CRH2型動(dòng)車組控制放大器故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董 韜

（中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海動(dòng)車段，上海 201800）

0 緒論

CRH2 型動(dòng)車組旅客信息系統(tǒng)[1]主要由廣播聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)、無線收音系統(tǒng)、車內(nèi)外信息顯示器（EID）等設(shè)備組成。其中，廣播聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)司機(jī)和乘務(wù)人員車內(nèi)通信聯(lián)絡(luò)、列車廣播等功能[2]，如圖1 所示。CAMP 作為廣播聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)的核心組成部件[3]，分布于動(dòng)車組1 車、9 車、16 車等不同車廂。在長期運(yùn)維過程中，CAMP 故障率居高不下，這不僅直接影響到旅客信息系統(tǒng)穩(wěn)定性，而且更換故障設(shè)備也增加了運(yùn)用檢修成本。針對(duì)上述問題，分析動(dòng)車組CAMP 通信原理和故障原因，并設(shè)計(jì)CAMP 故障離線檢測(cè)設(shè)備，對(duì)保障動(dòng)車組高效穩(wěn)定運(yùn)營具有重要意義。此外，該研究將掌握動(dòng)車組CAMP 自主檢修技術(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)支降耗、降本增效的企業(yè)目標(biāo)。

圖1 CRH2 型動(dòng)車組CAMP

1 控制放大器故障原理分析

調(diào)研CRH2 型動(dòng)車組CAMP 故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并對(duì)其主要功能電路進(jìn)行研究，如圖2 所示，即地址編碼電路、音頻控制電路、通話電路和開關(guān)陣列控制電路。各功能電路相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)CAMP 的通信地址編碼、聯(lián)絡(luò)信道建立、語音信號(hào)增益以及環(huán)境噪聲抑制。

圖2 CAMP 內(nèi)部功能電路

1.1 電源電路故障分析

電源電路作為CAMP 供電單元，為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定電源，保證系統(tǒng)功能穩(wěn)定性。CAMP 電源電路采用全橋DC-DC方案，具有集成度高、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，如圖3 所示。全橋DC-DC 方案其內(nèi)部功能電路主要由全橋逆變器模塊、高頻變壓器模塊和輸出整流濾波電路模塊組成，實(shí)現(xiàn)直流-交流-直流的電源變換。其工作原理如下：全橋開關(guān)變換器S1、VD1、C1～Q4、VD4、C4結(jié)合構(gòu)成高頻變壓器模塊，輸入的DC 直流Ui經(jīng)過高頻變壓器模塊的初級(jí)轉(zhuǎn)換為AC 交流的高頻方波。再經(jīng)變壓器降壓T，AC高頻方波轉(zhuǎn)換為DC方波。最后，VD5、VD6和LfCf構(gòu)成的整流濾波電路得到穩(wěn)定的DC 直流輸出Uo，為CAMP 系統(tǒng)提供穩(wěn)定電源。

圖3 全橋DC-DC 電源電路

結(jié)合CRH2 型動(dòng)車組CAMP 故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，CAMP 電源電路的主要故障表現(xiàn)為熔斷器和全橋DC-DC 等關(guān)鍵元件損壞。原因歸結(jié)如下：1）CAMP的保護(hù)電路設(shè)計(jì)性能較弱，未充分考慮動(dòng)車組復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境，缺乏更多保護(hù)性元件，包括壓敏電阻、熱敏電阻等，當(dāng)浪涌竄入線路時(shí)則易導(dǎo)致關(guān)鍵元件損壞。2）CAMP 安裝環(huán)境相對(duì)封閉，并且其內(nèi)部未設(shè)計(jì)散熱風(fēng)扇，全橋DC-DC 模塊工作狀態(tài)產(chǎn)生的熱量若長時(shí)間無法消散，則易造成該元件損壞。

1.2 控制電路故障分析

CAMP 控制電路主要包括開關(guān)陣列控制電路、音頻控制電路和地址編碼電路。CAMP 的開關(guān)陣列控制電路采用基于單片機(jī)的開關(guān)陣列狀態(tài)識(shí)別方案。相較于傳統(tǒng)的硬件識(shí)別電路，該方案主要采用軟件程序進(jìn)行識(shí)別，其核心元件包括STC 89C54RD 單片機(jī)和MT8816AP 開關(guān)陣列等[4]。STC 89C54RD 作為CAMP 核心處理單元，其具備抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高以及功耗較低的特點(diǎn)。STC 89C54RD 芯片內(nèi)部集中了Flash 存儲(chǔ)器、SPI 串行接口、PCA 可編程計(jì)數(shù)器陣列、WDT 可編程看門狗定時(shí)器等。其中，ISP/IAP 功能可通過串行接口下載程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)陣列電路的軟件控制。MT8816AP 開關(guān)陣列采用ISO－CMOS 制造工藝，具備功耗低、可靠性高、隔離度好的特點(diǎn)。該IC 主要包含3 個(gè)部分：地址譯碼電路、鏡存器電路以及8×16 個(gè)模擬開關(guān)陣列。地址譯碼電路AX/AY 為地址輸入端，具備7 到128 個(gè)地址譯碼和鎖存電路，通過不同的地址信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)128 個(gè)開關(guān)進(jìn)行尋址。其中，CS 選片控制信號(hào)與STROBE 相結(jié)合，在高電平有限時(shí)序可保持地址的穩(wěn)定性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)地址譯碼功能。鏡存器電路中DATA 為數(shù)據(jù)輸入口，其端口輸入為邏輯電平“1”或“0”可控制模擬開關(guān)，高電平打開，低電平。結(jié)合RESET 高電平復(fù)位接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入緩存。8×16 個(gè)模擬開關(guān)陣列中VDD 與VEE 為芯片供電引腳，VSS 為數(shù)字地。X0～X15、Y0～Y7為輸入/輸出模擬口，連接到相應(yīng)的開關(guān)陣列。如圖4 所示。

圖4 MT8816AP 原理圖

CAMP 控制電路作為數(shù)據(jù)處理和邏輯控制中心，其故障表現(xiàn)為CAMP 聯(lián)絡(luò)功能異常，無法與被呼叫設(shè)備建立通信電路，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)通信，導(dǎo)致該故障的原因?yàn)镾TC 芯片損壞和STC內(nèi)部存儲(chǔ)器程序文件缺失。STC 芯片內(nèi)存儲(chǔ)可供調(diào)用的開關(guān)陣列控制程序，CAMP 運(yùn)行過程中，其引腳上的異常電壓波動(dòng)易造成程序文件損壞丟失，進(jìn)而導(dǎo)致CAMP出現(xiàn)聯(lián)絡(luò)功能故障。

地址編碼電路采用0/1二進(jìn)制編碼原理，可通過DIP 開關(guān)設(shè)置CAMP 物理地址，DIP 地址信息傳輸并保存至控制電路。動(dòng)車組廣播系統(tǒng)中，該地址具有唯一性，同列動(dòng)車組上裝配的CAMP地址各不相同，避免引發(fā)信道占用故障。音頻控制電路主要實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)增益的功能，同時(shí)減少噪聲干擾，保證通話質(zhì)量。

2 控制放大器故障離線檢測(cè)設(shè)備

針對(duì)CAMP 故障率高、檢修更換成本大、實(shí)車測(cè)試耗時(shí)的問題，該文設(shè)計(jì)一套CAMP 離線故障檢測(cè)設(shè)備[5]，如圖5 所示。該設(shè)備分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)2 個(gè)部分。其中，硬件系統(tǒng)主要包括外接接口、轉(zhuǎn)換裝置、內(nèi)部設(shè)備3 個(gè)部分。為兼容CRH2 型動(dòng)車組不同型號(hào)的CAMP 設(shè)備，通過分析通信線路連接方式，外接接口部分采用快接轉(zhuǎn)換插頭實(shí)現(xiàn)CAMP 多型號(hào)復(fù)用。此外，為提升CAMP 故障定位有效性以及功能測(cè)試獨(dú)立性，內(nèi)置設(shè)備集成了CAMP 全部通信功能，冗余的功能設(shè)計(jì)可對(duì)CAMP 功能部件實(shí)現(xiàn)分解，通過調(diào)整轉(zhuǎn)換裝置對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)功能測(cè)試。軟件系統(tǒng)為上位機(jī)控制設(shè)備。其中，上位機(jī)系統(tǒng)作為該檢測(cè)設(shè)備的控制核心，串聯(lián)著檢測(cè)系統(tǒng)的各軟硬件模塊?？稍谏衔粰C(jī)界面選擇設(shè)備的接入狀態(tài)，建立CAMP 與檢測(cè)設(shè)備間的通信連接，對(duì)CAMP 進(jìn)行全面功能測(cè)試等。此外，在檢測(cè)過程中，上位機(jī)系統(tǒng)將自動(dòng)生成并保存全流程檢測(cè)數(shù)據(jù)和日志，并形成無紙化表單，可為設(shè)備后續(xù)狀態(tài)追蹤提供數(shù)據(jù)支撐。

圖5 CAMP 離線故障檢測(cè)設(shè)備原理圖

3 實(shí)際應(yīng)用

調(diào)研獲取某動(dòng)車段CRH2型動(dòng)車組CAMP運(yùn)維故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其中，CAMP 故障部件總數(shù)30 件。該文基于上述針對(duì)CAMP 各功能模塊電路的工作原理以及故障原因分析，對(duì)故障部件進(jìn)行檢修和測(cè)試，并對(duì)DCU 運(yùn)維過程提出優(yōu)化建議。相關(guān)部件的故障原因和修復(fù)率如表1 所示。1）對(duì)于電源電路故障，CAMP 采用的是集成度高、結(jié)構(gòu)簡單的全橋DC-DC電源方案。該方案減少了電源電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，但未充分考慮動(dòng)車組電磁環(huán)境的復(fù)雜性。CAMP 電源電路相關(guān)保護(hù)性元件較少，對(duì)于運(yùn)行過程中的瞬時(shí)過壓缺乏有效保護(hù)，易發(fā)生元器件損壞現(xiàn)象。因此，針對(duì)該類情況，CAMP 電源電路設(shè)計(jì)在追求集成化的同時(shí)，加強(qiáng)電源保護(hù)電路設(shè)計(jì)，增加過壓保護(hù)元件，使電壓波動(dòng)對(duì)電路的沖擊減少，從而提高電源供應(yīng)穩(wěn)定性。2）對(duì)于通話電路故障，CAMP 通話電路故障率始終居高不下，其故障現(xiàn)象表現(xiàn)為雜音導(dǎo)致的通話質(zhì)量下降。該類故障原因?yàn)镃AMP 長期運(yùn)行而導(dǎo)致的電容、三極管等元件性能下降，通常屬于正?，F(xiàn)象。該文基于故障運(yùn)維數(shù)據(jù)，對(duì)易損元器件可根據(jù)性能參數(shù)，選配更高規(guī)格，可有助于降低故障率。此外，對(duì)于易損元件應(yīng)加強(qiáng)檢查，并及時(shí)更換。3）對(duì)于控制電路，針對(duì)STC 和MT8816 芯片引發(fā)的聯(lián)絡(luò)故障，修復(fù)流程與難度較高，導(dǎo)致該類故障修復(fù)率較低。因此，加強(qiáng)控制芯片的外圍防護(hù)電路設(shè)計(jì)，在控制電路中增加穩(wěn)壓模塊，關(guān)注通斷電保護(hù)功能，避免VCC 電壓波動(dòng)對(duì)STC 軟件程序造成破壞。

表1 CAMP 故障原因統(tǒng)計(jì)分析表

4 結(jié)語

該文基于某動(dòng)車段CRH2 型動(dòng)車組CAMP 故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，研究了CAMP 主要功能電路的工作原理和控制邏輯，主要涉及電源電路模塊、控制電路模塊以及通話電路模塊等。針對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)行分析，結(jié)果顯示電源電路作為CAMP 設(shè)備的供電核心，其故障源于過壓情況下關(guān)鍵元件損壞，如熔斷器、全橋DC 磚塊等。STC 89C54RD 單片機(jī)和MT8816AP 開關(guān)陣構(gòu)成了控制電路的核心，VCC 電壓波動(dòng)易導(dǎo)致STC 程序文件損壞。CAMP 處于長期工作狀態(tài)，濾波電容等元件老化導(dǎo)致性能下降，無法有效濾除高頻噪聲產(chǎn)生的雜音，進(jìn)而會(huì)直接影響通話質(zhì)量。針對(duì)CAMP 故障率高，檢修成本大的現(xiàn)狀，該文設(shè)計(jì)一套CAMP 離線故障檢測(cè)設(shè)備。通過軟硬件結(jié)合可對(duì)CAMP 進(jìn)行故障定位和功能測(cè)試，其系統(tǒng)數(shù)據(jù)可為后續(xù)設(shè)備狀態(tài)追蹤提供支撐。同時(shí)，基于CAMP 相關(guān)運(yùn)維故障數(shù)據(jù)研究，對(duì)故障件開展自主檢修。功能檢測(cè)結(jié)果顯示，與其他故障類型相比，在通話電路故障方面有較高修復(fù)率，建議開展全面自主檢修。此外，該文也對(duì)CAMP 功能優(yōu)化提出了相關(guān)的改進(jìn)措施，包括電源電路、控制電路以及通話電路，關(guān)注于提升CAMP 電源系統(tǒng)以及通話電路穩(wěn)定性。進(jìn)一步提升CAMP 功能質(zhì)量，降低CRH2 型動(dòng)車組檢修成本，并實(shí)現(xiàn)降本增效企業(yè)目標(biāo)。