安全与门驱动电路故障诊断装置及方法

技术领域

本发明涉及故障诊断技术领域，尤其涉及一种安全与门驱动电路故障诊断装置及方法。

背景技术

在铁路信号系统中常用安全与门驱动电路驱动信号继电器。安全与门驱动电路一般包括变压器及其驱动电路、脉冲整流滤波电路，整个电路中存在电阻、电容、二极管、三极管、MOS(Metal Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体)管、电感和光耦等大量的分立元器件。

当某个元器件损坏会导致安全与门驱动电路的驱动能力下降，回采信号的波形出现毛刺等现象。目前在安全与门驱动电路发生故障后，由检修人员在关键位置使用示波器进行逐一测量，诊断效率较低。对于偶发性故障，由于故障存在的时间较短，很难捕获到故障发生时的回采信号，从而导致故障定位困难。

发明内容

本发明提供一种安全与门驱动电路故障诊断装置及方法，用以解决现有技术中安全与门驱动电路故障诊断效率低，故障定位困难的缺陷，实现准确定位故障位置，减少检修工作量，提高故障诊断效率。

本发明提供一种安全与门驱动电路故障诊断装置，包括：

ADC模块，所述ADC模块的输入端与安全与门驱动电路中的各测试点连接，所述ADC模块用于在当前测试点的前一个测试点处的信号诊断正常的情况下，对所述当前测试点处的信号进行实时采样，并将采样的信号转化为数字信号，所述前一个测试点根据所述安全与门驱动电路中信号的流向确定；

FPGA采集模块，所述FPGA采集模块的输入端与所述ADC模块的输出端连接，所述FPGA采集模块用于采集所述ADC模块输出的数字信号；

数据处理模块，所述数据处理模块的输入端与所述FPGA采集模块的输出端连接，所述数据处理模块用于对所述数字信号的波形进行分析，确定所述当前测试点处的信号是否正常；在所述当前测试点处的信号正常的情况下，确定所述当前测试点与所述前一个测试点之间的元器件均正常；在所述当前测试点处的信号异常的情况下，确定所述当前测试点与所述前一个测试点之间的元器件存在异常。

根据本发明提供的一种安全与门驱动电路故障诊断装置，所述ADC模块包括输入范围调整模块、滤波器和ADC芯片；

所述输入范围调整模块与所述滤波器连接；

所述滤波器与所述ADC芯片连接；

所述输入范围调整模块用于在所述前一个测试点处的信号诊断正常的情况下，对所述当前测试点处的信号进行实时采样，并对采样的信号进行调整，使得所述信号符合所述ADC芯片的预设输入范围；

所述滤波器用于滤除调整后的所述信号中的噪声；

所述ADC芯片用于将滤除噪声后的所述信号转化为数字信号。

根据本发明提供的一种安全与门驱动电路故障诊断装置，所述数据处理模块具体用于：

将所述数字信号的波形与预设正常波形进行对比，确定所述当前测试点处的信号是否正常。

根据本发明提供的一种安全与门驱动电路故障诊断装置，所述数据处理模块具体用于：

确定所述数字信号的波形与预设正常波形之间对应点的幅值差和所述幅值差的绝对值；

确定所述幅值差的绝对值大于预设阈值的点在所述数字信号的波形中的占比，将所述占比作为所述当前测试点处信号的第一异常概率；

使用神经网络算法对所述数字信号的波形和预设正常波形分别进行特征提取；

确定所述数字信号的波形的特征和预设正常波形的特征之间的相似性，将1减去所述相似性的差值作为所述当前测试点处信号的第二异常概率；

根据所述第一异常概率和所述第二异常概率，确定所述当前测试点处的信号是否正常。

根据本发明提供的一种安全与门驱动电路故障诊断装置，还包括示波器和万用表；

所述当前测试点与所述前一个测试点之间的元器件包括电阻和电容；

所述示波器与所述数据处理模块连接，且与所述电阻电连接；

所述万用表与所述数据处理模块连接，且与所述电阻和电容电连接；

所述示波器用于测量所述电阻的输入端和输出端的信号；

所述万用表用于测量所述电阻的阻值和所述电容的容值；

所述数据处理模块用于在所述当前测试点处的信号异常的情况下，确定所述电阻的输入端和输出端是否存在信号，以及所述电容的容量是否在第一预设范围内；

在所述电阻的输入端和输出端均存在信号的情况下，确定所述电阻正常；

在所述电阻的输入端存在信号且输出端不存在信号的情况下，确定所述电阻的阻值是否在第二预设范围内；

在所述电阻的阻值不在所述第二预设范围内的情况下，确定所述电阻异常；

在所述电容的容量不在第一预设范围内的情况下，确定所述电容异常。

根据本发明提供的一种安全与门驱动电路故障诊断装置，还包括上位机，所述上位机与所述数据处理模块连接；

所述上位机用于接收并显示所述数据处理模块发送的所述当前测试点处的信号是否正常。

本发明还提供一种安全与门驱动电路故障诊断方法，包括：

在安全与门驱动电路中当前测试点的前一个测试点处的信号诊断正常的情况下，对所述当前测试点处的信号进行实时采样，并将采样的信号转化为数字信号，所述前一个测试点根据所述安全与门驱动电路中信号的流向确定；

对数字信号进行采集；

对采集的所述数字信号的波形进行分析，确定所述当前测试点处的信号是否正常；

在所述当前测试点处的信号正常的情况下，确定所述当前测试点与所述前一个测试点之间的元器件均正常；

在所述当前测试点处的信号异常的情况下，确定所述当前测试点与所述前一个测试点之间的元器件存在异常。

根据本发明提供的一种安全与门驱动电路故障诊断方法，所述对所述当前测试点处的信号进行实时采样，包括：

在所述前一个测试点处的信号诊断正常的情况下，对所述当前测试点处的信号进行实时采样，并对采样的信号进行调整，使得所述信号符合预设输入范围；

使用滤波器滤除调整后的所述信号中的噪声；

将滤除噪声后的所述信号转化为数字信号。

根据本发明提供的一种安全与门驱动电路故障诊断方法，所述对采集的所述数字信号的波形进行分析，确定所述当前测试点处的信号是否正常，包括：

将采集的所述数字信号的波形与预设正常波形进行对比，确定所述当前测试点处的信号是否正常。

根据本发明提供的一种安全与门驱动电路故障诊断方法，所述将采集的所述数字信号的波形与预设正常波形进行对比，确定所述当前测试点处的信号是否正常，包括：

确定采集的所述数字信号的波形与预设正常波形之间对应点的幅值差和所述幅值差的绝对值；

确定所述幅值差的绝对值大于预设阈值的点在所述数字信号的波形中的占比，将所述占比作为所述当前测试点处信号的第一异常概率；

使用神经网络算法对所述数字信号的波形和预设正常波形分别进行特征提取；

确定所述数字信号的波形的特征和预设正常波形的特征之间的相似性，将1减去所述相似性的差值作为所述当前测试点处信号的第二异常概率；

根据所述第一异常概率和所述第二异常概率，确定所述当前测试点处的信号是否正常。

本发明提供的安全与门驱动电路故障诊断装置及方法，通过使用ADC模块根据安全与门驱动电路中信号的流向，依次对安全与门驱动电路中测试点处的信号自动进行持续采样，并使用数据处理模块对信号的波形进行分析，自动进行故障定位，从而准确定位故障位置，减少检修工作量，提高故障诊断效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明提供的安全与门驱动电路故障诊断装置中测试点的位置示意图；

图2是本发明提供的安全与门驱动电路故障诊断装置的结构示意图；

图3是本发明提供的安全与门驱动电路故障诊断装置中ADC模块的结构示意图；

图4是本发明提供的安全与门驱动电路故障诊断方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。

安全与门驱动电路原理图如图1所示，由铁路信号系统中的处理器产生PWM(PulseWidth Modulation，脉宽调制)信号1和PWM信号2。

PWM信号1用于通过三极管Q1在变压器T1的初级绕组中产生交变电压，从而使变压器T1的次级绕组产生感应电压通过二极管D1进行整形，电容C3将电压波形平滑后作为MOS(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)管Q2的驱动电源。

PWM信号2通过MOS管Q2在变压器T2的初级绕组中产生交变电压，从而使变压器T2的次级绕组产生感应电压通过二极管D2进行整形，电容C1和电感L1将电压波形平滑后得到继电器的驱动电压。在变压器T2的初级绕组处通过光耦U3进行信号回采。

下面结合图2描述本发明的一种安全与门驱动电路故障诊断装置，包括：

ADC(Analog to Digital Converter，模拟数字转换器)模块，所述ADC模块的输入端与安全与门驱动电路中的各测试点连接，所述ADC模块用于在当前测试点的前一个测试点处的信号诊断正常的情况下，对所述当前测试点处的信号进行实时采样，并将采样的信号转化为数字信号，所述前一个测试点根据所述安全与门驱动电路中信号的流向确定；

在安全与门驱动电路中设置多个测试点，将测试点按照安全与门驱动电路中信号的流向进行排序。按照测试点的排序依次对每个测试点进行故障诊断。

在诊断出某个测试点的信号正常的情况下，再进行后续测试点的诊断；

在诊断出某个测试点的信号异常的情况下，获知该测试点和该测试点的前一个测试点之间的元器件故障，在故障排除后再次对该测试点进行诊断。在确定该测试点处的信号正常的情况下，再进行后续测试点的诊断。

如图1所示，在安全与门驱动电路中设置7个测试点，即Test1至Test7。按照安全与门驱动电路中信号的流向得到测试点的排序，即从Test1至Test7。

按照排序首先对测试点Test1进行故障诊断，在确定测试点Test1处的信号正常的情况下接着对Test2进行故障诊断；否则获知测试点Test1前的电阻R2、光耦U1、电容C2和电阻R3等元器件中的至少一个故障，排除故障后，接着对Test2进行故障诊断，依此类推。

在确定当前测试点的前一个测试点正常的情况下，对当前测试点进行诊断。

每个测试点可单独连接一路ADC模块，如7个测试点供连接7路ADC模块。

使用当前测试点连接的ADC模块对当前测试点处的信号进行持续采样，并将采样的信号转换为数字信号。

FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)采集模块，所述FPGA采集模块的输入端与所述ADC模块的输出端连接，所述FPGA采集模块用于采集所述ADC模块输出的数字信号；

FPGA采集模块负责采集所有ADC模块输出的数字信号，并通过以太网发送给数据处理模块进行分析，得出诊断结果。

数据处理模块，所述数据处理模块的输入端与所述FPGA采集模块的输出端连接，所述数据处理模块用于对所述数字信号的波形进行分析，确定所述当前测试点处的信号是否正常；在所述当前测试点处的信号正常的情况下，确定所述当前测试点与所述前一个测试点之间的元器件均正常；在所述当前测试点处的信号异常的情况下，确定所述当前测试点与所述前一个测试点之间的元器件存在异常。

数据处理模块对ADC模块输出的数字信号进行分析，确定当前测试点处的信号是否正常。

例如，使用神经网络算法对数字信号进行分类，确定当前测试点处的信号是否正常。

在使用神经网络算法对数字信号进行分类前，使用测试点样本处的信号转化的数字信号为样本，使用测试点样本处的信号正常或不正常为标签对神经网络算法进行训练。

还可以对数字信号的波形的特征进行统计，例如统计数字信号的波形的均值和方差。根据统计特征是否满足预设条件来确定当前测试点处的信号是否正常。

在当前测试点处的信号正常的情况下，由于前一个测试点处的信号也正常，可以获知当前测试点与前一个测试点之间的元器件均正常。

在当前测试点处的信号异常的情况下，由于前一个测试点处的信号正常，可以获知当前测试点与前一个测试点之间的元器件中至少一个异常。

为了快速定位到出现故障的元器件，可以在当前测试点与前一个测试点之间再布置测试点进行测试，从而逐渐缩小故障定位的方位。

图1中如果Test1处波形出现问题，可以将故障定位到电阻R2、光耦U1、电容C2和电阻R3等元器件。

若Test1处波形正常且Test2处波形异常，可以将故障定位到三极管Q1、电阻R5、变压器T1和二极管D4。

若Test1和Test2处波形正常，且Test3处波形异常，可以将故障定位到二极管D1、电容C3、电阻R1和变压器T1。

若Test1、Test2和Test3处波形正常，且Test4处波形异常，可以将故障定位到光耦U2、电容C5、电阻R4、电阻R7和电阻R8。

若Test1、Test2、Test3和Test4处波形正常，且Test5处波形异常，可以将故障定位到MOS管Q2、电容C4、电阻R9和二极管D5。

若Test1、Test2、Test3、Test4和Test5处波形正常，且Test6处波形异常，可以将故障定位到变压器T2和二极管D2。

若Test1、Test2、Test3、Test4、Test5和Test6处波形正常，且Test7处波形异常，可以将故障定位到二极管D3、电感L1和电容C1。

本实施例通过使用ADC模块根据安全与门驱动电路中信号的流向，依次对安全与门驱动电路中测试点处的信号自动进行持续采样，并使用数据处理模块对信号的波形进行分析，自动进行故障定位，从而准确定位故障位置，减少检修工作量，提高故障诊断效率。

在上述实施例的基础上，如图3所示，本实施例中所述ADC模块包括输入范围调整模块、滤波器和ADC芯片；

所述输入范围调整模块与所述滤波器连接；

所述滤波器与所述ADC芯片连接；

所述输入范围调整模块用于在所述前一个测试点处的信号诊断正常的情况下，对所述当前测试点处的信号进行实时采样，并对采样的信号进行调整，使得所述信号符合所述ADC芯片的预设输入范围；

所述滤波器用于滤除调整后的所述信号中的噪声；

所述ADC芯片用于将滤除噪声后的所述信号转化为数字信号。

输入范围调整模块使当前测试点处的信号符合ADC芯片的预设输入范围。ADC芯片的预设输入范围可从ADC芯片的出厂信息中获取。

通过设置滤波器来滤除当前测试点处的信号中包含的不期望的噪声信号。

通过ADC芯片将当前测试点处的信号转化为数字信号，便于数字处理模块进行分析。

本实施例通过使用ADC模块根据安全与门驱动电路中信号的流向，依次对安全与门驱动电路中测试点处的信号自动进行持续采样，并进行输入范围调整、滤波和模数转换，从而准确定位故障位置，提高故障诊断效率。

在上述实施例的基础上，本实施例中所述数据处理模块具体用于：

将所述数字信号的波形与预设正常波形进行对比，确定所述当前测试点处的信号是否正常。

将数字信号的波形与预设正常波形进行对比可以计算数字信号的波形与预设正常波形之间的相似性，在相似性大于预设阈值的情况下确定当前测试点处的信号正常，否则确定当前测试点处的信号异常。

还可以对数字信号的波形和预设正常波形进行特征提取，进一步根据数字信号的波形特征和预设正常波形的特征之间的相似性确定当前测试点处的信号是否正常。

本实施例通过对安全与门驱动电路中测试点处的波形进行持续采样，并与预设正常波形进行对比，从而准确定位出故障位置，减少检修工作量。

在上述实施例的基础上，本实施例中所述数据处理模块具体用于：

确定所述数字信号的波形与预设正常波形之间对应点的幅值差和所述幅值差的绝对值；

确定所述幅值差的绝对值大于预设阈值的点在所述数字信号的波形中的占比，将所述占比作为所述当前测试点处信号的第一异常概率；

使用神经网络算法对所述数字信号的波形和预设正常波形分别进行特征提取；

确定所述数字信号的波形的特征和预设正常波形的特征之间的相似性，将1减去所述相似性的差值作为所述当前测试点处信号的第二异常概率；

根据所述第一异常概率和所述第二异常概率，确定所述当前测试点处的信号是否正常。

预设正常波形为在当前测试点处的信号正常的情况下该信号转换的数字信号的波形。

数字信号的波形的横轴为信号频率，纵轴为信号幅度值。数字信号的波形上的每个点与预设正常波形上的每个点一一对应。

将对应的数字信号波形上的每个点与预设正常波形上的每个点进行幅度值相减，并对相减得到的幅值差取绝度值。

从数字信号波形中选取幅值差的绝对值大于预设阈值的点，即异常点。将异常点在数字信号波形的所有点中所占的比例作为当前测试点处信号的第一异常概率。

幅值差的绝对值越大，信号出现异常的可能性越大，反之越小。可进一步考虑异常点对应的幅值差的绝对值中最大值与最小值之间的比值，使用该比值对第一异常概率进行校正。例如将该比值乘以第一异常概率得到校正后的第一异常概率。

使用神经网络算法，如卷积神经网络对数字信号的波形和预设正常波形进行特征提取。

根据数字信号的波形特征和预设正常波形的特征之间的相似性，如余弦相似性。将1减去该相似性得到当前测试点处信号的第二异常概率。

可将第一异常概率和第二异常概率进行加权求和，得到当前测试点处信号的最终异常概率。

在当前测试点处信号的最终异常概率大于设定阈值的情况下，可确定当前测试点处的信号异常，否则可确定当前测试点处的信号正常。

本实施例通过数字信号的波形中异常点的占比，以及与预设正常波形的特征相似度，确定当前测试点处信号的异常概率，从而准确判断当前测试点处的信号是否正常。

在上述各实施例的基础上，本实施例中还包括示波器和万用表；

所述当前测试点与所述前一个测试点之间的元器件包括电阻和电容；

所述示波器与所述数据处理模块连接，且与所述电阻电连接；

所述万用表与所述数据处理模块连接，且与所述电阻和电容电连接；

所述示波器用于测量所述电阻的输入端和输出端的信号；

所述万用表用于测量所述电阻的阻值和所述电容的容值；

所述数据处理模块用于在所述当前测试点处的信号异常的情况下，确定所述电阻的输入端和输出端是否存在信号，以及所述电容的容量是否在第一预设范围内；

在所述电阻的输入端和输出端均存在信号的情况下，确定所述电阻正常；

在所述电阻的输入端存在信号且输出端不存在信号的情况下，确定所述电阻的阻值是否在第二预设范围内；

在所述电阻的阻值不在所述第二预设范围内的情况下，确定所述电阻异常；

在所述电容的容量不在第一预设范围内的情况下，确定所述电容异常。

例如，图1中通过对测试点进行诊断，得出Test1、Test2、Test3处波形正常，Test4处无PWM信号。

使用示波器测量电阻R7的右侧，如果有PWM波信号，则表明电阻R7工作正常；如果无PWM波信号，则表明R7电阻工作不正常。使用万用表测量电阻R7的阻值是否在合适范围内。

继续测量电阻R4两端的信号，如果R4左侧有PWM信号且右侧无PWM信号，说明电阻R4损坏。使用万用表测量电阻R4的阻值是否在合适范围内，从而电阻R4是否正常。

使用万用表测量电容C5的容值是否在合适范围内，可以判断电容C5是否正常。

本实施例通过在当前测试点处的信号异常的情况下，使用示波器和万能表进一步检测当前测试点与前一个测试点之间的异常元器件，提高故障定位精度。

在上述各实施例的基础上，本实施例中还包括上位机，所述上位机与所述数据处理模块连接；

所述上位机用于接收并显示所述数据处理模块发送的所述当前测试点处的信号是否正常。

如图2所示，数据处理模块对ADC模块输出的数字信号的波形进行分析，统计出当前测试点处信号的异常概率，从而确定当前测试点处的信号是否正常。

数据处理模块将分析结果通过以太网发送给上位机，上位机对分析结果进行显示。

下面对本发明提供的安全与门驱动电路故障诊断方法进行描述，下文描述的安全与门驱动电路故障诊断方法与上文描述的安全与门驱动电路故障诊断装置可相互对应参照。

如图4所示，该方法包括：

步骤401，在安全与门驱动电路中当前测试点的前一个测试点处的信号诊断正常的情况下，对所述当前测试点处的信号进行实时采样，并将采样的信号转化为数字信号，所述前一个测试点根据所述安全与门驱动电路中信号的流向确定；

步骤402，对数字信号进行采集；

步骤403，对采集的所述数字信号的波形进行分析，确定所述当前测试点处的信号是否正常；

在所述当前测试点处的信号正常的情况下，确定所述当前测试点与所述前一个测试点之间的元器件均正常；

在所述当前测试点处的信号异常的情况下，确定所述当前测试点与所述前一个测试点之间的元器件存在异常。

本实施例通过使用ADC模块根据安全与门驱动电路中信号的流向，依次对安全与门驱动电路中测试点处的信号自动进行持续采样，并使用数据处理模块对信号的波形进行分析，自动进行故障定位，从而准确定位故障位置，减少检修工作量，提高故障诊断效率。

在上述实施例的基础上，本实施例中所述对所述当前测试点处的信号进行实时采样，包括：

在所述前一个测试点处的信号诊断正常的情况下，对所述当前测试点处的信号进行实时采样，并对采样的信号进行调整，使得所述信号符合预设输入范围；

使用滤波器滤除调整后的所述信号中的噪声；

将滤除噪声后的所述信号转化为数字信号。

在上述实施例的基础上，本实施例中所述对采集的所述数字信号的波形进行分析，确定所述当前测试点处的信号是否正常，包括：

将采集的所述数字信号的波形与预设正常波形进行对比，确定所述当前测试点处的信号是否正常。

在上述实施例的基础上，本实施例中所述将采集的所述数字信号的波形与预设正常波形进行对比，确定所述当前测试点处的信号是否正常，包括：

确定采集的所述数字信号的波形与预设正常波形之间对应点的幅值差和所述幅值差的绝对值；

确定所述幅值差的绝对值大于预设阈值的点在所述数字信号的波形中的占比，将所述占比作为所述当前测试点处信号的第一异常概率；

使用神经网络算法对所述数字信号的波形和预设正常波形分别进行特征提取；

确定所述数字信号的波形的特征和预设正常波形的特征之间的相似性，将1减去所述相似性的差值作为所述当前测试点处信号的第二异常概率；

根据所述第一异常概率和所述第二异常概率，确定所述当前测试点处的信号是否正常。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。