CN114357747B - 一种基于硬件在环的计轴系统电磁兼容仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于硬件在环的计轴系统电磁兼容仿真方法。该方法包括构造包括软件部分和硬件部分的在环仿真平台；在环仿真平台的软件部分仿真实现计轴系统，在环仿真平台的硬件部分包括计轴系统的真实硬件设备，将所述真实硬件设备接入仿真实现的计轴系统；在环仿真平台的软件部分利用现场环境数据重建信号，还原骚扰源，将电磁骚扰信号施加到仿真实现的计轴系统中，对计轴系统的电磁环境进行分析。本发明方法能在短时间内得到计轴设备不同的工作状况，并且虚拟仪器易调、易测的特性便于模拟不同原理的计轴设备，在对比情况下能全面分析不同原理的计轴设备的电磁环境适应性。

Description

一种基于硬件在环的计轴系统电磁兼容仿真方法

技术领域

本发明涉及电子设备电磁兼容技术领域，尤其涉及一种基于硬件在环的计轴系统电磁兼容仿真方法。

背景技术

为考虑和解决各种电气、电子设备在实际使用过程中的电磁兼容问题，各种电子设备在投入使用前要通过国家标准的电磁兼容性试验，对于一些安全性要求更高的设备还需要在实验室进行设备工作状态电磁环境模拟的抗扰度测试。

然而，由于设备工作电磁环境的复杂多变性，传统的实验室电磁兼容测试会与实际电磁环境存在差异，构建模型在仿真软件中进行电磁兼容性预测也会由于建模误差而导致模拟得到的电磁环境和实际有出入，这些是进行电子设备电磁环境适应性分析需要解决的重要问题。

采用交流25kV供电的计轴设备将面临电磁环境，现有技术对将要投入使用的电子设备的电磁兼容性测试是放在实验室中进行，在实验室对计轴设备进行电磁兼容性测试时还原设备实际工作的电磁环境很难实现，从而产生测试误差。同时，单项的标准抗扰度测试也与实际电磁环境差距较大，而且单项测试结果过于单一化，可能导致测试通过，但投入使用时出现电磁兼容性问题。由此，就欠缺整体性的计轴系统电磁环境适应性分析方法。

计轴设备有多种不同的工作原理，主要是其判决计轴采用的方法不同，不同厂家有其各自的制作设计方式。不同计轴原理的设备，所面临的工况，所受到的电磁骚扰会呈现不同的特点，对每种设备进行电磁兼容测试会耗时耗力且对比突出不强烈。

目前，现有技术中还没有一种有效地对电子设备进行电磁兼容性试验的方法。

发明内容

本发明提供了一种基于硬件在环的计轴系统电磁兼容仿真方法，以实现有效地对计轴系统的电磁环境进行分析。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种基于硬件在环的计轴系统电磁兼容仿真方法，包括：

构造包括软件部分和硬件部分的在环仿真平台；

所述在环仿真平台的软件部分仿真实现计轴系统，所述在环仿真平台的硬件部分包括计轴系统的真实硬件设备，将所述真实硬件设备接入仿真实现的计轴系统；

所述在环仿真平台的软件部分利用现场环境数据重建信号，还原骚扰源，将电磁骚扰信号施加到仿真实现的计轴系统中，对计轴系统的电磁环境进行分析。

优选地，所述仿真实现的计轴系统包括车轮传感器和评估单元，所述车轮传感器发送过车信号，评估单元接收过车信号，根据计轴工作原理来判决处理过车信号。

优选地，所述在环仿真平台的软件部分根据计轴工作原理的不同去仿真鉴幅式计轴系统和鉴相式计轴系统；所述鉴幅式计轴系统是当列车经过时车轮传感器内部接收线圈感应信号的幅值发生变化，评估单元根据接收信号幅值变化是否超过门限来计轴；所述鉴相式计轴系统是当列车经过时车轮传感器内部接收线圈感应信号的相位发生变化，评估单元根据接收信号相位变化是否超过门限来计轴。

优选地，所述在环仿真平台的软件部分采用软件闭环仿真形式或者半实物仿真形式将电磁骚扰信号施加到仿真实现的计轴系统中。

优选地，所述在环仿真平台的软件部分采用LabVIEW软件实现。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例的基于硬件在环的计轴系统电磁兼容仿真方法能在短时间内得到计轴设备不同的工作状况，并且虚拟仪器易调、易测的特性便于模拟不同原理的计轴设备，在对比情况下能全面分析不同原理的计轴设备的电磁环境适应性。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种硬件在环仿真平台的结构图；

图2为本发明实施例提供的一种硬件在环仿真平台的工作原理示意图；

图3为本发明实施例提供的一种计轴系统的工作原理示意图；

图4为本发明实施例提供的一种计轴系统的结构图；

图5为本发明实施例提供的一种车轮传感器的软件展示示意图；

图6为本发明实施例提供的一种评估单元的软件展示示意图；

图7和图8为本发明实施例提供的一种软件部分的软件展示示意图；

图9为本发明实施例提供的一种LabVIEW软件搭建的鉴幅式车轮传感器的前面板示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

硬件在环仿真又称为半实物仿真，硬件在环仿真技术是在还原系统实际工作场景的基础上，将整个系统中部分设备以硬件形式接入到硬件在环仿真平台，而另一部分设备则以仿真建模的形式接入到硬件在环仿真平台中。这种融合了软件和硬件的仿真形式相较于纯仿真建模的形式更贴合实际，减小建模方法错误引起的系统误差；同时能在实验室更切实地还原电子设备的电磁环境，在设备设计之初对其进行准确有效的电磁环境适应性分析，保证其投入实际工作后不出现相关电磁兼容性问题。

本发明实施例针对计轴设备的电磁环境适应性分析来进行硬件在环的仿真实现。采用交流25kV供电的计轴设备将面临电磁环境，本发明实施例设计模拟计轴系统，再现现场电磁环境，利用硬件在环技术，实现计轴系统电磁兼容仿真环境适应性分析。

本发明实施例提供了一种硬件在环仿真平台，该平台用LabVIEW软件仿真一个真实的计轴系统，该计轴系统包括车轮传感器和评估单元。该系统任何模块都能替换成真实计轴设备，从而对系统进行电磁兼容性测试，该测试可以使用纯软件或软硬件协同的形式进行。测量出设备工作现场的各种电磁环境数据，将电磁环境数据进行信号重建，还原各式骚扰源，使用NI PXIe系列硬件进行环境数据输出，进一步使用NI SCB-68接线盒一起使用，来使软件仿真的数据与外界硬件数据进行交互。从而实现计轴系统电磁兼容环境适应性分析。

本发明实施例提供的一种硬件在环仿真平台的结构如图1所示，工作原理示意图如图2所示。上述硬件在环仿真平台包括软件和硬件，软件部分由LabVIEW搭建，与硬件联合可进行半实物仿真。

本发明实施例提供了一种硬件在环仿真平台用LabVIEW软件仿真一个真实的计轴系统，该计轴系统的工作原理示意图如图3所示，结构示意图如图4所示，该计轴系统包括车轮传感器和评估单元。

上述硬件在环仿真平台的软件部分要模拟计轴系统的车轮传感器和评估单元，仿真实现计轴系统的主要功能：车轮传感器发送过车信号，评估单元接收过车信号，根据计轴工作原理来判决处理过车信号，上述车轮传感器和评估单元的软件展示分别如图5和图6所示。

上述软件部分的作用是利用现场环境数据重建信号，还原骚扰源，实现电磁骚扰信号，准确地还原电磁环境。然后，将各种电磁骚扰信号加入到计轴系统中，用于进行计轴系统电磁环境适应性的分析，上述软件部分的软件展示如图7和图8所示。

上述硬件在环仿真平台的硬件部分包括计轴系统真实的车轮传感器，评估单元主机以及连接设备的铠装线缆，用于接入硬件在环回路，实现软硬件联合仿真。还包括需要依托的一些硬件，如NI系列硬件，是用于输出、采集信号，并使软件仿真的数据与外界硬件数据进行交互。还有如功率放大器、衰减器和电流注入钳等，用于将电磁骚扰信号通过实际硬件的方式加扰到原始信号中，这能更切实地还原好电磁环境。

上述硬件部分在环仿真平台的搭建过程可分为两个部分：一个部分是去分析计轴系统的工作原理和信号类型，在此基础上实现搭建模拟计轴系统的目标；另一个部分是去分析计轴系统的受扰机理和电磁环境，然后设计计轴系统干扰还原的仿真方法。最后平台搭建完成后，还需要去验证能否进行准确的计轴系统电磁仿真。

本发明实施例的软件部分在环仿真平台根据计轴工作原理的不同去仿真两类计轴系统，其中鉴幅式是当列车经过时车轮传感器内部接收线圈感应信号的幅值发生变化，评估单元根据接收信号幅值变化是否超过门限来计轴。而鉴相式就是当列车经过时车轮传感器内部接收线圈感应信号的相位发生变化，评估单元根据接收信号相位变化是否超过门限来计轴。计轴系统的主要作用是判断所检测线路区段内的占用情况，在一个监视区段内需安装两套计轴设备，如图3所示，其工作方式可以理解为简单的加减或对比，监视一段区间是占用还是空闲。根据车轮传感器传输的信号类型是电压还是电流信号，判决计轴的原理也不同。

图9展示了一个LabVIEW软件搭建的鉴幅式车轮传感器的前面板示意图。前面板和程序框图面板是对应关系，每个功能的实现都是通过程序面板的设置和编程来得到的。传感器的程序框图包括任务配置和信号源程序框图、无车时信号输出程序框图、过车信号输出程序框图，采用了例如DAQmx创建通道、DAQmx采样时钟、基本函数发生器和提取单频信息等函数，用于实现传感器输出信号的通道设置、定时和采样设置、波形设置、输出波形显示，以及过车的触发设置这些功能。

评估单元将传感器的输出信号采集后进行处理，提取采集信息频率，再滤去干扰信息，最后提取单频信号幅值进行判决计轴。信号采集和判决程序是评估单元程序框图的核心部分，采用DAQmx读取函数、滤波器、波形峰值检测函数、基本电平触发检测、计轴模块等函数来完成上述搭建评估单元模块的步骤和方法。

这里介绍的是鉴幅式计轴系统的模拟实现方式，鉴相式的设计与鉴幅式类似，不同的只是依据信号相位的变化来进行计轴。

电磁兼容性指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。电磁兼容三要素是干扰源、耦合路径和敏感设备。

计轴设备作为敏感设备，对其造成干扰的主要电磁骚扰源有轨旁强电供电架、牵引弓上、下电、牵引回流不均和异物干扰。也就是说，计轴设备易受干扰的是计轴磁头空间磁场被骚扰源影响，计轴设备传输线上耦合到的浪涌(冲击)、射频场感应和电阻、电感传导耦合干扰和金属异物的干扰。

电子设备骚扰的耦合方式主要有空间辐射骚扰和线缆传导骚扰，分析计轴系统的受扰机理，其易受计轴系统磁头的磁场耦合、计轴系统信号线与强电线的串扰耦合以及计轴系统接地线的传导耦合。

为了在仿真平台良好的还原计轴系统的现场电磁环境，本发明设计试验对成都17号线计轴系统进行现场电磁环境采集，对采集到的数据进行处理分析、信号重建，还原得到电磁环境中的各种骚扰源，再将骚扰源加扰到系统中。对模拟计轴系统加扰也就是干扰还原的方法有两种，分别是软件闭环仿真形式与半实物仿真形式。

(a)软件闭环仿真形式：直接在软件程序上，将现场测量数据波形通过文件读取、波形构建等形式生成的波形文件和模拟计轴系统输出信号的叠加。这种方式是通过LabVIEW软件，设计噪声加扰程序框图、任意波形重建程序框图、读取电子表格文件等框图来实现。

需要注意的是利用现场测量数据重建的骚扰源波形需要同传感器信号源有相同的采样信息，保证可以和信号源信号进行叠加。这种方式不仅可以模拟计轴磁头受到干扰后输出的混叠信号，还可以直接将传输线上采集到的共模骚扰数据处理后在信号源端相加。

(b)半实物仿真形式：将干扰通过一定仪器施加在信号传输线上。该方法是使用任意信号发生器、电流注入钳、NI系统、功率放大器、衰减器等硬件仪器和LabVIEW软件，实现将重建得到干扰信号通过电流注入钳注入到计轴系统中。该半实物仿真形式一个要点是LabVIEW搭建的数据转码播放器。转码播放器的作用是将现场测试数据进行读取后处理，再运用NI系统上的数据输出卡进行播放输出。转码播放器的I/O通道是选择数据输出的采集卡即NI PXIe-6251，通道也就是采集卡的输出通道。

搭建好模拟计轴系统以及完成计轴系统干扰还原的仿真之后，该平台整体性的工作方式与步骤可分为四种情况，分别是模拟计轴系统软件闭环仿真、硬件在环仿真、软件闭环电磁兼容性仿真和硬件在环电磁兼容性仿真，下面对这四种情况的工作原理及实施步骤进行阐述。

1.软件闭环仿真

该方式完全用软件来模拟替代真实计轴系统的工作，同时也查看搭建的模拟计轴系统能否正常有效的运行。该软件闭环的搭建连接原理为：SCB-68接线盒和NI PXIe-6251采集卡相连，采集卡可输出信号至接线盒，也可从接线盒采集回信号。将SCB-68接线盒的AO0和AO1输出口用导线连接到AI0和AI1输入口，是实现车轮传感器和评估单元的物理通道相连；相应将LabVIEW软件上把车轮传感器程序的输出端口选择0和1，将评估单元程序的输入端口选择0和1，实现信号的双通道传输。示波器则是用来查看采集卡输出的波形。

运行模拟的传感器和评估单元程序，设置传感器输出一定频率的正弦波，当点击传感器上过车事件，传感器发送信号的幅值减半，从示波器上也可以观测到，表明输出端可以随着过车信号输出不同波形。同时，在评估单元程序的波形图表也可看到与传感器相同幅度与频率的正弦波出现电压降一半的情况，说明模式计轴系统可正常运行工作。

2.硬件在环仿真

基于软件闭环，实现硬件在环也就是半实物仿真，就是要用部分真实的计轴设备代替相应的软件程序。例如采用真实传感器，用铠装线缆将其连接至接线盒输入口，相应传感器程序不运行，只运行评估单元程序。然后真实传感器输出信号，采集卡从接线盒上采集输入信号至模拟的评估单元程序，进而处理信号并判决计轴，采用真实评估单元同理可见。

需要注意的是，完成该部分仿真时，要先用示波器和频谱仪获取真实传感器信号的时域图和频域图，查看计轴时信号幅度的变化范围，再在LabVIEW软件中修改评估单元的判决标准，并设计滤波器滤除杂糅信号。由此可准确有效进行计轴系统的硬件在环仿真。

3.软件闭环电磁兼容性仿真

该仿真就是在模拟计轴系统软件闭环仿真的基础上，采用前述第一种计轴系统干扰还原的方法，将重建得到的骚扰源直接通过软件程序加扰到原始输出信号上。可以加入的各种干扰有白噪声干扰叠加、实测浪涌干扰叠加和现场采集干扰叠加。通过读取干扰数据文件路径，设置干扰信号的采样率等，运行后可看到明显有干扰信号加到原始信号上，这样可对搭建的模拟计轴系统的电磁兼容性进行完备的测试研究。

4.硬件在环电磁兼容性仿真

该仿真方式是发明的这个仿真平台最核心的部分，它在模拟计轴系统硬件在环仿真正确可行的基础上，能通过电流注入钳等实际仪器工具将现场测量的干扰数据施加到计轴传输线缆。这种方法更符合实际，能更切实有效的还原计轴系统面临的复杂电磁环境，从而能在实验室对不同型号计轴设备的电磁环境适应性进行探究与分析，确保其投入实际工作后不出现相关电磁兼容性问题。

该方式的仿真需要注重完成的一些工作，是要使用前述的转码播放器将现场采集数据进行播放输出，数据从NI PXIe-5450数据输出卡0通道输出后经过功率放大器和6dB衰减器后再使用电流注入钳注入到计轴设备的室外传输线缆上。可以使用示波器进行波形监测，判断耦合到线缆上的电流波形和等级是否和现场采集数据一致。

可以对任一型号计轴设备在实验室搭建真实计轴系统干扰注入测试，这样的硬件在环技术和电磁兼容性测试相结合能有助于进行更完善的试验，也可针对受试设备设计更贴合实际的测试分析。

综上所述，本发明实施例的方法可将现场计轴设备电磁环境适应性试验移植到实验室中进行，有助于计轴设备的开发设计及电磁兼容性的优化，发现计轴设备的电磁兼容故障。可以有效的降低设备的开发和维护成本。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于硬件在环的计轴系统电磁兼容仿真方法，其特征在于，包括：

构造包括软件部分和硬件部分的在环仿真平台；

所述在环仿真平台的软件部分仿真实现计轴系统，所述在环仿真平台的硬件部分包括计轴系统的真实硬件设备，将所述真实硬件设备接入仿真实现的计轴系统；

所述在环仿真平台的软件部分利用现场环境数据重建信号，还原骚扰源，将电磁骚扰信号施加到仿真实现的计轴系统中，对计轴系统的电磁环境进行分析；

所述在环仿真平台的软件部分根据计轴工作原理的不同去仿真鉴幅式计轴系统和鉴相式计轴系统；所述鉴幅式计轴系统是当列车经过时车轮传感器内部接收线圈感应信号的幅值发生变化，评估单元根据接收信号幅值变化是否超过门限来计轴；所述鉴相式计轴系统是当列车经过时车轮传感器内部接收线圈感应信号的相位发生变化，评估单元根据接收信号相位变化是否超过门限来计轴；

所述在环仿真平台的软件部分采用软件闭环仿真形式或者半实物仿真形式将电磁骚扰信号施加到仿真实现的计轴系统中。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述仿真实现的计轴系统包括车轮传感器和评估单元，所述车轮传感器发送过车信号，评估单元接收过车信号，根据计轴工作原理来判决处理过车信号。

3.根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，所述在环仿真平台的软件部分采用LabVIEW软件实现。

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