轨道交通车门控制器LCD 的设计

周 洲，杨 帆

（南京康尼电子科技有限公司，江苏 南京 210000）

1 概述

随着现代科学技术的飞速发展，高铁、动车、地铁等新型交通工具已经得到了越来越广泛的应用，然而车辆门的频繁开关，却也导致车门控制器（以下简称门控器）故障率较高，这就要求门控器能够通过显示装置直观而准确地反映其状态信息和故障信息。但是现有的门控器大多是采用发光二极加管数码管的组合方式显示故障代码和状态信息，显示方式较简单，内容较少，不够直观，不利于现场维护人员对门控器进行维护和故障诊断。文章提出了一种使用LCD（Liquid Crystal Display）显示替代数码管和发光二极管显示的设计方案，LCD 具有功耗低、体积小、寿命长、性能稳定等优点，能够显示数字、符号、汉字、图像等丰富的内容，准确直观地展示门控器内部信息和故障信息，提高维护效率，加快故障处理速度。但是门控器在轨道交通列车上的工作环境多变且较为严酷，电气环境错综复杂，LCD 的应用存在较多难点。文章在讨论LCD 显示设计的同时，也致力于解决这些应用难题，使得LCD 在轨道交通行业具备良好的实用性。

2 LCD 类型介绍及对比

LCD 显示器是利用液晶在不同电压的作用下会呈现不同的光的特性，通过改变驱动液晶的电压值，就可以控制最后出现的光线强度与色彩，同时能够在液晶面板上变化出不同深浅的颜色组合。LCD 具有功耗低、体积小、重量轻、厚度薄、无辐射、寿命长等优点。

目前市场上主要有STN-LCD 和TFT-LCD，其特点对比如表1 所示。

表1 LCD 类型对比

根据表1 的对比结果，虽然STN-LCD 只能显示简单的色彩和图像，但门控器上的LCD 也不需要太高的显示品质，选用STN-LCD 较为合适。从成本角度考虑，STN-LCD 成本较低，大多数公司为了降低成本，仍然将STN-LCD 纳入主要的考虑当中。从研发周期角度考虑，选用STN-LCD 则不需要升级CPU，现有CPU 即可满足需求。因此，本设计采用STN-LCD。

3 LCD 在轨道交通行业应用难点及解决方案

3.1 环境适应性

门控器广泛应用于海内外地铁、高铁、动车上，面临着全球各种严酷多变的气候条件，轨道交通EN50155 标准也对门控器的防护能力提出了明确的要求和试验项点，高低温、湿气、盐雾、振动以及包装运输过程中的碰撞，均对安装在门控器上的LCD的可靠性提出了很高的要求。

首先，需要选择能够满足门控器工作温度范围的LCD。门控器的工作温宽范围一般为-25～+70 ℃，而常规的LCD 工作温度范围一般是-10～+70 ℃，因此需要选择超宽温度范围的LCD 以满足门控器工作条件且留有裕量，最终选择温宽范围为-30～+85 ℃的LCD。

其次，需要提升LCD 的防护能力，为此对LCD的结构做针对性设计。在显示屏外面加外框、面膜，以及在周围用密封圈塞紧的方式，来提高LCD 对盐雾、湿气以及运输过程中的撞击的防护能力。通过卡扣和螺钉先将LCD 与外框固定，再通过边角的四个螺钉与门控器外壳固定，以提高LCD 的抗振动能力。具体结构如图1 所示。

图1 LCD 结构设计

3.2 电磁兼容性

列车上电气设备很多，电磁环境非常复杂，这对LCD 的电磁兼容能力提出了很大的挑战。LCD 对其他设备的干扰微乎其微，但其本身并不具备抗干扰能力。因此，分别从电路、PCB 和整体结构三方面对LCD 进行EMC 设计，以通过轨道交通行业的EMC试验。

电路设计时，在LCD 和DSP 之间的通讯信号上增加RC 滤波电路，滤除噪声干扰。

PCB 设计时，将LCD 部分的电路模块通过分隔线隔离开来，避免受到其他模块的干扰。同时，PCB采用六层板设计，将LCD 的通讯信号在中间层走线，能够有效屏蔽掉电磁干扰。

结构设计时，在LCD 屏外增加金属框架和ITO导电玻璃，这样相当于给LCD 罩上了一层接地屏蔽罩，屏蔽效果良好。

3.3 LCD 的显示寿命

轨道交通产品的工作寿命普遍要求达到15～30年，而LCD 的显示寿命仅50 000 小时，如果长时间点亮，则仅能工作7 年，不满足寿命要求，而且频繁更换LCD 也会导致维护成本大大增加，有违降低维护成本的初衷。因此，文章设计了一种LCD 电源控制电路，能够通过软件控制LCD 点亮或熄灭，从而延长其使用寿命。

本设计使用TPS709 电源芯片，该芯片具备输出电源控制功能，通过检测CS 引脚的输入电平，控制电源的输出，降低LCD 的点亮时间，提高使用寿命。电路示意图如图2 所示。

图2 电源控制隔离框图

4 LCD 显示原理设计

4.1 LCD 系统架构设计

本设计中，为实现门控器与LCD 的通信和LCD的正常显示，将LCD 安装在门控器的外壳上，LCD通过FPC 排线和FPC 插座与门控器主板连接。门控器的主控芯片DSP 控制LCD 显示，电源模块给LCD提供3.3V 直流电源，实现集成LCD 显示的门控器的设计。硬件系统架构框图如图3 所示。

图3 硬件系统架构框图

4.2 LCD 软件设计

LCD 显示软件主要由底层显示模块、初始化模块、版本显示模块、输入输出口显示模块、故障信息显示模块、显示页面控制模块这六部分构成。LCD 显示软件结构图如图4 所示。

图4 LCD 显示软件结构图

门控器上电后会通过LCD 初始化模块配置LCD刷新方式、灰度、显示方式等参数，然后进入显示界面控制模块。软件首先进入版本显示模块和输入输出口显示模块，随后进入故障代码显示模块，判断门控器是否存在故障并对故障信息进行显示。若无故障则回到版本显示模块重新显示，若有故障则回到输入输出口显示模块循环显示。

根据LCD 的数据手册中提供的写数据时序图进行软件设计，LCD 写时序图如图5 所示：

图5 LCD 写时序图

CSB 是片选信号，当CSB=“L”时LCD 可进行通讯；当CSB=“H”时LCD 不通讯。

A0 是选择信号，当A0=“L”时数据线上的数据为指令；当A0=“H”时数据线上的数据为显示数据。

SCL 的上升沿读取SDA 数据位，每8 个SCL 后，8 个串行数据组合成一个8 位的并行数据。

门控器没有故障时，LCD 将会循环显示版本信息和状态信息，定时刷新显示界面。门控器出现故障时，LCD 将会循环显示状态信息和故障信息，定时刷新显示界面，直到故障全部消失为止。

5 门控器LCD 实验验证

当门控器上电时，LCD 显示软、硬件版本号，同时，LCD 显示输入输出口状态、ERROR 状态指示、O/C 状态指示（电机转动状态）、5V 电源状态指示。如图6 所示。

图6 LCD 版本号及输入输出状态显示界面

当门控器出现故障时，LCD 显示所有的故障代码及故障名称，如图7 所示。

图7 LCD 故障显示界面

LCD 显示相较于数码管和LED 的显示方式更加直观，维保人员能够看到更多的内容，获取到更多门控器的状态信息，有利于提高维护效率。通过文字显示门控器当前故障名称，免去维保人员根据故障代码查询故障内容的步骤，节省维保时间。

6 结论

文章介绍了在门控器上集成LCD 显示的设计，阐述了LCD 显示的优越性，详细分析了LCD 在轨道交通门控器上应用的难点和对应的解决方案，通过这样的设计，LCD 显示效果较好，工作稳定可靠，在轨道交通门控器上具有良好的实用性。