本發(fā)明涉及信號測量領(lǐng)域，具體為一種紅外熱軸音頻通道信號測量方法。

背景技術(shù)：

列車熱切軸是影響鐵路系統(tǒng)安全的一個重要因素，目前，基于紅外線測溫原理的紅外熱軸探測系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于鐵路運行中。該紅外熱軸探測系統(tǒng)普遍采用音頻信號與列車調(diào)度中心通信，在實際運行中，由于種種原因會造成音頻信號的異常，需要實時監(jiān)測音頻信號并分析其特征，為人員維護提供輔助判斷手段。

紅外熱軸音頻通道中存在高頻和低頻兩種正弦信號，分別表示數(shù)字“1”和“0”。在紅外熱軸音頻通道信號測量系統(tǒng)中，信號測量的全面性、準確性和實時性是整個系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素。一方面，目前音頻通道診斷大多通過信號幅值和頻率兩個特征值判定音頻通道是否出現(xiàn)故障，由于信號特征值過少，極易出現(xiàn)錯誤診斷的情況。另一方面，目前的音頻通道信號特征提取還存在處理手段單一，造成信號檢測精度不高等問題。此外，由于音頻通道信號變化速度較快，若在軟件設(shè)計等環(huán)節(jié)處理不當(dāng)，極易造成延時，對系統(tǒng)實時性和準確性等會帶來不利影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明公開了一種紅外熱軸音頻通道信號測量方法，采用現(xiàn)場可編程門陣列(fpga)采集紅外熱軸音頻通道的信號，并使用fpga的nios核作為控制器，運用有限狀態(tài)機模型，根據(jù)信號狀態(tài)轉(zhuǎn)換提取信號多個特征值，從而為監(jiān)控診斷平臺提供更加全面、準確、實時的信號。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)，一種紅外熱軸音頻通道信號測量方法，測量音頻信號多個特征值，使用現(xiàn)場可編程門陣列作為處理器，并運用有限狀態(tài)機模型，根據(jù)信號狀態(tài)轉(zhuǎn)換提取信號特征值，將結(jié)果上傳至監(jiān)控診斷平臺。

作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，采用現(xiàn)場可編程門陣列作為處理器，將采集的信號數(shù)據(jù)存儲至同步動態(tài)存儲器，使用現(xiàn)場可編程門陣列的nios核作為控制器，并通過串口通信上傳測量結(jié)果至監(jiān)控診斷平臺。

作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，針對不同的紅外熱軸音頻通道，分別采用多次測量取中值的方法，求取各自信號的零位，進而確定信號所處狀態(tài)。

采用有限狀態(tài)機模型，根據(jù)信號狀態(tài)轉(zhuǎn)換提取信號的特征值，有限狀態(tài)機的工作流程如下：

(1)采集紅外熱軸音頻通道信號電壓vx，計算信號零位閾值的上限vmax和下限vmin；

(2)若同步動態(tài)存儲器中的數(shù)據(jù)已全部被讀走，則轉(zhuǎn)到步驟(14)；否則，轉(zhuǎn)到步驟

(3)；

(3)若vx大于vmin且小于vmax，則轉(zhuǎn)到步驟(4)；否則，轉(zhuǎn)到步驟(5)；

(4)零位狀態(tài)，零位時間計時，信號間隔標志位置1，轉(zhuǎn)到步驟(2)；

(5)若間隔標志為1且間隔時長大于指定時間t，則計算信號間隔最大值和最小值，并將間隔標志位清0后，轉(zhuǎn)到步驟(6)；否則，直接轉(zhuǎn)到步驟(6)；

(6)若vx大于vmax，則轉(zhuǎn)到步驟(7)；否則，轉(zhuǎn)到步驟(8)；

(7)正半周狀態(tài)，計算信號峰值最大值，若信號值小于vmax，狀態(tài)值加1，轉(zhuǎn)到步驟

(9)；否則，轉(zhuǎn)到步驟(10)；

(8)負半周狀態(tài)，計算信號峰值最小值，若信號值大于vmin，狀態(tài)值加1，轉(zhuǎn)到步驟

(9)；否則，轉(zhuǎn)到步驟(10)；

(9)若狀態(tài)值為2，轉(zhuǎn)到步驟(11)；否則，轉(zhuǎn)到步驟(2)；

(10)若同步動態(tài)存儲器中的數(shù)據(jù)已全部被讀走，則轉(zhuǎn)到步驟(2)；否則，則轉(zhuǎn)到步驟

(11)；

(11)若為噪聲信號，則作為兩次音頻信號間隔處理，計算兩次音頻信號間隔時間最大值和最小值并重復(fù)步驟(11)；否則，轉(zhuǎn)到步驟(12)；

(12)若當(dāng)前正半周期和負半周期能構(gòu)成一個完整的音頻信號，則轉(zhuǎn)到步驟(13)；否則，狀態(tài)值減1，轉(zhuǎn)到步驟(2)；

(13)音頻信號周期個數(shù)加1，累加音頻信號有效采樣點數(shù)并轉(zhuǎn)至步驟(2)；

(14)采用多周期測量計數(shù)法，求取音頻信號頻率fx，并計算信號電壓平均值，將上述步驟求出的信號特征值，上傳至監(jiān)控診斷平臺，結(jié)束信號測量。

優(yōu)選的，將信號正半周期和負半周期采樣點數(shù)的差值在誤差范圍內(nèi)，且信號正半周期和負半周期的幅值最大值和最小值的模值差值在誤差范圍內(nèi)，作為判定是否為一個完整音頻信號的條件，即

|pp-np|＜δp

||pvmax|-|nvmin||＜δv

其中，pp為正半周期采樣點數(shù)，np為負半周期采樣點數(shù)，δp為采樣點誤差閾值，pvmax為正半周期信號幅值最大值，nvmin為負半周期信號幅值最小值，δv為幅值誤差閾值。

優(yōu)選的，采樣頻率和信號有效采樣點數(shù)，采用多周期計數(shù)法計算音頻信號頻率fx，

其中，sumf為音頻信號有效采樣點數(shù)的累加和，m為音頻信號周期總數(shù)，fs為信號采樣頻率。

有益效果：

本發(fā)明公開了一種紅外熱軸音頻通道信號測量方法，使用現(xiàn)場可編程門陣列(fpga)進行信號的采集，運用fpga的nios核作為控制器，進行信號多個特征值的實時、準確提取，并將信號測量結(jié)果上傳至監(jiān)控診斷平臺。該方法可大大降低紅外熱軸音頻通道監(jiān)控診斷的誤診率，提高了診斷的準確性和實時性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明音頻通道信號采集測量結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為本發(fā)明音頻通道信號測量狀態(tài)量轉(zhuǎn)移示意圖

圖3為本發(fā)明音頻通道信號測量流程圖

具體實施案例

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。

如圖1所示，本實施例中，正常狀態(tài)下，信號測量可在8路紅外熱軸音頻通道之間任意切換，每一路信號的數(shù)據(jù)存儲深度均為1024bytes。多路信號經(jīng)過信號調(diào)理電路，由fpga對信號進行采集。nios核通過avalon總線與外設(shè)進行通信，監(jiān)控診斷平臺通過串口通信向nios核下發(fā)指令，nios核控制對應(yīng)的模擬開關(guān)，選擇采集監(jiān)控診斷平臺指定通道的信號，進行通道信號采集。當(dāng)sdram數(shù)據(jù)量達到1024bytes，停止當(dāng)前通道采集，開始進行信號特征值提取。信號測量結(jié)束之后，nios核通過串口通信，將測量結(jié)果上傳至監(jiān)控診斷平臺。

如圖2所示，根據(jù)信號幅值的大小，分為5種狀態(tài)：開始、零位、正半周、負半周和結(jié)束。本實施例中，零位的閾值上限為vmax，下限為vmin。根據(jù)此閾值范圍，狀態(tài)會在開始、零位、正半周、負半周和結(jié)束這5種狀態(tài)之間進行切換。

在本實施例中，紅外熱軸音頻通道的高頻信號fxh＝2100hz，低頻信號fxl＝1300hz。的采樣頻率fs取為200ksps，即采樣周期為5us。當(dāng)信號采樣點誤差個數(shù)小于5個，且信號幅值誤差小于100mv，即可判定為一個完整的音頻信號。為提高測量精度，采用多周期測量，周期數(shù)m＝1000。

下面結(jié)合附圖3，介紹本實施例的具體步驟。

(1)采集紅外熱軸音頻通道信號電壓vx，計算信號零位閾值的上限vmax和下限vmin；針對不同通道，會有不同的閾值，以第1通道為例，該通道閾值上限取為vmax＝100mv，閾值下限為vmin＝40mv；

(2)程序判斷sdram中的數(shù)據(jù)是否全部被讀走，是則轉(zhuǎn)到步驟(14)；否則，轉(zhuǎn)到步驟(3)；

(3)若當(dāng)前信號電壓值vx大于40mv且小于100mv，則轉(zhuǎn)到步驟(4)；否則，轉(zhuǎn)到步驟(5)；

(4)零位狀態(tài)，零位時間計時，信號間隔標志位置1，轉(zhuǎn)到步驟(2)；

(5)該通道零位狀態(tài)保持時間設(shè)為1ms，若間隔標志為1且間隔時長大于指定時間1ms，計算信號間隔最大值和最小值，并將間隔標志位置0，轉(zhuǎn)到步驟(6)；否則，直接轉(zhuǎn)到步驟(6)；

(6)若信號值大于100mv，轉(zhuǎn)到步驟(7)；否則，轉(zhuǎn)到步驟(8)；

(7)當(dāng)前為正半周狀態(tài)，計算信號峰值最大值，若信號值小于100mv，狀態(tài)值加1，轉(zhuǎn)到步驟(9)；否則，轉(zhuǎn)到步驟(10)；

(8)當(dāng)前為負半周狀態(tài)，計算信號峰值最小值，若信號值大于40mv，狀態(tài)值加1，轉(zhuǎn)到步驟(9)；否則，轉(zhuǎn)到步驟(10)；

(9)若狀態(tài)值為2，則轉(zhuǎn)到步驟(11)；否則，轉(zhuǎn)到步驟(2)；

(10)若sdram中的數(shù)據(jù)全部被讀走，轉(zhuǎn)到步驟(2)；否則，轉(zhuǎn)到步驟(11)；

(11)零位狀態(tài)保持時間大于1ms，或者噪聲持續(xù)時間大于1ms，則判定信號為兩次音頻信號的間隔，計算音頻信號間隔最大和最小值。經(jīng)過大量測試，噪聲閾值vnoise上限設(shè)為200mv，下限設(shè)為-200mv。當(dāng)信號峰值在噪聲閾值范圍內(nèi)，則把噪聲作為兩次音頻信號的間隔處理。計算信號間隔最大值和最小值；否則，轉(zhuǎn)到步驟(12)；

(12)若當(dāng)前正半周期和負半周期能構(gòu)成一個完整的音頻信號，則轉(zhuǎn)到步驟(13)；否則，狀態(tài)值減1，轉(zhuǎn)到步驟(2)；

(13)音頻信號周期個數(shù)加1，累加音頻信號有效采樣點數(shù)并轉(zhuǎn)至步驟(2)；

(14)采用多周期測量計數(shù)法，求取音頻信號頻率fx，并計算信號電壓平均值，將上述步驟求出的信號特征值，上傳至監(jiān)控診斷平臺，結(jié)束信號測量。以某次測試結(jié)果為例，高頻信號總的有效點數(shù)sumf為95280，有效周期數(shù)m為1000可得，

即高頻信號的頻率為2099hz，顯然，該結(jié)果與實際頻率2100hz相差很小。

高頻信號特征量的實際值和測量值分別如表1和表2所示。

表1高頻信號特征量的實際值

表2高頻信號特征量的測量值

通過對比表1和表2，測量結(jié)果與實際值相差很小。

采用同樣的方法，以某次測量為例，低頻信號總的有效點數(shù)sumf為153964，可測得低頻信號的頻率為1299hz，顯然與1300hz也相差很小，完全滿足診斷平臺的要求。

低頻信號特征量的實際值和測量值分別如表3和表4所示。

表3低頻信號特征量的實際值

表4低頻信號特征量的測量值

通過對比表3和表4，測量結(jié)果與實際值相差很小。

綜上所述，本發(fā)明提供了一種紅外熱軸音頻通道信號測量方法，使用fpga采集信號，運用nios核作為控制器，運用有限狀態(tài)機進行信號多個特征的實時、準確測量，并將信號測量結(jié)果上傳至監(jiān)控診斷平臺。

本發(fā)明已通過上述實施例及其附圖說明清楚，在不背離本發(fā)明精神和實質(zhì)的情況下，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)本發(fā)明做出相應(yīng)變化和修正，這些變化和修正都屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍。

本發(fā)明未涉及方法均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。