軌道交通車門控制器LCD 的設計

周 洲，楊 帆

（南京康尼電子科技有限公司，江蘇 南京 210000）

1 概述

隨著現(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展，高鐵、動車、地鐵等新型交通工具已經(jīng)得到了越來越廣泛的應用，然而車輛門的頻繁開關，卻也導致車門控制器（以下簡稱門控器）故障率較高，這就要求門控器能夠通過顯示裝置直觀而準確地反映其狀態(tài)信息和故障信息。但是現(xiàn)有的門控器大多是采用發(fā)光二極加管數(shù)碼管的組合方式顯示故障代碼和狀態(tài)信息，顯示方式較簡單，內容較少，不夠直觀，不利于現(xiàn)場維護人員對門控器進行維護和故障診斷。文章提出了一種使用LCD（Liquid Crystal Display）顯示替代數(shù)碼管和發(fā)光二極管顯示的設計方案，LCD 具有功耗低、體積小、壽命長、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，能夠顯示數(shù)字、符號、漢字、圖像等豐富的內容，準確直觀地展示門控器內部信息和故障信息，提高維護效率，加快故障處理速度。但是門控器在軌道交通列車上的工作環(huán)境多變且較為嚴酷，電氣環(huán)境錯綜復雜，LCD 的應用存在較多難點。文章在討論LCD 顯示設計的同時，也致力于解決這些應用難題，使得LCD 在軌道交通行業(yè)具備良好的實用性。

2 LCD 類型介紹及對比

LCD 顯示器是利用液晶在不同電壓的作用下會呈現(xiàn)不同的光的特性，通過改變驅動液晶的電壓值，就可以控制最后出現(xiàn)的光線強度與色彩，同時能夠在液晶面板上變化出不同深淺的顏色組合。LCD 具有功耗低、體積小、重量輕、厚度薄、無輻射、壽命長等優(yōu)點。

目前市場上主要有STN-LCD 和TFT-LCD，其特點對比如表1 所示。

表1 LCD 類型對比

根據(jù)表1 的對比結果，雖然STN-LCD 只能顯示簡單的色彩和圖像，但門控器上的LCD 也不需要太高的顯示品質，選用STN-LCD 較為合適。從成本角度考慮，STN-LCD 成本較低，大多數(shù)公司為了降低成本，仍然將STN-LCD 納入主要的考慮當中。從研發(fā)周期角度考慮，選用STN-LCD 則不需要升級CPU，現(xiàn)有CPU 即可滿足需求。因此，本設計采用STN-LCD。

3 LCD 在軌道交通行業(yè)應用難點及解決方案

3.1 環(huán)境適應性

門控器廣泛應用于海內外地鐵、高鐵、動車上，面臨著全球各種嚴酷多變的氣候條件，軌道交通EN50155 標準也對門控器的防護能力提出了明確的要求和試驗項點，高低溫、濕氣、鹽霧、振動以及包裝運輸過程中的碰撞，均對安裝在門控器上的LCD的可靠性提出了很高的要求。

首先，需要選擇能夠滿足門控器工作溫度范圍的LCD。門控器的工作溫寬范圍一般為-25～+70 ℃，而常規(guī)的LCD 工作溫度范圍一般是-10～+70 ℃，因此需要選擇超寬溫度范圍的LCD 以滿足門控器工作條件且留有裕量，最終選擇溫寬范圍為-30～+85 ℃的LCD。

其次，需要提升LCD 的防護能力，為此對LCD的結構做針對性設計。在顯示屏外面加外框、面膜，以及在周圍用密封圈塞緊的方式，來提高LCD 對鹽霧、濕氣以及運輸過程中的撞擊的防護能力。通過卡扣和螺釘先將LCD 與外框固定，再通過邊角的四個螺釘與門控器外殼固定，以提高LCD 的抗振動能力。具體結構如圖1 所示。

圖1 LCD 結構設計

3.2 電磁兼容性

列車上電氣設備很多，電磁環(huán)境非常復雜，這對LCD 的電磁兼容能力提出了很大的挑戰(zhàn)。LCD 對其他設備的干擾微乎其微，但其本身并不具備抗干擾能力。因此，分別從電路、PCB 和整體結構三方面對LCD 進行EMC 設計，以通過軌道交通行業(yè)的EMC試驗。

電路設計時，在LCD 和DSP 之間的通訊信號上增加RC 濾波電路，濾除噪聲干擾。

PCB 設計時，將LCD 部分的電路模塊通過分隔線隔離開來，避免受到其他模塊的干擾。同時，PCB采用六層板設計，將LCD 的通訊信號在中間層走線，能夠有效屏蔽掉電磁干擾。

結構設計時，在LCD 屏外增加金屬框架和ITO導電玻璃，這樣相當于給LCD 罩上了一層接地屏蔽罩，屏蔽效果良好。

3.3 LCD 的顯示壽命

軌道交通產品的工作壽命普遍要求達到15～30年，而LCD 的顯示壽命僅50 000 小時，如果長時間點亮，則僅能工作7 年，不滿足壽命要求，而且頻繁更換LCD 也會導致維護成本大大增加，有違降低維護成本的初衷。因此，文章設計了一種LCD 電源控制電路，能夠通過軟件控制LCD 點亮或熄滅，從而延長其使用壽命。

本設計使用TPS709 電源芯片，該芯片具備輸出電源控制功能，通過檢測CS 引腳的輸入電平，控制電源的輸出，降低LCD 的點亮時間，提高使用壽命。電路示意圖如圖2 所示。

圖2 電源控制隔離框圖

4 LCD 顯示原理設計

4.1 LCD 系統(tǒng)架構設計

本設計中，為實現(xiàn)門控器與LCD 的通信和LCD的正常顯示，將LCD 安裝在門控器的外殼上，LCD通過FPC 排線和FPC 插座與門控器主板連接。門控器的主控芯片DSP 控制LCD 顯示，電源模塊給LCD提供3.3V 直流電源，實現(xiàn)集成LCD 顯示的門控器的設計。硬件系統(tǒng)架構框圖如圖3 所示。

圖3 硬件系統(tǒng)架構框圖

4.2 LCD 軟件設計

LCD 顯示軟件主要由底層顯示模塊、初始化模塊、版本顯示模塊、輸入輸出口顯示模塊、故障信息顯示模塊、顯示頁面控制模塊這六部分構成。LCD 顯示軟件結構圖如圖4 所示。

圖4 LCD 顯示軟件結構圖

門控器上電后會通過LCD 初始化模塊配置LCD刷新方式、灰度、顯示方式等參數(shù)，然后進入顯示界面控制模塊。軟件首先進入版本顯示模塊和輸入輸出口顯示模塊，隨后進入故障代碼顯示模塊，判斷門控器是否存在故障并對故障信息進行顯示。若無故障則回到版本顯示模塊重新顯示，若有故障則回到輸入輸出口顯示模塊循環(huán)顯示。

根據(jù)LCD 的數(shù)據(jù)手冊中提供的寫數(shù)據(jù)時序圖進行軟件設計，LCD 寫時序圖如圖5 所示：

圖5 LCD 寫時序圖

CSB 是片選信號，當CSB=“L”時LCD 可進行通訊；當CSB=“H”時LCD 不通訊。

A0 是選擇信號，當A0=“L”時數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)為指令；當A0=“H”時數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)為顯示數(shù)據(jù)。

SCL 的上升沿讀取SDA 數(shù)據(jù)位，每8 個SCL 后，8 個串行數(shù)據(jù)組合成一個8 位的并行數(shù)據(jù)。

門控器沒有故障時，LCD 將會循環(huán)顯示版本信息和狀態(tài)信息，定時刷新顯示界面。門控器出現(xiàn)故障時，LCD 將會循環(huán)顯示狀態(tài)信息和故障信息，定時刷新顯示界面，直到故障全部消失為止。

5 門控器LCD 實驗驗證

當門控器上電時，LCD 顯示軟、硬件版本號，同時，LCD 顯示輸入輸出口狀態(tài)、ERROR 狀態(tài)指示、O/C 狀態(tài)指示（電機轉動狀態(tài)）、5V 電源狀態(tài)指示。如圖6 所示。

圖6 LCD 版本號及輸入輸出狀態(tài)顯示界面

當門控器出現(xiàn)故障時，LCD 顯示所有的故障代碼及故障名稱，如圖7 所示。

圖7 LCD 故障顯示界面

LCD 顯示相較于數(shù)碼管和LED 的顯示方式更加直觀，維保人員能夠看到更多的內容，獲取到更多門控器的狀態(tài)信息，有利于提高維護效率。通過文字顯示門控器當前故障名稱，免去維保人員根據(jù)故障代碼查詢故障內容的步驟，節(jié)省維保時間。

6 結論

文章介紹了在門控器上集成LCD 顯示的設計，闡述了LCD 顯示的優(yōu)越性，詳細分析了LCD 在軌道交通門控器上應用的難點和對應的解決方案，通過這樣的設計，LCD 顯示效果較好，工作穩(wěn)定可靠，在軌道交通門控器上具有良好的實用性。