乘客信息系统LED屏故障浅析

曾维强

【摘 要】乘客信息系统（PIS），是城市轨道交通列车为乘客提供各类资讯的服务系统，按照功能可分为广播系统、乘客信息显示及多媒体播放系统、视频监控系统、应急保障系统四大类。LED屏属于乘客信息显示及多媒体播放系统的子部分，一般包括前端显示器（FDU）、内部显示器（IDU）和侧端显示器（SDU），主要向乘客提供预报站信息、到站信息、离站信息、提示信息等，可让乘客及时有效地了解站点信息。文章对几条地铁线LED屏的故障记录进行统计，探索分析故障的原因并寻求整改措施。

【关键词】城市轨道交通;乘客信息系统;LED屏;故障分析

【中图分类号】U270.38 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）08-0079-03

1 乘客信息系统LED屏简介

LED屏在乘客信息系统中占有重要的地位，通常每列车配备2台FDU、12台IDU和12台SDU。FDU主要显示终点站或者本次列车开往的方向，IDU和SDU主要显示运行区间信息、运行线路、下一站信息、紧急信息、广告和公益信息。每个LED屏支持红、绿、黄3种颜色显示，可滚动显示中英文内容，可按列车运营要求预置站点信息，LED屏接收PIS司机室控制主机发送的线路站点信息和控制信号实现自动报站。

LED屏由开关电源、控制板、LED灯板、交换机（带掉电旁路功能）、接口板、地址拨码开关、内部线缆、结构箱体、PC透光板、灯板压条、紧固件等组成（如图1所示）。

控制板是LED屏最核心的组件，其硬件上采用ARM Cortex-M系列中央处理器，搭载时钟芯片、RS-485隔离芯片、以太网PHY芯片和网络隔离变压器等，通过以太网接口（或RS-485）和PIS司机室控制主机通信，具备电源、网络级联功能，双网口支持掉电旁路功能（BYPASS），即本设备掉电时不影响下一个级联设备的通信功能。

LED灯板选用户外、车规级别全彩贴片灯珠，防水防潮性能优良，抗冷热冲击、抗反压、抗盐雾、抗UV特性好，还具有低光衰和高亮度的特点。根据项目需求，可配置3535/2727/1921/1515等封装规格的灯珠。

2 故障分析

本文统计武汉7号线、武汉11号线、徐州1号线、重庆4号线、北京9号线、成都8号线、成都18号线和北京亦庄T1线的LED屏故障记录，记录发生频数较高的故障并进行原因分析和整改。

2.1 “毛毛虫”现象

“毛毛虫”，是LED屏中一颗LED灯珠损坏导致这一列灯珠信号失控，出现高亮及常亮的现象（如图2所示）。

显示行业内，一般将灯珠内部短路和驱动芯片虚焊列为产生“毛毛虫”现象的原因。结合轨道交通行业特点和乘客信息系统LED屏实际工况分析，造成上述现象的原因通常有以下几个方面：①LED屏长时间关机，在潮湿环境下，灯珠吸入大量空气中的水汽，LED屏启动后，灯珠突然点亮受热膨胀，吸入水汽的灯珠内部膨胀系数不一，导致扯断灯珠金线，造成局部短路。②列车空调出风口位置不合理，空调对着LED屏直吹造成屏内外温度差，容易产生冷凝水汽，从而导致灯珠受潮造成微短路。③灯珠工作电流配置超过额定工作电流，长时间超负荷工作导致内部损坏、短路。导致以上故障的原因包含材料选型、电子/结构设计、包装存储等，可从以下方面改善。

（1）采用真空包装袋存储，里面放入干燥剂和湿度显示卡。真空包装袋可以避免LED屏和空气接触，杜绝灯珠受到潮气的影响;若真空袋损坏，湿度显示卡颜色读出的数据可以作为监察LED屏是否在规定湿度范围的依据，从而在安装之前剔除受湿气影响的设备。

（2）结构上做防湿防尘设计，箱体机构后盖密封设计，选用带挡板的连接器，PC透光板和箱体结构前面板压接处打胶密封，减少潮湿空气、灰尘进入LED屏箱体内部，从而降低灯珠受潮损坏的概率。

（3）使用智能除湿功能，LED屏需要经常点亮使用，若列车长时间停放未使用，在使用期应先进行除湿处理，避免突然受热造成灯珠内部微短路。方法如下：每次上电时记录当前日期和时间，与上一次上电的日期时间比较，若间隔超过10 d，需要进行智能除湿。首先将亮度设置为0，通电一段时间t，然后用10%的亮度通电时间t，以此类推，逐渐将亮度提升到所设置的参数，缓慢蒸发掉灯珠内部的水汽。

（4）在气候湿润的城市或要求苛刻的项目选用车规级别灯珠，防水性能达到IPx8级别，防潮性能达到MSL2a级。

（5）合理配置灯珠工作电流，避免超负荷工作。在需要较高亮度的场合（>3 000 cd/m2）可选用高亮系列灯珠，或者将扫描方式从16扫改为8扫、4扫等，以提高亮度。

（6）选用带消隐控制电路的行驱动管，能改善由LED微短路造成的“毛毛虫”现象。

2.2 不响应PIS司机室控制主机报站请求

列车近站、到站、离站和发送紧急广播时，PIS司机室控制主机都会发送相应UDP组播报文，LED屏根据收到报文的站点信息和控制命令显示对应的报站内容。不响应PIS司机室控制主机报站请求，主要表现为显示黑屏或循环显示之前站点的信息，其可能的原因有以下几个方面。

（1）网络链路上的元件因雷击浪涌、静电等原因导致损坏，成都18号线项目上收到几块返修的控制卡，检测调试之后发现是网络隔离变压器或以太网PHY芯片损坏，从而导致通信功能丧失。

（2）网络PHY芯片25 MHz/50 MHz晶振不起振或振荡频率误差太大，导致通信功能丧失或通信不稳定，北京9号线项目曾出现某批次晶振误差太大而导致通信功能异常的故障。

（3）网络连接器M12/DB9失效，列车震动强度大，对连接器压接、焊接质量要求非常高，若连接线震动脱落，网络通信功能丧失。

上述问题多是因為硬件设计考虑不周全、来料质量把控不严造成的，可将硬件设计问题列入DFEMA，并且参考业内成熟的设计方案，在电磁兼容实验室充分测试，持续迭代更新。同时，要指定关键物料的厂家、型号和供应商，严格按照规范做来料检查，杜绝将不合格的物料流入生产部门。

2.3 重影

重影一般出现在2块LED灯板的连接处，表现为显示有残影、显示的字体加粗、字体不平整（如图3所示）。

此问题发生在武汉7号线项目上，以往的项目也出现过类似问题，根据经验初步判断原因可能有2个：？譹？訛LED安装不平整导致字体显示不平整。？譺？訛设置刷新率过高导致LED驱动数据信号（RED/GREEN）和控制信号（OE/LAT/CLK）出现信号完整性问题。

检测之后发现灯板安装平整，且降低刷新率后现象只是稍微有些改善，并没有从本质上解决，初步排除以上2个可能的原因。经反复调试，在示波器上发现LED驱动数据信号（RED_buf/GREEN_buf）和控制信号（OE_buf/LAT_buf/

CLK_buf）上升沿、下降沿的陡度相差很大，可能会导致信号时序匹配不佳，从而导致数据传输、刷新出错。

继续深究，找到了产生此问题的根本原因：设计完成后初次EMC测试中发现辐射超标，EMC整改过程中通过修改数据信号、控制信号的对地电容来削减信号上升沿、下降沿的陡度，以此降低辐射能量，进而通过EMC辐射测试环节。整改记录文档显示，数据信号的对地电容保留为设计值100 pF，而控制信号的对地电容修改为1 pF（如图4所示）。EMC整改过程过分关注EMC指标而忽略了数据信号和控制信号的匹配，导致信号时序处于临界状态，因此产生此故障。

2.4 黑屏

表现为上电后LED屏不亮或者列车运行过程中突然黑屏，根据以往经验和故障原因统计表，分析造成黑屏的原因按概率从高到低排列如下：？譹？訛控制板中央处理器晶振损坏或振荡频率误差太大，导致系统运行时序出错、通信功能异常、LED燈板数据刷新功能异常。？譺？訛以太网PHY芯片虚焊、损坏或网络隔离变压器损坏，导致通信功能丧失，无法响应PIS司机室主机控制器报文。？譻？訛控制卡和LED灯板之间数据排线震动脱落或接触不良，导致数据刷新功能异常。？譼？訛地址拨码开关被挤压损坏或焊线脱落，导致LED屏IP地址出错、超范围，无法响应PIS司机室控制主机报文。？譽？訛内部电源线震动脱落或接触不良，导致无法供电造成黑屏。？譾？訛110 V转5 V开关电源损坏、控制板电源芯片损坏，导致无法供电造成黑屏。？譿？訛连接器脱落或外部线缆断裂，导致无法供电或通信功能丧失。？讀？訛调车时没有配置站点信息，无法显示相应站点内容导致黑屏。？讁？訛控制卡内部Flash没有字库，导致无法显示内容造成黑屏。？輥？輮？訛电子元件焊接不良。？輥？輯？訛存储、运输过程中损坏造成黑屏。

2.5 部分LED灯板不显示

水平方向显示区域较大（大于8个汉字）的LED屏通常由多个LED灯板拼成，如某个（些）LED灯板无法显示，原因可能有以下几点：？譹？訛LED灯板之间互联的数据排线、电源线脱落，导致信号、电源无法往下一级传递，表现为故障点之后所有的LED灯板都无法显示。？譺？訛上一级LED灯板恒流驱动芯片数据输出引脚（SOUT）虚焊、短路，导致某一块区域无法显示。？譻？訛本级LED灯板数据、时钟信号输入连接器氧化、虚焊，导致某一块区域无法显示。？譼？訛行驱动芯片译码引脚虚焊、对地短路，导致某一行所有灯珠无法显示。

2.6 结构相关的故障

以下列举一些与结构相关的故障：？譹？訛紧固件生锈，导致产品外观不美观，有可能腐蚀电子元器件。？譺？訛紧固件松脱，导致内部组件松脱，产生异响，长期震动并有可能损坏组件，或压线螺钉松脱，导致线束接触不良。？譻？訛屏体生锈，原因是屏体材质选错或未做表面处理技术要求。？譼？訛装配困难，拆下困难。

针对以上结构故障，我们采取的现行控制设计如下：？譹？訛所有紧固件螺钉都使用不锈钢螺钉，并推荐使用304不锈钢。？譺？訛所有机械紧固件与部件紧固件均使用带弹垫的防松的组合螺钉。设计有紧固件防松保护，并做防松标记（如点红胶）;螺栓紧固时，至少有1.5圈的螺纹可见，最长不得超过1.5圈螺纹加6 mm。？譻？訛推荐设计使用表面热镀锌的SECC电解板或者铝合金;整体表面喷户外塑粉，亚光，不允许有明显划痕，耐5%浓度盐雾120 h以上，涂层附着力小于等于1级。？譼？訛把控结构箱体加工精度，选用更厚、更高强度的钣金，降低因车体震动、挤压导致结构箱体变形的概率。

3 结语

随着我国改革开放的不断深入、城市规模的日益扩大和人口的不断增加，城市交通也面临着严酷的考验。轨道交通作为一种缓解城市交通压力的手段，在日常生活中地位越来越重要。LED屏作为面向乘客信息交互最直接的系统，是提升乘客乘车体验舒适度的重要组成部分，其优质、高效的工作可以提升轨道交通的服务质量，保障社会正常运行。

本文通过武汉、徐州、重庆、北京和成都的几条地铁线LED屏故障信息进行统计发现，发生概率较高的故障有灯珠损坏、显示异常、网络通信功能异常等，并对上述几类故障进行了原因分析和故障排查，从物料选型、电子设计、结构设计、软件设计、工艺装配和存储包装几个方面入手，寻求提高产品质量的方法，以更好地保障服务质量。

参 考 文 献

[1]王伟熙.LED地铁显示屏除潮方法[J].企业科技与发展，2018（12）：34-35.

[2]李德麟.浅谈地铁乘客信息系统显示设备设置方案[J].科学与信息化，2019（14）：147，151.

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