CN116298492B - 一种交流混合信号的检测***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电变量测量技术领域，尤其是涉及一种交流混合信号的检测***及方法，所述检测***包括：电流采集模块，将电流信号转换为电压信号；陷波处理模块，衰减电压信号中的部分频率分量的幅值；所述电流采集模块连接至第一信号处理模块；所述陷波处理模块分别连接至第二信号处理模块和第三信号处理模块；所述第一信号处理模块、第二信号处理模块和第三信号处理模块分别通过ADC通道连接至信号计算模块。本发明针对混合信号中高幅值的频率分量选用较小的电阻进行电压取样，对于低幅值的频率分量选用较大的电阻进行电压取样，从而保证电压取样效果，为后续信号处理打好基础。

Description

一种交流混合信号的检测***及方法
技术领域
本发明涉及电变量测量技术领域，尤其是涉及一种交流混合信号的检测***及方法。
背景技术
在铁路信号专业，轨道电路是由发送设备、钢轨线路(以下简称“线路”)、接收设备组成的***，用于检测该段线路是否被列车占用，以保证行车安全。
在实际使用过程中，线路中传输的信号既有轨道电路***自身的信号，含有25Hz、1700Hz、2000Hz、2300Hz、2600Hz等频率成分，也含有列车牵引供电***的信号，即50Hz频率成分，而且这两种信号的幅值相差约100多倍，给信号的检测带来困难，尤其是还需要保证相当的检测精度时。
现有的混合信号检测技术，一般均采用硬件滤波结合软件滤波对信号中不同频率成分实施滤波分离，具体的步骤如下：
混合信号中含有频率f1和f2,且 f1<f2。“幅值调整”模块将混合信号的幅值调整至适合硬件滤波器的输入要求。“滤波器1”设计为允许频率为f1的信号通过，阻止其它频率的信号通过，从而将频率为f1分离出来；同样的道理，“滤波器2”用来实现频率为f2的信号的分离。“AD1”和“AD2”实现模拟信号到数字信号的转换，从而为后续的软件处理做好准备。“软件滤波器1”和“软件滤波器2”的功能与“滤波器1”和“滤波器2”的功能类似，但进一步提高了滤波效果。最后，“信号有效值计算”模块实现混合信号中频率f1和频率f2的信号的有效值计算，从而完成检测的目的。
然而现有的混合信号的检测方案基本能满足大部分的场景，但是对于混合信号中不同频率成分的幅值相差较大时，如第三部分中描述的“相差约100多倍”，则检测效果较差，甚至不能满足精度要求，因此亟需一种交流混合信号的检测***及方法。
发明内容
为了解决上述提到的问题，本发明提供一种交流混合信号的检测***及方法。
第一方面，本发明提供的一种交流混合信号的检测***，采用如下的技术方案：
一种交流混合信号的检测***，包括：
电流采集模块，将电流信号转换为电压信号；
陷波处理模块，衰减电压信号中的部分频率分量的幅值；
所述电流采集模块连接至第一信号处理模块；
所述陷波处理模块分别连接至第二信号处理模块和第三信号处理模块；
所述第一信号处理模块、第二信号处理模块和第三信号处理模块分别通过ADC通道连接至信号计算模块。
进一步地，所述电流采集模块包括电流互感器，所述电流互感器采用穿心式。
进一步地，所述陷波处理模块包括运算放大器和可变式电阻。
进一步地，所述第一信号处理模块包括运算放大器U6B，TVS管Z1，电阻R10、R11、R15、R16、R12，以及二极管D3、D4，用于对50Hz信号放大和电位抬升。
进一步地，所述第二信号处理模块包括分频模块、滤波及电位抬升模块和幅值放大模块，用于对25Hz信号放大和电位抬升。
进一步地，所述第三信号处理模块包括运算放大器U6A，电阻R4~R9，电容C7~C8以及二极管D1、D2，用于对2000信号进行放大和电位抬升。
进一步地，所述ADC通道包括第一ADC通道、第二ADC通道和第三ADC通道，其中，第一ADC通道连接第一信号处理模块，第二ADC通道连接第二信号处理模块，第三ADC通道连接第三信号处理模块。
进一步地，所述信号计算模块包括25Hz信号处理软件、2000信号处理软件和50Hz信号处理软件，所述50Hz信号处理软件连接第一ADC通道，所述25Hz信号处理软件连接第二ADC通道，所述2000信号处理软件连接第三ADC通道。
第二方面，一种交流混合信号的检测方法，包括：
利用电流采集模块将电流信号转换为电压信号；
利用陷波处理模块衰减掉混合信号中50Hz频率分量的幅值，使25Hz信号和2000信号无衰减通过；
利用信号处理模块分别对信号进行放大和电位抬升；
利用信号计算模块对放大和电位抬升后的信号进行计算。
进一步地，所述对放大和电位抬升后的信号进行计算，包括利用真有效值算法计算信号的真有效电流，其中，真有效值算法计算公式为：，其中，u为数字信号的离散值，N为信号长度，U为计算出来的电压真有效值， n为信号离散值的序号。
综上所述，本发明具有如下的有益技术效果：
1、本发明针对混合信号中高幅值的频率分量选用较小的电阻进行电压取样，对于低幅值的频率分量选用较大的电阻进行电压取样，从而保证电压取样效果，为后续信号处理打好基础。
2、采样陷波处理对高幅值的频率分量进行抑制，然后单独处理低幅值信号，而对高幅值信号另外进行单独处理。
3、先对不同频率分量采用统一的采样频率采样，然后在软件上对低频率分量先进行抗混叠滤波，然后重采样，从而达到降低采样频率的目的，既节省了硬件资源，又保证了检测精度。
附图说明
图1是本发明实施例的一种交流混合信号的检测***的结构示意图。
图2是本发明实施例的电流采集模块的结构示意图。
图3是本发明实施例的陷波处理模的结构示意图。
图4是本发明实施例的第三信号处理模块的结构示意图。
图5是本发明实施例的第二信号处理模块的结构示意图。
图6是本发明实施例的第一信号处理模块的结构示意图。
图7是本发明实施例的ADC通道和信号计算模块的连接关系示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
参照图1，本实施例的一种交流混合信号的检测***，包括：
电流采集模块，将电流信号转换为电压信号；
陷波处理模块，衰减电压信号中的部分频率分量的幅值；
所述电流采集模块连接至第一信号处理模块；
所述陷波处理模块分别连接至第二信号处理模块和第三信号处理模块；
所述第一信号处理模块、第二信号处理模块和第三信号处理模块分别通过ADC通道连接至信号计算模块。
所述电流采集模块包括电流互感器，所述电流互感器采用穿心式。
所述陷波处理模块包括运算放大器、和可变式电阻。所述第一信号处理模块包括运算放大器U6B，TVS管Z1，电阻R10、R11、R15、R16、R12，以及二极管D3、D4，用于对50Hz信号放大和电位抬升。所述第二信号处理模块包括分频模块、滤波及电位抬升模块和幅值放大模块，用于对25Hz信号放大和电位抬升。所述第三信号处理模块包括运算放大器U6A，电阻R4~R9，电容C7~C8以及二极管D1、D2，用于对2000信号进行放大和电位抬升。所述ADC通道包括第一ADC通道、第二ADC通道和第三ADC通道，其中，第一ADC通道连接第一信号处理模块，第二ADC通道连接第二信号处理模块，第三ADC通道连接第三信号处理模块。所述信号计算模块包括25Hz信号处理软件、2000信号处理软件和50Hz信号处理软件，所述50Hz信号处理软件连接第一ADC通道，所述25Hz信号处理软件连接第二ADC通道，所述2000信号处理软件连接第三ADC通道。
具体的，
本实施例的检测方案由硬件部分和软件部分组成，其中软件运行的硬件环境为DSP数字信号处理芯片，软件开发环境为CCS，即Code Composer Studio，代码编译集成环境，开发语言为C语言和汇编语言，即数字滤波器计算代码，能有效提升计算效率。
本技术方案所针对的被测电流中同时存在着25Hz、50Hz、1700Hz、2000Hz、2300Hz、2600Hz共计6种频率分量，其中25Hz信号电流大约在0~5A，50Hz信号电流大约在0~500A，1700Hz、2000Hz、2300Hz、2600Hz（以下简称“2000信号”）电流大约在0~6A。因此，50Hz信号属于幅值较大频率分量，25Hz信号和2000信号电流属于幅值较小分量。
本技术方案的基本思路是通过穿心式电流互感器实现混合信号的采集，通过陷波器实现对混合信号中50Hz信号电流幅值的衰减，从而作为25Hz信号处理模块和2000信号处理模块的输入，未经陷波器处理的信号直接作为50Hz信号处理模块的输入。
硬件处理部分主要划分为五个模块，分别为电流采集模块、陷波处理模块、2000信号（1700Hz、2000Hz、2300Hz、2600Hz四种频率信号的统称）处理模块（对应第三信号处理模块）、25Hz信号处理模块（对应第二信号处理模块）、50Hz信号处理模块（对应第一信号处理模块）。
如图2所示，电流采集模块由电流互感器DLHGQ、R13、R14组成，负责把电流信号转换为电压信号。电流互感器DLHGQ采用穿心式，安全性好，自身故障不会对被监测***的工作产生影响。工作时被测电流流经的导线穿过电流互感器DLHGQ的一次母线穿孔，电流互感器DLHGQ的二次侧线圈中的感应电流流过电阻R13和R14，并在两个电阻上形成电压，其中R14的阻值约是R13的10倍，R13上的电压,即KIZ和KIG之间的电压，作为50Hz信号处理模块的输入，R14上的电压，即KIG和KIF之间的电压，作为陷波处理模块的输入。
陷波处理模块由运放U5（运放U5是双运放芯片，由U5A和U5B组成。），电容C12、C13，电阻R24~R35（其中R24和R35为可变式电阻器）组成，如图3，负责衰减掉混合信号中50Hz频率分量的幅值，同时让25Hz信号和2000信号基本无衰减通过，从而减小后续信号处理过程中大信号对小信号的影响。陷波处理模块的输入为电流采集模块中电阻R14上的电压，即KIG和KIF之间的电压，输出为XB+和XB-之间的电压。
如图3所示，电路中R34为陷波处理模块的输入阻抗，U5A和电阻R27组成一个电压跟随电路，实现对输入信号的电压跟随。R31、R32、R33、R35组成电阻分压网络，对第一级运放U5A的输出进行分压并作为第二级运放U5B的输入，其中，R35为可变式电阻器，能对第二级运放U5B的输入电压进行微调。U5B、R24~R26、R28~R29、C12~C13组成带阻滤波电路，实现对50Hz频点信号幅值衰减的同时让其余频点的信号基本无衰减的通过，其中可变式电阻器R24用于调节陷波深度，即对50Hz频率分量的衰减比，最大可调整至-40dB。电阻R30作为陷波处理模块的输出阻抗。
如图4所示，2000信号处理模块由运放U6A、电阻R4~R9、电容C7~C8、二极管D1~D2组成，负责对2000信号进行滤波、放大、电位抬升，从而满足AD采集的要求。2000信号处理模块的输入是陷波模块的输出，即XB+和XB-之间的电压，输出为I2000，即1700Hz、2000Hz、2300Hz、2600Hz频率分量信号。
C8和R7组成RC高通滤波器电路，滤除陷波处理模块输出的25Hz频率分量和经衰减依然存在的少量50Hz频率分量。经RC高通滤波器后的信号的基准电平为0V，而本技术方案中用到的ADC为单电源，因此需要将信号的基准电平抬升至ADC电源的1/2。U6A、R5、R6、R8、R9负责基准电平的抬升，连接至R9的REF1.65即为抬升后的基准电平；适当调整R5/R6和R9/R8的比值，能对信号进行适当的放大，有效提高ADC采集的精度。D1、D2负责限定信号的幅值于AVDD3.3和AGND之间，对ADC起到保护作用，其中，AVDD3.3为3.3V模拟电源，AGND为模拟地；C7用于滤除电源AVDD3.3上的纹波和噪声，R4作为2000信号处理模块的输出阻抗。
如图5所示，25Hz信号处理模块由三部分组成，分别为分频模块、滤波及电位抬升模块、幅值放大模块，其中，25Hz信号处理模块的输入是陷波模块的输出，即XB+和XB-之间的电压，输出为I25，即25Hz频率分量信号。
其中，分频模块由晶振X1，二进制计数器U2，电容C1、C3、C6，电阻R3组成，负责为滤波模块提供时钟信号；电路中的晶振X1为6.5536MHz晶振，6.5536MHz晶振的输出端子OSC连接至二进制计数器U2的输入管脚10，Q10端子作为分频输出，每2048个晶振脉冲输出1个脉冲，则时钟信号的频率为6553600/2048=3200Hz；C1、C3用于滤除电源AVDD3.3上的纹波和噪声，R3用来滤除时钟信号的过冲和振铃。
滤波及电位抬升模块由滤波器U3，电阻R19、R21，电容C9、C11组成，负责滤除信号中高于25Hz的频率成分；滤波器为低通滤波器，其3dB截止频率即通带频率为时钟信号的1/100，阻带频率为通带频率的1.5倍，因此滤波器的通带频率为3200÷100=32Hz，阻带频率为32×1.5=48Hz；滤波器的OS端子为电压偏移端子，连接REF1.65至OS端子同时将OS端子与滤波器的输入公共端子COM通过电阻R21连接，从而将信号的基准电平抬升至ADC电源的1/2；R19为滤波及电位抬升模块的输入阻抗。C9、C11分别用来滤除REF1.65和AVDD3.3上的纹波和噪声。
幅值放大模块由运放U7A，电阻R17、R20、R22、R23、R18，电容C10，二极管D5、D6组成，负责对滤波后的信号进行放大。由于滤波及电位抬升模块已经将信号的基准电平抬升至ADC电源的1/2，因此将运放的输入端子2和输入端子3的电平均经过电阻R20和R23接至REF1.65，不对信号的基准电平再做抬升；适当调整R17/R20和R23/R22的比值，能对信号进行适当的放大，有效提高ADC采集的精度。D5、D6负责限定信号的幅值于AVDD3.3和AGND之间，对ADC起到保护作用。C10用于滤除电源AVDD3.3上的纹波和噪声，R18作为25Hz信号处理模块的输出阻抗。
如图6所示，50Hz信号处理模块由运放U6B，TVS管Z1，电阻R10、R11、R15、R16、R12，二极管D3、D4组成，负责50Hz信号放大、抬升。50Hz信号处理模块的输入为电流采集模块中电阻R13上的电压，即KIZ和KIG之间的电压，输出为I50，即50Hz频率分量信号。
其中，当50Hz信号的幅值大于设计要求时，电路中TVS管Z1则开始钳位，对后续处理电路起到保护作用；适当调整R11/R10和R16/R15的比值，能对信号进行适当的放大，有效提高ADC采集的精度；将运放的输入端子5经过电阻R16连接至REF1.65从而实现基准电平的抬升；D3、D4负责限定信号的幅值于AVDD3.3和AGND之间，对ADC起到保护作用；R12作为50Hz信号处理模块的输出阻抗。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例提供一种交流混合信号的检测方法，包括：
利用电流采集模块将电流信号转换为电压信号；
利用陷波处理模块衰减掉混合信号中50Hz频率分量的幅值，使25Hz信号和2000信号无衰减通过；
利用信号处理模块分别对信号进行放大和电位抬升；
利用信号计算模块对放大和电位抬升后的信号进行计算。
具体的，
经硬件处理部分处理过的信号，分为三路，分别是25Hz信号、2000信号、50Hz信号。软件处理的基本思路是先经过ADC采集，将模拟信号转换为数字信号，然后对数字信号进行软件滤波处理，最后采用真有效值算法对滤波后的数字信号进行计算，如图7。
由于三路信号共计有6种频率成分，分别是25Hz、50Hz、1700Hz、2000Hz、2300Hz、2600Hz。根据香农定律，采样频率应大于信号最高频率的2倍，即2600×2=5200Hz，为便于数字信号处理，将三路信号的采样频率统一设定为8192Hz。这样做的另一个好处是能用1个ADC的不同通道完成采集，而不用因为信号频率不同而使用多个ADC，浪费硬件资源。
25Hz信号处理软件由三部分组成，先后分别为抗混叠低通滤波、信号重采样、带通滤波。抗混叠低通滤波器设计为IIR数字滤波器，采样频率8192Hz，通带频率设置为60Hz，阻带频率设置为200Hz，阻带衰减80dB。经过抗混叠滤波后的数字信号，最高频率200Hz，同样根据香农定律，其采样频率就可以设置为200×2=500Hz，为便于数字信号处理，信号重采样的采样频率设置为512Hz；信号重采样的目的是为了降低带通滤波器的阶数，从而提升计算效率。带通滤波器设计为FIR数字滤波器，采样频率512Hz，通带频率为20Hz~30Hz，通带宽度10Hz，阻带频率为5Hz和45Hz，阻带衰减100dB。
2000信号处理软件由4个带通滤波器组成，分别对应1700Hz、2000Hz、2300Hz、2600Hz四种频率分量。4个带通滤波器均设计为IIR数字滤波器，采样频率均为8192Hz。1700Hz带通滤波器的通带频率为1695Hz~1705Hz，通带宽度10Hz，阻带频率为1550Hz和1850Hz，阻带衰减80dB；2000Hz带通滤波器的通带频率为1995Hz~2005Hz，通带宽度10Hz，阻带频率为1850Hz和2150Hz，阻带衰减80dB；2300Hz带通滤波器的通带频率为2295Hz~2305Hz，通带宽度10Hz，阻带频率为2150Hz和2450Hz，阻带衰减80dB；2600Hz带通滤波器的通带频率为2595Hz~2605Hz，通带宽度10Hz，阻带频率为2450Hz和2750Hz，阻带衰减80dB。
50Hz信号处理软件由三部分组成，先后分别为抗混叠低通滤波、信号重采样、带通滤波。抗混叠低通滤波器、信号重采样与25Hz信号处理软件中的一致。带通滤波器设计为FIR数字滤波器，采样频率512Hz，通带频率为45Hz~55Hz，通带宽度10Hz，阻带频率为30Hz和70Hz，阻带衰减100dB。
有效值计算软件是基于复合科特斯算法，该算法虽然较为复杂，但是具有较高的精度，详见《低频电压真有效值的数字化测量算法》，其计算公式如下：，其中，u为数字信号的离散值，N为信号长度，U为计算出来的电压真有效值。
以上均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种交流混合信号的检测***，其特征在于，包括：
电流采集模块，将电流信号转换为电压信号；
陷波处理模块，衰减电压信号中的部分频率分量的幅值；
所述电流采集模块连接至第一信号处理模块；
所述陷波处理模块分别连接至第二信号处理模块和第三信号处理模块；
所述第一信号处理模块、第二信号处理模块和第三信号处理模块分别通过ADC通道连接至信号计算模块；
所述第一信号处理模块包括运算放大器U6B，TVS管Z1，电阻R10、R11、R15、R16、R12，以及二极管D3、D4，用于对50Hz信号放大和电位抬升；
所述第二信号处理模块包括分频模块、滤波及电位抬升模块和幅值放大模块，用于对25Hz信号放大和电位抬升；
所述第三信号处理模块包括运算放大器U6A，电阻R4~R9，电容C7~C8以及二极管D1、D2，用于对2000信号进行放大和电位抬升。
2.根据权利要求1所述的一种交流混合信号的检测***，其特征在于，所述电流采集模块包括电流互感器，所述电流互感器采用穿心式。
3.根据权利要求2所述的一种交流混合信号的检测***，其特征在于，所述陷波处理模块包括运算放大器和可变式电阻。
4.根据权利要求3所述的一种交流混合信号的检测***，其特征在于，所述ADC通道包括第一ADC通道、第二ADC通道和第三ADC通道，其中，第一ADC通道连接第一信号处理模块，第二ADC通道连接第二信号处理模块，第三ADC通道连接第三信号处理模块。
5.根据权利要求4所述的一种交流混合信号的检测***，其特征在于，所述信号计算模块包括25Hz信号处理软件、2000信号处理软件和50Hz信号处理软件，所述50Hz信号处理软件连接第一ADC通道，所述25Hz信号处理软件连接第二ADC通道，所述2000信号处理软件连接第三ADC通道。
6.一种交流混合信号的检测方法，基于权利要求1-5任意一项所述的检测***，其特征在于包括：
利用电流采集模块将电流信号转换为电压信号；
利用陷波处理模块衰减掉混合信号中50Hz频率分量的幅值，使25Hz信号和2000信号无衰减通过；
利用信号处理模块分别对信号进行放大和电位抬升；
利用信号计算模块对放大和电位抬升后的信号进行计算。
7.根据权利要求6所述的一种交流混合信号的检测方法，其特征在于，所述对放大和电位抬升后的信号进行计算，包括利用真有效值算法计算信号的真有效电流，其中，真有效值算法计算公式为：，其中，u为数字信号的离散值，N为信号长度，U为计算出来的电压真有效值， n为信号离散值的序号。
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