上海軌道交通5號線車載廣播系統關鍵部件改造方案的研究與實現

夏海兵

(上海地鐵維護保障有限公司車輛分公司,201109,上海//工程師)

上海軌道交通5號線AC11型電動列車廣播系統采用的是阿爾斯通的產品，目前已在線使用10多年。系統設備老化、故障多，備品備件采購困難，功能難以滿足運營的新需要。本文在分析原有系統的基礎上，提出了改造方案，替代原有系統，增加了新的功能，以滿足運行需求。

車載廣播系統改造總體思路為:①若原車線纜無故障且滿足現場要求時，利用原車已有線纜; ②不改變車載系統與廣播系統的電氣和機械連接方式;③功能覆蓋原廣播系統;④采用進口工業級器件，系統設計模塊化，整個廣播系統功能和性能優于原廣播系統;⑤采用模塊化設計，使修改、升級和維護費用低，操作方便;⑥具有故障檢測功能;⑦廣播系統發生故障時，不影響司機控制臺和其他設備，故障范圍不會擴大。

1 上海軌道交通5號線列車廣播系統分析

1.1 系統結構分析

音頻系統的結構布置圖見圖1,原理圖見圖2。

現有廣播系統由以下部件組成：①ACU(音頻通信單元)，安裝于每節Tc(帶有司機室的拖車)車各1臺；②具有DVA(數字語音廣播)功能的MPU(主處理單元)，安裝于每節Tc車各1臺；③PECU (乘客緊急呼叫單元)，每節Tc車和Mp(動車)車安裝3臺；④司機室各安裝1臺麥克風和1只揚聲器；⑤各客室安裝6只揚聲器。

ACU通過5條二進制輸入/輸出列車線和調制列車線實現如下廣播功能：公共廣播(PA),數字語音廣播(DVA),乘客緊急呼叫(PEC),司機室通話。5條二進制輸入/輸出列車線為：PA請求列車線,乘客緊急呼叫通信(PEI)請求列車線,PEI響應列車線,司機室通話響應列車線,司機室通話請求列車線。

1.2 系統功能分析

(1)PA:圖3為PA示意流程圖。司機按下PA按鈕,司機室麥克風連接到音頻列車線;各車廂PECU的揚聲器連接到音頻列車線;通信線路建立后，司機即可對各車廂播音;司機松開PA按鈕，司機室麥克風、各車廂揚聲器均與音頻列車線分離，通信即結束。

(2)DVA:圖4為播音過程示意圖。本系統數字廣播信息存儲于MPU中，經司機選定播報線路，由TMIS(列車信息管理系統)自動觸發。

(3)PEI:圖5為PEI過程示意圖。

圖1 5號線車載音頻系統結構布置圖

圖2 5號線車載音頻系統原理圖

圖3 PA示意流程圖

2 改造技術方案及實現

2.1 改造技術方案

經分析和調研，需要改造的對象為ACU,其改造原則為：原有物理接口不變,原有控制協議不變,原有功能不能少,原物理尺寸不變。

經對原有廣播系統功能進行分析，重新設計ACU結構，包括音頻處理單元、接口處理單元、通信單元、中央處理單元、電源模塊、功放模塊。ACU組成結構如圖6所示。

注:RIOM為輸入輸出設備圖4 播音過程示意圖

圖5 PEI過程示意圖

對ACU設計如下:

(1)接口單元設計。采用穩壓管與光電隔離器的新型設計方案，采集外部輸入信號供CPU(中央處理單元)處理。接口電路原理圖如圖7所示。

(2)音頻處理單元設計。采用集成運放和先進數字音頻處理器，對各路音頻信號進行預放大和選擇處理。音頻處理電路原理圖如圖8所示。

圖6 ACU組成結構

(3)電源處理單元設計。采用國際先進的開關電源設計方案，列車提供DC 110 V的電壓作為輸入，輸出多路電壓給各系統使用。允許輸入區間為DC 77 V～DC 137.5 V，輸出功率各為150 W，輸出效率大于85%,并具有輸入過壓、輸出過流、輸出短路保護等功能。電源參數詳見表1。

(4)通信部分設計。通信原理如圖9所示。

圖7 接口電路原理圖

(5)中央處理部分設計。CPU部分采用嵌入式處理器對輸入、輸出信號進行處理，其具有低電壓、低功耗、穩定性高等特點和片內集成程序跑飛處理、過流過壓保護等功能。中央控制單元原理如圖10所示。

(6)音頻功率放大處理部分設計。采用穩定的集成功放芯片對輸出信號進行放大處理，具有低電壓、低功耗、穩定性高、過流過壓保護等特點。音頻功率放大原理如圖11所示。

2.2 改造方案的實現

2.2.1 執行標準

TB/T 3058—2002《鐵路應用-機車車輛設備-沖擊和振動試驗》;GB/T 17626.4—2008《電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗》;GB/T 17626.5—2008《浪涌抗擾度試驗》;GB/T 17626.11—2008《電壓波動試驗》;TB/T 2402《非金屬材料阻燃要求》。

2.2.2 工作條件

該設備安裝于地鐵列車上。工作環境溫度-20 ℃～+55 ℃。最大月份平均最大相對濕度不大于99%。存儲溫度-20 ℃～+55 ℃。

2.2.3 技術參數

輸入電壓DC 76～158 V。列車輸入控制信號電壓DC 110 V。列車輸出控制信號電壓DC 110 V。列車音頻信號幅度20 dBm(100 Ω),3.2 V。司機室功率輸出2×9 W(4 Ω)?？褪夜β瘦敵?×9 W(4 Ω)。溫度變化率2%。機箱尺寸265 mm×245 mm×78 mm。冷卻方式自然冷卻。工作溫度-20 ℃～+55 ℃。相對濕度99%。

圖8 音頻處理電路原理圖表1 電源參數表

項目參數值或說明輸入額定電壓DC 110 V允許輸入電壓范圍DC 77 V～DC 137.5 V輸出電壓DC 24 V電壓設定精度額定負載、輸入額定電壓、輸出電壓應符合24×(1±0.01) V線性電壓調整率額定負載、輸入電壓從DC 77 V調至137.5 V,在整個電壓變化范圍內,輸出電壓變化率≤±0.5%負載調整率額定電壓輸入、負載從10%調至100%,輸出電壓變化率≤±2%輸出紋波及噪聲≤±1%冗余特性電源內部由150 W回路組成,只有一個回路損壞,另一個可正常工作功率測定總輸出功率150 W電源效率≥85%輸入過壓保護點電壓≥170 V,電源停止工作,故障排除后,電源恢復正常工作輸出短路保護輸出短路,電源停止工作;排除短路故障,電源恢復正常工作輸出過流保護輸出電流過大時,超過限值,停止輸出,排除故障后,電源恢復正常工作過熱保護電源控制芯片90 ℃自動保護,降溫后自動恢復冷卻方式自然冷卻

2.2.4 系統軟件

系統軟件采用C語言編寫，主要功能有通信、磁盤管理和解碼播放。軟件流程如圖12所示。

2.2.5 系統協議

全車采用FIP(文件傳輸協議)網絡進行通信，底層采用RS485通信協議。

2.2.6 新功能

除原有系統功能外，改造后系統增加了OCC(運行控制中心)通信功能，總調度可通過無線列車調度電話，對列車車廂進行應急廣播。

經對原有廣播系統功能進行分析，決定在司機室ACU增加一個OCC音頻輸入通道和OCC控制信號輸入通道。從上述對原系統的分析可知，ACU側，音源輸入只有兩路，即司機麥克風輸入和數字語音DVA輸入，ACU直接控制公共列車線和調制音頻列車線。新功能直接利用現有列車總線。本設計的關鍵是解決新增電路和原系統的接口問題。

通過對原系統的分析，新增的OCC接口設計如下：正常情況下，新增電路內部電子開關倒向ACU，新電路不影響原系統功能;當需OCC廣播時，司機按下面板上的OCC廣播按鈕，內部開關倒向新電路，新電路使OCC線有效，ACU接收OCC廣播的內容，該內容輸出到列車音頻調制線上。

圖9 通信原理圖

圖10 中央控制單元原理圖

圖11 音頻功率放大原理圖

圖12 軟件流程圖

2.3 改造中問題及解決辦法

改造過程中主要存在的問題為協議分析和音頻處理兩部分。

(1)協議分析問題:通過數據收集器截取的總線數據經過測試發現和現場設備無法通信。解決措施為：利用示波器現場抓包，發現數據在通信過程中有偶校驗，更改程序后，與現場設備通信正常。

(2)音頻處理問題:在與原系統進行廣播和對講時存在雜音問題。解決辦法為：分析原有設備電路，發現原電路輸出變壓器阻抗與現設計設備變壓器阻抗不匹配，更改變壓器后與原有設備廣播和對講均正常。

3 結語

根據本文設計的改造方案，對上海軌道交通5號線AC11車型的車載廣播系統進行了改造。改造后的系統運行近1年，運行穩定，滿足運營要求,不但解決了故障率高和備品備件不足的問題，還增加了OCC通信功能。