CN109941315B - 一种数据处理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种数据处理装置及方法，设置有数据采集模块，选择与下发的数据采集指令中的模式切换指令相对应的工作模式，并使用选择的工作模式采集列车通信网络TCN网路中的模拟信号，模式切换指令用于使数据采集模块选择MVB模式或WTB模式之一，即数据处理装置可以选择MVB模式或WTB模式来进行数据采集，适配工作模式多样化。另外，使用数据采集模块采集得到TCN网路中的模拟信号后，使用ADC模数转换器依据数据采集指令中的采样率对模拟信号进行数据采集，并转换得到数字信号，即通过ADC模数转换器可以采集得到波形信号，并且使用数据处理模块对数字信号进行解码和故障分析操作。

Description

一种数据处理装置及方法

技术领域

本发明涉及数据处理领域，更具体的说，涉及一种数据处理装置及方法。

背景技术

TCN网络(Train Communication Network列车通信网络)是目前主流的轨道交通车辆网络，主要包括多功能车辆总线(Multifunction Vehicle Bus，MVB)和铰接式列车总线(wire train bus，WTB)。TCN网络承担着车内牵引、制动、主控、远程IO等模块在内的设备之间的信息传递工作。

列车运行过程中MVB总线及WTB总线报文数据的实时监控及记录需求变得十分重要，现有技术中TCN网络只能支持单一总线模式，即支持MVB或WTB模式，有的甚至只能支持MVB下的ESD模式或EMD模式中的一种。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种数据处理装置及方法，以解决TCN网络只能支持单一总线模式，即支持MVB或WTB模式，有的甚至只能支持MVB下的ESD模式或EMD模式中的一种的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种数据处理装置，包括：

数据采集模块、ADC模数转换器和数据处理模块；所述数据采集模块、所述ADC模数转换器和所述数据处理模块依次连接；

所述数据采集模块用于：选择与下发的数据采集指令中的模式切换指令相对应的工作模式，并使用选择的所述工作模式采集列车通信网络TCN网路中的模拟信号；所述模式切换指令用于使所述数据采集模块选择多功能车辆总线MVB模式或铰接式列车总线WTB模式之一；

所述ADC模数转换器用于：依据所述数据采集指令中的采样率对所述模拟信号进行数据采集，并转换得到数字信号；

所述数据处理模块用于：对所述数字信号进行数据处理操作；所述数据处理操作包括数据存储、解码、故障分析以及对所述数据采集模块和所述ADC模数转换器进行配置。

优选地，所述数据采集模块包括接口切换模块、端接电阻配置模块、通直隔直切换模块、运放模块和四个连接器；四个所述连接器分别连接所述接口切换模块的输入端；所述接口切换模块的输出端与所述通直隔直切换模块的输入端连接；所述通直隔直切换模块的输出端通过电阻与所述运放模块的输入端连接；所述端接电阻配置模块的控制端、所述接口切换模块的控制端、所述通直隔直切换模块的控制端分别与所述数据处理模块的输出端连接，所述运放模块的输出端与所述ADC模数转换器的输入端连接；

所述接口切换模块用于：接入与所述工作模式对应的连接器，并通过接入的所述连接器采集TCN网路的初始模拟信号；所述工作模式包括WTB模式、MVB模式下的ESD、EMD或ESD+模式；

所述端接电阻配置模块用于：接入与所述工作模式对应的端接电阻；

所述通直隔直切换模块用于：在所述ESD模式下，执行通直流量操作，在所述EMD模式或所述ESD+模式下，执行隔直流量操作；

所述运放模块用于：对所述初始模拟信号进行两级缩放处理，得到所述模拟信号。

优选地，还包括电源模块，所述电源模块用于为所述数据采集模块、所述ADC模数转换器和所述数据处理模块供电；

所述电源模块包括：

直流转直流电源模块、交流转直流电源模块、锂电池及充放电电路、电源管理芯片、电源通道选择模块和供电模块；所述直流转直流电源模块的输出端和所述交流转直流电源模块的输出端分别与所述电源通道选择模块的输入端连接，所述电源通道选择模块的输出端、所述锂电池及充放电电路的输出端分别与所述电源管理芯片连接；所述锂电池及充放电电路的输入端与所述电源通道选择模块的输出端通过MOS管连接；所述电源通道选择模块的输出端和所述锂电池及充放电电路的输出端通过MOS管与所述供电模块的输入端连接；所述供电模块的输出端与所述数据采集模块、所述ADC模数转换器和所述数据处理模块分别连接；所述供电模块的控制端与所述电源管理芯片连接；

所述直流转直流电源模块用于：将直流电源经过EMC防护及滤波电路后，通过DCDC直流转直流隔离模块进行直流转换，输出12V的低压直流电；

所述交流转直流电源模块用于：对交流电源进行交流转直流转换后输出12V的低压直流电；

所述锂电池及充放电电路用于：使用所述直流转直流电源模块和所述交流转直流电源模块输出的低压直流电进行充电操作，将锂电池状态信息通过I2C总线发送给所述电源管理芯片以及锂电池放电输出；

所述电源通道选择模块用于：选择所述直流转直流电源模块或所述交流转直流电源模块对所述锂电池及充放电电路、所述供电模块供电，以及将所述直流转直流电源模块和所述交流转直流电源模块的电源状态信息发送至所述电源管理芯片；

所述电源管理芯片用于：根据所述锂电池状态信息、所述直流转直流电源模块和所述交流转直流电源模块的电源状态信息确定所述供电模块的通断；

所述供电模块用于：为所述数据采集模块、所述ADC模数转换器和所述数据处理模块供电。

优选地，所述直流转直流电源模块包括EMC防护及滤波电路和DCDC直流转直流隔离模块；

所述交流转直流电源模块包括交流转直流隔离模块或适配器。

优选地，还包括通信模块；所述通信模块与所述数据处理模块通过以太网连接；所述通信模块包括无线通信模块和/或以太网端口；

所述数据处理模块可以通过所述无线通信模块或所述以太网端口与外接设备通信。

一种数据处理方法，应用于上述的数据处理模块，所述数据处理方法包括：

对所述数字信号进行非标准波形处理，得到待分析信号；

对所述待分析信号进行解码和故障分析。

优选地，所述对所述数字信号进行非标准波形处理，得到待分析信号，包括：

若所述数字信号中的电平值大于高电平最小值，将所述电平值设置为第一预设数值；

若所述数字信号中的电平值小于低电平最小值，将所述电平值设置为第二预设数值；

若所述数字信号中的电平值位于所述低电平最小值和所述高电平最小值之间，直接输出，并增加静默期标识。

优选地，对所述待分析信号进行解码和故障分析，包括：

确定所述待分析信号中当前帧的帧起始位置和帧结束位置；

识别当前帧头是否存在故障；若存在帧头故障，输出帧头故障标志；

若不存在所述帧头故障，则对所述当前帧打上时间戳，并进行解码处理，得到解码结果；

区分所述当前帧属于主帧还是从帧；

若为主帧，识别主帧故障内容；

若为从帧，识别从帧故障内容。

优选地，若不存在所述帧头故障，则所述对所述当前帧打上时间戳，并进行解码处理，得到解码结果之后，还包括：

依据所述解码结果，确定所述当前帧的类型以及所述解码结果对应的通信数据。

优选地，所述若为主帧，识别主帧故障内容和若为从帧，识别从帧故障内容之后，还包括：

若所述当前帧为主帧，则确定前一个主帧和所述当前帧的时间间隔是否正确；

若所述当前帧为从帧，则确定前一个从帧和所述当前帧的时间间隔是否正确。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种数据处理装置及方法，设置有数据采集模块，选择与下发的数据采集指令中的模式切换指令相对应的工作模式，并使用选择的所述工作模式采集列车通信网络TCN网路中的模拟信号，所述模式切换指令用于使所述数据采集模块选择MVB模式或WTB模式之一，即通过本发明提供的数据处理装置可以选择MVB模式或WTB模式来进行数据采集，即可以适用于不同的工作模式，适配工作模式多样化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种数据处理装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种数据处理方法的方法流程图；

图3为本发明实施例提供的另一种数据处理方法的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种数据处理装置，数据处理装置可以是TCN综合分析仪，参照图1，可以包括：

数据采集模块102、ADC模数转换器103和数据处理模块104；所述数据采集模块102、所述ADC模数转换器103和所述数据处理模块104依次连接；

所述数据采集模块102用于：选择与下发的数据采集指令中的模式切换指令相对应的工作模式，并使用选择的所述工作模式采集列车通信网络TCN网路中的模拟信号；所述模式切换指令用于使所述数据采集模块102选择多功能车辆总线MVB模式或铰接式列车总线WTB模式之一；

所述ADC模数转换器103用于：依据所述数据采集指令中的采样率对所述模拟信号进行数据采集，并转换得到数字信号；

所述数据处理模块104用于：对所述数字信号进行数据处理操作；所述数据处理操作包括数据存储、解码、故障分析以及对所述数据采集模块和所述ADC模数转换器进行配置。

数据处理模块104采用现场可编程逻辑门阵列FPGA+ARM(Advanced RISCMachines)的构架，和同类产品不一样的是，选用了将两者集成在同一芯片的Zynq平台，很好地提升了数据交互的效率，简化了硬件电路，缩小了板卡面积。FPGA部分程序主要负责模数转换器AD采集控制、波形到报文的解码、报文及波形存储等工作，而ARM端程序主要负责操作系统的运行、分析仪的控制、与上位机131的交互及DMA搬运等工作。

在一种优选的实现方式中，所述数据采集模块102包括接口切换模块1025、端接电阻配置模块1026、通直隔直切换模块1024、运放模块1022和四个连接器1021；四个所述连接器1021分别连接所述接口切换模块1025的输入端；所述接口切换模块1025的输出端与所述通直隔直切换模块1024的输入端连接；所述通直隔直切换模块1024的输出端通过电阻与所述运放模块1022的输入端连接；所述端接电阻配置模块1026的控制端、所述接口切换模块1025的控制端、所述通直隔直切换模块1024的控制端分别与所述数据处理模块104的输出端连接；所述运放模块1022的输出端与所述ADC模数转换器103的输入端连接；

所述接口切换模块1025用于：接入与所述工作模式对应的连接器，并通过接入的所述连接器采集TCN网路的初始模拟信号；所述工作模式包括WTB模式、MVB模式下的ESD、EMD或ESD+模式；

所述端接电阻配置模块1026用于：接入与所述工作模式对应的端接电阻；

所述通直隔直切换模块1024用于：在所述ESD模式下，执行通直流量操作，在所述EMD模式或所述ESD+模式下，执行隔直流量操作；

所述运放模块1022用于：对所述初始模拟信号进行两级缩放处理，得到所述模拟信号。

具体的，TCN总线接口为总线标准的4个DB9连接器，WTB模式按WTB协议标准使用全部4个连接器，并且按WTB协议标准与WTB总线网络进行连接，MVB模式则只使用其中两个指定的DB9接口，按MVB协议标准与MVB总线网络进行连接。采集端支持MVB和WTB信号的A线和B线波形采集，MVB模式支持EMD、ESD、ESD+三种介质。使用接口切换模块1025切换WTB或MVB模式时，用户可以根据实际连接的总线网络，通过外接设备，如上位机131软件或LCD触摸屏，配置接入的是MVB或WTB总线网络模式，在MVB模式下还需选择对应的是ESD、ESD+或EMD网络，数据处理模块104，如设备内部核心处理器Zynq的ARM端在收到了上位机131或触摸屏的指令后，控制继电器矩阵将4个DB9总线接口和2个采集通道进行匹配切换，EMD、ESD与ESD+还要按协议标准使用通直隔直切换模块1024对通直和隔直进行切换，此外本发明还配置了端接模式，即本发明可以作为总线的端节点来使用，在切换ESD、ESD+或EMD模式时，对应的端接电阻和端接电路也会被端接电阻配置模块1026中的继电器连接到对应的接口上。MVB和WTB模式不会同时使用，故而可以公用DB9接口和采集通道对TCN设备110的数据进行采集，这样减少了多个接口和多路采集通道，相应的也直接缩小了板卡面积、设备的体积和宽度。用继电器进行切换的设计无论切换到何种总线及介质模式，都不会产生信号线的分叉，不会影响到采集到的波形质量。

本实施例中采集的信号通过2.2M电阻输入到运放模块1022中，运放模块1022采用两级运放将通过继电器切换后的A线和B线的总线波形进行缩放，第一级先用双运放分别将差分的两端缩放11倍，第二级用全差分运放将差分信号作差转换为单端并再缩放2倍后送入ADC模数转换器103中进行模数转换。搭建模拟电路采集的方式既能得到完整的MVB或WTB信号波形，也不需要集成示波器，大幅缩小了设备的体积、重量、功耗和成本。ADC模数转换器103将模拟前端采集到的模拟波形转换为数字量发送给Zynq平台的FPGA端进行解码操作。ADC精度为12位，采样率最高可达240M，采样率和采样时长可以由用户通过外接设备，如上位机131软件进行配置，Zynq的ARM端收到指令后对ADC模数转换器103进行相应配置。

可选的，在本实施例的基础上，还包括通信模块111；所述通信模块111与所述数据处理模块104通过以太网连接；所述通信模块111包括无线通信模块121和/或以太网端口122；

所述数据处理模块104可以通过所述无线通信模块121或所述以太网端口122与外接设备通信。

具体的，以太网端口通过标准RJ45网线与外接设备，如上位机131，有线连接，或可选择配置无线通信模块121，如WIFI模块，对模块网段进行配置后使其与本实施例中的数据处理模块104工作在同一网段，WIFI模块通过与数据处理模块104用以太网的方式有线连接，而上位机131则通过WIFI模块、天线123与数据处理模块104进行无线交互。这样上位机131与数据处理模块之间没有连接线，方便用户携带上位机131在车厢或者车外一定范围内对设备通过上位机131软件进行控制，执行各种指令。如果不配置WIFI模块，亦可通过有线连接的方式将上位机131用网线与本发明通过以太网端口122和以太网PHY132进行直连，一样能正常工作。屏幕107可显示Zynq提供的系统时间、内部温度、电池电量、硬盘容量等一系列信息，亦可通过触控的方式对Zynq下达配置采集模式、采集时长等指令。

本实施例中，设置有数据采集模块102，选择与下发的数据采集指令中的模式切换指令相对应的工作模式，并使用选择的所述工作模式采集列车通信网络TCN网路中的模拟信号，所述模式切换指令用于使所述数据采集模块102选择MVB模式或WTB模式之一，即通过本发明提供的数据处理装置可以选择MVB模式或WTB模式来进行数据采集，即可以适用于不同的工作模式，适配工作模式多样化。

另外，使用数据采集模块102采集得到TCN网路中的模拟信号后，使用ADC模数转换器103依据所述数据采集指令中的采样率对所述模拟信号进行数据采集，并转换得到数字信号，即通过ADC模数转换器103可以采集得到波形信号，并且可以使用数据处理模块104对所述数字信号进行解码和故障分析操作。

可选的，在上述任一实施例的基础上，参照图1，所述数据处理装置还包括电源模块101，电源模块101用于为所述数据采集模块102、所述ADC模数转换器103和所述数据处理模块104供电；

所述电源模块101包括：

直流转直流电源模块、交流转直流电源模块、锂电池及充放电电路1013、电源管理芯片1011、电源通道选择模块1019和供电模块1015；所述直流转直流电源模块的输出端和所述交流转直流电源模块的输出端分别与所述电源通道选择模块1019的输入端连接，所述电源通道选择模块1019的输出端、所述锂电池及充放电电路1013的输出端分别与所述电源管理芯片1011连接；所述锂电池及充放电电路1013的输入端与所述电源通道选择模块1019的输出端通过MOS管连接；所述电源通道选择模块1019的输出端和所述锂电池及充放电电路1013的输出端通过MOS管与供电模块1015的输入端连接；所述供电模块1015的输出端与所述数据采集模块102、所述ADC模数转换器103和所述数据处理模块104分别连接；所述供电模块1015的控制端与所述电源管理芯片1011连接；

所述直流转直流电源模块用于：将直流电源经过EMC防护及滤波电路后，通过DCDC直流转直流隔离模块进行直流转换，输出12V的低压直流电；

所述交流转直流电源模块用于：对交流电源进行交流转直流转换后输出12V的低压直流电；

所述锂电池及充放电电路1013用于：使用所述直流转直流电源模块和所述交流转直流电源模块输出的低压直流电进行充电操作，将锂电池状态信息通过I2C总线发送给所述电源管理芯片以及锂电池放电输出；

所述电源通道选择模块1019用于：选择所述直流转直流电源模块或所述交流转直流电源模块对所述锂电池及充放电电路、所述供电模块供电，以及将所述直流转直流电源模块和所述交流转直流电源模块的电源状态信息发送至所述电源管理芯片1011；

所述电源管理芯片1011用于：根据所述锂电池状态信息、所述直流转直流电源模块和所述交流转直流电源模块的电源状态信息确定所述供电模块1015的通断；所述供电模块1015用于：使用所述直流转直流电源模块、所述交流转直流电源模块和所述锂电池及充放电电路1013中的一个供电。

在一种优选的实现方式中，所述直流转直流电源模块包括EMC防护及滤波电路1112和DCDC直流转直流隔离模块1018；

所述交流转直流电源模块包括交流转直流隔离模块或适配器1110；

所述供电模块1015先将切换后的直流转直流电源模块、交流转直流电源模块或锂电池的输入转换成给数字电路用的5V和3.3V的电源输出，5V分一部分通过推挽隔离器105和模拟端LDO 106转换成模拟电路用的+-5V和1.8V，3.3V转换成其他给数字电路部分用的1.8V、1.5V、1.2V、1.0V。

具体的，外部供电电源口有两个，电源接口1可以与15-160V的直流供电模块1113连接，电源接口2用来连接交流转直流隔离模块或适配器1110，通过交流转直流隔离模块或适配器1110连接外接的交流供电模块1111。

本实施例可使用15V-160V的超宽范围的直流供电模块1113供电，硬件电路通过宽输入范围DCDC直流转直流隔离模块1018转为低压直流电供电，也可使用适配器或交流转直流隔离模块接市电交流220VAC的交流供电模块1111，并转为低压直流电供电，两路供电电路会分别流过MOS管的源级和漏极再对下级电路供电，当两路供电同时存在时，电源通道选择模块1019会通过控制外置MOS管1016和1017的栅极来进行电源选择，这样既能通过MOS管过大电流，保持系统正常功耗需求，又能控制电源通道的通断，防止一起灌入后级系统或发生倒灌。此外，还可以配置过压和欠压反馈电路来设置正常电压的窗口值，判断时，以直流供电为主电源，当直流转直流电源模块在窗口值以内时，不会使用交流转直流电源模块。两路电源是否在正常窗口值范围内的判断结果会被传给电源管理芯片1011，即STM32。

本发明不仅应用于实验室环境，更多的是应用于车载环境，故针对车上较恶劣的电气环境设置了EMC防护及滤波电路1112，包括壳体屏蔽、接口LC滤波、压敏电阻浪涌防护、机壳地内部地隔离防护等，使本实施例能够满足欧标EN50121-3-2:2016标准第7项和第8项中关于电磁辐射骚扰试验、射频电磁场辐射抗扰度、电源端骚扰电压、静电放电抗扰度试验、电快速瞬变脉冲群抗扰度试验、浪涌抗扰度试验及传导骚扰抗扰度试验的所有项目，在车载环境中能够真正做到长期使用。

经验模态分解EMD中距离传输介质模式不再采用传统的变压器隔离模式，而只使用隔直电容隔除直流量。传统的变压器隔离的作用是防止设备和总线之间噪声的互相干扰，防止设备出现问题影响总线通信质量。而本发明由于整个设备系统的三种电源和外部总线通过电源模块101的隔离而彻底隔开，故本发明相对外部总线一直是处于悬浮的隔离状态。如图1中所示，直流一路选用宽压输入范围的DCDC直流转直流隔离模块1018对电源模块101进行隔离，而交流一路选择交流转直流隔离模块或适配器转为直流低压作为输入，而锂电池供电本身就与外部电源没有关系，即系统电源输入端与外部电源是隔离的。此外，本发明的系统电源和模拟前端电源通过推挽式隔离器105再次隔断，再加上模拟前端LDO供电的超低噪声，本低噪声在微伏级；模拟前端通过在运放输入端电阻采用1.1M欧高阻值串接设计，使得本发明的整个系统拥有高阻输入特性，输入阻抗高达2.2M欧，接入TCN总线工作时，对总线正常通信无干扰。因此，本发明在EMD模式下不需要进行变压器隔离。

本实施例配置的12Ah(86Wh)锂电池及充放电电路1013，锂电池由外接电源进行充电，供电优先级在两路外接电源之下，即只在无外接电源的情况下才进行供电。可供设备在无外接电源的情况下工作5小时以上，方便用户在列车关电调试时使用本设备，且锂电池电量在国内航班允许携带的锂电池电量范围以内，能够带上飞机去指定地点的列车上进行使用。本发明为锂电池搭建了充放电电路，使用专门的DCDC降压充电芯片对其进行充电管理，并用该芯片控制外接电源与电池的切换选择MOS管1014，控制其放电优先级在外接电源之下，使用STM32对其电量和充放电过程进行监控。

电源模块101配有STM32作为电源系统的主控制器，对电源系统进行健康管理。STM32能够实时监控各路电源的健康状态，并将状态通过I2C总线传给数据处理模块104Zynq，如果有电源异常的状况，会通过显示屏或上位机131软件反馈给用户，提示故障情况。STM32会对锂电池进行健康管理。在有外接直流或交流主电源的情况下，优先以外接电源供电，锂电池不放电；当外接电源关断或不存在时，电池供电，这时如果电池电量跌到健康值以下，STM32通过I2C通知Zynq关机，之后将后级电源芯片关断，使整个设备系统处于超低耗状态；当开机时，监测主电源是否连接及电池电量是否过低，如果主电源未连接且电量低于健康值，STM32不会让后级电源芯片启动，系统不启动。这样的管理能有效防止电池经常处在低电量或过放电的状态，缩减寿命。设备内部配置有温度传感器，配合STM32内置的监控内核温度的传感器，实时监控设备内的环境温度，如果环境温度过高，则STM32会启动风扇1012进行散热。此外，数据处理模块104Zynq上部也安装配置了专门的风扇109，当Zynq内核温度高于一定值时，该风扇109会被Zynq控制启动，对Zynq进行散热。

本实施例中，设置了三路供电电路，可以在不同的场景下使用不同的供电电路，并且使用隔离设置，在接入TCN总线工作时，对总线正常通信无干扰。

MVB和WTB的解码规则不一样，MVB总线下的EMD、ESD、ESD+三种工作模式解码规则也不一样，本发明在Zynq下的FPGA模块中配置了WTB和MVB下的EMD、ESD、ESD+共计4种解码器，以匹配相应的网络模式选择和对应的接口电路。解码器严格按照TCN总线协议执行解码，并能够判定多种不同类型的报文错误，并将波形解码的报文结果以及识别到的报文错误通过上位机131反馈给用户。下面介绍下具体解码过程。

可选的，在上述数据处理装置的实施例的基础上，本发明的另一实施例提供了一种数据处理方法，应用于上述的数据处理模块104，参照图2，所述数据处理方法包括：

S11、对所述数字信号进行非标准波形处理，得到待分析信号。

在一种优选的实现方式中，步骤S11可以包括：

1)若所述数字信号中的电平值大于高电平最小值，将所述电平值设置为第一预设数值；

2)若所述数字信号中的电平值小于低电平最小值，将所述电平值设置为第二预设数值；

3)若所述数字信号中的电平值位于所述低电平最小值和所述高电平最小值之间，则直接输出，并增加静默期标识。

具体的，FPGA先将从ADC模数转换器103得到的编码值传递给阈值模块，阈值模块根据上位机131的设置，进行判断:当大于高电平最小值的时候，输出第一预设数值，如1编码，当小于低电平最小值的时候，输出第二预设数值，如0编码，当位于两者之间时，编码值不变。此外，当电平位于静默电平最大值与静默电平最小值之间时，会输出一个静默电平信号。阈值模块的编码信号和静默电平信号将作为解码器模块的输入信号。

S12、对所述待分析信号进行解码和故障分析。

本实施例中，可以获取到波形数据，并且还可以对波形数据进行分析，根据信号类型为WTB或MVB，分别进行不同的解码处理和故障分析，进而可以使用数据分析结果准确评估网络健康质量，准确定位故障。

可选的，在上述数据处理方法的实施例的基础上，步骤S12可以包括：

S21、确定所述待分析信号中当前帧的帧起始位置和帧结束位置。

解码器模块中，无论WTB还是MVB信号，都要确定当前帧的帧起始位置和帧结束位置。

首先通过滤波算法去除总线上的毛刺。然后根据静默电平和编码信号的临界点找到帧起始位置。具体的，当静默期电平存在一定时间、非静默期电平的数据符合协议，以及出现通信协议规定的MVB或者WTB帧头格式，即可确定找到了帧起始位置。

当检测到NL_NH或者NH_NH及NL_NL(NL指一个比特位的常低，NH指一个比特位的常高，这三个就是常低常高的三种数字电平组合)的时候认为检测到正确或者错误帧尾，即帧结束位置。

S22、识别所述当前帧头是否存在故障；若不存在帧头故障，执行步骤S23；若存在帧头故障，则执行步骤S25，并返回执行步骤S21。

具体的，根据采样率确定每一个比特bit的采样点数，从帧的起始位置开始计算每个比特bit的点数区间范围，开始曼彻斯特解码，直到检测到帧尾。

MVB和WTB信号的整个解码过程按照先后顺序依次分成三层：物理层，链路层和报文层。其中，WTB的报文层解析可以选择在ARM端进行或者在该解码器模块中进行。物理层是负责物理波形的解码，能够识别的错误包括帧头错误，非曼码错误和帧尾错误。

具体的，当开始曼彻斯特解码后，如果是MVB信号，则对从帧的起始点开始截取符合MVB通信协议长度信号的解码结果和协议标准进行对比分析，如果不符合协议，认为是帧头错误；若符合协议，则可以根据帧头格式确定该帧是主帧还是从帧。并继续判断非曼码错误及帧尾错误。当检测到帧尾且帧尾符合模式定义(EMD模式为NL_NH，ESD及ESD+模式为NL)，则认为帧尾正确，否则判断为帧尾错误。如果帧头和帧尾之间存在NL或者NH电平，则认为存在非曼码错误。

如果是WTB信号，则从帧的起始点开始根据高级数据链路控制HDLC规则进行冗余数据去除，之后寻找曼彻斯特编码的(0,1)对。如果存在7到15个(0,1)对且紧跟着的下一位bit为1，则认为帧头正确，否则认为帧头错误。若帧头正确的情况下，继续判断非曼码错误及帧尾错误。当检测到帧尾时，若帧尾为NH_NH，则符合协议，否则认为有帧尾故障。在帧头和帧尾之间存在NL或者NH电平，则认为存在非曼码错误。

S23、对所述当前帧打上时间戳，并进行解码处理，得到解码结果。

S24、依据所述解码结果，确定所述当前帧的类型以及所述解码结果对应的通信数据。执行步骤S24之后，执行步骤S26.

S25、输出帧头故障标志。

具体的，输出帧头故障标志之后，返回执行步骤S21，当当前帧接收完之后，继续检测下一帧。

S26、区分所述当前帧属于主帧还是从帧；若属于主帧，执行步骤S27；若属于从帧，执行步骤S28。

针对MVB信号，链路层的作用是根据物理层的解码，确定当前帧的内容与协议是否一致。若为主帧，则在帧头结束后分别截取符合协议的功能编码FCODE，地址ADDRESS及循环冗余校验CRC长度，将数据记录下来。若为从帧，则将帧头结束后符合协议中主帧FCODE值表示的从帧数据长度及CRC校验长度的数据段截取，并将数据记录下来。

针对WTB信号，链路层的作用是截取符合协议的起始标志位，目标地址，链路控制，源地址，数据长度数据段并记录下来，同时将数据长度结束后直到结束标志位或帧尾的数据段记录下来。如果该段数据中存在结束标志位(0x7E)，则将结束标志位之前的16个比特bit数据认为帧校验FCS数据，数据长度字段及FCS字段之间的数据为帧数据内容。结束标志位之后若与帧尾之间还有其他数据，则认为结束标志位错误。若该段数据中不存在结束标志位，则同样认为结束标志位错误，并根据数据长度字段表示的长度，将数据长度字段之后相应长度的数据认为是帧内容数据，之后16个比特bit数据认为是FCS数据，其他数据舍弃直到帧尾。此外，根据链路控制字段，还能区分该帧为主帧还是从帧。

S27、识别主帧故障内容。

MVB信号下，当FCODE的值不符合协议标准，则认为FCODE值错误。若记录的CRC(校验值)数据段与通过FCODE和ADDRESS计算出来的CRC值不一致时，则认为CRC值错误。

WTB信号下，将比较数据长度与实际数据长度是否一致，若不一致，则认为数据长度错误。再比较FCS的值和根据目标地址字段到数据长度字段之间所有值计算出来的FCS结果进行比较，如果不同，则认为FCS错误。

S28、识别从帧故障内容。

MVB信号下，当数据长度与前一个主帧的FCODE值表示的长度不一致时，认为存在数据长度错误。若存在一段或者数段CRC校验值与对应数据段计算出的值不一致，则认为存在CRC值错误。

WTB信号下，将比较数据长度与实际数据长度是否一致，若不一致，则认为数据长度错误。再比较FCS的值和根据目标地址字段到数据长度字段之间所有值计算出来的FCS结果进行比较，如果不同，则认为FCS错误。

可选的，在本实施例的基础上，执行步骤S27和S28之后，还包括：

若该当前帧为主帧，则确定所述前一个主帧和所述当前帧的时间间隔是否正确；

若该当前帧为从帧，则确定所述前一个从帧和所述当前帧的时间间隔是否正确。

具体的，若为MVB信号，报文层的作用是根据链路层的信息，确定报文之间的前后关系是否正常。能够识别的错误是主帧缺失、从帧缺失、从帧寂静、从帧超时、主从帧间隔过短及主主帧间隔过长。需要指出的是，所有报文层的错误均是指当前帧和前一帧的关系错误。特别的，当总线上主帧检测后的2ms内没有从帧回复，人为添加一个虚拟的寂静帧，通过从帧寂静这个错误可以把该主帧内容及时反馈给用户。

若当前帧为主帧，若该帧不是探测到的第一个主帧且前一帧为主帧或者寂静帧，则认为从帧缺失。若该帧不是探测到的第一个主帧，则与前一个获取的主帧时戳值相减，与用户设定的主主帧时间间隔进行比较，如果大于用户设定的值，则认为主主帧间隔过长。

若当前帧为从帧，若该帧不是探测到的第一帧且前一帧为从帧或者寂静帧，则认为主帧缺失。若该帧不是探测到的第一帧且前一帧为主帧则将该帧与前一个主帧时戳值相减，与用户设定的主从帧时间间隔最大值及主从帧时间间隔最小值进行比较，若小于主从帧时间间隔最小值，则认为主从帧间隔过短，若大于主从帧时间间隔最大值，则认为从帧超时。

若为WTB信号，报文层的作用是确定报文之间的前后关系是否正常。能够识别的错误是主帧缺失、从帧缺失、从帧超时、主从帧间隔过短及主主帧间隔过长。若当前帧为主帧，若将该帧不是探测到的第一个主帧且前一帧为主帧，则认为从帧缺失。若该帧不是探测到的第一个主帧，则与前一个获取的主帧时戳值相减，与用户设定的主主帧时间间隔进行比较，如果大于用户设定的值，则认为主主帧间隔过长。

若当前帧为从帧，若将是探测到的第一个主帧且前一帧为从帧或者寂静帧，则认为主帧缺失。若该帧不是探测到的第一帧且前一帧为主帧则将该帧与前一个主帧时戳值相减，与用户设定的主从帧时间间隔最大值及主从帧时间间隔最小值进行比较，若小于主从帧时间间隔最小值，则认为主从帧间隔过短，若大于主从帧时间间隔最大值，则认为从帧超时。

用户可以从上位机131按照正确帧及不同报文的错误类型进行触发配置，之后针对触发类型开启持续触发记录模式，持续记录的波形及解码出的对应报文会被ARM端存储在分析仪的SSD(固态硬盘,Solid State Disk)108硬盘中，SSD108硬盘会分区成波形存储区及报文存储区，需要查看时上位机131可从分析仪中直接取出其中的某段波形及报文来查看。用户也可从上位机131直接进行单次波形采集命令，这将使分析仪单独采集一次波形，并将其解码后存储在SSD108中，同样地在上位机131上通过从分析仪SSD108中提取来查看波形及报文。无论是持续触发还是单次触发，在上位机131界面上都可以实时展示动态波形数据和报文数据，有专门的监视窗口来监视数据状态是否正常，如果异常能提示异常类型。上位机131软件不仅能完整地展示波形，而且具有多种波形分析功能选项供用户对波形进行细致的分析，包括脉冲稳态幅值、过零点斜率、脉冲过冲量及百分比、脉冲时钟抖动百分比、帧电平幅值、帧结束300ns后极值等，此外软件还针对MVB或WTB波形提供频谱分析和眼图等解析功能。

本实施例还会充分考虑列车由于在不同地域不同季节运行时相差很大的环境温度变化，所有器件的工作温度均满足宽温的工业级指标，尤其是存储用SSD108硬盘在低温环境下仍然能正常进行存储工作，不会像绝大多数存储设备那样在零度以下的环境中无法启动。

本实施例中，使用数据处理模块104可以识别波形故障，在不存在波形故障的情况下，解析得到通信内容。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种数据处理装置，其特征在于，包括：

数据采集模块、ADC模数转换器和数据处理模块；所述数据采集模块、所述ADC模数转换器和所述数据处理模块依次连接；

所述数据采集模块用于：选择与下发的数据采集指令中的模式切换指令相对应的工作模式，并使用选择的所述工作模式、以及MVB模式和WTB公用的TCN总线接口和采集通道，采集列车通信网络TCN网路中的模拟信号；所述模式切换指令用于使所述数据采集模块选择多功能车辆总线MVB模式或铰接式列车总线WTB模式之一；

所述ADC模数转换器用于：依据所述数据采集指令中的采样率对所述模拟信号进行数据采集，并转换得到数字信号；

所述数据处理模块用于：对所述数字信号进行数据处理操作；所述数据处理操作包括数据存储、解码、故障分析以及对所述数据采集模块和所述ADC模数转换器进行配置。

2.根据权利要求1所述的数据处理装置，其特征在于，所述数据采集模块包括接口切换模块、端接电阻配置模块、通直隔直切换模块、运放模块和四个连接器；四个所述连接器分别连接所述接口切换模块的输入端；所述接口切换模块的输出端与所述通直隔直切换模块的输入端连接；所述通直隔直切换模块的输出端通过电阻与所述运放模块的输入端连接；所述端接电阻配置模块的控制端、所述接口切换模块的控制端、所述通直隔直切换模块的控制端分别与所述数据处理模块的输出端连接，所述运放模块的输出端与所述ADC模数转换器的输入端连接；

所述接口切换模块用于：接入与所述工作模式对应的连接器，并通过接入的所述连接器采集TCN网路的初始模拟信号；所述工作模式包括WTB模式、MVB模式下的ESD、EMD或ESD+模式；

所述端接电阻配置模块用于：接入与所述工作模式对应的端接电阻；

所述通直隔直切换模块用于：在所述ESD模式下，执行通直流量操作，在所述EMD模式或所述ESD+模式下，执行隔直流量操作；

所述运放模块用于：对所述初始模拟信号进行两级缩放处理，得到所述模拟信号。

3.根据权利要求1所述的数据处理装置，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块用于为所述数据采集模块、所述ADC模数转换器和所述数据处理模块供电；

所述电源模块包括：

直流转直流电源模块、交流转直流电源模块、锂电池及充放电电路、电源管理芯片、电源通道选择模块和供电模块；所述直流转直流电源模块的输出端和所述交流转直流电源模块的输出端分别与所述电源通道选择模块的输入端连接，所述电源通道选择模块的输出端、所述锂电池及充放电电路的输出端分别与所述电源管理芯片连接；所述锂电池及充放电电路的输入端与所述电源通道选择模块的输出端通过MOS管连接；所述电源通道选择模块的输出端和所述锂电池及充放电电路的输出端通过MOS管与所述供电模块的输入端连接；所述供电模块的输出端与所述数据采集模块、所述ADC模数转换器和所述数据处理模块分别连接；所述供电模块的控制端与所述电源管理芯片连接；

所述直流转直流电源模块用于：将直流电源经过EMC防护及滤波电路后，通过DCDC直流转直流隔离模块进行直流转换，输出12V的低压直流电；

所述交流转直流电源模块用于：对交流电源进行交流转直流转换后输出12V的低压直流电；

所述锂电池及充放电电路用于：使用所述直流转直流电源模块和所述交流转直流电源模块输出的低压直流电进行充电操作，将锂电池状态信息通过I2C总线发送给所述电源管理芯片以及锂电池放电输出；

所述电源通道选择模块用于：选择所述直流转直流电源模块或所述交流转直流电源模块对所述锂电池及充放电电路、所述供电模块供电，以及将所述直流转直流电源模块和所述交流转直流电源模块的电源状态信息发送至所述电源管理芯片；

所述电源管理芯片用于：根据所述锂电池状态信息、所述直流转直流电源模块和所述交流转直流电源模块的电源状态信息确定所述供电模块的通断；

所述供电模块用于：为所述数据采集模块、所述ADC模数转换器和所述数据处理模块供电。

4.根据权利要求3所述的数据处理装置，其特征在于，所述直流转直流电源模块包括EMC防护及滤波电路和DCDC直流转直流隔离模块；

所述交流转直流电源模块包括交流转直流隔离模块或适配器。

5.根据权利要求1所述的数据处理装置，其特征在于，还包括通信模块；所述通信模块与所述数据处理模块通过以太网连接；所述通信模块包括无线通信模块和/或以太网端口；

所述数据处理模块可以通过所述无线通信模块或所述以太网端口与外接设备通信。

6.一种数据处理方法，其特征在于，应用于权利要求1所述的数据处理模块，所述数据处理方法包括：

对所述数字信号进行非标准波形处理，得到待分析信号；

对所述待分析信号进行解码和故障分析。

7.根据权利要求6所述的数据处理方法，其特征在于，所述对所述数字信号进行非标准波形处理，得到待分析信号，包括：

若所述数字信号中的电平值大于高电平最小值，将所述电平值设置为第一预设数值；

若所述数字信号中的电平值小于低电平最小值，将所述电平值设置为第二预设数值；

若所述数字信号中的电平值位于所述低电平最小值和所述高电平最小值之间，直接输出，并增加静默期标识。

8.根据权利要求6所述的数据处理方法，其特征在于，对所述待分析信号进行解码和故障分析，包括：

确定所述待分析信号中当前帧的帧起始位置和帧结束位置；

识别当前帧头是否存在故障；若存在帧头故障，输出帧头故障标志；

若不存在所述帧头故障，则对所述当前帧打上时间戳，并进行解码处理，得到解码结果；

区分所述当前帧属于主帧还是从帧；

若为主帧，识别主帧故障内容；

若为从帧，识别从帧故障内容。

9.根据权利要求8所述的数据处理方法，其特征在于，若不存在所述帧头故障，则所述对所述当前帧打上时间戳，并进行解码处理，得到解码结果之后，还包括：

依据所述解码结果，确定所述当前帧的类型以及所述解码结果对应的通信数据。

10.根据权利要求8所述的数据处理方法，其特征在于，所述若为主帧，识别主帧故障内容和若为从帧，识别从帧故障内容之后，还包括：

若所述当前帧为主帧，则确定前一个主帧和所述当前帧的时间间隔是否正确；

若所述当前帧为从帧，则确定前一个从帧和所述当前帧的时间间隔是否正确。

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