重水堆電站控制計算機視頻隔離板卡設計改進

陸乾杰，趙 心，李秀蘭，王 京

（中核運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

0 引言

CANDU重水堆機組采用集中式信號控制方式，一個機組有兩臺電站控制計算機（Digital Control Computer，以下簡稱DCC系統）[1]，一臺計算機（DCCX）控制，一臺計算機（DCCY）熱備用。DCC系統是一個實時控制系統，用以控制現場過程變量、執行工作指令，實現人機交互、輸出報警或報警復位信息，進而確保核電站的安全、穩定運行。

DCC系統由處理器子模塊、輸入輸出子模塊、顯示模塊等組成[2]。其中，顯示模塊是在VME總線（Versa Module Eurocard，VME傳輸協議）機架的基礎上設計的一套獨立子系統。該系統用于單向接收來自DCC系統報警、變量和時間等信息數據，將信息轉換為圖像信號顯示在報警顯示器或普通監視器上。顯示數據經VDMC（VME Datapath Mini Computer，基于VME協議的最小計算機系統）板卡處理得到圖像，圖像信號經過VIB板卡（Video Isolation Board，視頻隔離板卡）進行信號隔離，最終傳輸到顯示器上進行顯示[3]。

近年來，隨著運行年限的增加，重水堆機組的多個顯示器出現間歇性黑屏的現象，在更換了VIB板卡后，消除了現場故障。但是通過對現有國內外資料的檢索與咨詢，發現對于VIB板卡黑屏的研究分析還處于空白。這導致對重水堆的控制計算機的顯示隔離板卡存在故障原因認識不清，預防性維護工作針對性不足。本文針對秦山三廠DCC顯示系統所出現的間歇性黑屏的問題進行測試、分析和記錄，通過對設備進行故障復現，在診斷測試中定位了VIB板卡的故障元器件，并對故障元器件進行了分析，發現了VIB板卡的設計缺陷，最終給出了兩項設計改進，有效提高了VIB板卡的穩定性，解決了間歇性黑屏現象。

1 VIB板卡原理和故障分析

1.1 原理分析

VIB板卡（全稱為視頻隔離板卡[3]），主要功能是把同一個機架內的VDMC輸出的VGA視頻信號R、G、B、V、H分別進行隔離后，再通過同軸電纜傳輸給顯示器。在保證信號傳輸質量的同時，避免了上下游設備之間的相互干擾。R、G、B 3個色彩信號各使用一個線圈匝數比為1:1的變壓器模塊進行信號等比例隔離：RGB色彩信號直接連接于變壓器的初級，然后變壓器的次級信號輸出給顯示器。V、H同步信號的隔離電路由兩組非門、光電耦合器和驅動器組成：非門電路實現電平信號的轉換，光電耦合器隔離同步輸入信號和輸出驅動信號。光電耦合器和驅動電路的電源采用DC-DC轉換器，該轉換器同時也將視頻信號進行隔離。VIB板卡架構圖如圖1[4]。

圖1 VIB板卡架構圖Fig.1 VIB Card function principle

VGA視頻信號包括R（red，紅）、G（green，綠）、B（blue，藍）色彩模擬信號以及同步模擬信號H，V（Horizon：行同步信號，Vertical：場同步信號）[5]。當顯示器按照逐行掃描的方式工作時，電子束先從屏幕左上角一點開始，從左至右逐點掃描；每掃描完一行，用行同步信號（H）進行同步，并使電子束回到屏幕的左邊下一行的起始位置；在行同步過程中，進行行消隱；當所有的行都掃描完，就完成了一幀（整屏）的掃描，用場同步信號（V）進行場同步，并使電子束回到屏幕左上方；在場消隱的過程中，開始下一幀。完成一行掃描的時間稱為水平掃描時間，即行頻率。完成一幀（整屏）掃描的時間稱為垂直掃描時間，即場頻率。

1.2 故障分析

從故障現象來看，如果在R、G、B色彩信號中有一個或兩個出現問題，則在屏幕上會出現對應的色彩顯示異常（缺少對應的色彩），只有當3個色彩信號都出問題，才會出現黑屏的現象。如果V或H同步信號出現問題，則會由于掃描位置的丟失出現黑屏的情況。由于3個色彩信號是由3個獨立的變壓器以線圈互感的方式通過次級線圈輸出信號，功耗也很低，所以出現3個獨立的色彩信號通道故障的概率極小，可以先暫時排除。經過原理分析后，初步定位為V、H信號存在問題。V、H為TTL的數據信號，其經過的電路元器件（非門、光電耦合器、驅動器及其周邊電路）有可能出現損壞或老化等情況，導致行同步信號或場同步信號異常，出現數據傳輸問題，表現為黑屏現象。根據以上分析和實際經驗，為排查VIB板卡出現間歇性黑屏的故障原因，制定的排查步驟為：依次進行外觀檢查、電源檢查、RGBVH信號分析、VH信號三級電路（非門、光電耦合器、驅動器）檢查。故障排除方案如下：

1）首先，對板卡進行仔細地外觀檢查，包括元器件、走線、電路板等有沒有損壞、燒毀或變色、變形的地方。

2）搭建VIB板卡測試系統，嘗試對板卡進行上電測試，復現故障現象。

3）對電源模塊輸入輸出進行波形和幅值測量，確認是否因為電源噪聲或波動導致元器件工作不穩定，引起了故障。

4）對R、G、B、V、H 5個模擬信號通道的輸入輸出進行波形測量和數據采集并進行對比分析，查看是否有噪聲或數據故障，并確認其和故障的相關性和因果性。

5）分別對V、H通道（問題可能性較大）所經過的三級電路：非門、光電耦合器、驅動器進行波形測量和數據采集，進一步查看是否有噪聲或數據故障。

2 故障診斷與測試

2.1 外觀檢查與測試系統搭建

首先，通過顯微觀察法對板卡進行仔細地外觀檢查，包括元器件、走線、電路板等，觀察是否有損壞、燒毀或變色、變形的現象。通過工業顯微鏡（型號：ZW-H3000）的檢查，元器件芯片管腳未發現有明顯虛焊問題，電路板表面無明顯損壞現象，主要元器件無變色燒毀情況，初步外觀檢查判斷板卡無明顯外觀故障。

其次，在測量了供電的兩個端子之間的電阻值及確保電源沒有短路、斷路后，在對設備無任何改動的條件下進行了初步上電功能測試。同時使用轉換器將電腦主機的VGA接口與板卡的信號輸入端連接，將RGBVH信號接入顯示器，板卡背部連接器供電+5VDC。電腦開機，顯示器出現間歇性黑屏，故障復現，與現場出現的現象一致。

2.2 電源檢查

使用萬用表電壓檔，對電源模塊輸入輸出進行幅值測量，確認供電電壓為+5VDC，同時對板卡上多個元器件（U2U3U4等）的VCC腳[6]和測量點（E5E6E7E8等）[7]進行測量，確認電壓幅值正常。

接著使用示波器對電源模塊的輸入輸出、元器件的VCC腳（U2U3U4等）和測量點（E5E6E7E8等）進行波形測量，判斷是否因為電源噪聲或波動引起其他信號的故障。對板卡進行上電，供電電壓為+5VDC，經過測量發現電源輸入輸出、管腳（U2U3U4等）和測量點（E5E6E7E8等）電壓紋波均正常，無明顯電壓異常。

2.3 RGBVH信號分析

使用邏輯分析儀對R、G、B、V、H 5個通道的信號輸入級進行波形測量和數據采集，通過分析對比，查看是否有噪聲或數據故障。波形如圖2，可以確認輸入級均正常。

圖2 RGBVH輸入信號檢查圖Fig.2 VIB Card input signal recording to check

用示波器嘗試測量R、G、B、V、H通道信號輸出級波形，通過比較，確認R、G、B、H通道輸出信號沒有問題，但是V通道卻存在著大量毛刺。因此，進一步使用邏輯分析儀采集R、G、B、V、H通道輸出波形，信號數據如圖3。根據采樣數據，在V通道下降沿會時常出現毛刺，同時伴隨著顯示器黑屏現象。

圖3 RGBVH輸出信號檢查圖Fig.3 VIB Card output signal recording to check

2.4 VH三級電路檢查

在對RGBVH的輸入輸出級的初步波形采集和分析時，發現在V通道的下降沿會出現毛刺，導致顯示異常。因此，繼續分別對V、H通道所經過的三級電路（非門、光電耦合器、驅動器）進行波形測量和數據采集，查看是否有噪聲或數據故障。用示波器測量V、H通道非門輸出、光電耦合器輸出的信號波形。波形如圖4，確認非門輸出的信號沒有問題，但是光電耦合器輸出的信號開始出現毛刺，且該毛刺只存在于V通道。由于V通道信號為換頁信號，若光電耦合器引入的噪聲過大，可能導致顯示時不斷換頁，從而黑屏。

圖4 VH信號檢查圖Fig.4 VH Signals recording to check

進一步使用邏輯分析儀采集非門、光電耦合器和驅動器的數據與輸入數據進行對比。數據如圖5，結果發現非門的輸入輸出邏輯關系正常，但是光電耦合器輸出的毛刺信號會導致誤觸發，因此可以確認：通過場同步V信號通道引入的噪聲毛刺，導致了黑屏故障的產生。

圖5 VH信號數字邏輯檢查圖Fig.5 VH Signals recording to check digital logical

對V信號毛刺進行進一步分析，該毛刺規律出現，頻率約為48kHz，這與H通道的行同步信號頻率一致。因此，認為由于光電耦合器的性能下降，導致V信號通道引入了H通道的信號，使顯示器不斷換頁而黑屏。

2.5 故障結論

直接原因：場同步V信號通道引入了H通道的高頻噪聲（48kHz），使輸出信號的有效電平上有毛刺。這些毛刺被認定為脈沖信號，導致場同步掃描不停地換頁，整個頁面中其他像素點無數據，從而出現黑屏。

根本原因如下：

1）電路設計缺陷：根據光電耦合器數據手冊[8]中的描述，VCC與GND之間需要增加0.1uf的電容。該光電耦合器芯片為兩路耦合集成芯片，任何一路在輸出信號時都會消耗電荷，而光電耦合器電源端口附近未添加電容的情況下，芯片供電電壓會被瞬間拉低，導致整體輸出受到影響。另外，板卡的電源芯片與光電耦合器之間距離稍遠，電壓在傳輸過程中也會有一定地減弱。因此，在VCC和GND之間增加電容可以補充電壓，減小以上的影響。

2）光電耦合器老化：新元件的干擾比老元件影響較小，光電耦合器抗干擾性能隨著時間而降低。這主要是由于在運行一定時間后，其內部二極管和運放電量消耗增大，芯片本身供電損耗增大，再加上信號傳輸時受到影響，在老化到一定程度后，容易導致黑屏故障。

3 維修和改進

3.1 更換老化元器件

對老化的光電耦合器進行定期更換，型號為HCPL2630，結合現場運行經驗和產品手冊所給出的建議，每10年（5個重水堆換料周期）執行一次更換光電耦合器的預防性維修，并同時更換變壓器模塊上的3個電解電容，以延長板卡整體使用壽命。

3.2 增加濾波電容

分別在故障板卡V通道的光電耦合器輸出、驅動器輸出信號與地之間增加了470pf的濾波電容，在光電耦合器的V輸出通道與地之間增加470pf的電容。測試發現V通道波形變好，屏幕正常顯示，如圖6。

圖6 增加濾波電容后對比圖Fig.6 Effect comparing before/after adding filter capacity

3.3 增加光電耦合器供電電容

根據數據手冊的要求[8]，在光電耦合器的VCC和GND之間增加0.1uf電容。測試后發現屏幕正常顯示，波形正常，如圖7。

圖7 增加光電耦合器供電電容后對比圖Fig.7 Effect comparing before/after adding capacity for power supply

4 結束語

本文首先介紹了重水堆電站控制計算機視頻隔離板卡在DCC系統中的作用以及間歇性黑屏缺陷的現象，然后通過電路原理分析其缺陷發生的可能故障點，針對這些故障點依次進行外觀檢查、電源檢查、RGBVH信號分析和VH三級電路檢查。經過故障復現和四項板卡測試分析，得到了由于場同步V信號通道引入了H通道的高頻噪聲導致場同步掃描不停地換頁而黑屏的直接原因。在根本原因分析時發現該板卡光電耦合器的VCC與GND之間缺少0.1uf電容的設計缺陷，最后根據故障點定位和設計缺陷的研究，給出了預防性維修和修復方案，以及兩種技術改進方案（增加470pf濾波電容和增加光電耦合器0.1uf供電電容）。本文對重水堆電站控制計算機視頻隔離板卡的設計改進，為重水堆視頻隔離板卡的故障定位和板卡改進提供了指導思路和實踐經驗，提高了重水堆視頻隔離板卡的穩定性，保障了重水堆機組穩定安全運行。