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[摘 要]科技馆科普展品一般由机械结构、电气控制和多媒体等组成。由于展品种类繁多，控制方法较多较杂，虽然能够满足单一的展品需求，但从后期的维修、维护、升级与可持续发展来看，无法达到科普展品的通用性要求，不利于行业的发展。本文通过对国内科技馆机电展品控制系统现状进行调研，及对中国科技馆900余件展品的电控数据进行分析，总结展品电控需求，以中国科技馆4B展厅所采用的电控板为例，分析通用电控板在展品制作、运行及维护过程中的优势，最后对通用电控板设计提出了几点建议。
[关键词]科技馆 机电展品 电控板 通用化
近年来我国日益重视公众科学素养的提升，科普场馆作为传播、体验科学新知的重要平台也得到了迅猛发展。机电展品作为科技馆展品的主力军，具有表现形式多样、技术集成繁多的特点。但是不同的制作公司，往往采用不同的控制方法，导致科技馆展品电气控制方法多种多样，不利于展品的研发、维护及展馆的集中管理。
研发通用的控制单元，即展品通用电路板，不仅可以提高后期展馆维护升级效率，更有利于展品更深层次的研发和创新，推动科普展品标准化，推动科普事業的可持续发展。
一、机电展品控制系统调研
电控系统主要由传感器、控制单元、执行器组成，控制单元为核心部件。科技馆展品具有形式多样、功能繁多等特点，使得电控系统传感器与执行器的选择中，只有少数元器件可以统一，如按钮，多数由于功能不同，无法通用。而控制单元是电控系统的指挥中心，对传感器的输入信号进行读取，再向执行器发出指令，从而实现展品功能。
由于国内科技馆行业起步较晚，业内对机电展品的控制系统尚没有明确要求。为进一步调研科技馆展品的电控系统，尤其是控制单元的设计与发展现状，笔者考虑不同规模场馆的资源不均等问题，分别从国家馆、省级场馆、市级场馆中选择几所最具代表性的科技馆进行调查，特别是近几年新建或更新改造中的科技馆及重点城市科技馆。
（一）多数场馆缺乏电气设计人员，对展品控制系统不做特殊要求
调研发现，多数场馆，尤其是市级及市级以下场馆，没有设置展品电控设计岗位，缺少电控设计专业人员。在展品设计阶段，机电展品电控系统的设计被忽略，对展品制作公司的要求即实现展品功能，对于如何实现不做考量，这就直接导致展品维修人员不了解展品的电控系统。一旦展品技术资料有误或信息缺失，或展品运行时间超过质保期，展品维修的难度将会大大增加，展品完好率无法保证，直接影响展品展示效果及观众的参观体验。
（二）展品制作公司常根据自身设计人员专长设计电控系统的控制单元
几乎所有调研的场馆内，不同展区都采用不同的电气系统，其主要原因是多个展区在制作招标的时候，分别被多家制作公司中标，每个展品制作公司都有一套自身设计人员熟悉的控制系统，而馆方没有对不同公司做统一的指定要求，因此一个场馆中就存在多种控制方法。在展品发生故障时，控制单元出现问题往往是最难查找，也是最难解决的。这就要求展品维修人员需要熟悉多种控制单元，掌握多种控制方法，提高了对维修人员的专业技能要求。有些展品制作公司擅长把展品上的一些特殊功能（如音频）开发成小型处理模块，这种模块很难规范，几乎无法被其他公司所复制，且出现问题难以被检测出来，不仅降低了维修效率，而且限制了展品的功能升级。
综上，科技馆机电展品的电控系统的控制单元多样化，使展品维护难度增加，影响了展品升级的效率，不利于展品集中管理，限制了科普展品标准化。研发科技馆展品通用电控板，是展品电控设计人员亟需解决的问题。
二、展品电控需求分析
设计科技馆展品通用电控板，首先要了解科技馆展品的电控需求，通过上述调研及对中国科技馆常设展览现有的930件展品的梳理，从核心控制方式（PC、PLC、单片机、简单电路、数据采集模块）、供电情况（交流、直流）、输入设备（开关量、模拟量、脉冲信号）、输出设备（开关量、电机、音频）、通讯端口（RS282、RS485）等几个方面进行分析。结果如下：
（一）核心控制方式调研结果
如图1所示，控制方式主要有PLC、单片机和数据采集模块，其中PLC和单片机比重较大。
（二）输入信号调研结果
如图2所示，输入开关量8位以内的需求占比达到75%，16位以内的需求占比高达93%，而输入开关量24位以上的需求，占比仅2%左右。此外，有脉冲信号输入的展品数占比约2.6%，而有模拟量输入的展品仅有6件，占比不到1%。
（三）输出信号调研结果
如图3与图4所示，输出开关量8位以内的需求占比达到73%，16位以内的需求占比高达92%。此外，需要控制步进电机、伺服电机的展品占比不到10%，其中电机数量为1～2个居多，使用直流电机的展品占比6%，其中电机数量不超过2个的占3/4，使用音频接口的非PC类展品占比5.6%，其中94%展品只占用1个音频接口。
（四）通讯端口
RS232和RS485分别出现在核心控制方式为单片机的展品和PLC的展品中，其中只占用1个端口的展品占比都为88%左右，个别展品占用2个端口。
（五） 其他端口
使用网口的展品有36件，集中在常设展厅中第一个完成更新改造的4B太空探索展厅配合中控使用。此外，极少有展品使用USB口。
基于以上分析，通用电控板从以上五个方面着手设计，选择适合的核心控制方式，合理分配端口资源，可以满足科技馆绝大部分展品需求。通过对中国科技馆930件展品的电控需求进行调研，对大规模数据进行有向的归纳与分析，科技馆展品电控需求明确，为通用电控板的设计提供了最有力的数据支持，为通用电控板设计方案，为科普展品电控系统通用及标准化奠定基础。
三、通用电控板案例分析
中国科技馆4B展厅于2016年完成常设展览的更新改造工作，新展区以“太空探索”为主题，包含40余件展品，除个别静态展示、虚拟现实展品外，剩余展品的控制系统都采用的是中国科技馆自行研发的通用电控板。电控板以NXP公司的LPC1768作为主芯片，充分考虑科技馆复杂环境，并结合展品需求，就是为科技馆“太空探索”展区展品量身定做的，对该电控板硬件系统结构分析如下：（1）最小系统包括电源、时钟、复位、调试四部分电路，其中，电源模块考虑到科技馆展品复杂的使用条件，设计为支持9-30V宽电压输入。（2）输入输出采用16路输入与16路输出，满足大部分机电展品功能需求。对于个别复杂展品，采用多块通用电控板并行连接。由于该展品功能复杂，输入输出信号较多，一块电控板无法满足需求，故采用三块通用电控板，一块用于模型拼装台上拼块信号检测、按钮信号检测及按钮灯控制，一块用于塔吊平台电机内部检测、摆杆运动机构起止检测、火箭上升机构位置检测及灯箱控制，一块用于4个回转平台位置检测及8个电机驱动。（3）设置SPI接口，用于触摸屏功能及触屏上的SD读卡器。（4）设置网口，与部分输出口复用，用于展厅的中央控制系统。（5）设置USB口，与部分输出口复用。（6）设置双重通讯端口，可选择RS232或RS485。 “太空探索”展区更新改造后已经运行一年多，这块由中国科技馆自行研发的通用电控板，经历了观众的锤炼与时间的考验，其制作规范、运行安全稳定、维护便利。期间，有一块电控板出现过故障，但由于其通用的特点，不再需要维修人员在展厅中对电控板进行检测、查找并解决问题，只需将备用电控板换上，展品就可以正常运行了，这给维修工作带来极大的便利，展品维修效率大大提升，展品完好率得以保障。
四、結论与建议
上文所述的中国科技馆“太空探索”展区通用电控板为国内常设展览中的首例，它的设计从核心控制方式、供电、输入与输出设备、通讯端口及其他端口几个方面考虑，实现了展厅绝大多数展品功能，打破了“展品多样性，控制单元就要多样性”的魔咒，它的成功是科普展品通用电控板发展的里程碑，意味着科普展品在电控系统通用及标准化上迈出了第一步，也是极为重要的一步。
基于对展品电控需求及通用电控板成功案例的分析，笔者对科普展品通用电控板设计提出几点建议：
第一， 根据展品电控功能的复杂程度，设计2或3个版本的通用电控板，如基础版与升级版。基础版能满足较简单展品的电控需求，如I/O和串口通信等；升级版可以完成如伺服电机控制、多路模拟量输入等功能，且兼容基础版的功能。该设计可以避免简单展品对通用电控板上其他功能模块的浪费，节约成本，且基础版通用控制板体积小，适用于空间受限的展品，在以后展品设计中可以做到有的放矢。
第二， 基于通用电控板的设计，同步开发相应的通用电控柜。科普展品需要控制系统的同时，也要配备电控柜。以往的电控柜没有统一的规格，同一展区的10件不同展品，可能就有10种不同的电控柜，究其原因还是展品的多样性。但是，一旦展品电控板统一了，电控柜就可以根据电控板的规格与功能进行规范统一。电控柜的尺寸、对电控板的固定、预留的走线口等都要全部标准化、规范化，这样会对展品的设计、制作、运行、维护工作都带来了极大的便利。
第三， 基于通用电控板的设计，开发软件设计平台，进一步推动科普展品电控系统的通用及标准化。将通用电控板的多种功能集成在软件平台上，展品设计人员只需要在平台界面上设置功能参数，即可实现相应的操作，大大缩减了展品电控设计研发周期，对展品的调试与维护工作更加直观。
参考文献
[1]付丛茂.浅析电子技术在科技馆展品设计中的应用[J].科技风，2016（9）：94.
[2]谢健君.现代科技馆展品设计与电子科学技术[J].科学传播，2015（3）：166-168.
[关键词]科技馆 机电展品 电控板 通用化
近年来我国日益重视公众科学素养的提升，科普场馆作为传播、体验科学新知的重要平台也得到了迅猛发展。机电展品作为科技馆展品的主力军，具有表现形式多样、技术集成繁多的特点。但是不同的制作公司，往往采用不同的控制方法，导致科技馆展品电气控制方法多种多样，不利于展品的研发、维护及展馆的集中管理。
研发通用的控制单元，即展品通用电路板，不仅可以提高后期展馆维护升级效率，更有利于展品更深层次的研发和创新，推动科普展品标准化，推动科普事業的可持续发展。
一、机电展品控制系统调研
电控系统主要由传感器、控制单元、执行器组成，控制单元为核心部件。科技馆展品具有形式多样、功能繁多等特点，使得电控系统传感器与执行器的选择中，只有少数元器件可以统一，如按钮，多数由于功能不同，无法通用。而控制单元是电控系统的指挥中心，对传感器的输入信号进行读取，再向执行器发出指令，从而实现展品功能。
由于国内科技馆行业起步较晚，业内对机电展品的控制系统尚没有明确要求。为进一步调研科技馆展品的电控系统，尤其是控制单元的设计与发展现状，笔者考虑不同规模场馆的资源不均等问题，分别从国家馆、省级场馆、市级场馆中选择几所最具代表性的科技馆进行调查，特别是近几年新建或更新改造中的科技馆及重点城市科技馆。
（一）多数场馆缺乏电气设计人员，对展品控制系统不做特殊要求
调研发现，多数场馆，尤其是市级及市级以下场馆，没有设置展品电控设计岗位，缺少电控设计专业人员。在展品设计阶段，机电展品电控系统的设计被忽略，对展品制作公司的要求即实现展品功能，对于如何实现不做考量，这就直接导致展品维修人员不了解展品的电控系统。一旦展品技术资料有误或信息缺失，或展品运行时间超过质保期，展品维修的难度将会大大增加，展品完好率无法保证，直接影响展品展示效果及观众的参观体验。
（二）展品制作公司常根据自身设计人员专长设计电控系统的控制单元
几乎所有调研的场馆内，不同展区都采用不同的电气系统，其主要原因是多个展区在制作招标的时候，分别被多家制作公司中标，每个展品制作公司都有一套自身设计人员熟悉的控制系统，而馆方没有对不同公司做统一的指定要求，因此一个场馆中就存在多种控制方法。在展品发生故障时，控制单元出现问题往往是最难查找，也是最难解决的。这就要求展品维修人员需要熟悉多种控制单元，掌握多种控制方法，提高了对维修人员的专业技能要求。有些展品制作公司擅长把展品上的一些特殊功能（如音频）开发成小型处理模块，这种模块很难规范，几乎无法被其他公司所复制，且出现问题难以被检测出来，不仅降低了维修效率，而且限制了展品的功能升级。
综上，科技馆机电展品的电控系统的控制单元多样化，使展品维护难度增加，影响了展品升级的效率，不利于展品集中管理，限制了科普展品标准化。研发科技馆展品通用电控板，是展品电控设计人员亟需解决的问题。
二、展品电控需求分析
设计科技馆展品通用电控板，首先要了解科技馆展品的电控需求，通过上述调研及对中国科技馆常设展览现有的930件展品的梳理，从核心控制方式（PC、PLC、单片机、简单电路、数据采集模块）、供电情况（交流、直流）、输入设备（开关量、模拟量、脉冲信号）、输出设备（开关量、电机、音频）、通讯端口（RS282、RS485）等几个方面进行分析。结果如下：
（一）核心控制方式调研结果
如图1所示，控制方式主要有PLC、单片机和数据采集模块，其中PLC和单片机比重较大。
（二）输入信号调研结果
如图2所示，输入开关量8位以内的需求占比达到75%，16位以内的需求占比高达93%，而输入开关量24位以上的需求，占比仅2%左右。此外，有脉冲信号输入的展品数占比约2.6%，而有模拟量输入的展品仅有6件，占比不到1%。
（三）输出信号调研结果
如图3与图4所示，输出开关量8位以内的需求占比达到73%，16位以内的需求占比高达92%。此外，需要控制步进电机、伺服电机的展品占比不到10%，其中电机数量为1～2个居多，使用直流电机的展品占比6%，其中电机数量不超过2个的占3/4，使用音频接口的非PC类展品占比5.6%，其中94%展品只占用1个音频接口。
（四）通讯端口
RS232和RS485分别出现在核心控制方式为单片机的展品和PLC的展品中，其中只占用1个端口的展品占比都为88%左右，个别展品占用2个端口。
（五） 其他端口
使用网口的展品有36件，集中在常设展厅中第一个完成更新改造的4B太空探索展厅配合中控使用。此外，极少有展品使用USB口。
基于以上分析，通用电控板从以上五个方面着手设计，选择适合的核心控制方式，合理分配端口资源，可以满足科技馆绝大部分展品需求。通过对中国科技馆930件展品的电控需求进行调研，对大规模数据进行有向的归纳与分析，科技馆展品电控需求明确，为通用电控板的设计提供了最有力的数据支持，为通用电控板设计方案，为科普展品电控系统通用及标准化奠定基础。
三、通用电控板案例分析
中国科技馆4B展厅于2016年完成常设展览的更新改造工作，新展区以“太空探索”为主题，包含40余件展品，除个别静态展示、虚拟现实展品外，剩余展品的控制系统都采用的是中国科技馆自行研发的通用电控板。电控板以NXP公司的LPC1768作为主芯片，充分考虑科技馆复杂环境，并结合展品需求，就是为科技馆“太空探索”展区展品量身定做的，对该电控板硬件系统结构分析如下：（1）最小系统包括电源、时钟、复位、调试四部分电路，其中，电源模块考虑到科技馆展品复杂的使用条件，设计为支持9-30V宽电压输入。（2）输入输出采用16路输入与16路输出，满足大部分机电展品功能需求。对于个别复杂展品，采用多块通用电控板并行连接。由于该展品功能复杂，输入输出信号较多，一块电控板无法满足需求，故采用三块通用电控板，一块用于模型拼装台上拼块信号检测、按钮信号检测及按钮灯控制，一块用于塔吊平台电机内部检测、摆杆运动机构起止检测、火箭上升机构位置检测及灯箱控制，一块用于4个回转平台位置检测及8个电机驱动。（3）设置SPI接口，用于触摸屏功能及触屏上的SD读卡器。（4）设置网口，与部分输出口复用，用于展厅的中央控制系统。（5）设置USB口，与部分输出口复用。（6）设置双重通讯端口，可选择RS232或RS485。 “太空探索”展区更新改造后已经运行一年多，这块由中国科技馆自行研发的通用电控板，经历了观众的锤炼与时间的考验，其制作规范、运行安全稳定、维护便利。期间，有一块电控板出现过故障，但由于其通用的特点，不再需要维修人员在展厅中对电控板进行检测、查找并解决问题，只需将备用电控板换上，展品就可以正常运行了，这给维修工作带来极大的便利，展品维修效率大大提升，展品完好率得以保障。
四、結论与建议
上文所述的中国科技馆“太空探索”展区通用电控板为国内常设展览中的首例，它的设计从核心控制方式、供电、输入与输出设备、通讯端口及其他端口几个方面考虑，实现了展厅绝大多数展品功能，打破了“展品多样性，控制单元就要多样性”的魔咒，它的成功是科普展品通用电控板发展的里程碑，意味着科普展品在电控系统通用及标准化上迈出了第一步，也是极为重要的一步。
基于对展品电控需求及通用电控板成功案例的分析，笔者对科普展品通用电控板设计提出几点建议：
第一， 根据展品电控功能的复杂程度，设计2或3个版本的通用电控板，如基础版与升级版。基础版能满足较简单展品的电控需求，如I/O和串口通信等；升级版可以完成如伺服电机控制、多路模拟量输入等功能，且兼容基础版的功能。该设计可以避免简单展品对通用电控板上其他功能模块的浪费，节约成本，且基础版通用控制板体积小，适用于空间受限的展品，在以后展品设计中可以做到有的放矢。
第二， 基于通用电控板的设计，同步开发相应的通用电控柜。科普展品需要控制系统的同时，也要配备电控柜。以往的电控柜没有统一的规格，同一展区的10件不同展品，可能就有10种不同的电控柜，究其原因还是展品的多样性。但是，一旦展品电控板统一了，电控柜就可以根据电控板的规格与功能进行规范统一。电控柜的尺寸、对电控板的固定、预留的走线口等都要全部标准化、规范化，这样会对展品的设计、制作、运行、维护工作都带来了极大的便利。
第三， 基于通用电控板的设计，开发软件设计平台，进一步推动科普展品电控系统的通用及标准化。将通用电控板的多种功能集成在软件平台上，展品设计人员只需要在平台界面上设置功能参数，即可实现相应的操作，大大缩减了展品电控设计研发周期，对展品的调试与维护工作更加直观。
参考文献
[1]付丛茂.浅析电子技术在科技馆展品设计中的应用[J].科技风，2016（9）：94.
[2]谢健君.现代科技馆展品设计与电子科学技术[J].科学传播，2015（3）：166-168.