CRH2型動車組控制放大器故障檢測系統設計

董 韜

（中國鐵路上海局集團有限公司上海動車段，上海 201800）

0 緒論

CRH2 型動車組旅客信息系統[1]主要由廣播聯絡系統、無線收音系統、車內外信息顯示器（EID）等設備組成。其中，廣播聯絡系統可實現司機和乘務人員車內通信聯絡、列車廣播等功能[2]，如圖1 所示。CAMP 作為廣播聯絡系統的核心組成部件[3]，分布于動車組1 車、9 車、16 車等不同車廂。在長期運維過程中，CAMP 故障率居高不下，這不僅直接影響到旅客信息系統穩定性，而且更換故障設備也增加了運用檢修成本。針對上述問題，分析動車組CAMP 通信原理和故障原因，并設計CAMP 故障離線檢測設備，對保障動車組高效穩定運營具有重要意義。此外，該研究將掌握動車組CAMP 自主檢修技術，實現節支降耗、降本增效的企業目標。

圖1 CRH2 型動車組CAMP

1 控制放大器故障原理分析

調研CRH2 型動車組CAMP 故障統計數據，并對其主要功能電路進行研究，如圖2 所示，即地址編碼電路、音頻控制電路、通話電路和開關陣列控制電路。各功能電路相互協調，實現CAMP 的通信地址編碼、聯絡信道建立、語音信號增益以及環境噪聲抑制。

圖2 CAMP 內部功能電路

1.1 電源電路故障分析

電源電路作為CAMP 供電單元，為整個系統提供穩定電源，保證系統功能穩定性。CAMP 電源電路采用全橋DC-DC方案，具有集成度高、結構簡單的特點，如圖3 所示。全橋DC-DC 方案其內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，實現直流-交流-直流的電源變換。其工作原理如下：全橋開關變換器S1、VD1、C1～Q4、VD4、C4結合構成高頻變壓器模塊，輸入的DC 直流Ui經過高頻變壓器模塊的初級轉換為AC 交流的高頻方波。再經變壓器降壓T，AC高頻方波轉換為DC方波。最后，VD5、VD6和LfCf構成的整流濾波電路得到穩定的DC 直流輸出Uo，為CAMP 系統提供穩定電源。

圖3 全橋DC-DC 電源電路

結合CRH2 型動車組CAMP 故障統計數據發現，CAMP 電源電路的主要故障表現為熔斷器和全橋DC-DC 等關鍵元件損壞。原因歸結如下：1）CAMP的保護電路設計性能較弱，未充分考慮動車組復雜的運行環境，缺乏更多保護性元件，包括壓敏電阻、熱敏電阻等，當浪涌竄入線路時則易導致關鍵元件損壞。2）CAMP 安裝環境相對封閉，并且其內部未設計散熱風扇，全橋DC-DC 模塊工作狀態產生的熱量若長時間無法消散，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陣列控制電路、音頻控制電路和地址編碼電路。CAMP 的開關陣列控制電路采用基于單片機的開關陣列狀態識別方案。相較于傳統的硬件識別電路，該方案主要采用軟件程序進行識別，其核心元件包括STC 89C54RD 單片機和MT8816AP 開關陣列等[4]。STC 89C54RD 作為CAMP 核心處理單元，其具備抗干擾能力強、傳輸速率高以及功耗較低的特點。STC 89C54RD 芯片內部集中了Flash 存儲器、SPI 串行接口、PCA 可編程計數器陣列、WDT 可編程看門狗定時器等。其中，ISP/IAP 功能可通過串行接口下載程序，實現對開關陣列電路的軟件控制。MT8816AP 開關陣列采用ISO－CMOS 制造工藝，具備功耗低、可靠性高、隔離度好的特點。該IC 主要包含3 個部分：地址譯碼電路、鏡存器電路以及8×16 個模擬開關陣列。地址譯碼電路AX/AY 為地址輸入端，具備7 到128 個地址譯碼和鎖存電路，通過不同的地址信號，可實現對128 個開關進行尋址。其中，CS 選片控制信號與STROBE 相結合，在高電平有限時序可保持地址的穩定性，進而實現地址譯碼功能。鏡存器電路中DATA 為數據輸入口，其端口輸入為邏輯電平“1”或“0”可控制模擬開關，高電平打開，低電平。結合RESET 高電平復位接口，實現數據的輸入緩存。8×16 個模擬開關陣列中VDD 與VEE 為芯片供電引腳，VSS 為數字地。X0～X15、Y0～Y7為輸入/輸出模擬口，連接到相應的開關陣列。如圖4 所示。

圖4 MT8816AP 原理圖

CAMP 控制電路作為數據處理和邏輯控制中心，其故障表現為CAMP 聯絡功能異常，無法與被呼叫設備建立通信電路，實現車內通信，導致該故障的原因為STC 芯片損壞和STC內部存儲器程序文件缺失。STC 芯片內存儲可供調用的開關陣列控制程序，CAMP 運行過程中，其引腳上的異常電壓波動易造成程序文件損壞丟失，進而導致CAMP出現聯絡功能故障。

地址編碼電路采用0/1二進制編碼原理，可通過DIP 開關設置CAMP 物理地址，DIP 地址信息傳輸并保存至控制電路。動車組廣播系統中，該地址具有唯一性，同列動車組上裝配的CAMP地址各不相同，避免引發信道占用故障。音頻控制電路主要實現音頻信號增益的功能，同時減少噪聲干擾，保證通話質量。

2 控制放大器故障離線檢測設備

針對CAMP 故障率高、檢修更換成本大、實車測試耗時的問題，該文設計一套CAMP 離線故障檢測設備[5]，如圖5 所示。該設備分為硬件系統和軟件系統2 個部分。其中，硬件系統主要包括外接接口、轉換裝置、內部設備3 個部分。為兼容CRH2 型動車組不同型號的CAMP 設備，通過分析通信線路連接方式，外接接口部分采用快接轉換插頭實現CAMP 多型號復用。此外，為提升CAMP 故障定位有效性以及功能測試獨立性，內置設備集成了CAMP 全部通信功能，冗余的功能設計可對CAMP 功能部件實現分解，通過調整轉換裝置對其進行單獨功能測試。軟件系統為上位機控制設備。其中，上位機系統作為該檢測設備的控制核心，串聯著檢測系統的各軟硬件模塊。可在上位機界面選擇設備的接入狀態，建立CAMP 與檢測設備間的通信連接，對CAMP 進行全面功能測試等。此外，在檢測過程中，上位機系統將自動生成并保存全流程檢測數據和日志，并形成無紙化表單，可為設備后續狀態追蹤提供數據支撐。

圖5 CAMP 離線故障檢測設備原理圖

3 實際應用

調研獲取某動車段CRH2型動車組CAMP運維故障統計數據，其中，CAMP 故障部件總數30 件。該文基于上述針對CAMP 各功能模塊電路的工作原理以及故障原因分析，對故障部件進行檢修和測試，并對DCU 運維過程提出優化建議。相關部件的故障原因和修復率如表1 所示。1）對于電源電路故障，CAMP 采用的是集成度高、結構簡單的全橋DC-DC電源方案。該方案減少了電源電路設計的復雜性，但未充分考慮動車組電磁環境的復雜性。CAMP 電源電路相關保護性元件較少，對于運行過程中的瞬時過壓缺乏有效保護，易發生元器件損壞現象。因此，針對該類情況，CAMP 電源電路設計在追求集成化的同時，加強電源保護電路設計，增加過壓保護元件，使電壓波動對電路的沖擊減少，從而提高電源供應穩定性。2）對于通話電路故障，CAMP 通話電路故障率始終居高不下，其故障現象表現為雜音導致的通話質量下降。該類故障原因為CAMP 長期運行而導致的電容、三極管等元件性能下降，通常屬于正常現象。該文基于故障運維數據，對易損元器件可根據性能參數，選配更高規格，可有助于降低故障率。此外，對于易損元件應加強檢查，并及時更換。3）對于控制電路，針對STC 和MT8816 芯片引發的聯絡故障，修復流程與難度較高，導致該類故障修復率較低。因此，加強控制芯片的外圍防護電路設計，在控制電路中增加穩壓模塊，關注通斷電保護功能，避免VCC 電壓波動對STC 軟件程序造成破壞。

表1 CAMP 故障原因統計分析表

4 結語

該文基于某動車段CRH2 型動車組CAMP 故障統計數據，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。針對故障現象進行分析，結果顯示電源電路作為CAMP 設備的供電核心，其故障源于過壓情況下關鍵元件損壞，如熔斷器、全橋DC 磚塊等。STC 89C54RD 單片機和MT8816AP 開關陣構成了控制電路的核心，VCC 電壓波動易導致STC 程序文件損壞。CAMP 處于長期工作狀態，濾波電容等元件老化導致性能下降，無法有效濾除高頻噪聲產生的雜音，進而會直接影響通話質量。針對CAMP 故障率高，檢修成本大的現狀，該文設計一套CAMP 離線故障檢測設備。通過軟硬件結合可對CAMP 進行故障定位和功能測試，其系統數據可為后續設備狀態追蹤提供支撐。同時，基于CAMP 相關運維故障數據研究，對故障件開展自主檢修。功能檢測結果顯示，與其他故障類型相比，在通話電路故障方面有較高修復率，建議開展全面自主檢修。此外，該文也對CAMP 功能優化提出了相關的改進措施，包括電源電路、控制電路以及通話電路，關注于提升CAMP 電源系統以及通話電路穩定性。進一步提升CAMP 功能質量，降低CRH2 型動車組檢修成本，并實現降本增效企業目標。