科技館展品電控板通用化研究

孫婉瑩　張浩

[摘 要]科技館科普展品一般由機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣控制和多媒體等組成。由于展品種類繁多，控制方法較多較雜，雖然能夠滿足單一的展品需求，但從后期的維修、維護(hù)、升級(jí)與可持續(xù)發(fā)展來(lái)看，無(wú)法達(dá)到科普展品的通用性要求，不利于行業(yè)的發(fā)展。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)科技館機(jī)電展品控制系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研，及對(duì)中國(guó)科技館900余件展品的電控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)展品電控需求，以中國(guó)科技館4B展廳所采用的電控板為例，分析通用電控板在展品制作、運(yùn)行及維護(hù)過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)，最后對(duì)通用電控板設(shè)計(jì)提出了幾點(diǎn)建議。

[關(guān)鍵詞]科技館 機(jī)電展品 電控板 通用化

近年來(lái)我國(guó)日益重視公眾科學(xué)素養(yǎng)的提升，科普?qǐng)鲳^作為傳播、體驗(yàn)科學(xué)新知的重要平臺(tái)也得到了迅猛發(fā)展。機(jī)電展品作為科技館展品的主力軍，具有表現(xiàn)形式多樣、技術(shù)集成繁多的特點(diǎn)。但是不同的制作公司，往往采用不同的控制方法，導(dǎo)致科技館展品電氣控制方法多種多樣，不利于展品的研發(fā)、維護(hù)及展館的集中管理。

研發(fā)通用的控制單元，即展品通用電路板，不僅可以提高后期展館維護(hù)升級(jí)效率，更有利于展品更深層次的研發(fā)和創(chuàng)新，推動(dòng)科普展品標(biāo)準(zhǔn)化，推動(dòng)科普事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

一、機(jī)電展品控制系統(tǒng)調(diào)研

電控系統(tǒng)主要由傳感器、控制單元、執(zhí)行器組成，控制單元為核心部件。科技館展品具有形式多樣、功能繁多等特點(diǎn)，使得電控系統(tǒng)傳感器與執(zhí)行器的選擇中，只有少數(shù)元器件可以統(tǒng)一，如按鈕，多數(shù)由于功能不同，無(wú)法通用。而控制單元是電控系統(tǒng)的指揮中心，對(duì)傳感器的輸入信號(hào)進(jìn)行讀取，再向執(zhí)行器發(fā)出指令，從而實(shí)現(xiàn)展品功能。

由于國(guó)內(nèi)科技館行業(yè)起步較晚，業(yè)內(nèi)對(duì)機(jī)電展品的控制系統(tǒng)尚沒(méi)有明確要求。為進(jìn)一步調(diào)研科技館展品的電控系統(tǒng)，尤其是控制單元的設(shè)計(jì)與發(fā)展現(xiàn)狀，筆者考慮不同規(guī)模場(chǎng)館的資源不均等問(wèn)題，分別從國(guó)家館、省級(jí)場(chǎng)館、市級(jí)場(chǎng)館中選擇幾所最具代表性的科技館進(jìn)行調(diào)查，特別是近幾年新建或更新改造中的科技館及重點(diǎn)城市科技館。

（一）多數(shù)場(chǎng)館缺乏電氣設(shè)計(jì)人員，對(duì)展品控制系統(tǒng)不做特殊要求

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，多數(shù)場(chǎng)館，尤其是市級(jí)及市級(jí)以下場(chǎng)館，沒(méi)有設(shè)置展品電控設(shè)計(jì)崗位，缺少電控設(shè)計(jì)專業(yè)人員。在展品設(shè)計(jì)階段，機(jī)電展品電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)被忽略，對(duì)展品制作公司的要求即實(shí)現(xiàn)展品功能，對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)不做考量，這就直接導(dǎo)致展品維修人員不了解展品的電控系統(tǒng)。一旦展品技術(shù)資料有誤或信息缺失，或展品運(yùn)行時(shí)間超過(guò)質(zhì)保期，展品維修的難度將會(huì)大大增加，展品完好率無(wú)法保證，直接影響展品展示效果及觀眾的參觀體驗(yàn)。

（二）展品制作公司常根據(jù)自身設(shè)計(jì)人員專長(zhǎng)設(shè)計(jì)電控系統(tǒng)的控制單元

幾乎所有調(diào)研的場(chǎng)館內(nèi)，不同展區(qū)都采用不同的電氣系統(tǒng)，其主要原因是多個(gè)展區(qū)在制作招標(biāo)的時(shí)候，分別被多家制作公司中標(biāo)，每個(gè)展品制作公司都有一套自身設(shè)計(jì)人員熟悉的控制系統(tǒng)，而館方?jīng)]有對(duì)不同公司做統(tǒng)一的指定要求，因此一個(gè)場(chǎng)館中就存在多種控制方法。在展品發(fā)生故障時(shí)，控制單元出現(xiàn)問(wèn)題往往是最難查找，也是最難解決的。這就要求展品維修人員需要熟悉多種控制單元，掌握多種控制方法，提高了對(duì)維修人員的專業(yè)技能要求。有些展品制作公司擅長(zhǎng)把展品上的一些特殊功能（如音頻）開(kāi)發(fā)成小型處理模塊，這種模塊很難規(guī)范，幾乎無(wú)法被其他公司所復(fù)制，且出現(xiàn)問(wèn)題難以被檢測(cè)出來(lái)，不僅降低了維修效率，而且限制了展品的功能升級(jí)。

綜上，科技館機(jī)電展品的電控系統(tǒng)的控制單元多樣化，使展品維護(hù)難度增加，影響了展品升級(jí)的效率，不利于展品集中管理，限制了科普展品標(biāo)準(zhǔn)化。研發(fā)科技館展品通用電控板，是展品電控設(shè)計(jì)人員亟需解決的問(wèn)題。

二、展品電控需求分析

設(shè)計(jì)科技館展品通用電控板，首先要了解科技館展品的電控需求，通過(guò)上述調(diào)研及對(duì)中國(guó)科技館常設(shè)展覽現(xiàn)有的930件展品的梳理，從核心控制方式（PC、PLC、單片機(jī)、簡(jiǎn)單電路、數(shù)據(jù)采集模塊）、供電情況（交流、直流）、輸入設(shè)備（開(kāi)關(guān)量、模擬量、脈沖信號(hào)）、輸出設(shè)備（開(kāi)關(guān)量、電機(jī)、音頻）、通訊端口（RS282、RS485）等幾個(gè)方面進(jìn)行分析。結(jié)果如下：

（一）核心控制方式調(diào)研結(jié)果

如圖1所示，控制方式主要有PLC、單片機(jī)和數(shù)據(jù)采集模塊，其中PLC和單片機(jī)比重較大。

（二）輸入信號(hào)調(diào)研結(jié)果

如圖2所示，輸入開(kāi)關(guān)量8位以內(nèi)的需求占比達(dá)到75%，16位以內(nèi)的需求占比高達(dá)93%，而輸入開(kāi)關(guān)量24位以上的需求，占比僅2%左右。此外，有脈沖信號(hào)輸入的展品數(shù)占比約2.6%，而有模擬量輸入的展品僅有6件，占比不到1%。

（三）輸出信號(hào)調(diào)研結(jié)果

如圖3與圖4所示，輸出開(kāi)關(guān)量8位以內(nèi)的需求占比達(dá)到73%，16位以內(nèi)的需求占比高達(dá)92%。此外，需要控制步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)的展品占比不到10%，其中電機(jī)數(shù)量為1～2個(gè)居多，使用直流電機(jī)的展品占比6%，其中電機(jī)數(shù)量不超過(guò)2個(gè)的占3/4，使用音頻接口的非PC類展品占比5.6%，其中94%展品只占用1個(gè)音頻接口。

（四）通訊端口

RS232和RS485分別出現(xiàn)在核心控制方式為單片機(jī)的展品和PLC的展品中，其中只占用1個(gè)端口的展品占比都為88%左右，個(gè)別展品占用2個(gè)端口。

（五） 其他端口

使用網(wǎng)口的展品有36件，集中在常設(shè)展廳中第一個(gè)完成更新改造的4B太空探索展廳配合中控使用。此外，極少有展品使用USB口。

基于以上分析，通用電控板從以上五個(gè)方面著手設(shè)計(jì)，選擇適合的核心控制方式，合理分配端口資源，可以滿足科技館絕大部分展品需求。通過(guò)對(duì)中國(guó)科技館930件展品的電控需求進(jìn)行調(diào)研，對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)進(jìn)行有向的歸納與分析，科技館展品電控需求明確，為通用電控板的設(shè)計(jì)提供了最有力的數(shù)據(jù)支持，為通用電控板設(shè)計(jì)方案，為科普展品電控系統(tǒng)通用及標(biāo)準(zhǔn)化奠定基礎(chǔ)。

三、通用電控板案例分析

中國(guó)科技館4B展廳于2016年完成常設(shè)展覽的更新改造工作，新展區(qū)以“太空探索”為主題，包含40余件展品，除個(gè)別靜態(tài)展示、虛擬現(xiàn)實(shí)展品外，剩余展品的控制系統(tǒng)都采用的是中國(guó)科技館自行研發(fā)的通用電控板。電控板以NXP公司的LPC1768作為主芯片，充分考慮科技館復(fù)雜環(huán)境，并結(jié)合展品需求，就是為科技館“太空探索”展區(qū)展品量身定做的，對(duì)該電控板硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析如下：（1）最小系統(tǒng)包括電源、時(shí)鐘、復(fù)位、調(diào)試四部分電路，其中，電源模塊考慮到科技館展品復(fù)雜的使用條件，設(shè)計(jì)為支持9-30V寬電壓輸入。（2）輸入輸出采用16路輸入與16路輸出，滿足大部分機(jī)電展品功能需求。對(duì)于個(gè)別復(fù)雜展品，采用多塊通用電控板并行連接。由于該展品功能復(fù)雜，輸入輸出信號(hào)較多，一塊電控板無(wú)法滿足需求，故采用三塊通用電控板，一塊用于模型拼裝臺(tái)上拼塊信號(hào)檢測(cè)、按鈕信號(hào)檢測(cè)及按鈕燈控制，一塊用于塔吊平臺(tái)電機(jī)內(nèi)部檢測(cè)、擺桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)起止檢測(cè)、火箭上升機(jī)構(gòu)位置檢測(cè)及燈箱控制，一塊用于4個(gè)回轉(zhuǎn)平臺(tái)位置檢測(cè)及8個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。（3）設(shè)置SPI接口，用于觸摸屏功能及觸屏上的SD讀卡器。（4）設(shè)置網(wǎng)口，與部分輸出口復(fù)用，用于展廳的中央控制系統(tǒng)。（5）設(shè)置USB口，與部分輸出口復(fù)用。（6）設(shè)置雙重通訊端口，可選擇RS232或RS485。endprint

“太空探索”展區(qū)更新改造后已經(jīng)運(yùn)行一年多，這塊由中國(guó)科技館自行研發(fā)的通用電控板，經(jīng)歷了觀眾的錘煉與時(shí)間的考驗(yàn)，其制作規(guī)范、運(yùn)行安全穩(wěn)定、維護(hù)便利。期間，有一塊電控板出現(xiàn)過(guò)故障，但由于其通用的特點(diǎn)，不再需要維修人員在展廳中對(duì)電控板進(jìn)行檢測(cè)、查找并解決問(wèn)題，只需將備用電控板換上，展品就可以正常運(yùn)行了，這給維修工作帶來(lái)極大的便利，展品維修效率大大提升，展品完好率得以保障。

四、結(jié)論與建議

上文所述的中國(guó)科技館“太空探索”展區(qū)通用電控板為國(guó)內(nèi)常設(shè)展覽中的首例，它的設(shè)計(jì)從核心控制方式、供電、輸入與輸出設(shè)備、通訊端口及其他端口幾個(gè)方面考慮，實(shí)現(xiàn)了展廳絕大多數(shù)展品功能，打破了“展品多樣性，控制單元就要多樣性”的魔咒，它的成功是科普展品通用電控板發(fā)展的里程碑，意味著科普展品在電控系統(tǒng)通用及標(biāo)準(zhǔn)化上邁出了第一步，也是極為重要的一步。

基于對(duì)展品電控需求及通用電控板成功案例的分析，筆者對(duì)科普展品通用電控板設(shè)計(jì)提出幾點(diǎn)建議：

第一， 根據(jù)展品電控功能的復(fù)雜程度，設(shè)計(jì)2或3個(gè)版本的通用電控板，如基礎(chǔ)版與升級(jí)版。基礎(chǔ)版能滿足較簡(jiǎn)單展品的電控需求，如I/O和串口通信等；升級(jí)版可以完成如伺服電機(jī)控制、多路模擬量輸入等功能，且兼容基礎(chǔ)版的功能。該設(shè)計(jì)可以避免簡(jiǎn)單展品對(duì)通用電控板上其他功能模塊的浪費(fèi)，節(jié)約成本，且基礎(chǔ)版通用控制板體積小，適用于空間受限的展品，在以后展品設(shè)計(jì)中可以做到有的放矢。

第二， 基于通用電控板的設(shè)計(jì)，同步開(kāi)發(fā)相應(yīng)的通用電控柜。科普展品需要控制系統(tǒng)的同時(shí)，也要配備電控柜。以往的電控柜沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)格，同一展區(qū)的10件不同展品，可能就有10種不同的電控柜，究其原因還是展品的多樣性。但是，一旦展品電控板統(tǒng)一了，電控柜就可以根據(jù)電控板的規(guī)格與功能進(jìn)行規(guī)范統(tǒng)一。電控柜的尺寸、對(duì)電控板的固定、預(yù)留的走線口等都要全部標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，這樣會(huì)對(duì)展品的設(shè)計(jì)、制作、運(yùn)行、維護(hù)工作都帶來(lái)了極大的便利。

第三， 基于通用電控板的設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)，進(jìn)一步推動(dòng)科普展品電控系統(tǒng)的通用及標(biāo)準(zhǔn)化。將通用電控板的多種功能集成在軟件平臺(tái)上，展品設(shè)計(jì)人員只需要在平臺(tái)界面上設(shè)置功能參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作，大大縮減了展品電控設(shè)計(jì)研發(fā)周期，對(duì)展品的調(diào)試與維護(hù)工作更加直觀。

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