廈門地鐵3號線列車乘客信息系統(tǒng)動態(tài)地圖黑屏故障分析

摘要：闡述了地鐵列車乘客信息系統(tǒng)功能及模塊組成，重點介紹了地鐵列車乘客信息系統(tǒng) LCD動態(tài)地圖作用、組成及工作原理，針對廈門地鐵3號線列車動態(tài)地圖黑屏故障進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芯片沒有正常工作，輸出電壓異常，從而導致動態(tài)地圖黑屏故障。針對此故障原因提出了在原有 HTY 升壓板（芯片使用電壓8～28 V）的基礎上去除 ZD1穩(wěn)壓二極管對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行對比試驗測試，發(fā)現(xiàn)在不同電壓工況下去除 ZD1穩(wěn)壓二極管對原 HTY 升壓板電路輸出電壓無影響，并進行了現(xiàn)場整改及跟蹤驗證，列車動態(tài)地圖顯示狀態(tài)良好，表明提出的思路及應對措施是有效可行的。

關鍵詞：PIS系統(tǒng);動態(tài)地圖;升壓板;穩(wěn)壓二極管

中圖分類號：U231. 7文獻標志碼：A文章編號：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

地鐵列車乘客信息系統(tǒng)（Passenger Information Sys? tem ， PIS）是依托多媒體網(wǎng)絡技術，以計算機為核心，以車載顯示終端為媒介向乘客提供信息服務的系統(tǒng)[1]。乘客信息系統(tǒng)根據(jù)功能組可分為3個子系統(tǒng)，分別為列車廣播系統(tǒng)、CCTV 監(jiān)控系統(tǒng)、媒體顯示系統(tǒng)，3 個子系統(tǒng)各自獨立控制，又互有通信接口，進行信息交互[2]。隨著城市軌道交通的發(fā)展，車載 PIS系統(tǒng)功能和實效性要求也隨之提高，目前車載 PIS系統(tǒng)技術正朝著數(shù)字化、集成化、模塊化和標準化發(fā)展[3]，功能模式已從單一的列車報站、換乘信息發(fā)展到如今的公共信息、時事新聞、多媒體傳播、商業(yè)資訊等多媒體發(fā)布平臺。隨著科技進步，目前大多數(shù)城市新造列車的動態(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信息[4]。隨著技術進步及服務品質要求提高，動態(tài)地圖顯示內(nèi)容將不斷豐富和提升，如線路擁擠度和車輛擁擠度信息顯示、列車時刻顯示、車站建筑結構信息顯示車站周邊環(huán)境信息顯示等內(nèi)容需求[5]。

1 動態(tài)地圖概述

廈門地鐵3號線列車在客室內(nèi)每個門區(qū)上方配置一臺36 in寬屏 LCD動態(tài)線路顯示屏，用于顯示列車運行方向、下一站、開門側、預到站時間以及換乘信息等示意圖，方便乘客乘行[6]。門區(qū)動態(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，LCD顯示界面可通過專用軟件進行編輯，并能夠在駕駛室兩端的主機上對整列車 LCD做軟件統(tǒng)一更新，不需要單個 LCD更新，以方面維護。根據(jù)列車 PIS系統(tǒng)工作模式，LCD動態(tài)地圖共設計3種顯示方案，列車無報站時的歡迎界面、網(wǎng)絡中斷時的全線站點顯示畫面以及列車報站聯(lián)動畫面[7]。其中列車報站聯(lián)動畫面根據(jù)廣播觸發(fā)類型可分為預到站畫面及到站畫面，當系統(tǒng)收到預到站代碼時，LCD動態(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）兩個界面，切換時間約為10 s ;當列車進站過程觸發(fā)到站廣播時，動態(tài)地圖線程關閉循環(huán)顯示的兩個界面，切換至到達站報站顯示界面并持續(xù)顯示，直到再次接到預到站指令。

2 動態(tài)地圖后蓋板組成及功能

動態(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、設備地址編碼板。

（1） 網(wǎng)絡接口、狀態(tài)指示接口板。主要用于連接列車網(wǎng)絡線，接收廣播主機發(fā)送的報站命令并轉發(fā)給控制板，具備 BYPASS功能;指示燈用于顯示電源、網(wǎng)絡接口的狀態(tài)。（2）控制板。內(nèi)置嵌入式 linux操作系統(tǒng)，處理報站命令，控制動態(tài)地圖的界面顯示內(nèi)容，并驅動液晶屏、控制背光、讀取地址配置、系統(tǒng)管理、升級系統(tǒng)等。（3）升壓板（恒流板）。驅動液晶屏的背光，具體表現(xiàn)為接收主板信號，控制并調(diào)節(jié)背光亮度。（4）電源板。 110 V轉12 V 電源板，為整個動態(tài)地圖內(nèi)的硬件供電。（5）電源接口、設備地址編碼板。通過菲尼克斯連接器1～4端子接入110 V 電源并轉接到電源板;通過外圍的5～12端子對設備地址進行配置。

3 動態(tài)地圖單點黑屏故障

3. 1 故障描述

廈門地鐵3號線列車自試運行以來，正線頻繁出現(xiàn)12起動態(tài)地圖單點黑屏故障，列車廣播正常，列車其余動態(tài)地圖正常報站聯(lián)動。列車回庫后，檢查線纜無問題，設備電源、網(wǎng)絡指示燈無異常，設備在線。使用手電筒檢查動態(tài)地圖顯示屏，發(fā)現(xiàn)液晶屏可顯示報站字符等畫面，說明液晶顯示屏正常，黑屏原因為背光燈條不亮。嚴重影響正線列車運營服務質量的提升，在此對動態(tài)地圖工作原理和動態(tài)地圖單點黑屏故障原因進行分析。

3. 2 原因分析

3. 2. 1 動態(tài)地圖 LED 燈條不亮故障分析

動態(tài)地圖方框圖如圖2所示，影響動態(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、LVDS信號、升壓板等。經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)主板背光使能信號（ 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)過測量升壓板輸出電壓，驅動電壓實際輸出值為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芯片沒有正常工作（正常工作電壓8～18 V），進一步分析，發(fā)現(xiàn) IC-U1芯片的輸入電壓為0 V ，導致 IC-U1芯片無法正常工作。結合如圖4所示 IC-U1芯片前端供電電路圖，測量發(fā)現(xiàn) Q2三極管工作在截止狀態(tài)（正常為導通狀態(tài)），實際測量三極管基極電壓偏低，導致三極管截止。三極管 Q2工作在開關狀態(tài)，當 Q2基極電壓低于三極管的導通電壓時，Q2發(fā)射極無電壓輸出。

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。對拆下的穩(wěn)壓二極管進行參數(shù)測量，發(fā)現(xiàn)阻抗小于500Ω（正常為無窮大），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)壓二級管主要是利用 PN 結在反向擊穿狀態(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，是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導體器件，而在臨界擊穿點上，反向電阻降低到一個很小的數(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 IC-U1造成過壓損壞。在輸入電壓（+12 V）低于 ZD1的啟動電壓（15 V ）時，ZD1呈開路狀態(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 ）的推動下，三極管 Q2飽和導通，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 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的啟動電壓（15 V ）時，ZD1啟動穩(wěn)壓，電阻 R21提供 ZD1的動作電流大于或等于（15-13. 5） V/10 kΩ=15μA ，同時 Q2基極電壓穩(wěn)壓在13. 5～15. 5 V 的范圍內(nèi)，Q2飽和導通后，Q2發(fā)射極電壓（pin2腳）約為12. 8～14. 8 V ，不會導致 U1過壓燒壞。

3. 3 確定故障原因

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

4 解決措施、實驗方案及效果

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 HTY853285AB），主要在出貨的第10列車開始使用，出貨列數(shù)區(qū)間10～28列，現(xiàn)場涉及 HTY 升壓板數(shù)量約908 pcs ，整機序號區(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)定場合）設計，為8～24 V寬電壓設計，因該板目前使用芯片已經(jīng)更改為8～28 V ，并且列車 DC110 V電壓經(jīng)過動態(tài)地圖電源板轉化后，升壓板輸入電壓穩(wěn)定在12 V ±5%，芯片的最高工作電壓遠大于電源板輸出電壓，故去掉 ZD1穩(wěn)壓二極管后對后端芯片工作不會造成影響，所以為防止穩(wěn)壓二極管熱擊穿短路導致動態(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 方案試驗及效果

去除 ZD1穩(wěn)壓二極管后，分別輸入不同工作電壓，對比保留穩(wěn)壓二極管以及去除穩(wěn)壓二極管的升壓板輸出電壓，結果表明去除 ZD1穩(wěn)壓二極管對升壓板電路輸出電壓無影響，具體輸出電壓如表1所示。基于測試結果的基礎上，首先選取一列上線列車，去除動態(tài)地圖升壓板，上線跟蹤觀察無問題后，對剩余電客車執(zhí)行整改，2020年10月底完成所有電客車整改，截至目前整改后列車未出現(xiàn)因升壓板出現(xiàn)的動態(tài)地圖黑屏問題。

5 結束語

本文首先對電客車動態(tài)地圖組成、工作原理進行介紹，針對正線動態(tài)地圖單點黑屏故障原因進行深入分析并對故障影響因素逐一排查，最終確定故障原因為升壓板的二極管熱擊穿導致升壓板輸出電壓不足，造成 LED 燈條不工作，進而表現(xiàn)為動態(tài)地圖黑屏現(xiàn)象。最后，結合動態(tài)地圖升壓板電路工作原理，提出去除穩(wěn)壓二極管解決動態(tài)地圖黑屏的措施，并針對措施進行現(xiàn)場驗證無問題后，對列車進行整改，解決了廈門地鐵列車動態(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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作者簡介：胡斌（1984-），男，福建三明人，大學本科，工程師，研究領域為機電設備安裝與維護。 （編輯：王智圣）