兼容交流和直流转辙机的实时功率采集电路、方法和系统与流程

1.本公开涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种兼容交流和直流转辙机的实时功率采集电路、方法、系统和电子设备。


背景技术：

2.直流转辙机和交流转辙机是轨道交通领域联锁系统中的一种重要设备，维护监测系统需要通过外部采集装置来采集其动作电压，动作电流并绘出功率曲线来进行故障诊断和维护。
3.目前对于直流转辙机和交流转辙机的采集装置都是不通用的，不够经济实用。如：
4.公开号为cn201201614y的专利提供了一种铁路道岔转辙机电流功率传感器，公开号为cn113933703a的专利提供了一种转撤机功率采集系统、方法、对象控制器和存储介质。这两个专利的发明对象仅局限于交流转辙机，且采用的技术方案都为电压互感器和电流互感器。
5.公开号为cn105866510a的专利提供了一种用于铁路室外轨旁信号设备的监测系统，虽然能同时支持直流转辙机和交流转辙机，但需要两种采集装置。
6.而采集装置的技术方案大都采用电压互感器，电流互感器，霍尔传感器等磁隔离器件实现，又带来了采集装置的体积大，采集数据的实时性低，采集数据精度差等问题。


技术实现要素：

7.为了解决上述问题，本技术提出一种兼容交流和直流转辙机的实时功率采集电路、、方法、系统和电子设备。
8.本技术一方面，提出一种兼容交流和直流转辙机的实时功率采集电路，包括：
9.采样电路，用于对待采样端进行信号采集，将采集信号进行模数转换后发送至可编程逻辑器；
10.可编程逻辑器，用于接收经模数转换后得到的数字信号并对所述数字信号进行滤波处理，以及根据采集信号的类型对所述数字信号进行功率数据计算，将所述功率数据发送给终端维护设备；
11.采样电路与所述可编程逻辑器电连接。
12.作为本技术的一可选实施方案，可选地，所述可编程逻辑器根据采集信号的类型对所述数字信号进行功率数据计算，包括：
13.当采集信号是交流信号时，所述可编程逻辑器对实时采样的所述数字信号进行滤波处理，滤波处理后进行傅里叶变换，计算得出其电压和电流的相位差φ；根据功率计算公式计算得到最后的功率数据，再将所述功率数据发送给终端维护设备；
14.当采集信号是直流信号时，所述可编程逻辑器对实时采样的所述数字信号进行滤波处理，得到滤波后数字信号中的电压和电流数据；根据功率计算公式p＝u*i，计算得到最后的功率数据，再将所述功率数据发送给终端维护设备。
15.作为本技术的一可选实施方案，可选地，所述采样电路，包括：
16.电压采样电路回路，用于电压信号采集；
17.所述电压采样电路回路包括：第一输入端子、第一电阻、第二电阻、第二输入端子、第一隔离运算放大器和第一模数转换芯片，其中，
18.所述第一输入端子输入待采样信号，第二输入端子接输入待采样信号的参考信号；
19.所述第一输入端子、第一电阻、第二电阻和第二输入端子依次串接；
20.所述第一隔离运算放大器并接在所述第二电阻两端；
21.所述第一隔离运算放大器和所述第一模数转换芯片串联，所述第一模数转换芯片与所述可编程逻辑器串联。
22.作为本技术的一可选实施方案，可选地，所述采样电路，还包括：
23.电流采样电路回路，用于电流信号采集；
24.所述电流采样电路回路包括：第一输入端子、第三电阻、输出端子、第二隔离运算放大器和第二模数转换芯片，其中，
25.所述第一输入端子输入待采样信号，所述输出端子接待采样信号的负载端；
26.所述第一输入端子、第三电阻和输出端子依次串接；
27.所述第二隔离运算放大器并接在所述第三电阻两端；
28.所述第二隔离运算放大器和所述第二模数转换芯片串联，所述第二模数转换芯片与所述可编程逻辑器串联。
29.作为本技术的一可选实施方案，可选地，所述采样电路的数量至少为一路。
30.作为本技术的一可选实施方案，可选地，所述采样电路的数量不超过三路。
31.本技术另一方面，提出一种兼容交流和直流转辙机的实时功率采集方法，包括如下步骤：
32.基于上述所述的兼容交流和直流转辙机的实时功率采集电路，对输入的待采样信号进行电压信号和电流信号采集；
33.将采集的电压信号和电流信号发送至隔离运算放大器，进行信号放大处理；
34.放大信号经过模数转换芯片进行模数转换，得到数字信号，并将数字信号发送至可编程逻辑器；
35.可编程逻辑器接收经模数转换后得到的数字信号并对所述数字信号进行滤波处理，以及根据采集信号的类型对所述数字信号进行功率数据计算，将所述功率数据发送给终端维护设备。
36.作为本技术的一可选实施方案，可选地，可编程逻辑器接收经模数转换后得到的数字信号并对所述数字信号进行滤波处理，以及根据采集信号的类型对所述数字信号进行功率数据计算，将所述功率数据发送给终端维护设备，包括：
37.根据采集信号，判断所输入的待采样信号的类型：
38.当采集信号是交流信号时，所述可编程逻辑器对实时采样的所述数字信号进行滤波处理，滤波处理后进行傅里叶变换，计算得出其电压和电流的相位差φ；根据功率计算公式计算得到最后的功率数据，再将所述功率数据发送给终端维护设备；
39.当采集信号是直流信号时，所述可编程逻辑器对实时采样的所述数字信号进行滤
所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
63.另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
64.术语解释：
65.功率采集电路power acquisition circuit；
66.转辙机驱动电路drive circuit；
67.维护系统(终端维护设备)maintenance system；
68.交流转辙机ac point；
69.直流转辙机dc point；
70.输入端子input；
71.输出端子output。
72.本技术通过一种兼容直流转辙机和交流转辙机的功率采集电路，采用电阻直接式采集的方案获取负载端所输入的电压和电流信号，然后经过隔离放大电路，再由模数转换芯片进行模数转化，转化后的数字信号送给可编程逻辑器进行滤波处理和数据处理，最终将处理后的数据传输给cpu等终端维护设备进行分析。
73.其中，在一个电路系统中，该功率采集电路可以设置至少一路。
74.实施例1
75.如图1所示，本技术一方面，提出一种兼容交流和直流转辙机的实时功率采集电路，包括：
76.采样电路，用于对待采样端进行信号采集，将采集信号进行模数转换后发送至可编程逻辑器；
77.可编程逻辑器，用于接收经模数转换后得到的数字信号并对所述数字信号进行滤波处理，以及根据采集信号的类型对所述数字信号进行功率数据计算，将所述功率数据发送给终端维护设备；
78.采样电路与所述可编程逻辑器电连接。
79.每个功率采集电路，由电压采样电路回路和电流采样电路回路以及分别与其配套的隔离运算放大器和模数转换芯片组成。功率采集电路中，采样电路与待输入信号的电源连接，电压采样电路回路将输入的待采样信号的电压信号经过隔离方法、模数转换后发送至可编程逻辑器fpga，以此获得待采样信号的电压值；对应的电流采样电路回路获得待采样信号的电流信号(实际上还是电压值，需要进行转换计算i＝u/r)经过隔离方法、模数转换后发送至可编程逻辑器fpga，以此获得待采样信号的电流值。可编程逻辑器fpga根据处理后的电压和电流数据进行功率计算。具体根据采样信号的数据类型进行计算。
80.可编程逻辑器fpga对采样信号的功率计算方式，将根据采样信号的类型进行计算，因此可编程逻辑器fpga内置有两套功率计算算法(程序/算法不限制)，根据判断的采样信号类型进行调用即可。
81.作为本技术的一可选实施方案，可选地，所述可编程逻辑器根据采集信号的类型对所述数字信号进行功率数据计算，包括：
82.当采集信号是交流信号时，所述可编程逻辑器对实时采样的所述数字信号进行滤
波处理，滤波处理后进行傅里叶变换，计算得出其电压和电流的相位差φ；根据功率计算公式计算得到最后的功率数据，再将所述功率数据发送给终端维护设备；
83.当采集信号是直流信号时，所述可编程逻辑器对实时采样的所述数字信号进行滤波处理，得到滤波后数字信号中的电压和电流数据；根据功率计算公式p＝u*i，计算得到最后的功率数据，再将所述功率数据发送给终端维护设备。
84.本实施例，以图1中上部第一个功率采集电路为例，该功率采集电路包含了第一输入端子input1、第二输入端子input4、输出端子output1、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第一隔离运算放大器amplifier 1、第一模数转换芯片adc1、第二隔离运算放大器amplifier 2和第二模数转换芯片adc2组成。第一模数转换芯片adc1和第二模数转换芯片adc2分别与可编程逻辑器fpga的接口串接。
85.作为本技术的一可选实施方案，可选地，所述采样电路，包括：
86.电压采样电路回路，用于电压信号采集；
87.所述电压采样电路回路包括：第一输入端子、第一电阻、第二电阻、第二输入端子、第一隔离运算放大器和第一模数转换芯片，其中，
88.所述第一输入端子输入待采样信号，第二输入端子接输入待采样信号的参考信号；
89.所述第一输入端子、第一电阻、第二电阻和第二输入端子依次串接；
90.所述第一隔离运算放大器并接在所述第二电阻两端；
91.所述第一隔离运算放大器和所述第一模数转换芯片串联，所述第一模数转换芯片与所述可编程逻辑器串联。
92.上述电压采样电路回路的具体电路连接关系，参见图1即可。电压采样电路回路如下：
93.第一输入端子input1接输入的待采样信号，第一输入端子input4接输入的待采样信号的参考信号。待采样信号经过第一电阻r1和第二电阻r2的分压网络后，将第二电阻r2两端的小电压信号传送给第一隔离运算放大器amplifier 1，经过隔离放大后，再由第一模数转换芯片adc 1采样，经过数字采样后的信号，最后会通过可编程逻辑器fpga采样得到的数字信号进行滤波处理。
94.作为本技术的一可选实施方案，可选地，所述采样电路，还包括：
95.电流采样电路回路，用于电流信号采集；
96.所述电流采样电路回路包括：第一输入端子、第三电阻、输出端子、第二隔离运算放大器和第二模数转换芯片，其中，
97.所述第一输入端子输入待采样信号，所述输出端子接待采样信号的负载端；
98.所述第一输入端子、第三电阻和输出端子依次串接；
99.所述第二隔离运算放大器并接在所述第三电阻两端；
100.所述第二隔离运算放大器和所述第二模数转换芯片串联，所述第二模数转换芯片与所述可编程逻辑器串联。
101.上述电流采样电路回路的具体电路连接关系，参见图1即可。电流采样电路回路如下：
102.第一输入端子output1接待采样信号的负载端，当待采样信号驱动负载后，电流流
经回路中的串联第三电阻r3，将第三电阻r3两端的小电压信号传送给第二隔离运算放大器amplifier 2，经过隔离放大后，再由第二模数转换芯片adc 2采样，经过数字采样后的信号，最后再通过可编程逻辑器fpga采样得到的数字信号进行滤波处理。
103.当采集的信号是交流信号时，fpga最后会对这一路实时采样的电压和电流数据进行滤波处理，滤波处理后进行傅里叶变换，计算得出其电压和电流的相位差φ，然后根据功率计算公式就可以得到最后的功率数据。最终再将功率数据通过网络通讯端口ehternet发送给终端维护设备。
104.当采集的信号是直流信号时，由于直流电压和电流无相位差，fpga直接将滤波后的电压和电流数据按功率计算公式p＝u*i进行运算处理，就可以得到最后的功率数据。最终再将功率数据通过网络通讯端口ehternet发送给终端维护设备。
105.作为本技术的一可选实施方案，可选地，所述采样电路的数量至少为一路。本技术的采样电路可以设置一路，对应一交流/直流输入电源。
106.作为本技术的一可选实施方案，可选地，所述采样电路的数量不超过三路。为了保证计算性能，和承载功率，最多不超过三路，如图1所示，本实施例采用了三路。
107.基于上述功率采集电路power acquisition circuit，本实施例还提供一种该电路的应用方法。
108.本技术另一方面，提出一种兼容交流和直流转辙机的实时功率采集方法，包括如下步骤：
109.基于上述所述的兼容交流和直流转辙机的实时功率采集电路，对输入的待采样信号进行电压信号和电流信号采集；
110.将采集的电压信号和电流信号发送至隔离运算放大器，进行信号放大处理；
111.放大信号经过模数转换芯片进行模数转换，得到数字信号，并将数字信号发送至可编程逻辑器；
112.可编程逻辑器接收经模数转换后得到的数字信号并对所述数字信号进行滤波处理，以及根据采集信号的类型对所述数字信号进行功率数据计算，将所述功率数据发送给终端维护设备。
113.作为本技术的一可选实施方案，可选地，可编程逻辑器接收经模数转换后得到的数字信号并对所述数字信号进行滤波处理，以及根据采集信号的类型对所述数字信号进行功率数据计算，将所述功率数据发送给终端维护设备，包括：
114.根据采集信号，判断所输入的待采样信号的类型：
115.当采集信号是交流信号时，所述可编程逻辑器对实时采样的所述数字信号进行滤波处理，滤波处理后进行傅里叶变换，计算得出其电压和电流的相位差φ；根据功率计算公式计算得到最后的功率数据，再将所述功率数据发送给终端维护设备；
116.当采集信号是直流信号时，所述可编程逻辑器对实时采样的所述数字信号进行滤波处理，得到滤波后数字信号中的电压和电流数据；根据功率计算公式p＝u*i，计算得到最后的功率数据，再将所述功率数据发送给终端维护设备。
117.上述方法具体结合该电路的说明部分，本处不再赘述。
118.显然，本领域的技术人员应该明白，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成的，程序可存储于一计算机可读取存储介质
中，该程序在执行时，可包括如上述各控制方法的实施例的流程。上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
119.本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成的，程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各控制方法的实施例的流程。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)、随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)、快闪存储器(flashmemory)、硬盘(harddiskdrive，缩写：hdd)或固态硬盘(solid-statedrive，ssd)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
120.因此，本技术通过功率采集电路，采用电阻直接式采集的方案进行输入信号采样，经过隔离放大电路，再由模数转换芯片进行模数转化，转化后的数字信号送给可编程逻辑器fpga进行滤波处理和数据处理，最终fpga将处理后的数据传输给cpu等终端维护设备进行分析，从而实现了整个采样电路的高度集成化，小型化，同时又提升了数据采集的实时性，提高了采集数据的精度。
121.需要说明的是，尽管以一路功率采集电路作为示例介绍了如上输入信号的功率计算方法，但本领域技术人员能够理解，本公开应不限于此。事实上，用户完全可根据实际应用场景灵活设定功率采集电路数量，只要可以按照上述技术方法实现本技术的技术功能即可。
122.实施例2
123.基于实施例1的实施原理，本技术另一方面，还提出一种兼容交流和直流转辙机的实时功率采集系统，包括：
124.交流/直流输入电源；
125.上述所述的兼容交流和直流转辙机的实时功率采集电路；
126.转辙机驱动电路；
127.交流/直流转辙机；
128.维护系统；
129.所述交流/直流输入电源、实时功率采集电路、转辙机驱动电路和交流/直流转辙机依次电连接；
130.所述维护系统和所述实时功率采集电路电连接。
131.具体分为交流转辙机的功率采集和直流转辙机的功率采集，下面将分别进行描述。
132.一、交流转辙机的功率采集
133.如图2所示，为交流转辙机应用电路框图，包括三相交流电源ac380v的输入，功率采集电路power acquisition circuit，转辙机驱动电路drive circuit，维护系统(终端维护设备)maintenance system以及交流转辙机ac point。其中的功率采集电路power acquisition circuit，具体参见实施例1的描述。
134.将其代入图2中，构成如图3所示的交流转辙机的功率采集电路，其中：
135.端子input1接交流转辙机三相驱动电源ac380v的c相；ac380v c；
136.端子input2接交流转辙机三相驱动电源ac380v的b相；ac380v b；
137.端子input3接交流转辙机三相驱动电源ac380v的a相；ac380v a；
138.端子input4，input5，input6接交流转辙机三相驱动电源ac380v的零线n；ac380v n；
139.端子output1，output2，output3接入转辙机驱动电路drive circuit；
140.通讯端口ethernet接入维护系统maintenance system。
141.二、直流转辙机的功率采集、
142.如图4所示，为直流转辙机应用电路框图，包括直流电源dc220v的输入，功率采集电路power acquisition circuit，转辙机驱动电路drive circuit，维护系统(终端维护设备)maintenance system以及直流转辙机dc point。
143.将图1的功率采集电路power acquisition circuit代入图4，构成如图5所示的直流转辙机的功率采集电路，其中：
144.端子input1接直流转辙机驱动电源dc220v正:dc220v+；
145.端子input2悬空；
146.端子input3悬空；
147.端子input4接直流转辙机驱动电源dc220v负:dc220v-；
148.端子output1接入转辙机驱动电路drive circuit；
149.通讯端口ethernet接入维护系统maintenance system。
150.上述交流/直流转辙机的功率计算，具体参见实施例1的应用原理即可。
151.采用上述设计，具有如下优先：
152.电路元器件高度集成，整体体积小，安装方便；
153.接口兼容既有直流转辙机和交流转辙机的电路接口，方便维护和升级；
154.高速实时采样，数据更精准。
155.实施例3
156.更进一步地，本技术另一方面，还提出一种电子设备，包括：
157.处理器；
158.用于存储处理器可执行指令的存储器；
159.其中，所述处理器被配置为执行所述可执行指令时实现上述所述的转辙机实时功率采集方法。
160.本公开实施例来电子设备包括处理器以及用于存储处理器可执行指令的存储器。其中，处理器被配置为执行可执行指令时实现前面任一所述的一种兼容交流和直流转辙机的实时功率采集电路。
161.此处，应当指出的是，处理器的个数可以为一个或多个。同时，在本公开实施例的电子设备中，还可以包括输入装置和输出装置。其中，处理器、存储器、输入装置和输出装置之间可以通过总线连接，也可以通过其他方式连接，此处不进行具体限定。
162.存储器作为一计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序和各种模块，如：本公开实施例的一种兼容交流和直流转辙机的实时功率采集电路所对应的
程序或模块。处理器通过运行存储在存储器中的软件程序或模块，从而执行电子设备的各种功能应用及数据处理。
163.输入装置可用于接收输入的数字或信号。其中，信号可以为产生与设备/终端/服务器的用户设置以及功能控制有关的键信号。输出装置可以包括显示屏等显示设备。
164.以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。