基于乘客信息系統(tǒng)顯示終端的電源控制技術(shù)研究

于孝安，杜呈欣，闞庭明，張勝陽(yáng)，田海超，劉 棟

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

基于乘客信息系統(tǒng)顯示終端的電源控制技術(shù)研究

于孝安，杜呈欣，闞庭明，張勝陽(yáng)，田海超，劉 棟

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

液晶顯示屏（LCD）是地鐵乘客信息系統(tǒng)（PIS）的主要耗能部件，因此，解決LCD電源的控制問(wèn)題可以實(shí)現(xiàn)地鐵PIS節(jié)能降耗的目標(biāo)。本文從當(dāng)前國(guó)內(nèi)地鐵PIS中的LCD電源控制技術(shù)方案入手，針對(duì)PIS當(dāng)前及未來(lái)業(yè)務(wù)需求、應(yīng)用現(xiàn)狀及技術(shù)原理進(jìn)行分析，提出適合于PIS業(yè)務(wù)需求的電源控制技術(shù)方案。

乘客信息系統(tǒng)；液晶顯示屏（LCD）；電源控制；節(jié)能

隨著我國(guó)軌道交通的迅猛發(fā)展，已有50多個(gè)城市開展軌道交通的建設(shè)。乘客信息系統(tǒng)（PIS）在地鐵日常運(yùn)營(yíng)中主要通過(guò)液晶顯示屏（LCD）終端為乘客提供列車時(shí)間、政府公告、出行參考、股票、廣告等實(shí)時(shí)多媒體信息；在火災(zāi)及阻塞、恐怖襲擊等緊急情況下，提供動(dòng)態(tài)緊急疏散指示。LCD是地鐵PIS的耗能大戶，占PIS總能耗的50%以上，因此，有效控制LCD的電源是地鐵運(yùn)營(yíng)有待解決的關(guān)鍵問(wèn)題，也是節(jié)能降耗、降低運(yùn)營(yíng)成本的有效途徑。

1 LCD電源控制應(yīng)用現(xiàn)狀及技術(shù)分析

在目前采用的控制技術(shù)中，LCD電源控制方式主要有兩種：串口信號(hào)控制方式和電源開關(guān)控制方式。串口信號(hào)控制方式從功能上基本可以滿足應(yīng)用需求，在LCD進(jìn)行開關(guān)控制的同時(shí)還可以獲得屏幕當(dāng)前工作狀態(tài)，但是需要LCD屏幕對(duì)控制信號(hào)的支持，目前只有部分廠商的部分型號(hào)屏幕支持該功能；電源開關(guān)控制方式相對(duì)串口信號(hào)控制方式操作簡(jiǎn)單，只需控制LCD的電源，且LCD在加電后默認(rèn)斷電前輸入信號(hào)源即可。市場(chǎng)上98%以上的LCD均支持該功能，現(xiàn)在運(yùn)行的地鐵線路中主要分為以下幾種控制方案。

1.1 自動(dòng)定時(shí)電源控制

早期地鐵PIS的LCD均不帶控制接口，采用自動(dòng)定時(shí)電源控制器實(shí)現(xiàn)電源控制，如上海地鐵3號(hào)線（未改造前）、南京地鐵1號(hào)線（屏幕增加部分）。由于早期的顯示屏功率較大，基本是1組LCD（單塊或雙塊屏幕）配置1臺(tái)自動(dòng)定時(shí)電源控制器，其連接如圖1所示。

該設(shè)備通過(guò)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)顯示屏的定時(shí)開啟和關(guān)閉，根據(jù)設(shè)置開啟時(shí)間的不同，也可以控制屏幕的開啟順序，由于是市場(chǎng)通用設(shè)備，價(jià)格相對(duì)低廉，故在系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)初期滿足了基本的應(yīng)用要求。

圖1 自動(dòng)定時(shí)電源控制器方式連接示意

1.2 串行總線信號(hào)控制

隨著技術(shù)的進(jìn)步及運(yùn)營(yíng)需求的提高，部分顯示屏廠商在其部分產(chǎn)品上增加了RS232控制串行控制接口，通過(guò)該接口可以實(shí)現(xiàn)LCD的軟關(guān)屏（即LCD處于待機(jī)狀態(tài)，電源板本身處于通電狀態(tài)）、信號(hào)源切換、屏幕開關(guān)狀態(tài)回饋等功能。RS232控制信號(hào)傳輸距離約12 m，但每塊顯示屏與車站機(jī)房的距離均在100 m以上，所以需要將RS 232控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS 422或RS 485控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制LCD開關(guān)。

早期線路就是通過(guò)轉(zhuǎn)換器加RS 485總線結(jié)構(gòu)，通過(guò)系統(tǒng)級(jí)信號(hào)控制軟件實(shí)現(xiàn)控制LCD屏幕開關(guān)的功能，其連接方式如圖2所示。

圖2 串行總線控制方式連接示意圖

由于采用了系統(tǒng)級(jí)控制軟件，實(shí)現(xiàn)了中心級(jí)和車站級(jí)的屏幕電源控制，維護(hù)人員可以隨時(shí)進(jìn)行整組屏幕或單個(gè)屏幕的控制，可在控制中心顯示各個(gè)屏幕的開關(guān)狀態(tài)，基本滿足了應(yīng)用要求。

1.3 串口服務(wù)器控制

隨著地鐵運(yùn)營(yíng)管理水平的進(jìn)一步提高，在總結(jié)了采用總線控制LCD開關(guān)的弊端后，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用串口服務(wù)器（也有用多串口卡的方式）的形式實(shí)現(xiàn)LCD開關(guān)的控制。串口服務(wù)器通過(guò)星形結(jié)構(gòu)與LCD連接，這種方式相對(duì)采用總線而言，穩(wěn)定性方面有了較大提高。

星形結(jié)構(gòu)連接方式如圖3所示。

圖3 串口服務(wù)器控制方式連接示意圖

1.4 電源時(shí)序控制器控制

早期應(yīng)用到PIS的屏幕控制方式為電源定時(shí)控制器，但由于其大量應(yīng)用在通用領(lǐng)域，在穩(wěn)定性、便捷性和系統(tǒng)性等方面都存在問(wèn)題。因此，在該應(yīng)用基礎(chǔ)上定制開發(fā)了單電源時(shí)序控制器。該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)單電源輸入、多電源輸出、分路控制開關(guān)、開關(guān)狀態(tài)回饋等主要功能。并且安裝簡(jiǎn)便，不需要額外的線纜鋪設(shè)，對(duì)LCD品牌沒有限制，根據(jù)需要可以支持總線連接也支持星形連接，也可以用在老線舊系統(tǒng)的改造。設(shè)備與系統(tǒng)級(jí)控制軟件配合完成系統(tǒng)對(duì)屏幕的開關(guān)控制，其連接方式如圖4所示。

圖4 單電源時(shí)序控制器控制方式連接示意圖

由于采用電源控制的方式，控制器本身并不能獲取屏幕的開關(guān)狀態(tài)，只能通過(guò)電源開關(guān)的通斷狀態(tài)來(lái)模擬屏幕的開關(guān)狀態(tài)，同時(shí)也不能獲取屏幕的故障狀態(tài)。此問(wèn)題是電源控制器弱勢(shì)所在。

1.5 方案對(duì)比分析

通過(guò)分析上述方案在地鐵PIS中的應(yīng)用，可以得出表1的結(jié)論。

表1 屏幕控制方案對(duì)比

隨著地鐵運(yùn)營(yíng)要求的提高，以上幾種設(shè)備已經(jīng)無(wú)法滿足要求。為此，提出了以下改進(jìn)方案。

2 電源控制技術(shù)方案改進(jìn)

從上文可知，目前屏幕控制采用了兩種方式：（1）屏幕本身支持的信號(hào)控制；（2）屏幕的電源控制。信號(hào)控制目前最佳方案是采用星形方式進(jìn)行控制，而電源控制采用了定制時(shí)序控制器進(jìn)行電源開關(guān)控制。但每種方案均還存在著缺陷，本文就此進(jìn)行方案改進(jìn)。

2.1 工業(yè)定制屏幕

在利用屏幕本身支持的信號(hào)控制方案中，限制系統(tǒng)穩(wěn)定的主要原因是屏幕本身對(duì)系統(tǒng)的支持比較差，即不支持信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸，也不支持多點(diǎn)控制，同時(shí)接口穩(wěn)定性也比較差。由于是市場(chǎng)通用產(chǎn)品，生命周期也比較短，導(dǎo)致3～5年后（遠(yuǎn)未達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命）沒有同型號(hào)的備件可以替換。在相同的安裝條件下，很可能需要更換品牌，更換品牌也意味著需要更換控制協(xié)議，此時(shí)也導(dǎo)致屏幕控制失敗，或需要系統(tǒng)對(duì)該屏幕進(jìn)行單獨(dú)控制，維護(hù)成本直線上升。

因此，改進(jìn)方案是：屏幕控制仍采用串口服務(wù)器組成的系統(tǒng)，而LCD屏幕選擇專業(yè)的工業(yè)級(jí)定制屏幕，其優(yōu)點(diǎn)是：（1）定制屏幕的控制接口，增加接口的穩(wěn)定性；（2）工業(yè)級(jí)屏幕的生命周期都比較長(zhǎng)，可以保持在10年左右，與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壽命一致。

2.2 帶電壓、電流檢測(cè)且?guī)浞蓦娫磿r(shí)序控制器控制

在電源控制方案中，不能根據(jù)電源開關(guān)狀態(tài)獲取屏幕的狀態(tài)（主要指故障狀態(tài)），而屏幕的故障80%均是由于屏幕的電源系統(tǒng)故障導(dǎo)致。故我們?yōu)殡娫磿r(shí)序控制器增加電壓與電流的檢測(cè)功能，當(dāng)某一路的電流輸出低于設(shè)計(jì)值一定的百分比時(shí)，即可判斷該路出現(xiàn)了設(shè)備故障。同時(shí)為了防止單路電源故障后影響視頻顯示，又為電源控制器添加了備份電源，進(jìn)一步增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。其連接方式如圖5所示。

圖5 帶備份電源時(shí)序控制器控制方式連接示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)LCD幾種控制方案的分析可知，采用工業(yè)級(jí)定制屏及帶電壓、電流檢測(cè)且?guī)浞蓦娫磿r(shí)序電源控制器是相對(duì)穩(wěn)定的顯示屏屏幕控制方案，在北京地鐵7號(hào)線PIS中的應(yīng)用表明，此方案不僅實(shí)現(xiàn)屏幕狀態(tài)的反饋和電源控制功能，運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高，節(jié)能降耗，而且減少運(yùn)營(yíng)人員的維護(hù)量，提高LCD使用壽命，滿足使用需求。

[1]謝崇凱.TFT LCD液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)原理[DB/OL].http://bbs.fpdclub.net/thread-26532-1-1.html

[2]李松麗.計(jì)算機(jī)顯示器能效標(biāo)識(shí)制度與能效測(cè)試[J].節(jié)能，2010（7）.

責(zé)任編輯 楊琍明

Power control technology based on display terminal of Passenger Information System

YU Xiaoan,DU Chengxin,KAN Tingming,ZHANG Shengyang,TIAN Haichao,LIU Dong
( Institute of Computing Technologies,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China)

Liquid Crystal Display (LCD) is the main power consumption component in the Passenger Information System(PIS) of the metro.To solve the problem of power control for the LCD is to implement the main goal of saving energy and reducing consumption.This article focused on the technology solutions of power control for LCD in the PIS of domestic metro,analyzed the current and future business needs,application status as well as technical principles of PIS,proposed technical solutions of power control that were suitable for PIS business needs.

Passenger Information System(PIS);Liquid Crystal Display (LCD) ;power control;energy saving

U231.6∶TP39

A

1005-8451（2016）02-0064-03

2015-05-27

于孝安，工程師；杜呈欣，助理研究員。