重水堆电站控制计算机视频隔离板卡设计改进

陆乾杰，赵 心，李秀兰，王 京

（中核运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300）

0 引言

CANDU重水堆机组采用集中式信号控制方式，一个机组有两台电站控制计算机（Digital Control Computer，以下简称DCC系统）[1]，一台计算机（DCCX）控制，一台计算机（DCCY）热备用。DCC系统是一个实时控制系统，用以控制现场过程变量、执行工作指令，实现人机交互、输出报警或报警复位信息，进而确保核电站的安全、稳定运行。

DCC系统由处理器子模块、输入输出子模块、显示模块等组成[2]。其中，显示模块是在VME总线（Versa Module Eurocard，VME传输协议）机架的基础上设计的一套独立子系统。该系统用于单向接收来自DCC系统报警、变量和时间等信息数据，将信息转换为图像信号显示在报警显示器或普通监视器上。显示数据经VDMC（VME Datapath Mini Computer，基于VME协议的最小计算机系统）板卡处理得到图像，图像信号经过VIB板卡（Video Isolation Board，视频隔离板卡）进行信号隔离，最终传输到显示器上进行显示[3]。

近年来，随着运行年限的增加，重水堆机组的多个显示器出现间歇性黑屏的现象，在更换了VIB板卡后，消除了现场故障。但是通过对现有国内外资料的检索与咨询，发现对于VIB板卡黑屏的研究分析还处于空白。这导致对重水堆的控制计算机的显示隔离板卡存在故障原因认识不清，预防性维护工作针对性不足。本文针对秦山三厂DCC显示系统所出现的间歇性黑屏的问题进行测试、分析和记录，通过对设备进行故障复现，在诊断测试中定位了VIB板卡的故障元器件，并对故障元器件进行了分析，发现了VIB板卡的设计缺陷，最终给出了两项设计改进，有效提高了VIB板卡的稳定性，解决了间歇性黑屏现象。

1 VIB板卡原理和故障分析

1.1 原理分析

VIB板卡（全称为视频隔离板卡[3]），主要功能是把同一个机架内的VDMC输出的VGA视频信号R、G、B、V、H分别进行隔离后，再通过同轴电缆传输给显示器。在保证信号传输质量的同时，避免了上下游设备之间的相互干扰。R、G、B 3个色彩信号各使用一个线圈匝数比为1:1的变压器模块进行信号等比例隔离：RGB色彩信号直接连接于变压器的初级，然后变压器的次级信号输出给显示器。V、H同步信号的隔离电路由两组非门、光电耦合器和驱动器组成：非门电路实现电平信号的转换，光电耦合器隔离同步输入信号和输出驱动信号。光电耦合器和驱动电路的电源采用DC-DC转换器，该转换器同时也将视频信号进行隔离。VIB板卡架构图如图1[4]。

图1 VIB板卡架构图Fig.1 VIB Card function principle

VGA视频信号包括R（red，红）、G（green，绿）、B（blue，蓝）色彩模拟信号以及同步模拟信号H，V（Horizon：行同步信号，Vertical：场同步信号）[5]。当显示器按照逐行扫描的方式工作时，电子束先从屏幕左上角一点开始，从左至右逐点扫描；每扫描完一行，用行同步信号（H）进行同步，并使电子束回到屏幕的左边下一行的起始位置；在行同步过程中，进行行消隐；当所有的行都扫描完，就完成了一帧（整屏）的扫描，用场同步信号（V）进行场同步，并使电子束回到屏幕左上方；在场消隐的过程中，开始下一帧。完成一行扫描的时间称为水平扫描时间，即行频率。完成一帧（整屏）扫描的时间称为垂直扫描时间，即场频率。

1.2 故障分析

从故障现象来看，如果在R、G、B色彩信号中有一个或两个出现问题，则在屏幕上会出现对应的色彩显示异常（缺少对应的色彩），只有当3个色彩信号都出问题，才会出现黑屏的现象。如果V或H同步信号出现问题，则会由于扫描位置的丢失出现黑屏的情况。由于3个色彩信号是由3个独立的变压器以线圈互感的方式通过次级线圈输出信号，功耗也很低，所以出现3个独立的色彩信号通道故障的概率极小，可以先暂时排除。经过原理分析后，初步定位为V、H信号存在问题。V、H为TTL的数据信号，其经过的电路元器件（非门、光电耦合器、驱动器及其周边电路）有可能出现损坏或老化等情况，导致行同步信号或场同步信号异常，出现数据传输问题，表现为黑屏现象。根据以上分析和实际经验，为排查VIB板卡出现间歇性黑屏的故障原因，制定的排查步骤为：依次进行外观检查、电源检查、RGBVH信号分析、VH信号三级电路（非门、光电耦合器、驱动器）检查。故障排除方案如下：

1）首先，对板卡进行仔细地外观检查，包括元器件、走线、电路板等有没有损坏、烧毁或变色、变形的地方。

2）搭建VIB板卡测试系统，尝试对板卡进行上电测试，复现故障现象。

3）对电源模块输入输出进行波形和幅值测量，确认是否因为电源噪声或波动导致元器件工作不稳定，引起了故障。

4）对R、G、B、V、H 5个模拟信号通道的输入输出进行波形测量和数据采集并进行对比分析，查看是否有噪声或数据故障，并确认其和故障的相关性和因果性。

5）分别对V、H通道（问题可能性较大）所经过的三级电路：非门、光电耦合器、驱动器进行波形测量和数据采集，进一步查看是否有噪声或数据故障。

2 故障诊断与测试

2.1 外观检查与测试系统搭建

首先，通过显微观察法对板卡进行仔细地外观检查，包括元器件、走线、电路板等，观察是否有损坏、烧毁或变色、变形的现象。通过工业显微镜（型号：ZW-H3000）的检查，元器件芯片管脚未发现有明显虚焊问题，电路板表面无明显损坏现象，主要元器件无变色烧毁情况，初步外观检查判断板卡无明显外观故障。

其次，在测量了供电的两个端子之间的电阻值及确保电源没有短路、断路后，在对设备无任何改动的条件下进行了初步上电功能测试。同时使用转换器将电脑主机的VGA接口与板卡的信号输入端连接，将RGBVH信号接入显示器，板卡背部连接器供电+5VDC。电脑开机，显示器出现间歇性黑屏，故障复现，与现场出现的现象一致。

2.2 电源检查

使用万用表电压档，对电源模块输入输出进行幅值测量，确认供电电压为+5VDC，同时对板卡上多个元器件（U2U3U4等）的VCC脚[6]和测量点（E5E6E7E8等）[7]进行测量，确认电压幅值正常。

接着使用示波器对电源模块的输入输出、元器件的VCC脚（U2U3U4等）和测量点（E5E6E7E8等）进行波形测量，判断是否因为电源噪声或波动引起其他信号的故障。对板卡进行上电，供电电压为+5VDC，经过测量发现电源输入输出、管脚（U2U3U4等）和测量点（E5E6E7E8等）电压纹波均正常，无明显电压异常。

2.3 RGBVH信号分析

使用逻辑分析仪对R、G、B、V、H 5个通道的信号输入级进行波形测量和数据采集，通过分析对比，查看是否有噪声或数据故障。波形如图2，可以确认输入级均正常。

图2 RGBVH输入信号检查图Fig.2 VIB Card input signal recording to check

用示波器尝试测量R、G、B、V、H通道信号输出级波形，通过比较，确认R、G、B、H通道输出信号没有问题，但是V通道却存在着大量毛刺。因此，进一步使用逻辑分析仪采集R、G、B、V、H通道输出波形，信号数据如图3。根据采样数据，在V通道下降沿会时常出现毛刺，同时伴随着显示器黑屏现象。

图3 RGBVH输出信号检查图Fig.3 VIB Card output signal recording to check

2.4 VH三级电路检查

在对RGBVH的输入输出级的初步波形采集和分析时，发现在V通道的下降沿会出现毛刺，导致显示异常。因此，继续分别对V、H通道所经过的三级电路（非门、光电耦合器、驱动器）进行波形测量和数据采集，查看是否有噪声或数据故障。用示波器测量V、H通道非门输出、光电耦合器输出的信号波形。波形如图4，确认非门输出的信号没有问题，但是光电耦合器输出的信号开始出现毛刺，且该毛刺只存在于V通道。由于V通道信号为换页信号，若光电耦合器引入的噪声过大，可能导致显示时不断换页，从而黑屏。

图4 VH信号检查图Fig.4 VH Signals recording to check

进一步使用逻辑分析仪采集非门、光电耦合器和驱动器的数据与输入数据进行对比。数据如图5，结果发现非门的输入输出逻辑关系正常，但是光电耦合器输出的毛刺信号会导致误触发，因此可以确认：通过场同步V信号通道引入的噪声毛刺，导致了黑屏故障的产生。

图5 VH信号数字逻辑检查图Fig.5 VH Signals recording to check digital logical

对V信号毛刺进行进一步分析，该毛刺规律出现，频率约为48kHz，这与H通道的行同步信号频率一致。因此，认为由于光电耦合器的性能下降，导致V信号通道引入了H通道的信号，使显示器不断换页而黑屏。

2.5 故障结论

直接原因：场同步V信号通道引入了H通道的高频噪声（48kHz），使输出信号的有效电平上有毛刺。这些毛刺被认定为脉冲信号，导致场同步扫描不停地换页，整个页面中其他像素点无数据，从而出现黑屏。

根本原因如下：

1）电路设计缺陷：根据光电耦合器数据手册[8]中的描述，VCC与GND之间需要增加0.1uf的电容。该光电耦合器芯片为两路耦合集成芯片，任何一路在输出信号时都会消耗电荷，而光电耦合器电源端口附近未添加电容的情况下，芯片供电电压会被瞬间拉低，导致整体输出受到影响。另外，板卡的电源芯片与光电耦合器之间距离稍远，电压在传输过程中也会有一定地减弱。因此，在VCC和GND之间增加电容可以补充电压，减小以上的影响。

2）光电耦合器老化：新元件的干扰比老元件影响较小，光电耦合器抗干扰性能随着时间而降低。这主要是由于在运行一定时间后，其内部二极管和运放电量消耗增大，芯片本身供电损耗增大，再加上信号传输时受到影响，在老化到一定程度后，容易导致黑屏故障。

3 维修和改进

3.1 更换老化元器件

对老化的光电耦合器进行定期更换，型号为HCPL2630，结合现场运行经验和产品手册所给出的建议，每10年（5个重水堆换料周期）执行一次更换光电耦合器的预防性维修，并同时更换变压器模块上的3个电解电容，以延长板卡整体使用寿命。

3.2 增加滤波电容

分别在故障板卡V通道的光电耦合器输出、驱动器输出信号与地之间增加了470pf的滤波电容，在光电耦合器的V输出通道与地之间增加470pf的电容。测试发现V通道波形变好，屏幕正常显示，如图6。

图6 增加滤波电容后对比图Fig.6 Effect comparing before/after adding filter capacity

3.3 增加光电耦合器供电电容

根据数据手册的要求[8]，在光电耦合器的VCC和GND之间增加0.1uf电容。测试后发现屏幕正常显示，波形正常，如图7。

图7 增加光电耦合器供电电容后对比图Fig.7 Effect comparing before/after adding capacity for power supply

4 结束语

本文首先介绍了重水堆电站控制计算机视频隔离板卡在DCC系统中的作用以及间歇性黑屏缺陷的现象，然后通过电路原理分析其缺陷发生的可能故障点，针对这些故障点依次进行外观检查、电源检查、RGBVH信号分析和VH三级电路检查。经过故障复现和四项板卡测试分析，得到了由于场同步V信号通道引入了H通道的高频噪声导致场同步扫描不停地换页而黑屏的直接原因。在根本原因分析时发现该板卡光电耦合器的VCC与GND之间缺少0.1uf电容的设计缺陷，最后根据故障点定位和设计缺陷的研究，给出了预防性维修和修复方案，以及两种技术改进方案（增加470pf滤波电容和增加光电耦合器0.1uf供电电容）。本文对重水堆电站控制计算机视频隔离板卡的设计改进，为重水堆视频隔离板卡的故障定位和板卡改进提供了指导思路和实践经验，提高了重水堆视频隔离板卡的稳定性，保障了重水堆机组稳定安全运行。