术方案的优选，所述FPGA测量模块包括锁相环倍频模块、延时消抖模块、预置门设置模块、测量计数模块和串口通信模块，所述锁相环倍频模块对系统时钟信号进行倍频，输出更高频率时钟信号，作为标准时钟信号，标准时钟信号分别输入延时消抖模块、预置门设置模块和测量计数模块；所述延时消抖模块对输入待测信号进行处理，去除信号毛刺，减小测量误差，并将处理后信号输入至预置门设置模块和测量计数模块；所述预置门设置模块测量标准时钟信号和输入待测信号个数，确定闸门时间，并将闸门时间控制信号输入至测量计数模块；所述测量计数模块在闸门时间控制下，测量标准时钟信号和输入待测信号个数，并将测量计数结果输入至串口通信模块；所述串口通信模块将标准时钟信号和输入待测信号个数传送至控制计算模块。

作为上述技术方案的优选，所述控制计算模块的具体工作流程如下：

(1)开始；

(2)初始化包括系统时钟、输入输出接口；

(3)下发读取数据指令至FPGA测量模块；

(4)接收标准时钟信号和输入待测信号个数；

(5)计算输入待测信号频率；

(6)返回步骤(3)。

有益效果：

本发明提供了一种红外线轴温探测系统音频通道频率测量方法，使用FPGA测量信号频率，减小测量误差，提高测量精度，实时监测信号频率，为故障判定提供依据。

附图说明

图1是本发明系统结构示意图；

图2是本发明频率测量模块结构框图；

图3是本发明FPGA测量原理图；

图4是本发明FPGA测量时序图；

图5是本发明FPGA测量模块结构框图；

图6是本发明频率测量流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，红外线轴温探测系统包括探测站、音频通道、监测中心和监控机房，探测站设置有红外主机，红外主机通过调制解调器连接音频通道；音频通道设置有接线盒和配线架，接线盒连接探测站，配线架接入监测中心；监测中心设置有调制解调器，监控机房设置有监控主机，配线架通过调制解调器连接监控主机。红外热轴通道监视诊断系统包括监测终端、分析诊断设备和监视诊断平台。

监测终端部署在探测站，连接音频通道，对其进行监测；分析诊断设备部署在监测中心，接入音频通道，并与监控网络相连；监视诊断平台部署在监控机房，与监控网络相连。

频率测量模块是监测终端和分析诊断设备的重要组成部分，可获取红外线轴温探测系统线路信号频率，为系统故障判定提供依据。

如图2所示，频率测量模块包括整形电路、FPGA测量模块和控制计算模块。

整形电路使用高速比较器构成滞回比较器电路，将音频信号转换为矩形波信号。矩形波信号有抖动现象，输入FPGA测量模块后，编写延时消抖程序，校正信号。

FPGA测量模块采用多周期同步测量技术，闸门时间与输入待测信号同步。测量频率相对误差仅与闸门时间和标准时钟信号频率有关，与输入待测信号频率无关，实现等精度测量。

控制计算模块接收FPGA测量模块上传的标准时钟信号和输入待测信号个数，计算输入待测信号频率。根据音频信号频率，可判定红外线轴温探测系统是否发生故障。

如图3所示，触发器D端连接预置闸门控制信号，CLK端连接输入待测信号，CLR端连接清零信号，Q端输出实际闸门控制信号。

SCNT和XCNT是两个高速计数器，SENA和XENA是使能端，连接实际闸门控制信号；SCLK和XCLK是输入端，分别连接标准时钟信号和输入待测信号；SCLR和XCLR是清零端，连接清零信号；SOUT和XOUT是输出端，输出计数结果。

尚未测频时，预置闸门控制信号低电平，实际闸门控制信号低电平，两个计数器不工作。测频前，清零信号将触发器和两个计数器清零。

开始测频时，预置闸门控制信号上升沿到来，等到输入待测信号上升沿到来时，两个计数器开始工作。时间T₀后，预置闸门控制信号下降沿到来，等到输入待测信号上升沿到来时，两个计数器停止工作，计数时间T₁，完成一次测频过程。

如图4所示，预置闸门时间T₀，实际闸门时间T₁，标准时钟信号个数N_s，输入待测信号个数N_x。设标准时钟信号频率为f_s，输入待测信号频率为f_x，则：

$f_x=\frac{N_X}{N_S}\×f_S---\left(1\right)$

设输入待测信号频率真实值为f_xe，测频相对误差为δ，则：

$\mathrm{\δ}=\frac{|f_{xe}-f_x|}{f_{xe}}\×100\%---\left(2\right)$

计数开始和结束均由输入待测信号上升沿控制，故N_x无误差。设N_s误差为△N_s，可知△N_s最多为1，即：

|ΔN_s|≤1(3)

而输入待测信号频率真实值f_xe可表示为：

$f_{xe}=\frac{N_x}{N_s+M_s}\×f_s---\left(4\right)$

将式(1)、式(3)和式(4)代入式(2)，得：

$\mathrm{\δ}=\frac{\left|{\mathrm{\ΔN}}_s\right|}{N_s}\≤\frac{1}{N_s}=\frac{1}{T_1\×f_s}---\left(5\right)$

可知，测频相对误差仅与实际闸门时间和标准时钟信号频率有关，与输入待测信号频率无关，实现等精度测量。

如图5所示，FPGA测量模块主要由锁相环倍频模块、延时消抖模块、预置门设置模块、测量计数模块和串口通信模块组成。

锁相环倍频模块对系统时钟信号进行倍频，输出更高频率时钟信号，用作标准时钟信号。标准时钟信号分别输入延时消抖模块、预置门设置模块和测量计数模块。

延时消抖模块对输入待测信号进行处理，去除信号毛刺，减小测量误差。该模块对输入待测信号高低电平分别计数，当两者个数满足要求时，才对应输出高低电平。

预置门设置模块测量标准时钟信号和输入待测信号个数，确定闸门时间。闸门时间根据输入待测信号频率变化而变化，频率低时，闸门时间变长，频率高时，闸门时间变短。

测量计数模块在闸门时间控制下，测量标准时钟信号和输入待测信号个数。闸门控制信号高电平时，标准时钟信号上升沿到来，标准时钟信号计数值加一；输入待测信号上升沿到来，输入待测信号计数值加一。闸门控制信号低电平时，标准时钟信号计数值清零，输入待测信号计数值清零。

串口通信模块将标准时钟信号和输入待测信号个数传送至控制计算模块。串口通信模块以主从方式工作，全双工通信，在中央处理器和外围器件之间传输数据，数据按位传输，高位在前，低位在后。

如图6所示，所述控制计算模块的具体工作流程如下：

(1)开始；

(2)所述控制计算模块初始化系统时钟、输入输出接口等；

(3)所述控制计算模块下发读取数据指令至FPGA测量模块；

(4)所述控制计算模块接收标准时钟信号和输入待测信号个数；

(5)所述控制计算模块计算输入待测信号频率；

(6)返回步骤(3)。

综上所述，本发明提供了一种红外线轴温探测系统音频通道频率测量方法，使用FPGA测量信号频率，减小测量误差，提高测量精度，实时监测信号频率，为故障判定提供依据。

本发明已通过上述实施例及其附图说明清楚，在不背离本发明精神和实质的情况下，所属领域的技术人员可根据本发明做出相应变化和修正，这些变化和修正都属于本发明权利要求的保护范围。

本发明未涉及方法均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种红外线轴温探测系统音频通道频率测量方法，其特征在于，以红外热轴通道监视诊断系统为基础，在分析诊断设备与监测终端上分别设置频率测量模块，所述频率测量模块包括整形电路、FPGA测量模块和控制计算模块，所述整形电路接收音频信号进行整形后输出至FPGA测量模块；所述FPGA测量模块采用多周期同步测量技术测量标准时钟信号和输入待测信号个数，并送至控制计算模块；所述控制计算模块接收标准时钟信号和输入待测信号个数，计算输入待测信号频率。

2.根据权利要求1所述的一种红外线轴温探测系统音频通道频率测量方法，其特征在于，所述整形电路使用高速比较器构成滞回比较器电路，将音频信号转换为矩形波信号。

3.根据权利要求1所述的一种红外线轴温探测系统音频通道频率测量方法，其特征在于，所述FPGA测量模块包括锁相环倍频模块、延时消抖模块、预置门设置模块、测量计数模块和串口通信模块，所述锁相环倍频模块对系统时钟信号进行倍频，输出更高频率时钟信号，作为标准时钟信号，标准时钟信号分别输入延时消抖模块、预置门设置模块和测量计数模块；所述延时消抖模块对输入待测信号进行处理，去除信号毛刺，减小测量误差，并将处理后信号输入至预置门设置模块和测量计数模块；所述预置门设置模块测量标准时钟信号和输入待测信号个数，确定闸门时间，并将闸门时间控制信号输入至测量计数模块；所述测量计数模块在闸门时间控制下，测量标准时钟信号和输入待测信号个数，并将测量计数结果输入至串口通信模块；所述串口通信模块将标准时钟信号和输入待测信号个数传送至控制计算模块。

4.根据权利要求1所述的一种红外线轴温探测系统音频通道频率测量方法，其特征在于，所述控制计算模块的具体工作流程如下：

(1)开始；

(2)初始化包括系统时钟、输入输出接口；

(3)下发读取数据指令至FPGA测量模块；

(4)接收标准时钟信号和输入待测信号个数；

(5)计算输入待测信号频率；

(6)返回步骤(3)。