CN106919108A - 一种红外热轴音频通道信号测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外热轴音频通道信号测量方法，使用现场可编程门阵列(FPGA)进行信号的采集，运用FPGA的NIOS核作为控制器，进行信号多个特征值的实时、准确提取，包括信号电压平均值、信号频率、信号峰峰值的最大值和最小值、两次音频信号间隔时间最大值和最小值、单次音频信号周期个数等，并将信号测量结果上传至监控诊断平台。该方法可大大降低红外热轴音频通道监控诊断的误诊率，提高了诊断的准确性和实时性。

Description

一种红外热轴音频通道信号测量方法

技术领域

本发明涉及信号测量领域，具体为一种红外热轴音频通道信号测量方法。

背景技术

列车热切轴是影响铁路系统安全的一个重要因素，目前，基于红外线测温原理的红外热轴探测系统已广泛应用于铁路运行中。该红外热轴探测系统普遍采用音频信号与列车调度中心通信，在实际运行中，由于种种原因会造成音频信号的异常，需要实时监测音频信号并分析其特征，为人员维护提供辅助判断手段。

红外热轴音频通道中存在高频和低频两种正弦信号，分别表示数字“1”和“0”。在红外热轴音频通道信号测量系统中，信号测量的全面性、准确性和实时性是整个系统正常运转的关键因素。一方面，目前音频通道诊断大多通过信号幅值和频率两个特征值判定音频通道是否出现故障，由于信号特征值过少，极易出现错误诊断的情况。另一方面，目前的音频通道信号特征提取还存在处理手段单一，造成信号检测精度不高等问题。此外，由于音频通道信号变化速度较快，若在软件设计等环节处理不当，极易造成延时，对系统实时性和准确性等会带来不利影响。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明公开了一种红外热轴音频通道信号测量方法，采用现场可编程门阵列(FPGA)采集红外热轴音频通道的信号，并使用FPGA的NIOS核作为控制器，运用有限状态机模型，根据信号状态转换提取信号多个特征值，从而为监控诊断平台提供更加全面、准确、实时的信号。

本发明通过以下技术方案实现，一种红外热轴音频通道信号测量方法，测量音频信号多个特征值，使用现场可编程门阵列作为处理器，并运用有限状态机模型，根据信号状态转换提取信号特征值，将结果上传至监控诊断平台。

作为上述技术方案的优选，采用现场可编程门阵列作为处理器，将采集的信号数据存储至同步动态存储器，使用现场可编程门阵列的NIOS核作为控制器，并通过串口通信上传测量结果至监控诊断平台。

作为上述技术方案的优选，针对不同的红外热轴音频通道，分别采用多次测量取中值的方法，求取各自信号的零位，进而确定信号所处状态。

采用有限状态机模型，根据信号状态转换提取信号的特征值，有限状态机的工作流程如下：

(1)采集红外热轴音频通道信号电压V_x，计算信号零位阈值的上限V_max和下限V_min；

(2)若同步动态存储器中的数据已全部被读走，则转到步骤(14)；否则，转到步骤

(3)；

(3)若V_x大于V_min且小于V_max，则转到步骤(4)；否则，转到步骤(5)；

(4)零位状态，零位时间计时，信号间隔标志位置1，转到步骤(2)；

(5)若间隔标志为1且间隔时长大于指定时间T，则计算信号间隔最大值和最小值，并将间隔标志位清0后，转到步骤(6)；否则，直接转到步骤(6)；

(6)若V_x大于V_max，则转到步骤(7)；否则，转到步骤(8)；

(7)正半周状态，计算信号峰值最大值，若信号值小于V_max，状态值加1，转到步骤

(9)；否则，转到步骤(10)；

(8)负半周状态，计算信号峰值最小值，若信号值大于V_min，状态值加1，转到步骤

(9)；否则，转到步骤(10)；

(9)若状态值为2，转到步骤(11)；否则，转到步骤(2)；

(10)若同步动态存储器中的数据已全部被读走，则转到步骤(2)；否则，则转到步骤

(11)；

(11)若为噪声信号，则作为两次音频信号间隔处理，计算两次音频信号间隔时间最大值和最小值并重复步骤(11)；否则，转到步骤(12)；

(12)若当前正半周期和负半周期能构成一个完整的音频信号，则转到步骤(13)；否则，状态值减1，转到步骤(2)；

(13)音频信号周期个数加1，累加音频信号有效采样点数并转至步骤(2)；

(14)采用多周期测量计数法，求取音频信号频率f_x，并计算信号电压平均值，将上述步骤求出的信号特征值，上传至监控诊断平台，结束信号测量。

优选的，将信号正半周期和负半周期采样点数的差值在误差范围内，且信号正半周期和负半周期的幅值最大值和最小值的模值差值在误差范围内，作为判定是否为一个完整音频信号的条件，即

|P_p-N_p|＜Δp

||P_vmax|-|N_vmin||＜Δv

其中，P_p为正半周期采样点数，N_p为负半周期采样点数，Δp为采样点误差阈值，P_vmax为正半周期信号幅值最大值，N_vmin为负半周期信号幅值最小值，Δv为幅值误差阈值。

优选的，采样频率和信号有效采样点数，采用多周期计数法计算音频信号频率f_x，

其中，SUM_f为音频信号有效采样点数的累加和，m为音频信号周期总数，f_s为信号采样频率。

有益效果：

本发明公开了一种红外热轴音频通道信号测量方法，使用现场可编程门阵列(FPGA)进行信号的采集，运用FPGA的NIOS核作为控制器，进行信号多个特征值的实时、准确提取，并将信号测量结果上传至监控诊断平台。该方法可大大降低红外热轴音频通道监控诊断的误诊率，提高了诊断的准确性和实时性。

附图说明

图1为本发明音频通道信号采集测量结构示意图

图2为本发明音频通道信号测量状态量转移示意图

图3为本发明音频通道信号测量流程图

具体实施案例

下面结合附图，对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例中，正常状态下，信号测量可在8路红外热轴音频通道之间任意切换，每一路信号的数据存储深度均为1024Bytes。多路信号经过信号调理电路，由FPGA对信号进行采集。NIOS核通过AVALON总线与外设进行通信，监控诊断平台通过串口通信向NIOS核下发指令，NIOS核控制对应的模拟开关，选择采集监控诊断平台指定通道的信号，进行通道信号采集。当SDRAM数据量达到1024Bytes，停止当前通道采集，开始进行信号特征值提取。信号测量结束之后，NIOS核通过串口通信，将测量结果上传至监控诊断平台。

如图2所示，根据信号幅值的大小，分为5种状态：开始、零位、正半周、负半周和结束。本实施例中，零位的阈值上限为V_max，下限为V_min。根据此阈值范围，状态会在开始、零位、正半周、负半周和结束这5种状态之间进行切换。

在本实施例中，红外热轴音频通道的高频信号f_xH＝2100Hz，低频信号f_xL＝1300Hz。的采样频率f_s取为200Ksps，即采样周期为5us。当信号采样点误差个数小于5个，且信号幅值误差小于100mV，即可判定为一个完整的音频信号。为提高测量精度，采用多周期测量，周期数m＝1000。

下面结合附图3，介绍本实施例的具体步骤。

(1)采集红外热轴音频通道信号电压V_x，计算信号零位阈值的上限V_max和下限V_min；针对不同通道，会有不同的阈值，以第1通道为例，该通道阈值上限取为V_max＝100mV，阈值下限为V_min＝40mV；

(2)程序判断SDRAM中的数据是否全部被读走，是则转到步骤(14)；否则，转到步骤(3)；

(3)若当前信号电压值V_x大于40mV且小于100mV，则转到步骤(4)；否则，转到步骤(5)；

(4)零位状态，零位时间计时，信号间隔标志位置1，转到步骤(2)；

(5)该通道零位状态保持时间设为1ms，若间隔标志为1且间隔时长大于指定时间1ms，计算信号间隔最大值和最小值，并将间隔标志位置0，转到步骤(6)；否则，直接转到步骤(6)；

(6)若信号值大于100mV，转到步骤(7)；否则，转到步骤(8)；

(7)当前为正半周状态，计算信号峰值最大值，若信号值小于100mV，状态值加1，转到步骤(9)；否则，转到步骤(10)；

(8)当前为负半周状态，计算信号峰值最小值，若信号值大于40mV，状态值加1，转到步骤(9)；否则，转到步骤(10)；

(9)若状态值为2，则转到步骤(11)；否则，转到步骤(2)；

(10)若SDRAM中的数据全部被读走，转到步骤(2)；否则，转到步骤(11)；

(11)零位状态保持时间大于1ms，或者噪声持续时间大于1ms，则判定信号为两次音频信号的间隔，计算音频信号间隔最大和最小值。经过大量测试，噪声阈值V_noise上限设为200mV，下限设为-200mV。当信号峰值在噪声阈值范围内，则把噪声作为两次音频信号的间隔处理。计算信号间隔最大值和最小值；否则，转到步骤(12)；

(12)若当前正半周期和负半周期能构成一个完整的音频信号，则转到步骤(13)；否则，状态值减1，转到步骤(2)；

(13)音频信号周期个数加1，累加音频信号有效采样点数并转至步骤(2)；

(14)采用多周期测量计数法，求取音频信号频率f_x，并计算信号电压平均值，将上述步骤求出的信号特征值，上传至监控诊断平台，结束信号测量。以某次测试结果为例，高频信号总的有效点数SUM_f为95280，有效周期数m为1000可得，

即高频信号的频率为2099Hz，显然，该结果与实际频率2100Hz相差很小。

高频信号特征量的实际值和测量值分别如表1和表2所示。

表1高频信号特征量的实际值

表2高频信号特征量的测量值

通过对比表1和表2，测量结果与实际值相差很小。

采用同样的方法，以某次测量为例，低频信号总的有效点数SUM_f为153964，可测得低频信号的频率为1299Hz，显然与1300Hz也相差很小，完全满足诊断平台的要求。

低频信号特征量的实际值和测量值分别如表3和表4所示。

表3低频信号特征量的实际值

表4低频信号特征量的测量值

通过对比表3和表4，测量结果与实际值相差很小。

综上所述，本发明提供了一种红外热轴音频通道信号测量方法，使用FPGA采集信号，运用NIOS核作为控制器，运用有限状态机进行信号多个特征的实时、准确测量，并将信号测量结果上传至监控诊断平台。

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 (7)

1.一种红外热轴音频通道信号测量方法，其特征在于测量音频信号多个特征值，使用现场可编程门阵列作为处理器，并运用有限状态机模型，根据信号状态转换提取信号特征值，将结果上传至监控诊断平台。

2.根据权利要求1所述的一种红外热轴音频通道信号测量方法，其特征在于音频信号特征值包括：信号电压平均值、信号频率、信号峰值的最大值和最小值、两次音频信号间隔时间最大值和最小值、单次音频信号周期个数。

3.根据权利要求1所述的一种红外热轴音频通道信号测量方法，其特征在于采用现场可编程门阵列作为处理器，将采集的信号数据存储至同步动态存储器，使用现场可编程门阵列的NIOS核作为控制器，并通过串口通信上传测量结果至监控诊断平台。

4.根据权利要求1所述的一种红外热轴音频通道信号测量方法，其特征在于采用有限状态机模型，根据信号状态转换提取信号的特征值，有限状态机的工作流程如下：

(1)采集红外热轴音频通道信号电压V_x，计算信号零位阈值的上限V_max和下限V_min；

(2)若同步动态存储器中的数据已全部被读走，则转到步骤(14)；否则，转到步骤(3)；

(3)若V_x大于V_min且小于V_max，则转到步骤(4)；否则，转到步骤(5)；

(4)零位状态，零位时间计时，信号间隔标志位置1，转到步骤(2)；

(5)若间隔标志为1且间隔时长大于指定时间T，则计算信号间隔最大值和最小值，并将间隔标志位清0后，转到步骤(6)；否则，直接转到步骤(6)；

(6)若V_x大于V_max，则转到步骤(7)；否则，转到步骤(8)；

(7)正半周状态，计算信号峰值最大值，若信号值小于V_max，状态值加1，转到步骤(9)；否则，转到步骤(10)；

(8)负半周状态，计算信号峰值最小值，若信号值大于V_min，状态值加1，转到步骤(9)；否则，转到步骤(10)；

(9)若状态值为2，转到步骤(11)；否则，转到步骤(2)；

(10)若同步动态存储器中的数据已全部被读走，则转到步骤(2)；否则，则转到步骤(11)；

(11)若为噪声信号，则作为两次音频信号间隔处理，计算两次音频信号间隔时间最大值和最小值并重复步骤(11)；否则，转到步骤(12)；

(12)若当前正半周期和负半周期能构成一个完整的音频信号，则转到步骤(13)；否则，状态值减1，转到步骤(2)；

(13)音频信号周期个数加1，累加音频信号有效采样点数并转至步骤(2)；

(14)采用多周期测量计数法，求取音频信号频率f_x，并计算信号电压平均值，将上述步骤求出的信号特征值，上传至监控诊断平台，结束信号测量。

5.根据权利要求4所述的一种红外热轴音频通道信号测量方法，其特征在于判定是否为一个完整音频信号的条件为满足：

|P_p-N_p|＜Δp

||P_vmax|-|N_vmin||＜Δv

其中，P_p为正半周期采样点数，N_p为负半周期采样点数，Δp为采样点误差阈值，P_vmax为正半周期信号幅值最大值，N_vmin为负半周期信号幅值最小值，Δv为幅值误差阈值。

6.根据权利要求4所述的一种红外热轴音频通道信号测量方法，其特征在于通过下式计算音频信号频率f_x：

$f_x=\frac{m*f_s}{{\mathrm{SUM}}_f}$

其中，SUM_f为音频信号有效采样点数的累加和，m为音频信号周期总数，f_s为信号采样频率。

7.根据权利要求1所述的一种红外热轴音频通道信号测量方法，其特征在于针对不同的红外热轴音频通道，分别采用多次测量取中值的方法，求取各自信号的零位，进而确定信号所处状态。