CRH2型动车组控制放大器故障检测系统设计

董 韬

（中国铁路上海局集团有限公司上海动车段，上海 201800）

0 绪论

CRH2 型动车组旅客信息系统[1]主要由广播联络系统、无线收音系统、车内外信息显示器（EID）等设备组成。其中，广播联络系统可实现司机和乘务人员车内通信联络、列车广播等功能[2]，如图1 所示。CAMP 作为广播联络系统的核心组成部件[3]，分布于动车组1 车、9 车、16 车等不同车厢。在长期运维过程中，CAMP 故障率居高不下，这不仅直接影响到旅客信息系统稳定性，而且更换故障设备也增加了运用检修成本。针对上述问题，分析动车组CAMP 通信原理和故障原因，并设计CAMP 故障离线检测设备，对保障动车组高效稳定运营具有重要意义。此外，该研究将掌握动车组CAMP 自主检修技术，实现节支降耗、降本增效的企业目标。

图1 CRH2 型动车组CAMP

1 控制放大器故障原理分析

调研CRH2 型动车组CAMP 故障统计数据，并对其主要功能电路进行研究，如图2 所示，即地址编码电路、音频控制电路、通话电路和开关阵列控制电路。各功能电路相互协调，实现CAMP 的通信地址编码、联络信道建立、语音信号增益以及环境噪声抑制。

图2 CAMP 内部功能电路

1.1 电源电路故障分析

电源电路作为CAMP 供电单元，为整个系统提供稳定电源，保证系统功能稳定性。CAMP 电源电路采用全桥DC-DC方案，具有集成度高、结构简单的特点，如图3 所示。全桥DC-DC 方案其内部功能电路主要由全桥逆变器模块、高频变压器模块和输出整流滤波电路模块组成，实现直流-交流-直流的电源变换。其工作原理如下：全桥开关变换器S1、VD1、C1～Q4、VD4、C4结合构成高频变压器模块，输入的DC 直流Ui经过高频变压器模块的初级转换为AC 交流的高频方波。再经变压器降压T，AC高频方波转换为DC方波。最后，VD5、VD6和LfCf构成的整流滤波电路得到稳定的DC 直流输出Uo，为CAMP 系统提供稳定电源。

图3 全桥DC-DC 电源电路

结合CRH2 型动车组CAMP 故障统计数据发现，CAMP 电源电路的主要故障表现为熔断器和全桥DC-DC 等关键元件损坏。原因归结如下：1）CAMP的保护电路设计性能较弱，未充分考虑动车组复杂的运行环境，缺乏更多保护性元件，包括压敏电阻、热敏电阻等，当浪涌窜入线路时则易导致关键元件损坏。2）CAMP 安装环境相对封闭，并且其内部未设计散热风扇，全桥DC-DC 模块工作状态产生的热量若长时间无法消散，则易造成该元件损坏。

1.2 控制电路故障分析

CAMP 控制电路主要包括开关阵列控制电路、音频控制电路和地址编码电路。CAMP 的开关阵列控制电路采用基于单片机的开关阵列状态识别方案。相较于传统的硬件识别电路，该方案主要采用软件程序进行识别，其核心元件包括STC 89C54RD 单片机和MT8816AP 开关阵列等[4]。STC 89C54RD 作为CAMP 核心处理单元，其具备抗干扰能力强、传输速率高以及功耗较低的特点。STC 89C54RD 芯片内部集中了Flash 存储器、SPI 串行接口、PCA 可编程计数器阵列、WDT 可编程看门狗定时器等。其中，ISP/IAP 功能可通过串行接口下载程序，实现对开关阵列电路的软件控制。MT8816AP 开关阵列采用ISO－CMOS 制造工艺，具备功耗低、可靠性高、隔离度好的特点。该IC 主要包含3 个部分：地址译码电路、镜存器电路以及8×16 个模拟开关阵列。地址译码电路AX/AY 为地址输入端，具备7 到128 个地址译码和锁存电路，通过不同的地址信号，可实现对128 个开关进行寻址。其中，CS 选片控制信号与STROBE 相结合，在高电平有限时序可保持地址的稳定性，进而实现地址译码功能。镜存器电路中DATA 为数据输入口，其端口输入为逻辑电平“1”或“0”可控制模拟开关，高电平打开，低电平。结合RESET 高电平复位接口，实现数据的输入缓存。8×16 个模拟开关阵列中VDD 与VEE 为芯片供电引脚，VSS 为数字地。X0～X15、Y0～Y7为输入/输出模拟口，连接到相应的开关阵列。如图4 所示。

图4 MT8816AP 原理图

CAMP 控制电路作为数据处理和逻辑控制中心，其故障表现为CAMP 联络功能异常，无法与被呼叫设备建立通信电路，实现车内通信，导致该故障的原因为STC 芯片损坏和STC内部存储器程序文件缺失。STC 芯片内存储可供调用的开关阵列控制程序，CAMP 运行过程中，其引脚上的异常电压波动易造成程序文件损坏丢失，进而导致CAMP出现联络功能故障。

地址编码电路采用0/1二进制编码原理，可通过DIP 开关设置CAMP 物理地址，DIP 地址信息传输并保存至控制电路。动车组广播系统中，该地址具有唯一性，同列动车组上装配的CAMP地址各不相同，避免引发信道占用故障。音频控制电路主要实现音频信号增益的功能，同时减少噪声干扰，保证通话质量。

2 控制放大器故障离线检测设备

针对CAMP 故障率高、检修更换成本大、实车测试耗时的问题，该文设计一套CAMP 离线故障检测设备[5]，如图5 所示。该设备分为硬件系统和软件系统2 个部分。其中，硬件系统主要包括外接接口、转换装置、内部设备3 个部分。为兼容CRH2 型动车组不同型号的CAMP 设备，通过分析通信线路连接方式，外接接口部分采用快接转换插头实现CAMP 多型号复用。此外，为提升CAMP 故障定位有效性以及功能测试独立性，内置设备集成了CAMP 全部通信功能，冗余的功能设计可对CAMP 功能部件实现分解，通过调整转换装置对其进行单独功能测试。软件系统为上位机控制设备。其中，上位机系统作为该检测设备的控制核心，串联着检测系统的各软硬件模块。可在上位机界面选择设备的接入状态，建立CAMP 与检测设备间的通信连接，对CAMP 进行全面功能测试等。此外，在检测过程中，上位机系统将自动生成并保存全流程检测数据和日志，并形成无纸化表单，可为设备后续状态追踪提供数据支撑。

图5 CAMP 离线故障检测设备原理图

3 实际应用

调研获取某动车段CRH2型动车组CAMP运维故障统计数据，其中，CAMP 故障部件总数30 件。该文基于上述针对CAMP 各功能模块电路的工作原理以及故障原因分析，对故障部件进行检修和测试，并对DCU 运维过程提出优化建议。相关部件的故障原因和修复率如表1 所示。1）对于电源电路故障，CAMP 采用的是集成度高、结构简单的全桥DC-DC电源方案。该方案减少了电源电路设计的复杂性，但未充分考虑动车组电磁环境的复杂性。CAMP 电源电路相关保护性元件较少，对于运行过程中的瞬时过压缺乏有效保护，易发生元器件损坏现象。因此，针对该类情况，CAMP 电源电路设计在追求集成化的同时，加强电源保护电路设计，增加过压保护元件，使电压波动对电路的冲击减少，从而提高电源供应稳定性。2）对于通话电路故障，CAMP 通话电路故障率始终居高不下，其故障现象表现为杂音导致的通话质量下降。该类故障原因为CAMP 长期运行而导致的电容、三极管等元件性能下降，通常属于正常现象。该文基于故障运维数据，对易损元器件可根据性能参数，选配更高规格，可有助于降低故障率。此外，对于易损元件应加强检查，并及时更换。3）对于控制电路，针对STC 和MT8816 芯片引发的联络故障，修复流程与难度较高，导致该类故障修复率较低。因此，加强控制芯片的外围防护电路设计，在控制电路中增加稳压模块，关注通断电保护功能，避免VCC 电压波动对STC 软件程序造成破坏。

表1 CAMP 故障原因统计分析表

4 结语

该文基于某动车段CRH2 型动车组CAMP 故障统计数据，研究了CAMP 主要功能电路的工作原理和控制逻辑，主要涉及电源电路模块、控制电路模块以及通话电路模块等。针对故障现象进行分析，结果显示电源电路作为CAMP 设备的供电核心，其故障源于过压情况下关键元件损坏，如熔断器、全桥DC 砖块等。STC 89C54RD 单片机和MT8816AP 开关阵构成了控制电路的核心，VCC 电压波动易导致STC 程序文件损坏。CAMP 处于长期工作状态，滤波电容等元件老化导致性能下降，无法有效滤除高频噪声产生的杂音，进而会直接影响通话质量。针对CAMP 故障率高，检修成本大的现状，该文设计一套CAMP 离线故障检测设备。通过软硬件结合可对CAMP 进行故障定位和功能测试，其系统数据可为后续设备状态追踪提供支撑。同时，基于CAMP 相关运维故障数据研究，对故障件开展自主检修。功能检测结果显示，与其他故障类型相比，在通话电路故障方面有较高修复率，建议开展全面自主检修。此外，该文也对CAMP 功能优化提出了相关的改进措施，包括电源电路、控制电路以及通话电路，关注于提升CAMP 电源系统以及通话电路稳定性。进一步提升CAMP 功能质量，降低CRH2 型动车组检修成本，并实现降本增效企业目标。