上海軌道交通5號(hào)線車(chē)載廣播系統(tǒng)關(guān)鍵部件改造方案的研究與實(shí)現(xiàn)

夏海兵

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司車(chē)輛分公司,201109,上海//工程師)

上海軌道交通5號(hào)線AC11型電動(dòng)列車(chē)廣播系統(tǒng)采用的是阿爾斯通的產(chǎn)品，目前已在線使用10多年。系統(tǒng)設(shè)備老化、故障多，備品備件采購(gòu)困難，功能難以滿足運(yùn)營(yíng)的新需要。本文在分析原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了改造方案，替代原有系統(tǒng)，增加了新的功能，以滿足運(yùn)行需求。

車(chē)載廣播系統(tǒng)改造總體思路為:①若原車(chē)線纜無(wú)故障且滿足現(xiàn)場(chǎng)要求時(shí)，利用原車(chē)已有線纜; ②不改變車(chē)載系統(tǒng)與廣播系統(tǒng)的電氣和機(jī)械連接方式;③功能覆蓋原廣播系統(tǒng);④采用進(jìn)口工業(yè)級(jí)器件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊化，整個(gè)廣播系統(tǒng)功能和性能優(yōu)于原廣播系統(tǒng);⑤采用模塊化設(shè)計(jì)，使修改、升級(jí)和維護(hù)費(fèi)用低，操作方便;⑥具有故障檢測(cè)功能;⑦廣播系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，不影響司機(jī)控制臺(tái)和其他設(shè)備，故障范圍不會(huì)擴(kuò)大。

1 上海軌道交通5號(hào)線列車(chē)廣播系統(tǒng)分析

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

音頻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置圖見(jiàn)圖1,原理圖見(jiàn)圖2。

現(xiàn)有廣播系統(tǒng)由以下部件組成：①ACU(音頻通信單元)，安裝于每節(jié)Tc(帶有司機(jī)室的拖車(chē))車(chē)各1臺(tái)；②具有DVA(數(shù)字語(yǔ)音廣播)功能的MPU(主處理單元)，安裝于每節(jié)Tc車(chē)各1臺(tái)；③PECU (乘客緊急呼叫單元)，每節(jié)Tc車(chē)和Mp(動(dòng)車(chē))車(chē)安裝3臺(tái)；④司機(jī)室各安裝1臺(tái)麥克風(fēng)和1只揚(yáng)聲器；⑤各客室安裝6只揚(yáng)聲器。

ACU通過(guò)5條二進(jìn)制輸入/輸出列車(chē)線和調(diào)制列車(chē)線實(shí)現(xiàn)如下廣播功能：公共廣播(PA),數(shù)字語(yǔ)音廣播(DVA),乘客緊急呼叫(PEC),司機(jī)室通話。5條二進(jìn)制輸入/輸出列車(chē)線為：PA請(qǐng)求列車(chē)線,乘客緊急呼叫通信(PEI)請(qǐng)求列車(chē)線,PEI響應(yīng)列車(chē)線,司機(jī)室通話響應(yīng)列車(chē)線,司機(jī)室通話請(qǐng)求列車(chē)線。

1.2 系統(tǒng)功能分析

(1)PA:圖3為PA示意流程圖。司機(jī)按下PA按鈕,司機(jī)室麥克風(fēng)連接到音頻列車(chē)線;各車(chē)廂PECU的揚(yáng)聲器連接到音頻列車(chē)線;通信線路建立后，司機(jī)即可對(duì)各車(chē)廂播音;司機(jī)松開(kāi)PA按鈕，司機(jī)室麥克風(fēng)、各車(chē)廂揚(yáng)聲器均與音頻列車(chē)線分離，通信即結(jié)束。

(2)DVA:圖4為播音過(guò)程示意圖。本系統(tǒng)數(shù)字廣播信息存儲(chǔ)于MPU中，經(jīng)司機(jī)選定播報(bào)線路，由TMIS(列車(chē)信息管理系統(tǒng))自動(dòng)觸發(fā)。

(3)PEI:圖5為PEI過(guò)程示意圖。

圖1 5號(hào)線車(chē)載音頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置圖

圖2 5號(hào)線車(chē)載音頻系統(tǒng)原理圖

圖3 PA示意流程圖

2 改造技術(shù)方案及實(shí)現(xiàn)

2.1 改造技術(shù)方案

經(jīng)分析和調(diào)研，需要改造的對(duì)象為ACU,其改造原則為：原有物理接口不變,原有控制協(xié)議不變,原有功能不能少,原物理尺寸不變。

經(jīng)對(duì)原有廣播系統(tǒng)功能進(jìn)行分析，重新設(shè)計(jì)ACU結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)如圖6所示。

注:RIOM為輸入輸出設(shè)備圖4 播音過(guò)程示意圖

圖5 PEI過(guò)程示意圖

對(duì)ACU設(shè)計(jì)如下:

(1)接口單元設(shè)計(jì)。采用穩(wěn)壓管與光電隔離器的新型設(shè)計(jì)方案，采集外部輸入信號(hào)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(shè)計(jì)。采用集成運(yùn)放和先進(jìn)數(shù)字音頻處理器，對(duì)各路音頻信號(hào)進(jìn)行預(yù)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(jié)構(gòu)

(3)電源處理單元設(shè)計(jì)。采用國(guó)際先進(jìn)的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方案，列車(chē)提供DC 110 V的電壓作為輸入，輸出多路電壓給各系統(tǒng)使用。允許輸入?yún)^(qū)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(guò)壓、輸出過(guò)流、輸出短路保護(hù)等功能。電源參數(shù)詳見(jiàn)表1。

(4)通信部分設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)。CPU部分采用嵌入式處理器對(duì)輸入、輸出信號(hào)進(jìn)行處理，其具有低電壓、低功耗、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)和片內(nèi)集成程序跑飛處理、過(guò)流過(guò)壓保護(hù)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(shè)計(jì)。采用穩(wěn)定的集成功放芯片對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大處理，具有低電壓、低功耗、穩(wěn)定性高、過(guò)流過(guò)壓保護(hù)等特點(diǎn)。音頻功率放大原理如圖11所示。

2.2 改造方案的實(shí)現(xiàn)

2.2.1 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

TB/T 3058—2002《鐵路應(yīng)用-機(jī)車(chē)車(chē)輛設(shè)備-沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》;GB/T 17626.4—2008《電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)》;GB/T 17626.5—2008《浪涌抗擾度試驗(yàn)》;GB/T 17626.11—2008《電壓波動(dòng)試驗(yàn)》;TB/T 2402《非金屬材料阻燃要求》。

2.2.2 工作條件

該設(shè)備安裝于地鐵列車(chē)上。工作環(huán)境溫度-20 ℃～+55 ℃。最大月份平均最大相對(duì)濕度不大于99%。存儲(chǔ)溫度-20 ℃～+55 ℃。

2.2.3 技術(shù)參數(shù)

輸入電壓DC 76～158 V。列車(chē)輸入控制信號(hào)電壓DC 110 V。列車(chē)輸出控制信號(hào)電壓DC 110 V。列車(chē)音頻信號(hào)幅度20 dBm(100 Ω),3.2 V。司機(jī)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(jī)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(duì)濕度99%。

圖8 音頻處理電路原理圖表1 電源參數(shù)表

項(xiàng)目參數(shù)值或說(shuō)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(shè)定精度額定負(fù)載、輸入額定電壓、輸出電壓應(yīng)符合24×(1±0.01) V線性電壓調(diào)整率額定負(fù)載、輸入電壓從DC 77 V調(diào)至137.5 V,在整個(gè)電壓變化范圍內(nèi),輸出電壓變化率≤±0.5%負(fù)載調(diào)整率額定電壓輸入、負(fù)載從10%調(diào)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(nèi)部由150 W回路組成,只有一個(gè)回路損壞,另一個(gè)可正常工作功率測(cè)定總輸出功率150 W電源效率≥85%輸入過(guò)壓保護(hù)點(diǎn)電壓≥170 V,電源停止工作,故障排除后,電源恢復(fù)正常工作輸出短路保護(hù)輸出短路,電源停止工作;排除短路故障,電源恢復(fù)正常工作輸出過(guò)流保護(hù)輸出電流過(guò)大時(shí),超過(guò)限值,停止輸出,排除故障后,電源恢復(fù)正常工作過(guò)熱保護(hù)電源控制芯片90 ℃自動(dòng)保護(hù),降溫后自動(dòng)恢復(fù)冷卻方式自然冷卻

2.2.4 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，主要功能有通信、磁盤(pán)管理和解碼播放。軟件流程如圖12所示。

2.2.5 系統(tǒng)協(xié)議

全車(chē)采用FIP(文件傳輸協(xié)議)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，底層采用RS485通信協(xié)議。

2.2.6 新功能

除原有系統(tǒng)功能外，改造后系統(tǒng)增加了OCC(運(yùn)行控制中心)通信功能，總調(diào)度可通過(guò)無(wú)線列車(chē)調(diào)度電話，對(duì)列車(chē)車(chē)廂進(jìn)行應(yīng)急廣播。

經(jīng)對(duì)原有廣播系統(tǒng)功能進(jìn)行分析，決定在司機(jī)室ACU增加一個(gè)OCC音頻輸入通道和OCC控制信號(hào)輸入通道。從上述對(duì)原系統(tǒng)的分析可知，ACU側(cè)，音源輸入只有兩路，即司機(jī)麥克風(fēng)輸入和數(shù)字語(yǔ)音DVA輸入，ACU直接控制公共列車(chē)線和調(diào)制音頻列車(chē)線。新功能直接利用現(xiàn)有列車(chē)總線。本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是解決新增電路和原系統(tǒng)的接口問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)原系統(tǒng)的分析，新增的OCC接口設(shè)計(jì)如下：正常情況下，新增電路內(nèi)部電子開(kāi)關(guān)倒向ACU，新電路不影響原系統(tǒng)功能;當(dāng)需OCC廣播時(shí)，司機(jī)按下面板上的OCC廣播按鈕，內(nèi)部開(kāi)關(guān)倒向新電路，新電路使OCC線有效，ACU接收OCC廣播的內(nèi)容，該內(nèi)容輸出到列車(chē)音頻調(diào)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(wèn)題及解決辦法

改造過(guò)程中主要存在的問(wèn)題為協(xié)議分析和音頻處理兩部分。

(1)協(xié)議分析問(wèn)題:通過(guò)數(shù)據(jù)收集器截取的總線數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備無(wú)法通信。解決措施為：利用示波器現(xiàn)場(chǎng)抓包，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)在通信過(guò)程中有偶校驗(yàn)，更改程序后，與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信正常。

(2)音頻處理問(wèn)題:在與原系統(tǒng)進(jìn)行廣播和對(duì)講時(shí)存在雜音問(wèn)題。解決辦法為：分析原有設(shè)備電路，發(fā)現(xiàn)原電路輸出變壓器阻抗與現(xiàn)設(shè)計(jì)設(shè)備變壓器阻抗不匹配，更改變壓器后與原有設(shè)備廣播和對(duì)講均正常。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)本文設(shè)計(jì)的改造方案，對(duì)上海軌道交通5號(hào)線AC11車(chē)型的車(chē)載廣播系統(tǒng)進(jìn)行了改造。改造后的系統(tǒng)運(yùn)行近1年，運(yùn)行穩(wěn)定，滿足運(yùn)營(yíng)要求,不但解決了故障率高和備品備件不足的問(wèn)題，還增加了OCC通信功能。