某地鐵列車輸入輸出模塊故障分析及對策

胡正偉 焦芳芳 汪麗娜

(合肥市軌道交通集團有限公司運營分公司，230041，合肥∥第一作者，高級工程師)

某地鐵TCMS(列車控制與管理系統)采用分布式控制技術，通信總線采用MVB(多功能車輛總線)［1］。IO(輸入輸出)模塊是列車控制網絡中TCMS的關鍵設備之一，是TCMS與列車非智能模塊的網絡接口，可以實現TCMS對控制開關、傳感器和繼電器等大部分車載非智能模塊的監視、控制和診斷［2］。本文針對該城市地鐵列車IO模塊的典型故障問題，深入分析故障原因，并給出有效的解決對策。

1 地鐵列車IO模塊架構

IO模塊采用機箱式設計，各功能單元采用可插拔式板卡設計，包括電源板卡、CPU(中央處理器)板卡、MVB接口板卡、DI(數字量輸入板卡)、DO(數字量輸出板卡)和AX(模擬量輸入輸出板卡)。除電源板卡外，其他板卡在機箱內部采用背板CAN(控制器局域網)總線進行通信。IO模塊采用DSP(數字信號處理)+FPGA(現場可編程門陣列)結構，通過將DSP作為主控芯片、FPGA作為邏輯控制核心，來控制外圍設備。

IO模塊硬件架構及連接示意如圖1所示。

圖1 IO模塊硬件架構及連接示意圖Fig.1 The hardware architecture and connection schematic diagram of IO modules

2 IO模塊典型故障分析及對策

對某地鐵列車IO模塊在試驗和運營過程中出現的硬件故障和軟件故障進行剖析，并給出解決對策。

2.1 硬件故障

2.1.1 電源板卡故障

2.1.1.1 電源板卡故障描述及分析

列車自開始運營2個月內，共發生3起IO模塊電源板卡故障，導致該IO模塊供電失效，IO模塊與TCMS出現通信故障，TCMS對與該模塊連接的非智能設備的監視和控制功能失效，故障率高達1%。

發生電源故障后，對故障電源板卡進行調查分析，主要分析流程如下:

1)在確認輸入輸出無短路故障的情況下，進行上電測試，確定DC 110 V轉DC 5 V電源模塊無輸出。

2)拆除電源模塊測試發現，電源模塊輸出端阻抗偏離正常值達6 kΩ，輸出電壓為0.7 V。

3)更換新的電源模塊并上電，結果電源輸出正常，因此確定該故障為電源模塊故障。

4)為進一步定位故障原因，對IO模塊電源板卡前端濾波電路設計進行分析，排除故障是前端濾波電路的問題，確定電源模塊故障是導致電源板卡故障的直接原因。

5)將電源模塊拆解，并對模塊實施失效分析，結果表明，模塊故障與助焊劑殘留有關。

為了確定助焊劑殘留對模塊故障造成的影響，選取正常水洗的11個模塊和表面涂抹助焊劑后未經水洗的12個模塊進行對比試驗驗證。試驗結果如下:

11個經過水洗的模塊功能運行正常(400 h測試)。在未經水洗的12個模塊中，11個模塊停止工作。其中，1例在40 h時失效，2例在120 h時失效，1例在160 h時失效，6例在200 h時失效，1例在250 h時失效。

由此可見，IO模塊電源板卡故障的根本原因為電源模塊中助焊劑殘留導致模塊失效。助焊劑本身不具備導電性，但助焊劑會吸收水分，且吸收水分后具有弱導電性。這種弱導電性可導致模塊失效。導致助焊劑殘留的根本原因是助焊劑清洗不徹底。

2.1.1.2 電源板卡故障解決對策

1)控制助焊劑殘留風險點和生產過程，升級電源模塊清洗工藝。

2)升級質量管控措施，進行解剖檢查，增加清洗潔凈度驗證質量流程。

經驗證，實施上述措施后，未再發生因電源板卡故障導致IO模塊故障的案例。

2.1.2 負載采集故障

2.1.2.1 負載采集故障描述及分析

在列車例行試驗中發現，IO模塊的DI板卡無法正確采集門開關檢測傳感器信號。針對該問題，深入分析其原因。主要分析流程如下:

1)在確認負載、電氣線路及DI板卡均正常工作的情況下，對門開關檢測傳感器負載進行分析，發現該負載為感性負載。

2)結合規范對該故障進行分析可知，DI板卡的采集周期為10 ms，其中開通1 ms、關斷9 ms，采集占空比為10%;因感性負載的負載電流滯后負載電壓一個相位差，導致感性負載的反應時間較慢，某些感性負載無法在1 ms之內完全導通，再疊加光耦的導通延時、器件的傳輸延時等因素，有效信號的維持時間較短，造成DI板卡處理器芯片的采樣出現問題。

因此，IO模塊無法有效采集感性負載的根本原因為板卡硬件設計不合理。

2.1.2.2 負載采集故障解決對策

針對IO板卡感性負載無法采集的問題，理論上可以從以下3個方面進行優化。

方案1:增加DI板卡的采集占空比和導通時間，以彌補感性負載反應時間較慢的不足。

方案2:在感性負載下端增加繼電器，即門開關檢測傳感器信號直接驅動繼電器，并由DI采集繼電器輔助觸點信號，如圖2所示。

圖2 方案2示意圖Fig.2 The schematic diagram of scheme 2

方案3:在DI采樣電路前端增加電阻，即在門傳感器輸出端設計1個15 000Ω的功率電阻，這樣可以在門開時使電路時刻導通，以解決感性負載采集問題，如圖3所示。

圖3 方案3示意圖Fig.3 The schematic diagram of scheme 3

對以上3種方案進行綜合分析，結果如下:

1)方案1會帶來散熱的問題，影響板卡的穩定性，因此未選用該方案。

2)方案2受繼電器本身壽命周期限制，且需要對車輛感性負載使用情況作全面排查，并針對性地更改列車電氣線路，更改較為復雜，因此未被采納。

3)方案3可以從根本上解決因DI板卡硬件設計缺陷造成的感性負載無法正確采集的故障問題。經綜合評估后，選用方案3解決該類故障。

經驗證，方案3能有效解決IO板卡無法正確采集感性負載的問題。

2.2 軟件故障

2.2.1 DO復位異常故障

2.2.1.1 DO復位異常故障描述及分析

列車試運營階段，列車觸發嚴重故障后，蜂鳴器能按照1 s間隔正常報警;但嚴重故障復位后，偶發蜂鳴器報警聲音復位異常現象，即蜂鳴器持續報警一段時間后才復位。

發生DO板卡輸出指令復位異常故障后，針對該故障進行調查分析，主要分析流程如下:

1)實車模擬故障，使用CAN分析儀和示波器等設備采集IO板卡輸入端和輸出端信號狀態。結果表明，雖TCMS發給IO板卡的控制指令已復位，但DO板卡輸出至蜂鳴器的報警指令異常，持續輸出高電平達70 s才復位。由此可知，該故障是由DO板卡自身問題導致輸出高電平，控制蜂鳴器產生異常報警。

2)對DO板卡內部控制指令進行分析，捕捉DO板卡內部程序發給蜂鳴器的控制信號。結果表明，DO板卡底層軟件未執行TCMS指令，一直維持TCMS上一個周期的控制，持續輸出高電平造成報警指令復位異常。

3)對DO板卡底層軟件進行分析，發現IO模塊的CPU板卡將外部時鐘源產生的信號直接傳給了FPGA，并將該信號作為調試信號，FPGA內部使用60 MHz時鐘采樣該調試信號。這種跨時鐘域操作，在理論上會造成程序運行不穩定，具有隨機性。當TCMS發送的DO指令發生變化，即出現上升沿或下降沿時，程序會輪詢到特定狀態。在該狀態下要等待4個時鐘頻率為60 MHz的時鐘周期，即66.7 ns。當計數器計數到3(計數范圍為0～3)時轉移到下一個狀態，DO正常接收TCMS發送的DO指令。由于誤將此計數器設計成32位變量，當時鐘未捕捉到計數值3時，則繼續進行計數，數據溢出時再從0開始計數，直到計數值再次出現3，才會轉移到下一個狀態;在此期間DO無法執行TCMS的控制指令，并持續輸出上一時刻控制指令，造成蜂鳴器異常持續報警約70 s，該值與現場實測數據吻合。

由此可見，發生DO板卡輸出指令復位異常故障的根本原因是IO板卡底層軟件存在跨時鐘操作，該操作對程序的穩定運行有一定的隨機性。在數字系統中，0和1的判斷在于電壓，在判決電壓閾值之間存在跨時鐘域操作時，新的時鐘域在采樣時刻落在該判決閾值之間時，程序可能出現亞穩態情況，結果會導致邏輯混亂或復位失敗。

2.2.1.2 DO復位異常故障解決對策

對于單比特信號，業界公認的模型是:第一級寄存器產生亞穩態后，第二級寄存器穩定輸出的概率為90%，第三級寄存器穩定輸出的概率為99%，使用內部時鐘打4拍的處理方式，理論上穩定輸出概率可達到100%。本項目將外部的調試信號，在FPGA內部使用60 MHz時鐘寄存4拍，將不同時鐘源的信號進行同源處理。具體解決方案如圖4所示。

圖4 FPGA內部對外部調試信號的處理模型Fig.4 The processing model of external debug signal inside FPGA

通過對DO板卡底層軟件進行優化，經驗證，未再發生DO板卡輸出指令復位異常故障。

2.2.2 DO異常輸出故障

2.2.2.1 DO異常輸出故障描述及分析

正常情況下，TCMS給IO模塊發送受電弓切除指令，控制受電弓切除。列車試運營階段，在TCMS未給IO板卡發送受電弓切除指令的情況下，偶發受電弓異常切除故障。

因故障偶發，且長時間嘗試故障復現均未能成功，采用實驗室模擬與對DO板卡底層軟件分析相結合的方式對故障進行調查分析。

調查分析發現，IO板卡的DSP使用外部總線訪問FPGA的內存，如果DSP的地址總線、寫使能信號和片選信號相較數據總線變化不一致，疊加外界因素影響，則在DSP寫使能信號剛起效時，由于DSP的數據總線未能及時更新，DSP會將上一個地址內存的數據寫入當前地址中。此時如果在當前CAN通信周期FPGA正好輪詢讀到這個地址的數據，則FPGA會立即將其發送給DO板卡，造成DO出現誤動作。但在DSP寫使能趨于穩定的過程中，DSP的數據總線也會逐漸穩定，即在下一個CAN輪詢時刻，FPGA讀到正確的數據并發送給DO板卡，DSP的寫數據誤操作在理論上只存在1個CAN輪詢周期(20 ms)。

2.2.2.2 DO異常輸出故障解決對策

經分析，可從以下兩方面對IO板卡底層軟件進行優化:

1)使用FPGA軟件對DSP的外部總線進行處理，防止DSP在外部總線的邊界時刻訪問FPGA內部RAM(隨機存取存儲器)。DSP通過配置內部寄存器，增加DSP外部總線寫控制信號的脈寬;FPGA對DSP外部總線寫使能信號進行寄存處理，在該信號充分穩定時，允許DSP寫訪問FPGA內部RAM 1次。

2)升級DO程序，使IO模塊底層軟件內部對TCMS控制指令實施20 ms濾波處理。該方案可濾除1個CAN通信周期內的數據異常，增加DO板卡數據輸出的可靠性和穩定性。

通過對DO板卡底層軟件實施優化，經驗證，現場未再發生DO板卡異常輸出故障。

3 結語

IO模塊的工作穩定性和可靠性直接關系到TCMS對列車非智能設備監視、控制和診斷的有效性。本文列舉的IO板卡典型故障問題，涵蓋了工藝處理、硬件設計及底層軟件設計等方面的內容，為業界研發設計和檢修技術人員處理該類問題提供了故障處理思路。