CN109239637A - 一种用于轨道信号监测传感器采集通道的自检系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于轨道信号监测传感器采集通道的自检系统，模拟开关连接于调理电路，所述调理电路连接于ADC模块；所述采样电路的数量与输入信号线路的数量一样，且每个采样电路匹配一条输入信号线路；每一路输入信号线路均通过与之匹配的采样电路连接于ADC模块；每一路输入信号线路均连接于模拟开关；所述模拟开关对不同的输入信号线路进行高频切换。本发明还公开了一种用于轨道信号监测传感器采集通道的自检方法。本发明一种用于轨道信号监测传感器采集通道的自检系统及方法，解决了传感器对自身采集通道的工作状态未知盲区，减小了监测传感器本身出现故障后导致的被监测信号设备安全事故的概率，出现事故甚至影响到铁路行车。

Description

一种用于轨道信号监测传感器采集通道的自检系统及方法

技术领域

本发明涉及检测技术领域，具体涉及一种用于轨道信号监测传感器采集通道的自检系统及方法。

背景技术

目前铁路集中信号监测系统中大量的使用到了轨道信号监测传感器，该传感器可以对铁路集中信号中各种轨道信号进行监测，采集各种电压、电流、频率、功率等模拟量数据，经过各种复杂算法数据处理后，将实时采集数据通过通讯信号传递给终端，显示行车过程中各种轨道信号运行的实时状态。现阶段国内使用的轨道信号监测传感器均是传统监测设备，为了实现设备功能而设计，而设备自身采集通道功能是否正常工作，当前状态不得而知。只能够依靠人为在终端设置上下限阈值去判断采集的轨道信号是否在正常范围内，若超出范围才上报故障信息。且在铁路每一个现场具有较大差异性，需要依次调试，而且上报故障属于该设备整体故障，并不能定位到某一功能故障信息。

现阶段对铁路轨道信号监测传感器的采集通道状态是没有任何自诊断功能，在应用现场所采集到的信号只是一个经验信号，即大概知道是什么范围内的信号，不会像标准信号源那样精准。作为一个监测传感器对数据的采集精度要求是很高的，监测传感器自身的采集精度完全依赖于采集通道的良好运行，一旦出现通道电路异常，比如电阻阻值发生漂移失效，运算放大器发生增益偏差，失调参数发生改变等等情况下传感器自身并不会知道，只能当这种异常现象出现一定量的偏差后，终端显示才能发现。

而在铁路集中监测系统中，对于轨道信号而言是非常重要的信号，它代表着各种安全设备和非安全设备的运行状态，有些安全设备是直接关系到列车行车过程中的安全运行，所以重要程度不言而喻。对于监测传感器在监测这些安全设备的轨道信号时，对监测传感器的通道采集信号的正确性要求非常高。有了对监测传感器的采集通道状态的自诊断方法，就可以大幅提高传感器对自身运行状态判断，提前预警。

现阶段在国内外相关的检测方法有很多，也有比较类似的是应用在许多工业控制现场，特别是对安全要求很高的安全级设备或系统中，经常会采用自诊断的方式来实现对某一功能电路或者设备的运行情况进行检测。实现方案则是通过对信号的采集获得当前状态，但是大多数是非实时采集，即非在线检测，通过定期维护发送命令进行诊断。

现有的监测技术在铁路轨道电路监测传感器监测领域中还没有成熟技术实现，较常规的监测技术，只能是通过采集通道本身采集到数据的变化(突变)来猜测，没有一种较准备的判断标准。该技术的缺点是虽然终端数据能够反映出数据的异常情况，但是无法分辨出是被监测信号自身异常了还是监测传感器出现了异常，通常做法是更换一个新的监测传感器来作对比，假如依然还是异常则判断为被监测信号出现异常，否则监测传感器有故障。还有如果出现了采集信号异常时，因为没有采集通道状态自诊断方法，不能及时的发现监测传感器采集通道出现故障，从而导致监测传感器的故障损坏引起被监测设备故障，导致二次故障，已至于影响铁路行车安全。

现有技术中，在铁路轨道信号监测传感器领域中还仅仅停留在实现信号监测单一功能，对监测传感器最重要的通道采集状态不得而知，没有对其运行情况进行实时诊断，属于缺失状态。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中，在铁路轨道信号监测传感器领域中还仅仅停留在实现信号监测单一功能，对监测传感器最重要的通道采集状态不得而知，没有对其运行情况进行实时诊断，属于缺失状态，目的在于提供一种用于轨道信号监测传感器采集通道的自检系统及方法，解决上述问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种用于轨道信号监测传感器采集通道的自检系统，包括多个采样电路，还包括诊断电路和ADC模块；所述诊断电路包括模拟开关和调理电路，且模拟开关连接于调理电路，所述调理电路连接于ADC模块；所述采样电路的数量与输入信号线路的数量一样，且每个采样电路匹配一条输入信号线路；每一路输入信号线路均通过与之匹配的采样电路连接于ADC模块；每一路输入信号线路均连接于模拟开关；所述模拟开关对不同的输入信号线路进行高频切换。

现有技术中，在铁路轨道信号监测传感器领域中还仅仅停留在实现信号监测单一功能，对监测传感器最重要的通道采集状态不得而知，没有对其运行情况进行实时诊断，属于缺失状态。本发明应用时，采用了一组独立的诊断电路，对监测传感器的所有采集通道进行同步采集，把诊断电路采集到的模拟量有效值和采样电路采集到模拟量有效值分别进入同一个ADC模块，实现了同一个控制器用两组独立通道进行同一个轨道信号的采集。由于采集通道属于多通道采集，而诊断通道的采集采用了一种模拟开关进行高频切换的方法，在毫秒时间量级的切换下几乎实现实时同步采集。采集两组数据后进行数字处理，比较数据额定偏差量，再加上软件后级仲裁出当前采集通道是否出现了上述等异常状态。

该工作原理在铁路轨道信号监测传感器领域还从未被使用过，实现了轨道信号监测传感器从传统的监测到智能分析，再到仲裁出自身采集通道的状态是否属于正常工作。本发明解决了传感器对自身采集通道的工作状态未知盲区，减小了监测传感器本身出现故障后导致的被监测信号设备安全事故的概率，出现事故甚至影响到铁路行车。从功能安全角度出发，该方法通过自诊断来实时掌握监测传感器本身通道采集的工作状态，可以安全有效的排除掉监测传感器本身出现故障的情况。

进一步的，所述调理电路和每一路采样电路结构均相同。

本发明应用时，该诊断电路中的模拟开关属于多对一的情况，即多个通道连接，每个单位时间只有一个通道导通有效，而在模拟开关的后端则是和采集通道后端一样的增益处理电路，同样的器件，同样的参数，以实现各通道和诊断通道这两组ADC采集后的有效值理论上应该一样，实际上也是非常的接近。控制器接收到的这两组采集有效值后，通过诊断电路和仲裁机制进行对多组数据进行比较处理，最终得到诊断后的结果，上报预警。

进一步的，所述采样电路包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C2和放大器Q1；所述电阻R5的一端接输入信号线路，另一端接放大器Q1的同相输入端；所述电阻R6的一端接基准电压，另一端接放大器Q1的反相输入端；所述电阻R7的一端接放大器Q1的反相输入端，另一端接放大器Q1的输出端；所述电阻R8的一端接放大器Q1的输出端，另一端接ADC模块；所述电容C2的一端接ADC模块，另一端接地。

本发明应用时，通过上述电路设置可以有效的实现在采样电路对信号的增益放大功能。

进一步的，所述调理电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和放大器Q2；所述电阻R1的一端接模拟开关，另一端接放大器Q2的同相输入端；所述电阻R2的一端接基准电压，另一端接放大器Q2的反相输入端；所述电阻R3的一端接放大器Q2的反相输入端，另一端接放大器Q2的输出端；所述电阻R4的一端接放大器Q2的输出端，另一端接ADC模块；所述电容C1的一端接ADC模块，另一端接地。

本发明应用时，通过上述电路设置可以有效的实现在调理电路对信号的增益放大功能。

进一步的，所述模拟开关为8选1模拟开关，且输入信号线路的数量为8条；所述8条输入信号线路分别接入模拟开关的X0、X1、X2、X3、X4、X5、X6和X7引脚；所述模拟开关的X引脚接调理电路。

本发明应用时，通过模拟开关自身的功能，可以有效的实现对输入信号线路的切换，这种功能是模拟开关自身的一种功能，不涉及计算机程序的改进。

一种用于轨道信号监测传感器采集通道的自检方法，包括以下步骤：S1：对传感器的多个采集通道进行同步采集后处理，生成一组初始信号；S2：将传感器的多个采集通道接入模拟开关；模拟开关对多个采集通道进行高频切换，并在同一时刻只输出一个采集通道的信号；S3：对模拟开关输出的信号进行处理后生成比对信号；S4：将比对信号与初始信号中相同采集通道的数据进行比对，并根据比对结果诊断采集通道。

本发明应用时，首先监测传感器的多采集通道是对轨道信号上的电压、电流等电信号进行采集，通过增益变换处理后，使得调理后的信号刚好适合ADC信号采集，完成正常通道的数据采集功能。而独立的诊断通道则是在各采集通道前端采用了一种模拟开关对所有采集通道进行并行采集，而模拟开关的切换时间为微秒级，加上切换等待，切换保持等时间损耗，可以在毫秒完成所有通道的切换采集。该诊断电路中的模拟开关属于多对一的情况，即多个通道连接，每个单位时间只有一个通道导通有效，而在模拟开关的后端则是和采集通道后端一样的增益处理电路，同样的器件，同样的参数，以实现各通道和诊断通道这两组ADC采集后的有效值理论上应该一样，实际上也是非常的接近。控制器接收到的这两组采集有效值后，通过诊断电路和仲裁机制进行对多组数据进行比较处理，最终得到诊断后的结果，上报预警。

进一步的，步骤S1中所述处理包括增益变换和模数转换。

进一步的，步骤S1中的处理过程及参数与步骤S3中的处理过程及参数相同。

进一步的，步骤S4包括以下子步骤：通过诊断电路和/或仲裁机制对多组数据进行比较处理，并在偏离值超过阈值时预警。

本发明应用时，采用诊断通道和采集通道同步采集实现了对轨道信号监测传感器的自我状态监测，实时掌握通道自身工作状态，可靠性更高，使用更安全；对监测传感器通道出现故障后可以及时上报故障信息，让电路失效消灭在萌芽，及时放弃通道数据，让通道脱离工作状态，使得故障第一时间导向安全；.该方法主要采用了自诊断形式实现了在轨道信号监测传感器领域仅仅只有监测功能，对监测传感器和铁路监测设备都具有更安全使用优势。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明一种用于轨道信号监测传感器采集通道的自检系统及方法，解决了传感器对自身采集通道的工作状态未知盲区，减小了监测传感器本身出现故障后导致的被监测信号设备安全事故的概率，出现事故甚至影响到铁路行车。从功能安全角度出发，该方法通过自诊断来实时掌握监测传感器本身通道采集的工作状态，可以安全有效的排除掉监测传感器本身出现故障的情况。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明系统结构示意图；

图2为本发明采样电路原理图；

图3为本发明模拟开关示意图；

图4为本发明调理电路原理图；

图5为本发明方法步骤示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，本发明一种用于轨道信号监测传感器采集通道的自检系统，包括多个采样电路，还包括诊断电路和ADC模块；所述诊断电路包括模拟开关和调理电路，且模拟开关连接于调理电路，所述调理电路连接于ADC模块；所述采样电路的数量与输入信号线路的数量一样，且每个采样电路匹配一条输入信号线路；每一路输入信号线路均通过与之匹配的采样电路连接于ADC模块；每一路输入信号线路均连接于模拟开关；所述模拟开关对不同的输入信号线路进行高频切换。

本实施例实施时，采用了一组独立的诊断电路，对监测传感器的所有采集通道进行同步采集，把诊断电路采集到的模拟量有效值和采样电路采集到模拟量有效值分别进入同一个ADC模块，实现了同一个控制器用两组独立通道进行同一个轨道信号的采集。由于采集通道属于多通道采集，而诊断通道的采集采用了一种模拟开关进行高频切换的方法，在毫秒时间量级的切换下几乎实现实时同步采集。采集两组数据后进行数字处理，比较数据额定偏差量，再加上软件后级仲裁出当前采集通道是否出现了上述等异常状态。

该工作原理在铁路轨道信号监测传感器领域还从未被使用过，实现了轨道信号监测传感器从传统的监测到智能分析，再到仲裁出自身采集通道的状态是否属于正常工作。本发明解决了传感器对自身采集通道的工作状态未知盲区，减小了监测传感器本身出现故障后导致的被监测信号设备安全事故的概率，出现事故甚至影响到铁路行车。从功能安全角度出发，该方法通过自诊断来实时掌握监测传感器本身通道采集的工作状态，可以安全有效的排除掉监测传感器本身出现故障的情况。

在这里模拟开关可以采用8选1模拟开关cd4051、74HC4067高速CMOS16选1模拟开关等模拟开关芯片。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，如图2和图4所示，所述调理电路和每一路采样电路结构均相同。

本实施例实施时，该诊断电路中的模拟开关属于多对一的情况，即多个通道连接，每个单位时间只有一个通道导通有效，而在模拟开关的后端则是和采集通道后端一样的增益处理电路，同样的器件，同样的参数，以实现各通道和诊断通道这两组ADC采集后的有效值理论上应该一样，实际上也是非常的接近。控制器接收到的这两组采集有效值后，通过诊断电路和仲裁机制进行对多组数据进行比较处理，最终得到诊断后的结果，上报预警。

实施例3

如图2所示，本实施例在实施例1的基础上，所述采样电路包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C2和放大器Q1；所述电阻R5的一端接输入信号线路，另一端接放大器Q1的同相输入端；所述电阻R6的一端接基准电压，另一端接放大器Q1的反相输入端；所述电阻R7的一端接放大器Q1的反相输入端，另一端接放大器Q1的输出端；所述电阻R8的一端接放大器Q1的输出端，另一端接ADC模块；所述电容C2的一端接ADC模块，另一端接地。

本实施例实施时，通过上述电路设置可以有效的实现在采样电路对信号的增益放大功能。

实施例4

如图4所示，本实施例在实施例1的基础上，所述调理电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和放大器Q2；所述电阻R1的一端接模拟开关，另一端接放大器Q2的同相输入端；所述电阻R2的一端接基准电压，另一端接放大器Q2的反相输入端；所述电阻R3的一端接放大器Q2的反相输入端，另一端接放大器Q2的输出端；所述电阻R4的一端接放大器Q2的输出端，另一端接ADC模块；所述电容C1的一端接ADC模块，另一端接地。

本实施例实施时，通过上述电路设置可以有效的实现在调理电路对信号的增益放大功能。

实施例5

如图3所示，本实施例在实施例1的基础上，所述模拟开关为8选1模拟开关，且输入信号线路的数量为8条；所述8条输入信号线路分别接入模拟开关的X0、X1、X2、X3、X4、X5、X6和X7引脚；所述模拟开关的X引脚接调理电路。

本实施例实施时，通过模拟开关自身的功能，可以有效的实现对输入信号线路的切换，这种功能是模拟开关自身的一种功能，不涉及计算机程序的改进。

实施例6

如图5所示，本发明一种用于轨道信号监测传感器采集通道的自检方法，包括以下步骤：S1：对传感器的多个采集通道进行同步采集后处理，生成一组初始信号；S2：将传感器的多个采集通道接入模拟开关；模拟开关对多个采集通道进行高频切换，并在同一时刻只输出一个采集通道的信号；S3：对模拟开关输出的信号进行处理后生成比对信号；S4：将比对信号与初始信号中相同采集通道的数据进行比对，并根据比对结果诊断采集通道。

本实施例实施时，首先监测传感器的多采集通道是对轨道信号上的电压、电流等电信号进行采集，通过增益变换处理后，使得调理后的信号刚好适合ADC信号采集，完成正常通道的数据采集功能。而独立的诊断通道则是在各采集通道前端采用了一种模拟开关对所有采集通道进行并行采集，而模拟开关的切换时间为微秒级，加上切换等待，切换保持等时间损耗，可以在毫秒完成所有通道的切换采集。该诊断电路中的模拟开关属于多对一的情况，即多个通道连接，每个单位时间只有一个通道导通有效，而在模拟开关的后端则是和采集通道后端一样的增益处理电路，同样的器件，同样的参数，以实现各通道和诊断通道这两组ADC采集后的有效值理论上应该一样，实际上也是非常的接近。控制器接收到的这两组采集有效值后，通过诊断电路和仲裁机制进行对多组数据进行比较处理，最终得到诊断后的结果，上报预警。

实施例7

本实施例在实施例6的基础上，步骤S1中所述处理包括增益变换和模数转换。步骤S1中的处理过程及参数与步骤S3中的处理过程及参数相同。步骤S4包括以下子步骤：通过诊断电路和/或仲裁机制对多组数据进行比较处理，并在偏离值超过阈值时预警。

本实施例实施时，采用诊断通道和采集通道同步采集实现了对轨道信号监测传感器的自我状态监测，实时掌握通道自身工作状态，可靠性更高，使用更安全；对监测传感器通道出现故障后可以及时上报故障信息，让电路失效消灭在萌芽，及时放弃通道数据，让通道脱离工作状态，使得故障第一时间导向安全；.该方法主要采用了自诊断形式实现了在轨道信号监测传感器领域仅仅只有监测功能，对监测传感器和铁路监测设备都具有更安全使用优势。

实施例8

本实施例在实施例1～7的基础上，首先监测传感器的多采集通道是对轨道信号上的电压、电流等电信号进行采集，通过增益变换处理后，使得调理后的信号刚好适合ADC信号采集，完成正常通道的数据采集功能。而独立的诊断通道则是在各采集通道前端采用了一种模拟开关对所有采集通道进行并行采集，而模拟开关的切换时间为微秒级，加上切换等待，切换保持等时间损耗，可以在毫秒完成所有通道的切换采集。该诊断电路中的模拟开关属于多对一的情况，即多个通道连接，每个单位时间只有一个通道导通有效，而在模拟开关的后端则是和采集通道后端一样的增益处理电路，同样的器件，同样的参数，以实现各通道和诊断通道这两组ADC采集后的有效值理论上应该一样，实际上也是非常的接近。控制器接收到的这两组采集有效值后，通过诊断电路和仲裁机制进行对多组数据进行比较处理，最终得到诊断后的结果，上报预警。

具体方案则是8路采集通道前端分别采集到的轨道信号同时也连接到了模拟开关的8个选通电路中，当监测传感器运行起来后，模拟开关的8个选通开关将进行轮询切换采集8路采集通道采集到的相同信号，而模拟开关的后端则和8路采集通道采用了相同的电路参数。控制器将会采集到8组非常接近的数据，每组数据由每个输入通道，分别通过采集通道和诊断通道采集而来。在这8组数据的逻辑处理则是通过诊断电路和仲裁机制来判断，具体的真值表如下表1所示。

表1自诊断真值表

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于轨道信号监测传感器采集通道的自检系统，包括多个采样电路，其特征在于，还包括诊断电路和ADC模块；所述诊断电路包括模拟开关和调理电路，且模拟开关连接于调理电路，所述调理电路连接于ADC模块；所述采样电路的数量与输入信号线路的数量一样，且每个采样电路匹配一条输入信号线路；每一路输入信号线路均通过与之匹配的采样电路连接于ADC模块；每一路输入信号线路均连接于模拟开关；所述模拟开关对不同的输入信号线路进行高频切换。

2.根据权利要求1所述的一种用于轨道信号监测传感器采集通道的自检系统，其特征在于，所述调理电路和每一路采样电路结构均相同。

3.根据权利要求1所述的一种用于轨道信号监测传感器采集通道的自检系统，其特征在于，所述采样电路包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C2和放大器Q1；所述电阻R5的一端接输入信号线路，另一端接放大器Q1的同相输入端；所述电阻R6的一端接基准电压，另一端接放大器Q1的反相输入端；所述电阻R7的一端接放大器Q1的反相输入端，另一端接放大器Q1的输出端；所述电阻R8的一端接放大器Q1的输出端，另一端接ADC模块；所述电容C2的一端接ADC模块，另一端接地。

4.根据权利要求1所述的一种用于轨道信号监测传感器采集通道的自检系统，其特征在于，所述调理电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和放大器Q2；所述电阻R1的一端接模拟开关，另一端接放大器Q2的同相输入端；所述电阻R2的一端接基准电压，另一端接放大器Q2的反相输入端；所述电阻R3的一端接放大器Q2的反相输入端，另一端接放大器Q2的输出端；所述电阻R4的一端接放大器Q2的输出端，另一端接ADC模块；所述电容C1的一端接ADC模块，另一端接地。

5.根据权利要求1所述的一种用于轨道信号监测传感器采集通道的自检系统，其特征在于，所述模拟开关为8选1模拟开关，且输入信号线路的数量为8条；所述8条输入信号线路分别接入模拟开关的X0、X1、X2、X3、X4、X5、X6和X7引脚；所述模拟开关的X引脚接调理电路。

6.一种用于轨道信号监测传感器采集通道的自检方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对传感器的多个采集通道进行同步采集后处理，生成一组初始信号；

S2：将传感器的多个采集通道接入模拟开关；模拟开关对多个采集通道进行高频切换，并在同一时刻只输出一个采集通道的信号；

S3：对模拟开关输出的信号进行处理后生成比对信号；

S4：将比对信号与初始信号中相同采集通道的数据进行比对，并根据比对结果诊断采集通道。

7.根据权利要求6所述的一种用于轨道信号监测传感器采集通道的自检方法，其特征在于，步骤S1中所述处理包括增益变换和模数转换。

8.根据权利要求6所述的一种用于轨道信号监测传感器采集通道的自检方法，其特征在于，步骤S1中的处理过程及参数与步骤S3中的处理过程及参数相同。

9.根据权利要求6所述的一种用于轨道信号监测传感器采集通道的自检方法，其特征在于，步骤S4包括以下子步骤：

通过诊断电路和/或仲裁机制对多组数据进行比较处理，并在偏离值超过阈值时预警。