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械結構、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、升級與可持續發展來看，無法達到科普展品的通用性要求，不利于行業的發展。本文通過對國內科技館機電展品控制系統現狀進行調研，及對中國科技館900余件展品的電控數據進行分析，總結展品電控需求，以中國科技館4B展廳所采用的電控板為例，分析通用電控板在展品制作、運行及維護過程中的優勢，最后對通用電控板設計提出了幾點建議。

[關鍵詞]科技館 機電展品 電控板 通用化

近年來我國日益重視公眾科學素養的提升，科普場館作為傳播、體驗科學新知的重要平臺也得到了迅猛發展。機電展品作為科技館展品的主力軍，具有表現形式多樣、技術集成繁多的特點。但是不同的制作公司，往往采用不同的控制方法，導致科技館展品電氣控制方法多種多樣，不利于展品的研發、維護及展館的集中管理。

研發通用的控制單元，即展品通用電路板，不僅可以提高后期展館維護升級效率，更有利于展品更深層次的研發和創新，推動科普展品標準化，推動科普事業的可持續發展。

一、機電展品控制系統調研

電控系統主要由傳感器、控制單元、執行器組成，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，使得電控系統傳感器與執行器的選擇中，只有少數元器件可以統一，如按鈕，多數由于功能不同，無法通用。而控制單元是電控系統的指揮中心，對傳感器的輸入信號進行讀取，再向執行器發出指令，從而實現展品功能。

由于國內科技館行業起步較晚，業內對機電展品的控制系統尚沒有明確要求。為進一步調研科技館展品的電控系統，尤其是控制單元的設計與發展現狀，筆者考慮不同規模場館的資源不均等問題，分別從國家館、省級場館、市級場館中選擇幾所最具代表性的科技館進行調查，特別是近幾年新建或更新改造中的科技館及重點城市科技館。

（一）多數場館缺乏電氣設計人員，對展品控制系統不做特殊要求

調研發現，多數場館，尤其是市級及市級以下場館，沒有設置展品電控設計崗位，缺少電控設計專業人員。在展品設計階段，機電展品電控系統的設計被忽略，對展品制作公司的要求即實現展品功能，對于如何實現不做考量，這就直接導致展品維修人員不了解展品的電控系統。一旦展品技術資料有誤或信息缺失，或展品運行時間超過質保期，展品維修的難度將會大大增加，展品完好率無法保證，直接影響展品展示效果及觀眾的參觀體驗。

（二）展品制作公司常根據自身設計人員專長設計電控系統的控制單元

幾乎所有調研的場館內，不同展區都采用不同的電氣系統，其主要原因是多個展區在制作招標的時候，分別被多家制作公司中標，每個展品制作公司都有一套自身設計人員熟悉的控制系統，而館方沒有對不同公司做統一的指定要求，因此一個場館中就存在多種控制方法。在展品發生故障時，控制單元出現問題往往是最難查找，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，提高了對維修人員的專業技能要求。有些展品制作公司擅長把展品上的一些特殊功能（如音頻）開發成小型處理模塊，這種模塊很難規范，幾乎無法被其他公司所復制，且出現問題難以被檢測出來，不僅降低了維修效率，而且限制了展品的功能升級。

綜上，科技館機電展品的電控系統的控制單元多樣化，使展品維護難度增加，影響了展品升級的效率，不利于展品集中管理，限制了科普展品標準化。研發科技館展品通用電控板，是展品電控設計人員亟需解決的問題。

二、展品電控需求分析

設計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，通過上述調研及對中國科技館常設展覽現有的930件展品的梳理，從核心控制方式（PC、PLC、單片機、簡單電路、數據采集模塊）、供電情況（交流、直流）、輸入設備（開關量、模擬量、脈沖信號）、輸出設備（開關量、電機、音頻）、通訊端口（RS282、RS485）等幾個方面進行分析。結果如下：

（一）核心控制方式調研結果

如圖1所示，控制方式主要有PLC、單片機和數據采集模塊，其中PLC和單片機比重較大。

（二）輸入信號調研結果

如圖2所示，輸入開關量8位以內的需求占比達到75%，16位以內的需求占比高達93%，而輸入開關量24位以上的需求，占比僅2%左右。此外，有脈沖信號輸入的展品數占比約2.6%，而有模擬量輸入的展品僅有6件，占比不到1%。

（三）輸出信號調研結果

如圖3與圖4所示，輸出開關量8位以內的需求占比達到73%，16位以內的需求占比高達92%。此外，需要控制步進電機、伺服電機的展品占比不到10%，其中電機數量為1～2個居多，使用直流電機的展品占比6%，其中電機數量不超過2個的占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個音頻接口。

（四）通訊端口

RS232和RS485分別出現在核心控制方式為單片機的展品和PLC的展品中，其中只占用1個端口的展品占比都為88%左右，個別展品占用2個端口。

（五） 其他端口

使用網口的展品有36件，集中在常設展廳中第一個完成更新改造的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方面著手設計，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。通過對中國科技館930件展品的電控需求進行調研，對大規模數據進行有向的歸納與分析，科技館展品電控需求明確，為通用電控板的設計提供了最有力的數據支持，為通用電控板設計方案，為科普展品電控系統通用及標準化奠定基礎。

三、通用電控板案例分析

中國科技館4B展廳于2016年完成常設展覽的更新改造工作，新展區以“太空探索”為主題，包含40余件展品，除個別靜態展示、虛擬現實展品外，剩余展品的控制系統都采用的是中國科技館自行研發的通用電控板。電控板以NXP公司的LPC1768作為主芯片，充分考慮科技館復雜環境，并結合展品需求，就是為科技館“太空探索”展區展品量身定做的，對該電控板硬件系統結構分析如下：（1）最小系統包括電源、時鐘、復位、調試四部分電路，其中，電源模塊考慮到科技館展品復雜的使用條件，設計為支持9-30V寬電壓輸入。（2）輸入輸出采用16路輸入與16路輸出，滿足大部分機電展品功能需求。對于個別復雜展品，采用多塊通用電控板并行連接。由于該展品功能復雜，輸入輸出信號較多，一塊電控板無法滿足需求，故采用三塊通用電控板，一塊用于模型拼裝臺上拼塊信號檢測、按鈕信號檢測及按鈕燈控制，一塊用于塔吊平臺電機內部檢測、擺桿運動機構起止檢測、火箭上升機構位置檢測及燈箱控制，一塊用于4個回轉平臺位置檢測及8個電機驅動。（3）設置SPI接口，用于觸摸屏功能及觸屏上的SD讀卡器。（4）設置網口，與部分輸出口復用，用于展廳的中央控制系統。（5）設置USB口，與部分輸出口復用。（6）設置雙重通訊端口，可選擇RS232或RS485。endprint

“太空探索”展區更新改造后已經運行一年多，這塊由中國科技館自行研發的通用電控板，經歷了觀眾的錘煉與時間的考驗，其制作規范、運行安全穩定、維護便利。期間，有一塊電控板出現過故障，但由于其通用的特點，不再需要維修人員在展廳中對電控板進行檢測、查找并解決問題，只需將備用電控板換上，展品就可以正常運行了，這給維修工作帶來極大的便利，展品維修效率大大提升，展品完好率得以保障。

四、結論與建議

上文所述的中國科技館“太空探索”展區通用電控板為國內常設展覽中的首例，它的設計從核心控制方式、供電、輸入與輸出設備、通訊端口及其他端口幾個方面考慮，實現了展廳絕大多數展品功能，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展的里程碑，意味著科普展品在電控系統通用及標準化上邁出了第一步，也是極為重要的一步。

基于對展品電控需求及通用電控板成功案例的分析，筆者對科普展品通用電控板設計提出幾點建議：

第一， 根據展品電控功能的復雜程度，設計2或3個版本的通用電控板，如基礎版與升級版。基礎版能滿足較簡單展品的電控需求，如I/O和串口通信等；升級版可以完成如伺服電機控制、多路模擬量輸入等功能，且兼容基礎版的功能。該設計可以避免簡單展品對通用電控板上其他功能模塊的浪費，節約成本，且基礎版通用控制板體積小，適用于空間受限的展品，在以后展品設計中可以做到有的放矢。

第二， 基于通用電控板的設計，同步開發相應的通用電控柜。科普展品需要控制系統的同時，也要配備電控柜。以往的電控柜沒有統一的規格，同一展區的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，一旦展品電控板統一了，電控柜就可以根據電控板的規格與功能進行規范統一。電控柜的尺寸、對電控板的固定、預留的走線口等都要全部標準化、規范化，這樣會對展品的設計、制作、運行、維護工作都帶來了極大的便利。

第三， 基于通用電控板的設計，開發軟件設計平臺，進一步推動科普展品電控系統的通用及標準化。將通用電控板的多種功能集成在軟件平臺上，展品設計人員只需要在平臺界面上設置功能參數，即可實現相應的操作，大大縮減了展品電控設計研發周期，對展品的調試與維護工作更加直觀。

參考文獻

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