乘客信息系統LED屏故障淺析

曾維強

【摘 要】乘客信息系統（PIS），是城市軌道交通列車為乘客提供各類資訊的服務系統，按照功能可分為廣播系統、乘客信息顯示及多媒體播放系統、視頻監控系統、應急保障系統四大類。LED屏屬于乘客信息顯示及多媒體播放系統的子部分，一般包括前端顯示器（FDU）、內部顯示器（IDU）和側端顯示器（SDU），主要向乘客提供預報站信息、到站信息、離站信息、提示信息等，可讓乘客及時有效地了解站點信息。文章對幾條地鐵線LED屏的故障記錄進行統計，探索分析故障的原因并尋求整改措施。

【關鍵詞】城市軌道交通;乘客信息系統;LED屏;故障分析

【中圖分類號】U270.38 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）08-0079-03

1 乘客信息系統LED屏簡介

LED屏在乘客信息系統中占有重要的地位，通常每列車配備2臺FDU、12臺IDU和12臺SDU。FDU主要顯示終點站或者本次列車開往的方向，IDU和SDU主要顯示運行區間信息、運行線路、下一站信息、緊急信息、廣告和公益信息。每個LED屏支持紅、綠、黃3種顏色顯示，可滾動顯示中英文內容，可按列車運營要求預置站點信息，LED屏接收PIS司機室控制主機發送的線路站點信息和控制信號實現自動報站。

LED屏由開關電源、控制板、LED燈板、交換機（帶掉電旁路功能）、接口板、地址撥碼開關、內部線纜、結構箱體、PC透光板、燈板壓條、緊固件等組成（如圖1所示）。

控制板是LED屏最核心的組件，其硬件上采用ARM Cortex-M系列中央處理器，搭載時鐘芯片、RS-485隔離芯片、以太網PHY芯片和網絡隔離變壓器等，通過以太網接口（或RS-485）和PIS司機室控制主機通信，具備電源、網絡級聯功能，雙網口支持掉電旁路功能（BYPASS），即本設備掉電時不影響下一個級聯設備的通信功能。

LED燈板選用戶外、車規級別全彩貼片燈珠，防水防潮性能優良，抗冷熱沖擊、抗反壓、抗鹽霧、抗UV特性好，還具有低光衰和高亮度的特點。根據項目需求，可配置3535/2727/1921/1515等封裝規格的燈珠。

2 故障分析

本文統計武漢7號線、武漢11號線、徐州1號線、重慶4號線、北京9號線、成都8號線、成都18號線和北京亦莊T1線的LED屏故障記錄，記錄發生頻數較高的故障并進行原因分析和整改。

2.1 “毛毛蟲”現象

“毛毛蟲”，是LED屏中一顆LED燈珠損壞導致這一列燈珠信號失控，出現高亮及常亮的現象（如圖2所示）。

顯示行業內，一般將燈珠內部短路和驅動芯片虛焊列為產生“毛毛蟲”現象的原因。結合軌道交通行業特點和乘客信息系統LED屏實際工況分析，造成上述現象的原因通常有以下幾個方面：①LED屏長時間關機，在潮濕環境下，燈珠吸入大量空氣中的水汽，LED屏啟動后，燈珠突然點亮受熱膨脹，吸入水汽的燈珠內部膨脹系數不一，導致扯斷燈珠金線，造成局部短路。②列車空調出風口位置不合理，空調對著LED屏直吹造成屏內外溫度差，容易產生冷凝水汽，從而導致燈珠受潮造成微短路。③燈珠工作電流配置超過額定工作電流，長時間超負荷工作導致內部損壞、短路。導致以上故障的原因包含材料選型、電子/結構設計、包裝存儲等，可從以下方面改善。

（1）采用真空包裝袋存儲，里面放入干燥劑和濕度顯示卡。真空包裝袋可以避免LED屏和空氣接觸，杜絕燈珠受到潮氣的影響;若真空袋損壞，濕度顯示卡顏色讀出的數據可以作為監察LED屏是否在規定濕度范圍的依據，從而在安裝之前剔除受濕氣影響的設備。

（2）結構上做防濕防塵設計，箱體機構后蓋密封設計，選用帶擋板的連接器，PC透光板和箱體結構前面板壓接處打膠密封，減少潮濕空氣、灰塵進入LED屏箱體內部，從而降低燈珠受潮損壞的概率。

（3）使用智能除濕功能，LED屏需要經常點亮使用，若列車長時間停放未使用，在使用期應先進行除濕處理，避免突然受熱造成燈珠內部微短路。方法如下：每次上電時記錄當前日期和時間，與上一次上電的日期時間比較，若間隔超過10 d，需要進行智能除濕。首先將亮度設置為0，通電一段時間t，然后用10%的亮度通電時間t，以此類推，逐漸將亮度提升到所設置的參數，緩慢蒸發掉燈珠內部的水汽。

（4）在氣候濕潤的城市或要求苛刻的項目選用車規級別燈珠，防水性能達到IPx8級別，防潮性能達到MSL2a級。

（5）合理配置燈珠工作電流，避免超負荷工作。在需要較高亮度的場合（>3 000 cd/m2）可選用高亮系列燈珠，或者將掃描方式從16掃改為8掃、4掃等，以提高亮度。

（6）選用帶消隱控制電路的行驅動管，能改善由LED微短路造成的“毛毛蟲”現象。

2.2 不響應PIS司機室控制主機報站請求

列車近站、到站、離站和發送緊急廣播時，PIS司機室控制主機都會發送相應UDP組播報文，LED屏根據收到報文的站點信息和控制命令顯示對應的報站內容。不響應PIS司機室控制主機報站請求，主要表現為顯示黑屏或循環顯示之前站點的信息，其可能的原因有以下幾個方面。

（1）網絡鏈路上的元件因雷擊浪涌、靜電等原因導致損壞，成都18號線項目上收到幾塊返修的控制卡，檢測調試之后發現是網絡隔離變壓器或以太網PHY芯片損壞，從而導致通信功能喪失。

（2）網絡PHY芯片25 MHz/50 MHz晶振不起振或振蕩頻率誤差太大，導致通信功能喪失或通信不穩定，北京9號線項目曾出現某批次晶振誤差太大而導致通信功能異常的故障。

（3）網絡連接器M12/DB9失效，列車震動強度大，對連接器壓接、焊接質量要求非常高，若連接線震動脫落，網絡通信功能喪失。

上述問題多是因為硬件設計考慮不周全、來料質量把控不嚴造成的，可將硬件設計問題列入DFEMA，并且參考業內成熟的設計方案，在電磁兼容實驗室充分測試，持續迭代更新。同時，要指定關鍵物料的廠家、型號和供應商，嚴格按照規范做來料檢查，杜絕將不合格的物料流入生產部門。

2.3 重影

重影一般出現在2塊LED燈板的連接處，表現為顯示有殘影、顯示的字體加粗、字體不平整（如圖3所示）。

此問題發生在武漢7號線項目上，以往的項目也出現過類似問題，根據經驗初步判斷原因可能有2個：？譹？訛LED安裝不平整導致字體顯示不平整。？譺？訛設置刷新率過高導致LED驅動數據信號（RED/GREEN）和控制信號（OE/LAT/CLK）出現信號完整性問題。

檢測之后發現燈板安裝平整，且降低刷新率后現象只是稍微有些改善，并沒有從本質上解決，初步排除以上2個可能的原因。經反復調試，在示波器上發現LED驅動數據信號（RED_buf/GREEN_buf）和控制信號（OE_buf/LAT_buf/

CLK_buf）上升沿、下降沿的陡度相差很大，可能會導致信號時序匹配不佳，從而導致數據傳輸、刷新出錯。

繼續深究，找到了產生此問題的根本原因：設計完成后初次EMC測試中發現輻射超標，EMC整改過程中通過修改數據信號、控制信號的對地電容來削減信號上升沿、下降沿的陡度，以此降低輻射能量，進而通過EMC輻射測試環節。整改記錄文檔顯示，數據信號的對地電容保留為設計值100 pF，而控制信號的對地電容修改為1 pF（如圖4所示）。EMC整改過程過分關注EMC指標而忽略了數據信號和控制信號的匹配，導致信號時序處于臨界狀態，因此產生此故障。

2.4 黑屏

表現為上電后LED屏不亮或者列車運行過程中突然黑屏，根據以往經驗和故障原因統計表，分析造成黑屏的原因按概率從高到低排列如下：？譹？訛控制板中央處理器晶振損壞或振蕩頻率誤差太大，導致系統運行時序出錯、通信功能異常、LED燈板數據刷新功能異常。？譺？訛以太網PHY芯片虛焊、損壞或網絡隔離變壓器損壞，導致通信功能喪失，無法響應PIS司機室主機控制器報文。？譻？訛控制卡和LED燈板之間數據排線震動脫落或接觸不良，導致數據刷新功能異常。？譼？訛地址撥碼開關被擠壓損壞或焊線脫落，導致LED屏IP地址出錯、超范圍，無法響應PIS司機室控制主機報文。？譽？訛內部電源線震動脫落或接觸不良，導致無法供電造成黑屏。？譾？訛110 V轉5 V開關電源損壞、控制板電源芯片損壞，導致無法供電造成黑屏。？譿？訛連接器脫落或外部線纜斷裂，導致無法供電或通信功能喪失。？讀？訛調車時沒有配置站點信息，無法顯示相應站點內容導致黑屏。？讁？訛控制卡內部Flash沒有字庫，導致無法顯示內容造成黑屏。？輥？輮？訛電子元件焊接不良。？輥？輯？訛存儲、運輸過程中損壞造成黑屏。

2.5 部分LED燈板不顯示

水平方向顯示區域較大（大于8個漢字）的LED屏通常由多個LED燈板拼成，如某個（些）LED燈板無法顯示，原因可能有以下幾點：？譹？訛LED燈板之間互聯的數據排線、電源線脫落，導致信號、電源無法往下一級傳遞，表現為故障點之后所有的LED燈板都無法顯示。？譺？訛上一級LED燈板恒流驅動芯片數據輸出引腳（SOUT）虛焊、短路，導致某一塊區域無法顯示。？譻？訛本級LED燈板數據、時鐘信號輸入連接器氧化、虛焊，導致某一塊區域無法顯示。？譼？訛行驅動芯片譯碼引腳虛焊、對地短路，導致某一行所有燈珠無法顯示。

2.6 結構相關的故障

以下列舉一些與結構相關的故障：？譹？訛緊固件生銹，導致產品外觀不美觀，有可能腐蝕電子元器件。？譺？訛緊固件松脫，導致內部組件松脫，產生異響，長期震動并有可能損壞組件，或壓線螺釘松脫，導致線束接觸不良。？譻？訛屏體生銹，原因是屏體材質選錯或未做表面處理技術要求。？譼？訛裝配困難，拆下困難。

針對以上結構故障，我們采取的現行控制設計如下：？譹？訛所有緊固件螺釘都使用不銹鋼螺釘，并推薦使用304不銹鋼。？譺？訛所有機械緊固件與部件緊固件均使用帶彈墊的防松的組合螺釘。設計有緊固件防松保護，并做防松標記（如點紅膠）;螺栓緊固時，至少有1.5圈的螺紋可見，最長不得超過1.5圈螺紋加6 mm。？譻？訛推薦設計使用表面熱鍍鋅的SECC電解板或者鋁合金;整體表面噴戶外塑粉，亞光，不允許有明顯劃痕，耐5%濃度鹽霧120 h以上，涂層附著力小于等于1級。？譼？訛把控結構箱體加工精度，選用更厚、更高強度的鈑金，降低因車體震動、擠壓導致結構箱體變形的概率。

3 結語

隨著我國改革開放的不斷深入、城市規模的日益擴大和人口的不斷增加，城市交通也面臨著嚴酷的考驗。軌道交通作為一種緩解城市交通壓力的手段，在日常生活中地位越來越重要。LED屏作為面向乘客信息交互最直接的系統，是提升乘客乘車體驗舒適度的重要組成部分，其優質、高效的工作可以提升軌道交通的服務質量，保障社會正常運行。

本文通過武漢、徐州、重慶、北京和成都的幾條地鐵線LED屏故障信息進行統計發現，發生概率較高的故障有燈珠損壞、顯示異常、網絡通信功能異常等，并對上述幾類故障進行了原因分析和故障排查，從物料選型、電子設計、結構設計、軟件設計、工藝裝配和存儲包裝幾個方面入手，尋求提高產品質量的方法，以更好地保障服務質量。

參 考 文 獻

[1]王偉熙.LED地鐵顯示屏除潮方法[J].企業科技與發展，2018（12）：34-35.

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