廈門(mén)地鐵3號(hào)線列車(chē)乘客信息系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地圖黑屏故障分析

摘要：闡述了地鐵列車(chē)乘客信息系統(tǒng)功能及模塊組成，重點(diǎn)介紹了地鐵列車(chē)乘客信息系統(tǒng) LCD動(dòng)態(tài)地圖作用、組成及工作原理，針對(duì)廈門(mén)地鐵3號(hào)線列車(chē)動(dòng)態(tài)地圖黑屏故障進(jìn)行深入地排查與分析，發(fā)現(xiàn)原 HTY 型升壓板 ZD1穩(wěn)壓二極管熱擊穿后 Q2三極管截止工作，使得升壓板的 IC-U1芯片沒(méi)有正常工作，輸出電壓異常，從而導(dǎo)致動(dòng)態(tài)地圖黑屏故障。針對(duì)此故障原因提出了在原有 HTY 升壓板（芯片使用電壓8～28 V）的基礎(chǔ)上去除 ZD1穩(wěn)壓二極管對(duì)升壓板電路輸出電壓是否有影響，經(jīng)在不同電壓、去留 ZD1穩(wěn)壓二極管等工況下進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在不同電壓工況下去除 ZD1穩(wěn)壓二極管對(duì)原 HTY 升壓板電路輸出電壓無(wú)影響，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)整改及跟蹤驗(yàn)證，列車(chē)動(dòng)態(tài)地圖顯示狀態(tài)良好，表明提出的思路及應(yīng)對(duì)措施是有效可行的。

關(guān)鍵詞：PIS系統(tǒng);動(dòng)態(tài)地圖;升壓板;穩(wěn)壓二極管

中圖分類號(hào)：U231. 7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009-9492（2021）12-0337-04

Fault Analysis of Dynamic Map Black Screen of Passenger Information System of Xiamen Metro Line 3

Hu Bin

（Vehicle Center， Xiamen Rail Transit Group Co. ， Ltd. ， Xiamen， Fujian 361000， China）

Abstract： The functions and module composition of the subway passenger information system were expounded， and the function， compositionand working principle of the LCD dynamic map of the subway passenger information system were introduced. In view of the black screen faultof the train dynamic map of Xiamen Metro Line 3， it was found that the Q2 triode was cut off after the thermal breakdown of the ZD1 zenerdiode of the original HTY booster plate， the IC-U1 chip of the booster board does not work normally and the output voltage was abnormal，resulting in the black screen fault of the dynamic map. Aiming at the cause of this fault， whether the ZD1 zener diode had an impact on thecircuit output voltage of the boost board was put forward on the basis of the original HTY boost board（the chip use voltage is 8～28 V ）. Through comparative test under different voltages， removal and retention of ZD1 zener diode and other working conditions， it was found that theremoval of ZD1 zener diode under different voltage conditions had no impact on the output voltage of the original HTY booster board circuit，and the on-site rectification and tracking verification were carried out. The display state of the train dynamic map is good， indicating that theideas and countermeasures proposed are effective and feasible.

Key words： PIS system; dynamic map; boost board; zener diode

0 引言

地鐵列車(chē)乘客信息系統(tǒng)（Passenger Information Sys? tem ， PIS）是依托多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以計(jì)算機(jī)為核心，以車(chē)載顯示終端為媒介向乘客提供信息服務(wù)的系統(tǒng)[1]。乘客信息系統(tǒng)根據(jù)功能組可分為3個(gè)子系統(tǒng)，分別為列車(chē)廣播系統(tǒng)、CCTV 監(jiān)控系統(tǒng)、媒體顯示系統(tǒng)，3 個(gè)子系統(tǒng)各自獨(dú)立控制，又互有通信接口，進(jìn)行信息交互[2]。隨著城市軌道交通的發(fā)展，車(chē)載 PIS系統(tǒng)功能和實(shí)效性要求也隨之提高，目前車(chē)載 PIS系統(tǒng)技術(shù)正朝著數(shù)字化、集成化、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展[3]，功能模式已從單一的列車(chē)報(bào)站、換乘信息發(fā)展到如今的公共信息、時(shí)事新聞、多媒體傳播、商業(yè)資訊等多媒體發(fā)布平臺(tái)。隨著科技進(jìn)步，目前大多數(shù)城市新造列車(chē)的動(dòng)態(tài)地圖采用 LCD屏顯示終端，與傳統(tǒng)的 LED 發(fā)光二極管相比，更能直觀、形象地為乘客提供引導(dǎo)信息[4]。隨著技術(shù)進(jìn)步及服務(wù)品質(zhì)要求提高，動(dòng)態(tài)地圖顯示內(nèi)容將不斷豐富和提升，如線路擁擠度和車(chē)輛擁擠度信息顯示、列車(chē)時(shí)刻顯示、車(chē)站建筑結(jié)構(gòu)信息顯示車(chē)站周邊環(huán)境信息顯示等內(nèi)容需求[5]。

1 動(dòng)態(tài)地圖概述

廈門(mén)地鐵3號(hào)線列車(chē)在客室內(nèi)每個(gè)門(mén)區(qū)上方配置一臺(tái)36 in寬屏 LCD動(dòng)態(tài)線路顯示屏，用于顯示列車(chē)運(yùn)行方向、下一站、開(kāi)門(mén)側(cè)、預(yù)到站時(shí)間以及換乘信息等示意圖，方便乘客乘行[6]。門(mén)區(qū)動(dòng)態(tài)地圖 LCD顯示信息和數(shù)據(jù)采用數(shù)字編解碼方式傳輸，LCD顯示屏自帶解碼板。同時(shí)，LCD顯示界面可通過(guò)專用軟件進(jìn)行編輯，并能夠在駕駛室兩端的主機(jī)上對(duì)整列車(chē) LCD做軟件統(tǒng)一更新，不需要單個(gè) LCD更新，以方面維護(hù)。根據(jù)列車(chē) PIS系統(tǒng)工作模式，LCD動(dòng)態(tài)地圖共設(shè)計(jì)3種顯示方案，列車(chē)無(wú)報(bào)站時(shí)的歡迎界面、網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)的全線站點(diǎn)顯示畫(huà)面以及列車(chē)報(bào)站聯(lián)動(dòng)畫(huà)面[7]。其中列車(chē)報(bào)站聯(lián)動(dòng)畫(huà)面根據(jù)廣播觸發(fā)類型可分為預(yù)到站畫(huà)面及到站畫(huà)面，當(dāng)系統(tǒng)收到預(yù)到站代碼時(shí)，LCD動(dòng)態(tài)地圖循環(huán)切換顯示全線線路圖（ Out_ui）和“下一站”居中的局部放大圖（Before_ui）兩個(gè)界面，切換時(shí)間約為10 s ;當(dāng)列車(chē)進(jìn)站過(guò)程觸發(fā)到站廣播時(shí)，動(dòng)態(tài)地圖線程關(guān)閉循環(huán)顯示的兩個(gè)界面，切換至到達(dá)站報(bào)站顯示界面并持續(xù)顯示，直到再次接到預(yù)到站指令。

2 動(dòng)態(tài)地圖后蓋板組成及功能

動(dòng)態(tài)地圖板卡主要由5部分組成，如圖1所示，自左向右分別是：網(wǎng)絡(luò)接口、狀態(tài)指示接口板;控制板;壓板（恒流板）;電源板;電源接口、設(shè)備地址編碼板。

（1） 網(wǎng)絡(luò)接口、狀態(tài)指示接口板。主要用于連接列車(chē)網(wǎng)絡(luò)線，接收廣播主機(jī)發(fā)送的報(bào)站命令并轉(zhuǎn)發(fā)給控制板，具備 BYPASS功能;指示燈用于顯示電源、網(wǎng)絡(luò)接口的狀態(tài)。（2）控制板。內(nèi)置嵌入式 linux操作系統(tǒng)，處理報(bào)站命令，控制動(dòng)態(tài)地圖的界面顯示內(nèi)容，并驅(qū)動(dòng)液晶屏、控制背光、讀取地址配置、系統(tǒng)管理、升級(jí)系統(tǒng)等。（3）升壓板（恒流板）。驅(qū)動(dòng)液晶屏的背光，具體表現(xiàn)為接收主板信號(hào)，控制并調(diào)節(jié)背光亮度。（4）電源板。 110 V轉(zhuǎn)12 V 電源板，為整個(gè)動(dòng)態(tài)地圖內(nèi)的硬件供電。（5）電源接口、設(shè)備地址編碼板。通過(guò)菲尼克斯連接器1～4端子接入110 V 電源并轉(zhuǎn)接到電源板;通過(guò)外圍的5～12端子對(duì)設(shè)備地址進(jìn)行配置。

3 動(dòng)態(tài)地圖單點(diǎn)黑屏故障

3. 1 故障描述

廈門(mén)地鐵3號(hào)線列車(chē)自試運(yùn)行以來(lái)，正線頻繁出現(xiàn)12起動(dòng)態(tài)地圖單點(diǎn)黑屏故障，列車(chē)廣播正常，列車(chē)其余動(dòng)態(tài)地圖正常報(bào)站聯(lián)動(dòng)。列車(chē)回庫(kù)后，檢查線纜無(wú)問(wèn)題，設(shè)備電源、網(wǎng)絡(luò)指示燈無(wú)異常，設(shè)備在線。使用手電筒檢查動(dòng)態(tài)地圖顯示屏，發(fā)現(xiàn)液晶屏可顯示報(bào)站字符等畫(huà)面，說(shuō)明液晶顯示屏正常，黑屏原因?yàn)楸彻鉄魲l不亮。嚴(yán)重影響正線列車(chē)運(yùn)營(yíng)服務(wù)質(zhì)量的提升，在此對(duì)動(dòng)態(tài)地圖工作原理和動(dòng)態(tài)地圖單點(diǎn)黑屏故障原因進(jìn)行分析。

3. 2 原因分析

3. 2. 1 動(dòng)態(tài)地圖 LED 燈條不亮故障分析

動(dòng)態(tài)地圖方框圖如圖2所示，影響動(dòng)態(tài)地圖 LED 燈條亮度的因素主要有背光使能 EN、PWM 背光控制信號(hào)、LVDS信號(hào)、升壓板等。經(jīng)過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)主板背光使能信號(hào)（ EN）在正常工作電壓范圍內(nèi)（2. 5～5. 5 V），主板輸出的 PWM 背光亮度控制信號(hào)電壓正常（2. 5～5. 5 V ）、 LVDS 線的電壓正常（12 V ），故初步判斷為升壓板故障。經(jīng)過(guò)測(cè)量升壓板輸出電壓，驅(qū)動(dòng)電壓實(shí)際輸出值為11. 9 V左右（正常需輸出28. 5 V），如圖3所示，初步判斷為升壓板電路工作異常導(dǎo)致。

3. 2. 2 升壓板故障分析

因升壓板輸出電壓為12 V左右，故判斷升壓 IC-U1芯片沒(méi)有正常工作（正常工作電壓8～18 V），進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn) IC-U1芯片的輸入電壓為0 V ，導(dǎo)致 IC-U1芯片無(wú)法正常工作。結(jié)合如圖4所示 IC-U1芯片前端供電電路圖，測(cè)量發(fā)現(xiàn) Q2三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)（正常為導(dǎo)通狀態(tài)），實(shí)際測(cè)量三極管基極電壓偏低，導(dǎo)致三極管截止。三極管 Q2工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，當(dāng) Q2基極電壓低于三極管的導(dǎo)通電壓時(shí)，Q2發(fā)射極無(wú)電壓輸出。

拆下 ZD1穩(wěn)壓二極管后，電路可正常工作，升壓板輸出在28. 5 V 左右。對(duì)拆下的穩(wěn)壓二極管進(jìn)行參數(shù)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)阻抗小于500Ω（正常為無(wú)窮大），失效二極管如圖5所示。

3. 2. 3 ZD1穩(wěn)壓二極管失效分析

穩(wěn)壓二級(jí)管主要是利用 PN 結(jié)在反向擊穿狀態(tài)下電流可在很大范圍內(nèi)變化而電壓基本保持不變的特點(diǎn)，是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導(dǎo)體器件，而在臨界擊穿點(diǎn)上，反向電阻降低到一個(gè)很小的數(shù)值，在此低阻區(qū)中電流增加而電壓則保持恒定[8]，穩(wěn)壓二極管特性曲線如圖6所示。

如圖4所示，ZD1穩(wěn)壓二極管規(guī)格為15 V、0. 5 W、30 mA （正常使用不超過(guò)1 mA ），在升壓板電路中主要為 IC-U1芯片供電穩(wěn)壓（13. 5～15. 5 V），防止18 V 以上的電壓對(duì) IC-U1造成過(guò)壓損壞。在輸入電壓（+12 V）低于 ZD1的啟動(dòng)電壓（15 V ）時(shí)，ZD1呈開(kāi)路狀態(tài)，三極管 Q2基極電流約為 U/R21=12 V/10 kΩ=1. 2 mA ，在1. 2 mA 的基極電流（ IB ）的推動(dòng)下，三極管 Q2飽和導(dǎo)通，Q2基極電壓（ UB ）為12 V （pin1腳）、發(fā)射極電壓（pin2腳） UE=12 V-0. 7 V ≈11. 3 V ;電阻 R1的作用是限流，保護(hù) Q2。綜上，升壓板在12 V輸入狀態(tài)下， Q2理想輸出電流 I≈1. 2 A+1. 2 mA ≈1. 2 A。

在輸入電壓（+12 V）高于 ZD1的啟動(dòng)電壓（15 V ）時(shí)，ZD1啟動(dòng)穩(wěn)壓，電阻 R21提供 ZD1的動(dòng)作電流大于或等于（15-13. 5） V/10 kΩ=15μA ，同時(shí) Q2基極電壓穩(wěn)壓在13. 5～15. 5 V 的范圍內(nèi)，Q2飽和導(dǎo)通后，Q2發(fā)射極電壓（pin2腳）約為12. 8～14. 8 V ，不會(huì)導(dǎo)致 U1過(guò)壓燒壞。

3. 3 確定故障原因

綜上，因穩(wěn)壓二極管大電流熱擊穿導(dǎo)致短路而失效，導(dǎo)致 Q2三極管基級(jí)電壓低于0. 5 V 截止，導(dǎo)致 Q2三極管無(wú)輸出電壓， IC-U1芯片無(wú)法正常工作，造成升壓板輸出異常， LED 燈條未工作，從而導(dǎo)致黑屏故障發(fā)生。

4 解決措施、實(shí)驗(yàn)方案及效果

4. 1 解決措施

經(jīng)調(diào)查了解，故障升壓板均為 HTY 升壓板（型號(hào) HTY853285AB），主要在出貨的第10列車(chē)開(kāi)始使用，出貨列數(shù)區(qū)間10～28列，現(xiàn)場(chǎng)涉及 HTY 升壓板數(shù)量約908 pcs ，整機(jī)序號(hào)區(qū)間為 S912026451～9120261360。 HTY 型升壓板為通用產(chǎn)品板子（使用在前端電源不穩(wěn)定場(chǎng)合）設(shè)計(jì)，為8～24 V寬電壓設(shè)計(jì)，因該板目前使用芯片已經(jīng)更改為8～28 V ，并且列車(chē) DC110 V電壓經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)地圖電源板轉(zhuǎn)化后，升壓板輸入電壓穩(wěn)定在12 V ±5%，芯片的最高工作電壓遠(yuǎn)大于電源板輸出電壓，故去掉 ZD1穩(wěn)壓二極管后對(duì)后端芯片工作不會(huì)造成影響，所以為防止穩(wěn)壓二極管熱擊穿短路導(dǎo)致動(dòng)態(tài)地圖黑屏故障，考慮將該穩(wěn)壓二極管從原電路中去除，去除穩(wěn)壓二極管 ZD1后電路如圖7所示。

4. 2 方案試驗(yàn)及效果

去除 ZD1穩(wěn)壓二極管后，分別輸入不同工作電壓，對(duì)比保留穩(wěn)壓二極管以及去除穩(wěn)壓二極管的升壓板輸出電壓，結(jié)果表明去除 ZD1穩(wěn)壓二極管對(duì)升壓板電路輸出電壓無(wú)影響，具體輸出電壓如表1所示。基于測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上，首先選取一列上線列車(chē)，去除動(dòng)態(tài)地圖升壓板，上線跟蹤觀察無(wú)問(wèn)題后，對(duì)剩余電客車(chē)執(zhí)行整改，2020年10月底完成所有電客車(chē)整改，截至目前整改后列車(chē)未出現(xiàn)因升壓板出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)地圖黑屏問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文首先對(duì)電客車(chē)動(dòng)態(tài)地圖組成、工作原理進(jìn)行介紹，針對(duì)正線動(dòng)態(tài)地圖單點(diǎn)黑屏故障原因進(jìn)行深入分析并對(duì)故障影響因素逐一排查，最終確定故障原因?yàn)樯龎喊宓亩O管熱擊穿導(dǎo)致升壓板輸出電壓不足，造成 LED 燈條不工作，進(jìn)而表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)地圖黑屏現(xiàn)象。最后，結(jié)合動(dòng)態(tài)地圖升壓板電路工作原理，提出去除穩(wěn)壓二極管解決動(dòng)態(tài)地圖黑屏的措施，并針對(duì)措施進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證無(wú)問(wèn)題后，對(duì)列車(chē)進(jìn)行整改，解決了廈門(mén)地鐵列車(chē)動(dòng)態(tài)地圖黑屏故障，降低了乘客信息系統(tǒng)的故障率。

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作者簡(jiǎn)介：胡斌（1984-），男，福建三明人，大學(xué)本科，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)電設(shè)備安裝與維護(hù)。 （編輯：王智圣）