時間：2023-04-24 17:36:46
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TOPSwithⅡ
TheWayofQuickDesignforSinglechipSwitchingPowerSupplyAbctract:Threeendssinglechipswitchingpowersupplyisnewtypeswitchingpowersupplycorewhichhasbeenpopularsince1990.Thispaperintroducesquickdesignforsinglechipswitchingpowersupply.
Keywords:Singlechipswitchingpowersupply,Quickdesign,TopswithⅡ
在設(shè)計開關(guān)電源時，首先面臨的問題是如何選擇合適的單片開關(guān)電源芯片，既能滿足要求，又不因選型不當(dāng)而造成資源的浪費。然而，這并非易事。原因之一是單片開關(guān)電源現(xiàn)已形成四大系列、近70種型號，即使采用同一種封裝的不同型號，其輸出功率也各不相同；原因之二是選擇芯片時，不僅要知道設(shè)計的輸出功率PO，還必須預(yù)先確定開關(guān)電源的效率η和芯片的功率損耗PD，而后兩個特征參數(shù)只有在設(shè)計安裝好開關(guān)電源時才能測出來，在設(shè)計之前它們是未知的。
下面重點介紹利用TOPSwitch－II系列單片開關(guān)電源的功率損耗（PD）與電源效率（η）、輸出功率（PO）關(guān)系曲線，快速選擇芯片的方法，可圓滿解決上述難題。在設(shè)計前，只要根據(jù)預(yù)期的輸出功率和電源效率值，即可從曲線上查出最合適的單片開關(guān)電源型號及功率損耗值，這不僅簡化了設(shè)計，還為選擇散熱器提
η/％(Uimin=85V)
中圖法分類號：TN86文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編碼：02192713(2000)0948805
PO/W
圖1寬范圍輸入且輸出為5V時PD與η，PO的關(guān)系曲線
圖2寬范圍輸入且輸出為12V時PD與η，PO的關(guān)系曲線
圖3固定輸入且輸出為5V時PD與η，PO的關(guān)系曲線
供了依據(jù)。
1TOPSwitch－II的PD與η、PO關(guān)系曲線
TOPSwitch－II系列的交流輸入電壓分寬范圍輸入（亦稱通用輸入），固定輸入（也叫單一電壓輸入）兩種情況。二者的交流輸入電壓分別為Ui=85V～265V，230V±15％。
1．1寬范圍輸入時PD與η，PO的關(guān)系曲線
TOP221～TOP227系列單片開關(guān)電源在寬范圍輸入（85V～265V）的條件下，當(dāng)UO=＋5V或者＋12V時，PD與η、PO的關(guān)系曲線分別如圖1、圖2所示。這里假定交流輸入電壓最小值Uimin=85V，最高
η/％(Uimin=85V)
η/％(Uimin=195V)
交流輸入電壓Uimax=265V。圖中的橫坐標(biāo)代表輸出功率PO，縱坐標(biāo)表示電源效率η。所畫出的7條實線分別對應(yīng)于TOP221～TOP227的電源效率，而15條虛線均為芯片功耗的等值線（下同）。
1．2固定輸入時PD與η、PO的關(guān)系曲線
TOP221～TOP227系列在固定交流輸入（230V±15％）條件下，當(dāng)UO=＋5V或＋12V時，PD與η、PO的關(guān)系曲線分別如圖3、圖4所示。這兩個曲線族對于208V、220V、240V也同樣適用。現(xiàn)假定Uimin=195V,Uimax=265V。
2正確選擇TOPSwitch－II芯片的方法
利用上述關(guān)系曲線迅速確定TOPSwitch－II芯片型號的設(shè)計程序如下：
（1）首先確定哪一幅曲線圖適用。例如，當(dāng)Ui=85V～265V，UO=＋5V時，應(yīng)選擇圖1。而當(dāng)Ui=220V(即230V－230V×4.3％)，UO=＋12V時，就只能選圖4；
（2）然后在橫坐標(biāo)上找出欲設(shè)計的輸出功率點位置（PO）；
（3）從輸出功率點垂直向上移動，直到選中合適芯片所指的那條實曲線。如不適用，可繼續(xù)向上查找另一條實線；
（4）再從等值線（虛線）上讀出芯片的功耗PD。進(jìn)而還可求出芯片的結(jié)溫（Tj）以確定散熱片的大??；
（5）最后轉(zhuǎn)入電路設(shè)計階段，包括高頻變壓器設(shè)計，元器件參數(shù)的選擇等。
下面將通過3個典型設(shè)計實例加以說明。
例1：設(shè)計輸出為5V、300W的通用開關(guān)電源
通用開關(guān)電源就意味著交流輸入電壓范圍是85V～265V。又因UO=＋5V，故必須查圖1所示的曲線。首先從橫坐標(biāo)上找到PO=30W的輸出功率點，然后垂直上移與TOP224的實線相交于一點，由縱坐標(biāo)上查出該點的η=71.2％，最后從經(jīng)過這點的那條等值線上查得PD=2.5W。這表明，選擇TOP224就能輸出30W功率，并且預(yù)期的電源效率為71.2％,芯片功耗為2.5W。
若覺得η=71.2％的效率指標(biāo)偏低，還可繼續(xù)往上查找TOP225的實線。同理，選擇TOP225也能輸出30W功率，而預(yù)期的電源效率將提高到75％，芯片功耗降至1.7W。
根據(jù)所得到的PD值，進(jìn)而可完成散熱片設(shè)計。這是因為在設(shè)計前對所用芯片功耗做出的估計是完全可信的。
例2：設(shè)計交流固定輸入230V±15％，輸出為直流12V、30W開關(guān)電源。
圖4固定輸入且輸出為12V時PD與η，PO的關(guān)系曲線
η/％(Uimin=195V)
圖5寬范圍輸入時K與Uimin′的關(guān)系
圖6固定輸入時K與Uimin′的關(guān)系
根據(jù)已知條件，從圖4中可以查出，TOP223是最佳選擇，此時PO=30W，η=85.2％，PD=0.8W。
例3：計算TOPswitch－II的結(jié)溫
這里講的結(jié)溫是指管芯溫度Tj。假定已知從結(jié)到器件表面的熱阻為RθA(它包括TOPSwitch－II管芯到外殼的熱阻Rθ1和外殼到散熱片的熱阻Rθ2)、環(huán)境溫度為TA。再從相關(guān)曲線圖中查出PD值，即可用下式求出芯片的結(jié)溫：
Tj=PD·RθA＋TA(1)
舉例說明，TOP225的設(shè)計功耗為1.7W，RθA=20℃/W，TA=40℃，代入式（1）中得到Tj=74℃。設(shè)計時必須保證，在最高環(huán)境溫度TAM下，芯片結(jié)溫Tj低于100℃，才能使開關(guān)電源長期正常工作。
3根據(jù)輸出功率比來修正等效輸出功率等參數(shù)
3．1修正方法
如上所述，PD與η，PO的關(guān)系曲線均對交流輸入電壓最小值作了限制。圖1和圖2規(guī)定的Uimin=85V，而圖3與圖4規(guī)定Uimin=195V（即230V－230V×15％）。若交流輸入電壓最小值不符合上述規(guī)定，就會直接影響芯片的正確選擇。此時須將實際的交流輸入電壓最小值Uimin′所對應(yīng)的輸入功率PO′，折算成Uimin為規(guī)定值時的等效功率PO，才能使用上述4圖。折算系數(shù)亦稱輸出功率比（PO′/PO）用K表示。TOPSwitch－II在寬范圍輸入、固定輸入兩種情況下，K與U′min的特性曲線分別如圖5、圖6中的實線所示。需要說明幾點：
（1）圖5和圖6的額定交流輸入電壓最小值Uimin依次為85V，195V，圖中的橫坐標(biāo)僅標(biāo)出Ui在低端的電壓范圍。
（2）當(dāng)Uimin′>Uimin時K>1，即PO′>PO，這表明原來選中的芯片此時已具有更大的可用功率，必要時可選輸出功率略低的芯片。當(dāng)Uimin′（3）設(shè)初級電壓為UOR，其典型值為135V。但在Uimin′<85V時，受TOPSwitch－II調(diào)節(jié)占空比能力的限制，UOR會按線性規(guī)律降低UOR′。此時折算系數(shù)K="UOR′"/UOR<1。圖5和圖6中的虛線表示UOR′/UOR與Uimin′的特性曲線，利用它可以修正初級感應(yīng)電壓值。
現(xiàn)將對輸出功率進(jìn)行修正的工作程序歸納如下：
（1）首先從圖5、圖6中選擇適用的特性曲線，然后根據(jù)已知的Uimin′值查出折算系數(shù)K。
（2）將PO′折算成Uimin為規(guī)定值時的等效功率PO，有公式
PO=PO′/K（2）
（3）最后從圖1～圖4中選取適用的關(guān)系曲線，并根據(jù)PO值查出合適的芯片型號以及η、PD參數(shù)值。
下面通過一個典型的實例來說明修正方法。
例4：設(shè)計12V，35W的通用開關(guān)電源
已知Uimin=85V，假定Uimin′=90％×115V=103.5V。從圖5中查出K=1.15。將PO′=35W、K=1.15一并代入式（2）中，計算出PO=30.4W。再根據(jù)PO值，從圖2上查出最佳選擇應(yīng)是TOP224型芯片，此時η=81.6％，PD=2W。
若選TOP223，則η降至73.5％,PD增加到5W，顯然不合適。倘若選TOP225型，就會造成資源浪費，因為它比TOP224的價格要高一些，且適合輸出40W～60W的更大功率。
3．2相關(guān)參數(shù)的修正及選擇
（1）修正初級電感量
在使用TOPSwitch－II系列設(shè)計開關(guān)電源時，高頻變壓器以及相關(guān)元件參數(shù)的典型情況見表1，這些數(shù)值可做為初選值。當(dāng)Uimin′LP′=KLP（3）
查表1可知，使用TOP224時，LP=1475μH。當(dāng)K=1.15時，LP′=1.15×1475=1696μH。
表2光耦合器參數(shù)隨Uimin′的變化
最低交流輸入電壓Uimin(V)85195
LED的工作電流IF（mA）3.55.0
光敏三極管的發(fā)射極電流IE（mA）3.55.0
【關(guān)鍵詞】DC/DC變換器、PWM控制、整流、濾波。
Abstract
Inthispaper,Idesignedaswitchpowersupplysystemwiththreeoutputs:Comparetheswitchpowerwithlinearpoweratfirst,hassummarizedtheadvantageoftheswitchpower,havedescribeditspresentdevelopmentandtherearenaturalquestionsindevelopment.Onthebasisofthethingthatthewholestructuretotheswitchpowerhasmadeanintroduction,tothemainreturncircuitandcontrollingthereturncircuittodesignoftheswitchpower:Therectificationcircuitadoptsthesingle-phasebridgetypeinthemainreturncircuit,thepowerchangesthecircuitandadoptsanddefiesthepowertochangethecircuit,realizebyincreasingthewindingofonepairofsidessingleandwellthatmanywaysareexported,itisakeypartoftheswitchpowersupplythatthepowerchangescircuit(DC/DCtransformer),havedesignedthispartespecially;ThecontrolcircuitadoptsPWMtocontrol,thecontrolleradoptstheswitchpowerintegratedcontrollerGW1524,designthecircuittomeasurevoltageandthecircuittoelmeasureectriccurrent,selectingtypeofcalculatingandcarryingonthecomponentsandpartstheparameterofeachpart.
Keyword：DC/DCtransformer,PWMcontrol,rectification,strainingwaves.
1概述
電子設(shè)備都離不開可靠的電源，進(jìn)入80年代計算機(jī)電源全面實現(xiàn)了開關(guān)電源化，率先完成計算機(jī)的電源換代，進(jìn)入90年代開關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，程控交換機(jī)、通訊、電子檢測設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開關(guān)電源，更促進(jìn)了開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。
1.1開關(guān)電源的基本原理
開關(guān)電源就是采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)元件，通過周期性通斷開關(guān)，控制開關(guān)元件的占空比調(diào)整輸出電壓，開關(guān)電源的基本構(gòu)成如圖1-1所示，DC-DC變換器是進(jìn)行功率變換的器件，是開關(guān)電源的核心部件，此外還有啟動電路、過流與過壓保護(hù)電路、噪聲濾波器等組成部分。反饋回路檢測其輸出電壓，并與基準(zhǔn)電壓比較，其誤差通過誤差放大器進(jìn)行放大，控制脈寬調(diào)制電路，再經(jīng)過驅(qū)動電路控制半導(dǎo)體開關(guān)的通斷時間，從而調(diào)整輸出電壓。
1.2開關(guān)電源與線性電源的比較
是先將交流電經(jīng)過變壓器變壓，再經(jīng)過整流電路整流濾波得到未穩(wěn)定的直流電壓，要達(dá)到高精度的直流電壓，必須經(jīng)過電壓反饋調(diào)整輸出電壓。它的缺點是需要龐大而笨重的變壓器，所需的濾波電容的體積和重量也相當(dāng)大，而且電壓反饋電路是工作在線性狀態(tài)，調(diào)整管上有一定的電壓降，在輸出較大工作電流時，致使調(diào)整管的功耗太大，轉(zhuǎn)換效率低，還要安裝很大的散熱片。這種電源不適合計算機(jī)等設(shè)備的需要，將逐步被開關(guān)電源所取代。
1.3開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用
當(dāng)前,開關(guān)電源新技術(shù)產(chǎn)品正在向以下"四化"的方向發(fā)展:應(yīng)用技術(shù)的高頻化;硬件結(jié)構(gòu)的模塊化;軟件控制的數(shù)字化;產(chǎn)品性能的綠色化。由此,新一代開關(guān)電源產(chǎn)品的技術(shù)含量大大提高,使之更加可靠、成熟、經(jīng)濟(jì)、實用。
開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關(guān)電源小型化，并使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。
近年,有些公司把開關(guān)器件的驅(qū)動保護(hù)電路也裝到功率模塊中去,構(gòu)成了"智能化"功率模塊(IPM),這樣縮小了整機(jī)的體積,方便了整機(jī)設(shè)計和制造。為了提高系統(tǒng)的可靠性,有些制造商開發(fā)了"用戶專用"功率模塊(ASPM),它把一臺整機(jī)的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件間不再有傳統(tǒng)的引線相連,這樣的模塊經(jīng)過嚴(yán)格、合理的、熱、電、機(jī)械方面的設(shè)計,達(dá)到優(yōu)化完善的境地。
開關(guān)電源是一種采用開關(guān)方式控制的直流穩(wěn)定電源,它以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應(yīng)用于以電子計算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備等幾乎所有的電子設(shè)備,是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。而當(dāng)我們把開關(guān)電源的研究擴(kuò)大到可調(diào)高電壓、大電流時,以及將研究新技術(shù)應(yīng)用于DC/AC變換器,即開拓了大功率應(yīng)用領(lǐng)域,又使開關(guān)電源的應(yīng)用范圍擴(kuò)大到了從發(fā)電廠設(shè)備至家用電器的所有應(yīng)用電力、電子技術(shù)的電氣工程領(lǐng)域。作為節(jié)能、節(jié)材、自動化、智能化、機(jī)電一體化的基礎(chǔ)的開關(guān)電源,它的產(chǎn)品展現(xiàn)了廣闊的市場前景。例如,發(fā)電廠的貯能發(fā)電設(shè)備、直流輸電系統(tǒng)、動態(tài)無功補(bǔ)償、機(jī)車牽引、交直流電機(jī)傳動、不停電電源、汽車電子化、開關(guān)電源、中高頻感應(yīng)加熱設(shè)備以及電視、通訊、辦公自動化設(shè)備等。
1.4開關(guān)電源當(dāng)前存在的問題
當(dāng)我們對該技術(shù)進(jìn)行深入研究后卻發(fā)現(xiàn)它仍然存在著一些問題需要解決，而且有的問題還帶有全局性：采用定頻調(diào)寬的控制方式來設(shè)計電源，都以輸出功率最大時所需的續(xù)流時間為依據(jù)來預(yù)留開關(guān)截止時間的，則負(fù)載所需的功率小于電源的最大輸出功率時就必然造成了工作電流的不連續(xù)；"反峰電壓"是開關(guān)導(dǎo)通期間存入高頻變壓器的勵磁能量在開關(guān)關(guān)斷時的一種表現(xiàn)，而勵磁能量只能在、也必須在開關(guān)關(guān)斷后的截止期間處理掉，既能高效處理勵磁能量又能有效限制反峰電壓的辦法是存在的，那就是要及時地為勵磁能量提供一個"低阻抗通道"，并且為勵磁能量的通過提供一段時間，但"單調(diào)"控制方法不具備這一條件；高頻變壓器的磁通復(fù)位問題；傳統(tǒng)的電流取樣方法是在功率回路中串聯(lián)電阻，效率不高，這個問題向來是電源技術(shù)，尤其是以小體積、高功率密度見長的開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的"瓶頸"；高頻開關(guān)電源的并聯(lián)同步輸出問題。
以上的問題看似彼此獨立，其實它們之間存在著一定的關(guān)聯(lián)性解決這些問題，也許還是一條艱難而漫長的路。
2整流電路的設(shè)計
整流是將交流電變成脈動直流電的過程。電源變壓器輸出的交流電經(jīng)整流電路得到一個大小變化但方向不變的脈動直流電。整流電路是由具有單向?qū)щ娦缘脑缍O管、晶間管等整流元件組成的。
2.1整流電路的選擇
單相整流電路有兩種：電容輸入型電路和扼流圈輸入型電路
電容輸入型的基本電路如圖2-1：（a）為半波整流電路（b）為中間抽頭的全波整流電路（c）橋式整流電路（d）倍壓整流電路。
TOPSwithⅡ
TheWayofQuickDesignforSinglechipSwitchingPowerSupplyAbctract:Threeendssinglechipswitchingpowersupplyisnewtypeswitchingpowersupplycorewhichhasbeenpopularsince1990.Thispaperintroducesquickdesignforsinglechipswitchingpowersupply.
Keywords:Singlechipswitchingpowersupply,Quickdesign,TopswithⅡ
在設(shè)計開關(guān)電源時，首先面臨的問題是如何選擇合適的單片開關(guān)電源芯片，既能滿足要求，又不因選型不當(dāng)而造成資源的浪費。然而，這并非易事。原因之一是單片開關(guān)電源現(xiàn)已形成四大系列、近70種型號，即使采用同一種封裝的不同型號，其輸出功率也各不相同；原因之二是選擇芯片時，不僅要知道設(shè)計的輸出功率PO，還必須預(yù)先確定開關(guān)電源的效率η和芯片的功率損耗PD，而后兩個特征參數(shù)只有在設(shè)計安裝好開關(guān)電源時才能測出來，在設(shè)計之前它們是未知的。
下面重點介紹利用TOPSwitch－II系列單片開關(guān)電源的功率損耗（PD）與電源效率（η）、輸出功率（PO）關(guān)系曲線，快速選擇芯片的方法，可圓滿解決上述難題。在設(shè)計前，只要根據(jù)預(yù)期的輸出功率和電源效率值，即可從曲線上查出最合適的單片開關(guān)電源型號及功率損耗值，這不僅簡化了設(shè)計，還為選擇散熱器提
η/％(Uimin=85V)
中圖法分類號：TN86文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編碼：02192713(2000)0948805
PO/W
供了依據(jù)。
1TOPSwitch－II的PD與η、PO關(guān)系曲線
TOPSwitch－II系列的交流輸入電壓分寬范圍輸入（亦稱通用輸入），固定輸入（也叫單一電壓輸入）兩種情況。二者的交流輸入電壓分別為Ui=85V～265V，230V±15％。
1．1寬范圍輸入時PD與η，PO的關(guān)系曲線
TOP221～TOP227系列單片開關(guān)電源在寬范圍輸入（85V～265V）的條件下，當(dāng)UO=＋5V或者＋12V時，PD與η、PO的關(guān)系曲線分別如圖1、圖2所示。這里假定交流輸入電壓最小值Uimin=85V，最高
η/％(Uimin=85V)
η/％(Uimin=195V)
交流輸入電壓Uimax=265V。圖中的橫坐標(biāo)代表輸出功率PO，縱坐標(biāo)表示電源效率η。所畫出的7條實線分別對應(yīng)于TOP221～TOP227的電源效率，而15條虛線均為芯片功耗的等值線（下同）。
1．2固定輸入時PD與η、PO的關(guān)系曲線
TOP221～TOP227系列在固定交流輸入（230V±15％）條件下，當(dāng)UO=＋5V或＋12V時，PD與η、PO的關(guān)系曲線分別如圖3、圖4所示。這兩個曲線族對于208V、220V、240V也同樣適用?，F(xiàn)假定Uimin=195V,Uimax=265V。
2正確選擇TOPSwitch－II芯片的方法
利用上述關(guān)系曲線迅速確定TOPSwitch－II芯片型號的設(shè)計程序如下：
（1）首先確定哪一幅曲線圖適用。例如，當(dāng)Ui=85V～265V，UO=＋5V時，應(yīng)選擇圖1。而當(dāng)Ui=220V(即230V－230V×4.3％)，UO=＋12V時，就只能選圖4；
（2）然后在橫坐標(biāo)上找出欲設(shè)計的輸出功率點位置（PO）；
（3）從輸出功率點垂直向上移動，直到選中合適芯片所指的那條實曲線。如不適用，可繼續(xù)向上查找另一條實線；
（4）再從等值線（虛線）上讀出芯片的功耗PD。進(jìn)而還可求出芯片的結(jié)溫（Tj）以確定散熱片的大??；
（5）最后轉(zhuǎn)入電路設(shè)計階段，包括高頻變壓器設(shè)計，元器件參數(shù)的選擇等。
下面將通過3個典型設(shè)計實例加以說明。
例1：設(shè)計輸出為5V、300W的通用開關(guān)電源
通用開關(guān)電源就意味著交流輸入電壓范圍是85V～265V。又因UO=＋5V，故必須查圖1所示的曲線。首先從橫坐標(biāo)上找到PO=30W的輸出功率點，然后垂直上移與TOP224的實線相交于一點，由縱坐標(biāo)上查出該點的η=71.2％，最后從經(jīng)過這點的那條等值線上查得PD=2.5W。這表明，選擇TOP224就能輸出30W功率，并且預(yù)期的電源效率為71.2％,芯片功耗為2.5W。
若覺得η=71.2％的效率指標(biāo)偏低，還可繼續(xù)往上查找TOP225的實線。同理，選擇TOP225也能輸出30W功率，而預(yù)期的電源效率將提高到75％，芯片功耗降至1.7W。
根據(jù)所得到的PD值，進(jìn)而可完成散熱片設(shè)計。這是因為在設(shè)計前對所用芯片功耗做出的估計是完全可信的。
根據(jù)已知條件，從圖4中可以查出，TOP223是最佳選擇，此時PO=30W，η=85.2％，PD=0.8W。
例3：計算TOPswitch－II的結(jié)溫
這里講的結(jié)溫是指管芯溫度Tj。假定已知從結(jié)到器件表面的熱阻為RθA(它包括TOPSwitch－II管芯到外殼的熱阻Rθ1和外殼到散熱片的熱阻Rθ2)、環(huán)境溫度為TA。再從相關(guān)曲線圖中查出PD值，即可用下式求出芯片的結(jié)溫：
Tj=PD·RθA＋TA(1)
舉例說明，TOP225的設(shè)計功耗為1.7W，RθA=20℃/W，TA=40℃，代入式（1）中得到Tj=74℃。設(shè)計時必須保證，在最高環(huán)境溫度TAM下，芯片結(jié)溫Tj低于100℃，才能使開關(guān)電源長期正常工作。
3根據(jù)輸出功率比來修正等效輸出功率等參數(shù)
3．1修正方法
如上所述，PD與η，PO的關(guān)系曲線均對交流輸入電壓最小值作了限制。圖1和圖2規(guī)定的Uimin=85V，而圖3與圖4規(guī)定Uimin=195V（即230V－230V×15％）。若交流輸入電壓最小值不符合上述規(guī)定，就會直接影響芯片的正確選擇。此時須將實際的交流輸入電壓最小值Uimin′所對應(yīng)的輸入功率PO′，折算成Uimin為規(guī)定值時的等效功率PO，才能使用上述4圖。折算系數(shù)亦稱輸出功率比（PO′/PO）用K表示。TOPSwitch－II在寬范圍輸入、固定輸入兩種情況下，K與U′min的特性曲線分別如圖5、圖6中的實線所示。需要說明幾點：
（1）圖5和圖6的額定交流輸入電壓最小值Uimin依次為85V，195V，圖中的橫坐標(biāo)僅標(biāo)出Ui在低端的電壓范圍。
（2）當(dāng)Uimin′>Uimin時K>1，即PO′>PO，這表明原來選中的芯片此時已具有更大的可用功率，必要時可選輸出功率略低的芯片。當(dāng)Uimin′（3）設(shè)初級電壓為UOR，其典型值為135V。但在Uimin′<85V時，受TOPSwitch－II調(diào)節(jié)占空比能力的限制，UOR會按線性規(guī)律降低UOR′。此時折算系數(shù)K="UOR′"/UOR<1。圖5和圖6中的虛線表示UOR′/UOR與Uimin′的特性曲線，利用它可以修正初級感應(yīng)電壓值。
現(xiàn)將對輸出功率進(jìn)行修正的工作程序歸納如下：
（1）首先從圖5、圖6中選擇適用的特性曲線，然后根據(jù)已知的Uimin′值查出折算系數(shù)K。
（2）將PO′折算成Uimin為規(guī)定值時的等效功率PO，有公式
PO=PO′/K（2）
（3）最后從圖1～圖4中選取適用的關(guān)系曲線，并根據(jù)PO值查出合適的芯片型號以及η、PD參數(shù)值。
下面通過一個典型的實例來說明修正方法。
例4：設(shè)計12V，35W的通用開關(guān)電源
已知Uimin=85V，假定Uimin′=90％×115V=103.5V。從圖5中查出K=1.15。將PO′=35W、K=1.15一并代入式（2）中，計算出PO=30.4W。再根據(jù)PO值，從圖2上查出最佳選擇應(yīng)是TOP224型芯片，此時η=81.6％，PD=2W。
若選TOP223，則η降至73.5％,PD增加到5W，顯然不合適。倘若選TOP225型，就會造成資源浪費，因為它比TOP224的價格要高一些，且適合輸出40W～60W的更大功率。
3．2相關(guān)參數(shù)的修正及選擇
（1）修正初級電感量
在使用TOPSwitch－II系列設(shè)計開關(guān)電源時，高頻變壓器以及相關(guān)元件參數(shù)的典型情況見表1，這些數(shù)值可做為初選值。當(dāng)Uimin′LP′=KLP（3）
查表1可知，使用TOP224時，LP=1475μH。當(dāng)K=1.15時，LP′=1.15×1475=1696μH。
表2光耦合器參數(shù)隨Uimin′的變化
最低交流輸入電壓Uimin(V)85195
LED的工作電流IF（mA）3.55.0
光敏三極管的發(fā)射極電流IE（mA）3.55.0
（2）對其他參數(shù)的影響
當(dāng)Uimin的規(guī)定值發(fā)生變化時，TOPSwitch－II的占空比亦隨之改變，進(jìn)而影響光耦合器中的LED工作電流IF、光敏三極管發(fā)射極電流IE也產(chǎn)生變化。此時應(yīng)根據(jù)表2對IF、IE進(jìn)行重新調(diào)整。
TOPSwitch－II獨立于Ui、PO的電源參數(shù)值，見表3。這些參數(shù)一般不受Uimin變化的影響。
表3獨立于Ui、PO的電源參數(shù)值
獨立參數(shù)典型值
開關(guān)頻率f(kHz)100
輸入保護(hù)電路的箝位電壓UB(V)200
輸出級肖特基整流二極管的正向壓降UF(V)0.4
初始偏置電壓UFB(V)16
（3）輸入濾波電容的選擇
參數(shù)TOP221TOP222TOP223TOP224TOP225TOP226TOP227
高頻變壓器初級電感LP(μH)86504400220014751100880740
高頻變壓器初級泄漏電感LPO(μH)175904530221815
次級開路時高頻變壓器的諧振頻率fO(kHz)400450500550600650700
初級線圈電阻RP（mΩ）50001800650350250175140
2測試系統(tǒng)軟件設(shè)計
2.1NI-VISA調(diào)用程控電源功能的實現(xiàn)
在本測試系統(tǒng)中，工控機(jī)采用NI公司的PX-I-8110，可編程直流電源采用TOELLNER公司生產(chǎn)的TOE8815-64。工控機(jī)與可編程直流電源之間的通信利用Agilent公司的USB/GPIB轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)[1]。在利用LabVIEW軟件設(shè)計控制程序時，需要使用LabVIEW軟件中的[VISAOpen]子VI，并指定程控交流電源的GPIB地址，例如在本測試系統(tǒng)中程控直流電源的GPIB地址為GPIB0：1：IN-STR，通過這樣的設(shè)置就可以建立起工控機(jī)與直流電源之間的聯(lián)系[1]。
2.2可編程直流電源的控制指令的實現(xiàn)
在測試系統(tǒng)進(jìn)行模擬輸出時，最重要的是將采集到的波形進(jìn)行提煉，并通過控制程控直流電源進(jìn)行輸出。在這里，需要設(shè)置的參數(shù)為電壓、電流、時間以及起始和結(jié)束地址等。在GPIB模式下，TOE8155的控制可被設(shè)置為“聽”模式和“說”模式。TOE8155的指令架構(gòu)符合IEEE-488.2標(biāo)準(zhǔn)，除了上述標(biāo)準(zhǔn)中通用的指令外，TOE8155還具有專門的控制指令集，可通過工控機(jī)對直流電源進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和輸出控制，且需要向直流電源傳送符合TOE8155語法格式的控制指令[2]。其中，在本測試系統(tǒng)中需要用到的TOE8155特定的部分主要指令有[3]：（1）FBbbb將程序設(shè)置為觸發(fā)模式，循環(huán)次數(shù)設(shè)置為bbb（=0...255）；（2）FCVaaa,eee初始地址為aaa，終止地址為eee間的電壓值線性計算；aaa=0...999，eee=0...999；（3）FCCaaa,eee初始地址為aaa，終止地址為eee間的電流值線性計算；aaa=0...999，eee=0...999；（4）FCTaaa,eee初始地址為aaa，終止地址為eee間的時間值線性計算；aaa=0...999，eee=0...999；由于這些特定指令，在LabVIEW中并無現(xiàn)成的控件可供使用，因此，在程序設(shè)計時，相當(dāng)一部分的工作量為針對特定指令控件子VI的編程。以FCV指令為例，其子VI的LabVIEW編程見圖2和圖3。汽車啟動瞬間的電源電壓波形不是一個周期性、規(guī)律的電壓波形，見圖4（某汽車啟動瞬間的因此，在進(jìn)行模擬電壓的設(shè)定時，這種電壓信號是由幾段不同狀態(tài)的電壓信號組成的，程序定義時不僅要設(shè)置每段電壓信號的電壓幅值、持續(xù)時間，和起始終止地址位等信息，還有設(shè)置兩端相鄰電壓信號之間的過渡時間[4]。在本設(shè)計中，是利用LabVIEW軟件中的簇和條件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)這一過程的[3]。寫入波形程序編輯見圖5。
2.3自動測試的實現(xiàn)
前面提到，測試系統(tǒng)中很重要的一部分是波形采集，這個需要針對不同的車型，以及各不同車型的不同階段。這意味著需要進(jìn)行大量的模擬波形的調(diào)用并輸出。因此，采用自動測試的方式可以有效地降低測試人員的勞動強(qiáng)度，更能提高測試系統(tǒng)的效率。在本測試系統(tǒng)中，利用Test-stand與sequenc系列調(diào)用測試程序的子VI，其架構(gòu)見圖6[5]。由于成本的考慮，車載電器件往往多為平臺產(chǎn)品，但是也存在個別車載電器件是專用件的情況。因此在技術(shù)人員選擇測試波形的分類時，參考圖7的測試流程進(jìn)行操作。測試系統(tǒng)的操作時，首先選擇被測DUT所應(yīng)用的車型，其次，導(dǎo)入該車型的電源曲線，并進(jìn)行模擬測試。在測試完成后，判斷該DUT是否為平臺化產(chǎn)品，如果判定結(jié)果為“是”，則導(dǎo)入該DUT所應(yīng)用的各車型電源曲線，并進(jìn)行模擬測試；如果判定結(jié)果為“否”，則再次進(jìn)行是否隨即抽取模擬波形并測試的判定。若判定結(jié)果為“是”，則隨機(jī)導(dǎo)入電源曲線，并進(jìn)行模擬測試，若判定結(jié)果為“否”，則完成測試，退出程序。
IEEE802．3af標(biāo)準(zhǔn)對以太網(wǎng)供電（POE）做出了詳盡的規(guī)定，它允許通過以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的同時提供48V電源，IEEE802．3af標(biāo)準(zhǔn)中定義的電源供電設(shè)備（PSE）是能夠通過10BASE－T、100BASE－T或者1000BASE－T網(wǎng)絡(luò)提供電源的DTE或者M(jìn)idspan設(shè)備，而IEEE802．3af標(biāo)準(zhǔn)中定義的受電設(shè)備（PD）則是通過網(wǎng)絡(luò)從電源供電設(shè)備（PSE）取得電源的設(shè)備。IEEE802．3af標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的PSE可以提供約13W功率。從而使小型數(shù)據(jù)設(shè)備可以通過它們的以太網(wǎng)連接獲得電源，而不需要從墻上的交流電源插座獲取電源。這些設(shè)備包括數(shù)字VoIP電話、網(wǎng)絡(luò)無線接入點、因特網(wǎng)設(shè)備、計算機(jī)電話、安全攝像機(jī)或任何以太網(wǎng)連接的數(shù)據(jù)設(shè)備。IEEE802．3af標(biāo)準(zhǔn)的推出，大大擴(kuò)展了以太網(wǎng)的應(yīng)用，同時也給以太網(wǎng)帶來了巨大的發(fā)展空間。
1MAX5941的功能
MAX5941A／MAX5941B是一款高度集成的電源IC，適用于以太網(wǎng)供電（POE）系統(tǒng)中的受電設(shè)備（PD）。MAX5941A／MAX5941B有兩個功能，一是提供PSE與PD之間的接口，二是通過DC－DCPWM控制器實現(xiàn)48V電源轉(zhuǎn)換以輸出5V或者PD所需要的電壓，輸出電壓可實現(xiàn)隔離或者非隔離。MAX5941A的最大占空比為85％，可用于反激式轉(zhuǎn)換器。MAX5941B的占空比限制在50％以內(nèi)，主要用于單端正激式轉(zhuǎn)換器中。
2IEEE802．3af標(biāo)準(zhǔn)的PD接口特性
MAX5941的PD接口特性符合IEEE802．3af標(biāo)準(zhǔn)，可為PD提供偵測特征信號和分級信號，此外，MAX5941還集成了一個具有可編程浪涌電流控制功能的集成隔離開關(guān)，同時還具有寬滯回供電模式欠壓鎖定（UVLO）以及“電源好”狀態(tài)輸出等功能。
在偵測和分級期間，由于集成的MOSFET可提供PD隔離，MAX5941可保證偵測階段的泄漏電流失調(diào)小于10μA。其可編程限流功能可防止上電期間產(chǎn)生很高的浪涌電流。這些器件的UVLO供電模式具有寬滯回和長故障消隱時間等特性，因而可補(bǔ)償電壓在雙絞電纜上的阻性衰減，并確保系統(tǒng)在偵測、分級和上／掉電諸狀態(tài)間無擾動地轉(zhuǎn)換。MAX5941的UVLO門限可調(diào)，并具有一個兼容于IEEE802．3af標(biāo)準(zhǔn)的缺省值。MAX5941可工作于PD前帶有或不帶二級管橋的設(shè)計中。
圖1
MAX5941有三種不同的工作模式：PD偵測、PD分級和PD供電模式。
偵測模式（1．4V≤VIN≤10．1V）下，供電設(shè)備（PSE）將向VIN施加兩種1．4V～10．1V范圍內(nèi)的電壓（最小步長1V），然后記錄兩個點的電流值，并由PSE計算ΔV／ΔI，以確認(rèn)25．5kΩ特征電阻是否存在。在此模式下，MAX5941內(nèi)部的大部分電路處于關(guān)閉狀態(tài)，失調(diào)電流小于10μA。如果施加在PD上的電壓有可能被顛倒，則需要在輸入端安裝保護(hù)二極管，以免對MAX5941造成內(nèi)部損傷。由于PSE使用斜率技術(shù)（ΔV／ΔI）來計算特征阻抗，這樣，保護(hù)二極管引起的直流偏差已被扣除，因而不會影響偵測過程。
分級模式（12．6V≤VIN≤20V）下，PSE根據(jù)PD所要求的功率對PD進(jìn)行分級。以便PSE高效地管理功率分配。IEEE802．3af標(biāo)準(zhǔn)定義了五個不同的級別。分級電流可由連接在RCL與VEE之間的外部電阻（RCL）來設(shè)定。PSE通過在PD輸入端施加一個電壓，以及測量流出PSE的電流來確定PD的分級。當(dāng)PSE施加一個介于12．6V～20V之間的電壓時。PSE利用分級電流信息區(qū)分PD所需要的功率。分級電流包括25．5kΩ偵測特征電阻吸收的電流和MAX5941的電源電流，PD吸收的總電流應(yīng)在IEEE802．3af標(biāo)準(zhǔn)要求之內(nèi)。進(jìn)入供電模式后，分級電流將被關(guān)斷。
供電模式下，當(dāng)VIN上升至欠壓鎖定門限(VUV-LO,ON)以上時，MAX5941將逐步開啟內(nèi)部N溝道MOSFET管Q1。圖1是MAX5941的內(nèi)部接口電路框圖。MAX5941用一個恒流（典型值為10μA）對Q1柵極充電。Q1的漏－柵電容限制了MOSFET漏極電壓的上升速率，因而限制了浪涌電流。為了降低浪涌電流，也可在外部添加漏－柵電容。當(dāng)Q1的漏－源電壓降至1．2V以下，且柵－源電壓高于5V時，MAX5941會發(fā)出“電源好”信號。由于MAX5941具有較寬的UVLO滯回和關(guān)斷消隱時間，因而可補(bǔ)償雙絞電纜的高阻抗。
3用MAX5941實現(xiàn)48V電源轉(zhuǎn)換
MAX5941是電流模式的PWM控制器，可將48V輸入電源轉(zhuǎn)換成5V電壓輸出，MAX5941用內(nèi)部穩(wěn)壓器取代高功耗的啟動電阻，這不但可為MAX5941提供啟動所需的電能，還能穩(wěn)定第三（偏置）繞組的輸出電壓，從而為IC提供穩(wěn)定的工作電源。開始啟動時，調(diào)節(jié)器將V＋調(diào)整到VCC并為器件提供偏置。啟動之后，改由VDD穩(wěn)壓器從第三繞組輸出穩(wěn)定的VCC。此結(jié)構(gòu)只需一只很小的電容即可對第三繞組的輸出進(jìn)行濾波，從而省下了一只濾波電感的成本。
在設(shè)計第三繞組時，所設(shè)計的線圈匝數(shù)應(yīng)保證最小反射電壓始終大于12．7V。而最大反射電壓則必須小于36V。
為降低功耗，當(dāng)VDD電壓達(dá)到12．7V后，可以將高壓調(diào)節(jié)器關(guān)掉。這樣可以降低功耗并改善效率。如果VCC降低到欠壓鎖定門限（VCC＝6．6V）以下，低壓調(diào)節(jié)器將被關(guān)閉，電路重新進(jìn)入軟啟動。此時欠壓鎖定狀態(tài)MOSFET驅(qū)動器的輸出（NDRV）保持為低。
如果輸入電壓介于13～36V之間，只要不超出最大功耗，就可以將V＋和VDD連接到線電壓。這樣就可省掉第三繞組。
4MAX5941的設(shè)計實例
MAX5941的一般設(shè)計步驟如下：
確定具體需求
設(shè)定輸出電壓
計算變壓器主、副繞組匝比
計算復(fù)位繞組與主繞組匝比
計算第三繞組與主繞組匝比
計算檢流電阻值
計算輸出電感值
選擇輸出電容。
圖2
圖2是用MAX5941B設(shè)計的正激式DC／DC轉(zhuǎn)換器，具體計算如下：
(1)對于30V≤VIN≤67V，VOUT＝5V，IOUT＝10A，VRIPPLE≤50mV的要求。開啟門限應(yīng)設(shè)為38．6V。
(2)設(shè)定輸出電壓時，可根據(jù)下式計算電阻R1和R2：
VREF／VOUT＝R2／(R1＋R2)
式中VREF是并聯(lián)調(diào)節(jié)器的基準(zhǔn)電壓。
（3）根據(jù)最小輸入電壓和MAX5941B的最大占空比下限（44％）計算變壓器匝比時，為了能夠使用漏－源擊穿電壓小于200V的MOSFET，本設(shè)計選用最大占空比為50％的MAX5941B。然后根據(jù)下式計算匝數(shù)比：
NS／NP≥（VOUT＋VD1×DMAX）／（DMAX×VIN＿M(jìn)IN）
式中：NS／NP為匝數(shù)比（NS是副繞組匝數(shù)，NP是主繞組匝數(shù)），VOUT為輸出電壓（5V），VD1為D1上的壓降（功率肖特基二極管典型壓降為0．5V），DMAX為最大工作占空比的最小值（44％），VIN＿M(jìn)IN為最小輸入電壓（30V），對于本例：NS／NP≥0．395，選擇NP＝14時，NS＝6。
（4）較低的復(fù)位繞組匝比（NR／NP）可確保變壓器中的所有能量在最大占空比下的關(guān)閉周期內(nèi)能夠全部返回V＋?？捎孟率絹泶_定復(fù)位繞組匝比：
NR≤NP×（1－DMAX＇）／DMAX＇
式中：NR／NP為復(fù)位繞組匝比，DMAX＇為占空比的最大值（50％），計算NR＝14。
（5）選擇第三繞組匝比（NT／NP），以使最小輸入電壓能夠在VDD處提供最小工作電壓（13V）?？刹捎孟率接嬎愕谌@組匝比：
NP（VDDMIN＋0．7）／VIN＿M(jìn)IN≤NT≤NP（VDDMAX＋0．7）／VIN＿M(jìn)AX
式中：VDDMIN是最小VDD電源電壓（13V），VDDMAX是最大VDD電源電壓（30V），VIN＿M(jìn)IN是最小輸入電壓（30V），VIN＿M(jìn)AX是最大輸入電壓（本設(shè)計為67V），NP是主繞組匝數(shù)，NT是第三繞組匝數(shù)：可選擇NT＝7。
（6）根據(jù)下式選擇RSENSE：
RSENSE≤VILIM／（NS×1．2×IOUTMAX／NP）
式中：VILIM是檢流比較器的觸發(fā)門限電壓（0．465V），NS／NP是副端匝比（本例為5／14），IOUTMAX是最大直流輸出電流（本例為10A），RSENSE選90．4mΩ。
（7）選擇電感時，應(yīng)使電感中的峰值紋波電流（LIR）介于最大輸出電流的10％和20％之間：
引言
本監(jiān)控系統(tǒng)是為鐵路用4kVA/25Hz主從熱備份逆變電源系統(tǒng)設(shè)計的。
4kVA/25Hz主從逆變電源是電氣化鐵路區(qū)段信號系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，有兩相輸出：110V/1.6kVA局部電壓（A相）；220V/2.4kVA軌道電壓（B相）；兩相均為25Hz，且要求A相恒超前B相90°。由于逆變器是給重要負(fù)載供電，且負(fù)載不允許斷電，故采用雙機(jī)熱備份系統(tǒng)，一旦主機(jī)發(fā)生故障，要求在規(guī)定時間內(nèi)實現(xiàn)切換，因此，備份逆變器一直處于開機(jī)狀態(tài)。由于逆變器經(jīng)過了整流，逆變兩級能量變換，功率較大，且指標(biāo)要求較高，必須要采用先進(jìn)的控制技術(shù)；同時為了安全實現(xiàn)主從切換，也必須要有完善的監(jiān)控系統(tǒng)來實現(xiàn)鎖相，保證整機(jī)的安全。
1監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計要求
根據(jù)實際情況，本系統(tǒng)主要完成以下功能：
1）主從切換功能主從控制之間實現(xiàn)準(zhǔn)確無誤的切換，具有自動和手動兩種功能，保證切換時電壓同頻率，同相位，同幅值；
2）鎖相功能主從機(jī)組局部電壓同頻同相，同一機(jī)組內(nèi)A相恒超前B相90°；
3）完善的保護(hù)功能具有軟起動功能，以避免啟動瞬間電壓過沖對逆變器及負(fù)載的沖擊，以及輸出過壓、過流保護(hù)，頻率、相位超差保護(hù)，橋臂直通保護(hù)，過熱保護(hù)等；
4）顯示功能實時顯示運行參數(shù)及工作狀態(tài)并具有聲光報警功能，以提示值班人員及時排除故障；
5）通信功能具有主從機(jī)組之間通信，與監(jiān)控中心（上位機(jī)）通信等功能；
6）抗干擾功能系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力。
2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
2.1DS80C320單片機(jī)簡介
DS80C320是DALLAS公司的高速低功耗8位單片機(jī)。它與80C31/80C32兼容，使用標(biāo)準(zhǔn)8051指令集。與普通單片機(jī)相比有以下新特點：
1）為P1口定義了第二功能，從而共有13個中斷源（其中外部中斷6個），3個16位定時/計數(shù)器，兩個全雙工硬串行口；
2）高速性能，4個時鐘周期/機(jī)器周期，最高振蕩頻率可達(dá)33MHz，雙數(shù)據(jù)指針DPTR；
3）內(nèi)置可編程看門狗定時器，掉電復(fù)位電路；
4）提供DIP，PLCC和TQFP三種封裝。
2.2基于DS80C320的監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
按照上述系統(tǒng)設(shè)計要求，設(shè)計了如圖1所示的監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計思想，分為微處理器及外設(shè)模塊，模擬量采集模塊，開關(guān)量采集模塊，頻率及相差測量模塊，控制量輸出模塊，人機(jī)接口模塊，同步信號模塊以及通信模塊。
1）微處理器及外設(shè)模塊微處理器采用DS80C320，非常適合于監(jiān)控。本系統(tǒng)充分利用前面已提及的特點，簡化了硬件設(shè)計與編程，從而提高了整個系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)系統(tǒng)需要擴(kuò)展了一片8255，一片E2PROM和一片8254。
2）模擬量采集模塊根據(jù)采集精度要求以及被采集量變化緩慢的特點，采用AD公司的高速12位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574A，其內(nèi)部集成有轉(zhuǎn)換時鐘，參考電壓源和三態(tài)輸出鎖存器，轉(zhuǎn)換時間25μs，并通過ADG508A擴(kuò)展模擬量輸入通道。
3）開關(guān)量采集模塊首先經(jīng)光耦進(jìn)行隔離后，再通過與門送入單片機(jī)的外部中斷口，同時通過8255送入單片機(jī)，采取先中斷后查詢的方式。
4）頻率及相差測量模塊信號先經(jīng)過具有遲滯特性的過零比較器轉(zhuǎn)換為方波，然后通過雙四選一開關(guān)4052送入單片機(jī)，通過定時器T0來計算頻率和相差。
5）控制量輸出模塊通過光耦控制輸出，實現(xiàn)可靠隔離。
6）人機(jī)接口模塊包括按鍵和顯示部分。通過簡單的按鍵選擇，實現(xiàn)電流、電壓、頻率及相差的顯示。顯示部分采用8279驅(qū)動8位七段LED顯示，同時通過發(fā)光二極管和蜂鳴器提示運行狀態(tài)。
7）同步信號模塊本模塊用來實現(xiàn)鎖相。單片機(jī)控制8254產(chǎn)生局部同步脈沖和軌道同步脈沖，同步脈沖用來復(fù)位正弦基準(zhǔn)。通過軟件控制同步信號的頻率，可實現(xiàn)主從鎖相和局部及軌道的相位跟蹤。具體實現(xiàn)過程將在下文詳述。
8）通信模塊采用了RS232和RS485兩種通信方式。利用串口0采用RS232實現(xiàn)與另一機(jī)組監(jiān)控單元的雙機(jī)通信，獲取對方機(jī)組狀態(tài)信息；利用串口1采用RS485標(biāo)準(zhǔn)接口實現(xiàn)與上位機(jī)的通信，完成傳輸數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程報警等功能。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1系統(tǒng)軟件流程
主程序流程圖如圖2所示。系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先對單片機(jī)，芯片及控制狀態(tài)進(jìn)行初始化；然后讀取AC/DC模塊的工作狀態(tài)，若正常則啟動DC/AC模塊，否則轉(zhuǎn)故障處理；開啟DC/AC后，讀入其工作狀態(tài)并判斷輸出電壓是否滿足要求，有故障轉(zhuǎn)故障處理，正常則開啟故障中斷；接下來進(jìn)行主從機(jī)組判斷和相位跟蹤，實現(xiàn)主從相位同步和局部及軌道電壓的鎖相；只有在實現(xiàn)鎖相后，才采用查詢方式處理鍵盤及測量顯示。在軟件編制中，鍵盤中斷是關(guān)閉的。實驗證明，對人機(jī)交互通道采用這種查詢處理方法，完全可以滿足系統(tǒng)的實時要求。開關(guān)量的輸入采取先產(chǎn)生中斷，后查詢的方法，保證了響應(yīng)的實時性和逆變系統(tǒng)的安全性。
3.2系統(tǒng)采用的主要算法和技術(shù)
3.2.1交流采樣算法
測量顯示大信號的交流量時，通過互感器得到適合A/D轉(zhuǎn)換的交流小信號，然后對小信號進(jìn)行采樣，最后對采樣數(shù)據(jù)采用一定的算法，得到正確的顯示值。均方根法是目前常用的算法，其基本思想是依據(jù)周期連續(xù)函數(shù)的有效值定義，將連續(xù)函數(shù)離散化，從而得出電壓的表達(dá)式
式中：n為每個周期均勻采樣的點數(shù)；
ui為第i點的電壓采樣值。
3.2.2數(shù)字濾波算法
A/D轉(zhuǎn)換時，被采樣的信號可能受到干擾，從采樣數(shù)據(jù)列中提取逼近真值數(shù)據(jù)時采用的軟件算法，稱為數(shù)字濾波算法。目前常用的方法有程序判斷濾波、中值濾波、算術(shù)平均濾波、加權(quán)平均濾波、滑動平均濾波等。根據(jù)本系統(tǒng)對采集精度有較高要求以及被采集的模擬量變化緩慢的特點，采用程序判斷濾波法和算術(shù)平均濾波法相結(jié)合的濾波方法，即進(jìn)行多周期采樣，取其算術(shù)平均值作為有效采樣值。每次采樣后和上次有效采樣值比較，如果變化幅度不超過一定幅值，采樣有效；否則視為無效放棄。
3.2.3單片機(jī)鎖相技術(shù)
本監(jiān)控系統(tǒng)一個很重要的功能是實現(xiàn)相位同步，即保證主從機(jī)組的相位同步和機(jī)組內(nèi)局部電壓相位恒超前軌道電壓相位90°。本系統(tǒng)鎖相的基本原理是，對于頻率相同而相位不同步的兩路信號，比如A路和B路，若A路為基準(zhǔn)，B路超前（滯后）一定的相位，可以通過適當(dāng)降低（增大）B路信號的頻率來實現(xiàn)相位調(diào)整進(jìn)而鎖相，最后再把B路頻率置為原頻率值。
本系統(tǒng)中，單片機(jī)控制8254產(chǎn)生25Hz同步脈沖，同步脈沖用來復(fù)位正弦基準(zhǔn)，使基準(zhǔn)正弦波重新從零值開始。基準(zhǔn)正弦波與三角波比較產(chǎn)生SPWM波，經(jīng)逆變得到與基準(zhǔn)正弦同頻的交流輸出，因此，通過調(diào)整同步脈沖的頻率可改變正弦基準(zhǔn)的頻率，進(jìn)而可改變被調(diào)整輸出電壓的相位。要實現(xiàn)系統(tǒng)的鎖相要求，需要從機(jī)組局部電壓跟蹤主機(jī)組的局部電壓，各機(jī)組軌道電壓跟蹤本機(jī)組的局部電壓。因此，要有主從局部鎖相和局部軌道相位跟蹤兩個子程序。
鎖相的流程圖如圖3及圖4所示。首先由多路開關(guān)選擇要鎖相的兩路信號，由單片機(jī)測量相位差，并對所得相位差數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的運算和處理后，判斷有無超差。倘若相位超差，則根據(jù)超差范圍確定同步脈沖的頻率值。如果是主從局部鎖相，則應(yīng)同時改變從機(jī)組局部和軌道的同步脈沖；否則，若為局部、軌道相位跟蹤，則只改變本機(jī)組軌道的同步脈沖。通過調(diào)整同步脈沖，可實現(xiàn)相位調(diào)整。實現(xiàn)鎖相后，同步脈沖的頻率置為25Hz返回。
4抗干擾措施
由于該監(jiān)控系統(tǒng)工作于強(qiáng)電環(huán)境，很容易受到各種干擾的影響。干擾一旦串入系統(tǒng)，輕則會引起誤報，嚴(yán)重時就會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓，甚至造成重大事故。本系統(tǒng)從硬件和軟件兩方面采取了抗干擾措施，保證了監(jiān)控系統(tǒng)的可靠運行。
4.1硬件抗干擾措施
1）光電隔離在輸入和輸出通道上采用光耦合器件進(jìn)行信息傳輸，在電氣上將單片機(jī)與各種傳感器、開關(guān)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)隔離開來，可以較好地防止串模干擾。
2）加去耦電路在電源進(jìn)線端加去耦電容，削弱各類高頻干擾。
3）合理布置地線系統(tǒng)中的數(shù)字地與模擬地分開，最后在一點相連，避免了數(shù)字信號對模擬信號的干擾。
4）數(shù)字信號采用負(fù)邏輯傳輸騷擾源作用于高阻線路時易形成較大干擾，而在數(shù)字信號系統(tǒng)中，輸出低電平時內(nèi)阻要小些，因此，定義低電平為有效（使能）信號，高電平為無效信號，可減少干擾引起的誤動作，提高控制信號的可靠性。
4.2軟件抗干擾措施
1）利用可編程硬邏輯看門狗將單片機(jī)從死循環(huán)和跑飛狀態(tài)中拉出，使單片機(jī)復(fù)位。而DS80C320提供了內(nèi)部可編程硬邏輯看門狗，不須外加電路，就能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的超時復(fù)位。同時，DS80C320還為一些重要的看門狗控制位提供了訪問保護(hù)，防止單片機(jī)失控后對這些重要的控制位進(jìn)行非法操作，進(jìn)一步保證了程序的安全性。
2）對于數(shù)字信號采集，利用干擾信號多呈毛刺狀且作用時間短這一特點，多次重復(fù)采集，直到連續(xù)兩次或兩次以上采集結(jié)果完全一致才認(rèn)為有效。數(shù)字信號輸出時，重復(fù)輸出同一個數(shù)據(jù)，其重復(fù)周期盡可能短，使外部設(shè)備對干擾信號來不及作出有效反應(yīng)。
3）對模擬量的采樣和處理，采用數(shù)字濾波技術(shù)。
中國古典園林歷史悠久，造園藝術(shù)更是源遠(yuǎn)流長，早在周五王時期就有建宮苑的活動，她的形成主要受統(tǒng)治階級的思想及佛道、繪畫、詩詞的藝術(shù)影響，如在魏、晉、南北朝時期，統(tǒng)治階級爭奪激烈，國家呈分裂狀態(tài)，加之道、佛盛行的影響，產(chǎn)生了玄學(xué)，這時的士大夫，或人欲享樂，或潔身自好，或遨游山水，導(dǎo)致了自然審美觀的形成，治園特點也多為自然情趣的田園山水。
中國古典園林的構(gòu)造，主要是在自然山水基礎(chǔ)上，鋪以人工的宮，廊、樓、閣等建筑，以人工手段效仿自然，其中透視著不同歷史時期的人文思想，特別是詩、詞、繪畫的思想境界。
1.1中國古典園林的本質(zhì)特征體現(xiàn)在如下幾個方面：
1.1.1模山范水的景觀類型
地形地貌，水文地質(zhì)，鄉(xiāng)土植物等自然資源構(gòu)成的鄉(xiāng)土景觀類型，是中國古典園林的空間主體的構(gòu)成要素。鄉(xiāng)土材料的精工細(xì)做，園林景觀的意境表現(xiàn)，是中國我傳統(tǒng)的園林的主要特色之一。中國古典園林強(qiáng)調(diào)“雖由人做，宛自天開”，強(qiáng)調(diào)“源于自然而高于自然”，強(qiáng)調(diào)人對自然的認(rèn)識和感受。
1.1.2適宜人居的理想環(huán)境
追求理想的人居環(huán)境，營造健良舒適，清新宜人的小氣候條件，由于中國古代生活環(huán)境相對惡劣，中國古典園林造景都非常注重小氣候條件的改善，營造更加舒適宜人的環(huán)境，如山水的布局、植物的種植、亭廊的構(gòu)建等，無不以光影、氣流、溫度等人體舒適性的影響因子為依據(jù)，形成舒適宜人居住生活的理想環(huán)境。
1.1.3巧于因借的視域邊界
不拘泥于庭院范圍，通過借景擴(kuò)大空間視覺邊界，使園林景觀與外面的自然景觀等相聯(lián)系、相呼應(yīng)，營造整體性園林景觀。無論動觀或者靜觀都能看到美麗的景致，追求無限外延的空間視覺效果。
1.1.4循序漸進(jìn)的空間組織
動靜結(jié)合、虛實對比、承上啟下、循序漸進(jìn)、引人入勝、漸入佳境的空間組織手法和空間的曲折變化，園中園式的空間布局原則常常將園林整體分隔成許多不同形狀、不同尺度和不同個性的空間，并將形成空間的諸要素糅合在一起，參差交錯、互相掩映，將自然、山水、人文景觀等分割成若干片段，分別表現(xiàn)，使人看到空間局部交錯，以形成豐富得似乎沒有盡頭的景觀。
1.1.5小中見大的空間效果
古代造園藝術(shù)家們抓住大自然中的各種美景的典型特征提煉剪裁，把峰巒溝壑一一再現(xiàn)在小小的庭院中，在二維的園址上突出三維的空間效果?！耙杂邢廾娣e，造無限空間”?！按蟆焙汀靶 笔窍鄬Φ?，關(guān)鍵是“假自然之景，創(chuàng)山水真趣，得園林意境”。
1.1.6耐人尋味的園林文化
人們常常用山水詩、山水畫寄情山水，表達(dá)追求超脫與自然協(xié)調(diào)共生的思想和意境。古典園林中常常通過楹聯(lián)匾額、刻石、書法、藝術(shù)、文學(xué)、哲學(xué)、音樂等形式表達(dá)景觀的意境，從而使園林的構(gòu)成要素富于內(nèi)涵和景觀厚度。
2、中國古典園林走向世界
在我國古代不論是皇家苑囿或私人園林多以自己欣賞和生活，且極反映出主人的意識和價值取向，或炫耀氣勢惟我獨尊，或夸耀顯貴光宗耀祖，或避世取幽修身養(yǎng)性。這些園林的設(shè)計修建思想無一不是當(dāng)時統(tǒng)治階層的思想反映。這也進(jìn)一步鞏固了“閉關(guān)鎖國”的政策，使中國的古典園林騰達(dá)于這一時期而無法飛躍。
直到20世紀(jì)70年代末，我國實行了改革開放政策，結(jié)束了“閉關(guān)鎖國”的狀況。在這種歷史條件下，出現(xiàn)了中國的造園師在海外建造中國古典園林的想象，近30年來不斷得到發(fā)展。
中國的古典園林猶如中國傳統(tǒng)文化和歷史文化，數(shù)千年來在中華大地上孕育、生長、并發(fā)展成熟，她正以自己獨特的形式和內(nèi)涵形成自己獨特的藝術(shù)風(fēng)格，是世界藝術(shù)百花叢中一簇芬芳之花，在世界園林中獨樹一幟。
2.1我們在國外進(jìn)行造園活動大體有以下幾種方式：
2.1.1國家或地方政府的名義參加國際園藝或博覽會建園；
2.1.2中外友好省、州（縣）、友好城市之間互贈建園；
2.1.3承接國外政府、社會團(tuán)體或私人建園等；
中國的古典園林走向世界是我國的園林設(shè)計師和技術(shù)工人在新的歷史時期為宣傳、介紹中國傳統(tǒng)園林藝術(shù)，增進(jìn)中外園林界和人民之間友誼、促進(jìn)我國園林事業(yè)發(fā)展作出寶貴貢獻(xiàn)，不僅有很好的設(shè)計效益，同時也能取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。
3、中國古典園林走向世界的思考
縱觀中國古典園林海外的一些優(yōu)秀作品，不是模仿國內(nèi)哪一風(fēng)景名勝，就是各景點的精美元素拼湊、組裝在一起。希望外國人能通過一個園就能夠吸收并理解中國的園林。這種一成不變、生搬硬套的造園模式已經(jīng)滿足不了當(dāng)代人的需要。
中國古典園林已經(jīng)發(fā)展到了一個后世無法超越的程度，但是我們可以把握古典園林的精髓，在現(xiàn)有的新的歷史條件下，結(jié)合新的材料和技術(shù)，再造中國古典園林在現(xiàn)代的輝煌。
日本是在中國古典園林的基礎(chǔ)上演變出具有他們特色的枯山水園林，他們的枯山水在世界上都占有一席之地，發(fā)展得很好。中國也應(yīng)該有進(jìn)軍世界的新的改革方針去應(yīng)對世界。日本“禪”的思想領(lǐng)導(dǎo)著他們的園林，我相信，中國“人與自然的和諧”、“源于自然而高于自然”、“雖由人作，宛自天開”的思想同樣也能在新的歷史條件下發(fā)展出新的具有中國特色而又不失中國古典園林的“魂”的景觀。
4、中國古典園林進(jìn)軍世界的改革應(yīng)與全球化戰(zhàn)略融為一體
我們應(yīng)該把古典園林進(jìn)軍世界的改革與全球化戰(zhàn)略融為一體。時代的變化推動園林建設(shè)全球化，這不僅是園林發(fā)展的客觀趨勢，更是時代的要求，而在實施園林建設(shè)的全球化時，我們首先要強(qiáng)調(diào)中西方文化的差異性。在國外建設(shè)園林不能簡單的抄襲或者遷移，而是在新的條件下創(chuàng)作，既要適應(yīng)時代的需要，又要具有典型的傳統(tǒng)風(fēng)貌。例如：
4.1公園建設(shè)
在公園建設(shè)方面，我們在強(qiáng)調(diào)民族特色、地域異性的同時，適度地融入異域民族風(fēng)情，積極應(yīng)用多學(xué)科成果，必能將公園建設(shè)成具有感染力、創(chuàng)造力、風(fēng)格鮮明的''''現(xiàn)代的中國古典園林”。
4.2城市園林規(guī)劃
在城市園林規(guī)劃方面，應(yīng)整體綜合考慮，建立必要的框架，掌握延伸的角度與層次，形成人與自然和諧的共存空間，而摒棄中國古典園林的單一成體，就無法研討中國古典園林歷史與文化，其園林生命、園林生態(tài)、園林文化就不能永續(xù)發(fā)展。
因此，我們必須在園林建設(shè)中既考慮繼承傳統(tǒng)，又考慮有所創(chuàng)新。既考慮中國文化，又考慮世界發(fā)展，積極吸取中國古典園林的造園精髓，保留中國古典園林的人倫空間和“天人合一”精神，克服她老的功能缺陷和過分封閉的文化負(fù)面效應(yīng)，使用現(xiàn)代先進(jìn)的科學(xué)文化藝術(shù)，更好地將中國園林建設(shè)推向新的。
5、中國古典園林在國內(nèi)的發(fā)展
在國內(nèi)，古典園林同樣也是一切造景設(shè)計的基礎(chǔ)。近些年來，在它的基礎(chǔ)上已經(jīng)形成了多個學(xué)科交叉的新型學(xué)科，如：園林設(shè)計、環(huán)境設(shè)計、規(guī)劃設(shè)計、風(fēng)景園林設(shè)計等等，這些學(xué)科雖然名稱不一樣，但其所共同追求的“普遍和諧”的傳統(tǒng)觀念都是一樣的。古典園林中“天道與人性和諧”的一貫思想指引著他們將自然山水比德、仁智、“道發(fā)自然”為探求規(guī)律，遵循“反璞歸真”、“樸素自然”為審美標(biāo)準(zhǔn)，以自然而然的大自然才是真、善、美的。
5.1中國古典園林是現(xiàn)代園林設(shè)計的靈感之源
中國古典園林是現(xiàn)代園林設(shè)計的靈感之源，古典園林的造園思想精髓更是我們現(xiàn)代造園設(shè)計的理論基礎(chǔ)，因為一個好的園林作品并不是憑空臆造出來的，而是從“鄉(xiāng)土”中“生長”出來的，正如“一方水土養(yǎng)一方人”的道理，一方水土出一方園林景觀。
5.1.1對中國古典園林的研究是了解本土地域文化的捷徑
中國現(xiàn)代風(fēng)景園林的發(fā)展，需要本土風(fēng)景園林師的艱苦努力。中國的風(fēng)景園林師必須關(guān)注風(fēng)景園林的本土地研究，積極探索富有地域性景觀的文化特征，這樣才能設(shè)計出“土生土長”的風(fēng)景園林作品。
5.2中國古典園林面對西方思潮的沖擊需把握兩點
5.2.1開拓思路，拓展中國園林的設(shè)計領(lǐng)域
面對西方思潮的沖擊，現(xiàn)代設(shè)計師更要開拓思路，挖掘古典園林的現(xiàn)實意義，把中國的古典園林造園手法、空間布局形式、造園要素以及文化等等，應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域。
中國古典園林的發(fā)展在一定程度上起源于文人墨客及士大夫階層對于世事的感悟與態(tài)度，避世及享樂的意識促使這2個階層熱衷于構(gòu)筑“不出世既賞世”的園林形式。階層的態(tài)度導(dǎo)致其意識領(lǐng)域的開放，使其十分重視意境及韻味，對詩畫意境的追求也體現(xiàn)在造園態(tài)度上，追求“多方勝境，咫尺山林”般的境界。中國文人畫作的特點在于寫意，與西方寫實相比，更多地表達(dá)了一種超脫原貌的精神，這種“開高軒以臨山，列綺窗而瞰江”的情懷在園林中的體現(xiàn)，成為了中國園林的特點——源于自然，高于自然，雖由人作，宛自天開。通過各種身心的感受營造整體環(huán)境，來更進(jìn)一步感受這種自然之美，如拙政園中的留聽閣（取意留得殘荷聽雨聲）和聽雨軒（取意雨打芭蕉），留園中的雪香云蔚亭（來源于味覺的感受）等。
1.2形式的表達(dá)
中國古典園林的一大魅力在于其獨立性及不可復(fù)制性，留存至今的不論是皇家園林還是私家園林都有其各自的特點，根據(jù)造園的目的、造園人的心性及造園立意的不同，各自擁有獨一無二的風(fēng)格特色。如網(wǎng)師園精巧幽深、典雅隱逸的宋代園林；拙政園平淡疏朗、曠遠(yuǎn)明瑟的明代風(fēng)格；留園布置精巧、奇石眾多的清代風(fēng)格。
1.3空間的利用
園林中的不同空間布局與利用呈現(xiàn)出園林之間迥然不同的風(fēng)格。如同借由空間的豐富組成形式，在園林整體環(huán)境構(gòu)成中產(chǎn)生引導(dǎo)的作用，廊的運用常具有明顯的引導(dǎo)意味，將人們引致某個特定景物的所在地。又如利用地形的起伏，在整體垂直立面空間中增強(qiáng)韻律感，亭、廊和榭在立面空間中此起彼伏，再利用建筑本身的輪廓線造成水平面上視覺的疊加，極富變化容易留下深刻的印象。再者景物虛與實使得空間滲透效果十分顯著。利用障景、漏景，隔景等手段進(jìn)行分隔空間的處理，在分隔的同時又使其相互連接和滲透。在密集的景物中產(chǎn)生豐富的變化，曲折幽深卻又不顯閉塞。
2古典園林建筑類型
隨著園林的逐漸發(fā)展興起，人們對于建筑的要求已經(jīng)不僅僅局限于住房，在這樣的形式下產(chǎn)生了類型豐富的建筑，如堂、廳、樓、閣、館、軒、齋、榭、舫、亭、廊、橋等。人們賦予了每一種建筑形式不同的內(nèi)容加以區(qū)分各自的功能。例如，堂，一般是一家之長的居住地，也可作為家庭舉行慶典的場所；樓，一般用作臥室、書房或用來觀賞風(fēng)景，本身也可作一景；榭，一般都是在水邊筑平臺，用以觀賞為主，又可作休息的場所；亭，體積小巧，造型別致，供人休息、避雨。屋頂?shù)男问蕉嘧?、類型豐富是古典園林建筑的一大特色，各種屋頂運用不同，表現(xiàn)的效果也不同。例如，廡殿頂因其造型大氣和裝飾精巧多見于皇家及寺觀園林；歇山頂因其屋脊靈巧富于變化在園林建筑中最為常見；硬山頂樣式簡單，是人字形屋頂?shù)囊环N；懸山頂形式較為多變，也是人字形屋頂?shù)囊环N；卷棚頂線條較為平緩，緩和建筑的聳立感；攢尖頂因其靈活輕巧多用于體量較小的建筑，平面形式多樣。在這些屋頂形式的基礎(chǔ)上，造園者又在屋頂上加蓋一層，形成重檐，較于單檐屋頂更顯莊重大氣，二者的組合搭配提升了建筑的可觀性。
3現(xiàn)代園林中對古典元素的運用
現(xiàn)今的園林建設(shè)涵蓋的范圍越來越廣，但不論在哪種形式的園林形式中，古典園林的應(yīng)用已經(jīng)成為不可或缺的一部分。住宅區(qū)、公園及街道綠化中，幾乎都可以看到其中包含的中國古典園林元素，如仿古建的亭臺、牌坊等，但在這些古典元素的運用中很大一部分沒有美感和協(xié)調(diào)感。
3.1“疏忽”的意境
中國古典園林對于國人的吸引力在于古人的風(fēng)骨情操和對意境的追求，園林不僅僅是庭院和建筑，更是一種處世的態(tài)度和對情感的抒發(fā)?，F(xiàn)代園林中的古典園林要素僅留于表面形式，疏于空間格局規(guī)劃布置，遺漏園林建筑的的構(gòu)造技藝。造園者的意圖已經(jīng)不再以景喻情、思境相偕，更多的是迎合實際住宿和游玩的美觀需求。這種本因精神與自然欲求而產(chǎn)生的古典園林，現(xiàn)在已經(jīng)僅僅成為人們對古人安逸生活的猜測和向往，在現(xiàn)代園林中的出現(xiàn)也只是一種祭奠和懷念。
2古典園林的營造手法
2.1崇尚自然
中式園林講究崇尚自然，講究的是把人工美與自然美整合到一起，達(dá)到水融之境界。讓觀者欣賞到“天人合一”佳作的同時，感受到建造師們對自然的崇尚。要做到此點，務(wù)必要協(xié)調(diào)好建筑與自然景觀之間的主次關(guān)系，使園林在時間與空間上實現(xiàn)完美地銜接，既可以體現(xiàn)出中國古典園林的淡泊與含蓄，又可以讓世人看到四季不同的風(fēng)姿，自內(nèi)心深處開始崇尚自然。
2.2移步異景
對中國古代園林與建筑的處理，關(guān)鍵是空間上的藝術(shù)處理。尤其是江南，基本都是私家園林，面積是有限的，要想讓此園林呈現(xiàn)出秩序井然、視野開闊的藝術(shù)效果，要借助于多種多樣的組景方法，比如蘇州的“拙政園”，其設(shè)計的經(jīng)典就在于借用了“北寺塔”之景。北寺塔高聳而美麗，輝映在“遠(yuǎn)香堂”到“倚玉軒”再到“凌波曲橋”之間，讓觀者感受到無限生機(jī)，難免心生敬意。此外，憑借著添景、漏景等絕妙的設(shè)計手法，讓傳統(tǒng)園林美不盛收，置身其中，移步異景時，感受到它的妙趣橫生。
2.3筑山理池
俗話說得好，山有脈即貴，水有源則貴。實現(xiàn)了脈源融匯貫通，就會滿園生動起來。古代園林師們，就是從自然的山石之中提煉出了形態(tài)，并將其神韻融于園林山石當(dāng)中，使其自成一景。水體是除山石外的一個重要自然元素之一，園中無水便不成園。在傳統(tǒng)園林建筑中，組景離不開山石、植物、建筑的相互組合，才能達(dá)到詩情畫意的效果。2.4植物配置中國古典園林植物配置，講究因地制宜，且取法自然，使花草依然可以展現(xiàn)出人性化的內(nèi)涵。在配置時，務(wù)必要講究三美：色彩美、姿態(tài)美、香味美。通過自然的色澤、優(yōu)美的姿態(tài)、迷人的花香來展示園林的清幽、自然。讓植物豐富園林的建筑，為其增添了諸多生機(jī)，比如蘇州拙政園的“聽雨軒”，就是借助于琵琶、殘荷，實現(xiàn)了與建筑的遙相呼應(yīng)，人們聽到風(fēng)雨拍打琵琶、殘荷的聲音，即刻會感受到園內(nèi)充滿了生機(jī)，享受到大自然般恬靜。
3古典園林空間營造手法在當(dāng)今景觀設(shè)計中的應(yīng)用
當(dāng)代人的審美標(biāo)準(zhǔn)隨著時代的發(fā)展而發(fā)生了變化，對于園林的建筑，既要美麗實用，還得功能齊全，所以傳統(tǒng)的中式園林建筑再也無法直接指導(dǎo)當(dāng)代園林建筑了?？墒牵爬蠄@林的構(gòu)成元素———山石和水體等還是必不可少的，還有些借景等設(shè)計方法依然會被當(dāng)代園林的設(shè)計建造者們所借鑒。當(dāng)代園林設(shè)計者追求的是簡潔、合乎目的，注重的是功能和使用，這與傳統(tǒng)園林注重觀賞性，強(qiáng)調(diào)裝飾性是完全不同的。當(dāng)代的造園思想先進(jìn)了不少，其設(shè)計方法也豐富了許多。不但要講究視線上的合理，還要進(jìn)行明確的空間劃分，要的就是美觀實用，這一切都體現(xiàn)出了傳統(tǒng)園林的時代延續(xù)性。由此可以看出，“新中式”風(fēng)格貫穿于現(xiàn)代園林的建造之中，在設(shè)計與建筑中體現(xiàn)出來的時代潮流、傳統(tǒng)文化與現(xiàn)代時尚元素完美結(jié)合，融入其中的現(xiàn)代設(shè)計語言等均屬于“新中式”的特征。以蘇州博物館新館為例，來感受“新中式”的風(fēng)采，此建筑為現(xiàn)代與傳統(tǒng)、美學(xué)與功能完美整合的典范，它的“白墻黑瓦”與周圍的環(huán)境協(xié)調(diào)相映，又把中庭的粉墻、假山背景同曲折蜿蜒的廊橋、周圍建筑，巧妙地組合在一起，宛若一幅出塵脫俗的水墨畫。多邊形的漏窗設(shè)計被運用于建筑的內(nèi)部之中，巧妙地把室外的美景拖到了室內(nèi)，使建筑不再受空間的限制。不管是建筑的形態(tài)，還是色彩的搭配，新館的設(shè)計師們都尊重傳統(tǒng)和歷史，采用新的材料，運用了新的思維，卻詮釋了古典園林的詩情畫意，并且借助于古典園林的設(shè)計方法，結(jié)合現(xiàn)代的時尚元素，實現(xiàn)了拙政園與新館的完美過渡。
半導(dǎo)體制冷器（TEC）是以帕爾貼效應(yīng)為基礎(chǔ)研制而成，其最基礎(chǔ)的元件是利用一只P型半導(dǎo)體和一只N型半導(dǎo)體連成的熱電偶。當(dāng)通電后在兩個接頭處就會產(chǎn)生溫差，電流從N流向P，形成制冷面；電流從P流向N，形成制熱面。若干組熱電偶對串聯(lián)就構(gòu)成了一個簡單的半導(dǎo)體制冷器。在制冷面或制熱面增加一個熱交換器就可以完成半導(dǎo)體制冷器與外界環(huán)境的能量交換。
1.2半導(dǎo)體激光器溫控電路設(shè)計
1.2.1半導(dǎo)體激光溫控電路原理
高穩(wěn)半導(dǎo)體激光器一般都有內(nèi)置半導(dǎo)體熱電制冷器（TEC）和溫度傳感器等相關(guān)的溫控元件來保證激光器管芯溫度可控。半導(dǎo)體激光器內(nèi)置溫控系統(tǒng)基本工作原理如圖1所示。將溫度傳感器（常用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻）與激光器管芯安置在同一熱沉上，起到實時監(jiān)測激光管芯溫度的作用。在常溫25℃時（在25℃時激光器的整體性能最為優(yōu)良），通過調(diào)節(jié)由R1和R2組成的電阻網(wǎng)絡(luò)可以設(shè)定比較器的參考電壓值，在這里稱之為基準(zhǔn)電壓。以25℃為參照，若LD管芯溫度相對升高，則熱敏電阻的阻值變小，比較器的負(fù)輸入端電壓相對變小，輸出電壓也隨著變化。TEC驅(qū)動源將驅(qū)使電流從N型半導(dǎo)體流向P型半導(dǎo)體形成制冷面，實現(xiàn)對LD管芯進(jìn)行制冷。若LD管芯溫度相對降低，則熱敏電阻的阻值變大，比較器的輸入電壓相對變大，輸出電壓也隨著變化，TEC驅(qū)動源將驅(qū)使電流從P型半導(dǎo)體流向N型半導(dǎo)體，形成制熱面，實現(xiàn)對LD管芯制熱。
1.2.2TEC驅(qū)動源類型
半導(dǎo)體激光器的溫度控制系統(tǒng)需要滿足溫度控制精度高、響應(yīng)速度快且穩(wěn)定性高的要求，同時要能實現(xiàn)制冷和制熱雙向控制，以適應(yīng)外界溫度變化和半導(dǎo)體激光器本身工作條件變化。一般情況下，TEC驅(qū)動源按驅(qū)動工作模式可以分為線性工作模式和脈寬調(diào)制工作模式（PWM）兩種類型。TEC驅(qū)動源線性工作原理：通過控制三極管的開關(guān)狀態(tài)可以控制驅(qū)動TEC的電流大小和方向，這種驅(qū)動方式的效率一般低于50%，需要為三極管提供良好的導(dǎo)熱通道，且有控溫“死區(qū)”。但這種模式有噪聲低和可靠性高等優(yōu)點。TEC驅(qū)動源脈寬調(diào)制（PWM）工作原理：在PWM方式下，三極管工作在飽和狀態(tài)，而不是線性區(qū)域，只有當(dāng)需要向負(fù)載供電時才導(dǎo)通。電路通過4個三極管來控制電流的方向和大小，電路結(jié)構(gòu)呈H橋型。PWM方法可以有效地提高效率和降低功率部件的熱量，工作效率一般大于80%，能實現(xiàn)無“死區(qū)”溫控。但這種模式有著噪聲高和可靠性低等缺點。兩種驅(qū)動源在實際使用中各有利弊，具體采用何種驅(qū)動方式需要根據(jù)實際情況來最終確定。
2航天高穩(wěn)激光源溫控電路設(shè)計方案
2.1MAX1968功能及其特點
MAX1968是MAXIM公司研制生產(chǎn)的一款高度集成具有紋波噪聲抑制功能的脈寬調(diào)制TEC驅(qū)動芯片，調(diào)制頻率為500kHz/1MHz；單電源供電，供電電壓范圍為3~5.5V；能夠?qū)崿F(xiàn)最大3A雙向TEC驅(qū)動電流，完成對LD管芯的制冷或制熱。MAXIM公司研制生產(chǎn)的MAX1968芯片具有體積小、效率高、價格低和可實現(xiàn)雙向無死區(qū)溫控等優(yōu)點，但也存在封裝材料簡單（塑料器件）和工作溫度范圍較窄等缺陷。
2.2MAX1968芯片設(shè)計電路及失效分析
2.2.1MAX1968芯片設(shè)計電路分析
MAX1968芯片資料有應(yīng)用芯片電路推薦，從推薦電路應(yīng)用方案來看，電路的設(shè)計在濾波、抑制紋波噪聲、LC濾波諧振電路等都做了詳細(xì)的考慮。在COMP引腳與GND之間焊接了0.01μF的電容，確保電流控制環(huán)的穩(wěn)定工作。FREQ引腳接高電位，即內(nèi)部振蕩器的開關(guān)頻率選擇為1MHz，這樣可以減小電容和電感值。按芯片資料推薦電路搭建芯片電路，將芯片使能引腳（SHDN）直接連接高電位，即當(dāng)MAX1968芯片上電后芯片就需要工作，根據(jù)CTLI引腳的電壓輸入情況判斷TEC需要制冷或制熱，并立即實施。在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)，在給該溫控電路上電瞬間，時有MAX1968失效的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為電源輸出電流急劇增大。
2.2.2MAX1968芯片失效分析
用立體顯微鏡、金相顯微鏡和晶體管特性圖示儀等儀器對兩只失效的MAX1968芯片進(jìn)行了詳細(xì)分析，失效的情況完全相同，都是芯片的第5、6端之間以及第23、24端之間存在異常電應(yīng)力，導(dǎo)致這幾端之間的鋁條燒壞短路所致。使用晶體管特性曲線圖示儀對這兩塊芯片進(jìn)行引腳間特性測試，發(fā)現(xiàn)兩電路第6、8、10端（LX2）與第5、7端（PGND2）之間短路，第19、21、23端（LX1）與第22、24端（PGND1）之間短路。第9端（PVDD2）與第5、7端（PGND2）之間未見短路現(xiàn)象。將這兩塊芯片進(jìn)行開蓋，在開蓋過程中，由于內(nèi)部芯片尺寸較大，電路個別引腳經(jīng)腐蝕后脫落，但經(jīng)測試，短路現(xiàn)象依然存在，未破壞原始失效現(xiàn)象。在金相顯微鏡下，對兩塊芯片表面進(jìn)行仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)兩塊芯片第5、6端以及第23、24端之間存在燒毀現(xiàn)象，如圖2所示。芯片為多層金屬化結(jié)構(gòu)，從燒毀形貌分析，可能是下層鋁條燒毀后，導(dǎo)致上層鋁條燒毀短路。由于兩塊芯片失效現(xiàn)象一致，因此可以排除器件偶然缺陷導(dǎo)致失效的可能，應(yīng)該是芯片失效與外部異常電應(yīng)力導(dǎo)致內(nèi)部場效應(yīng)管擊穿。
2.3航天高穩(wěn)激光源溫控電路設(shè)計方案
2.3.1完善MAX1968芯片電路設(shè)計
通過上述分析，結(jié)合芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和TEC驅(qū)動源脈寬調(diào)制（PWM）工作原理，我們基本能判斷是芯片內(nèi)部燒毀的通道發(fā)生在場效應(yīng)管上。在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，芯片失效是一個慢性漸變的過程，可以用14引腳（OS2）、15引腳（OS1）分別與GND的阻抗R和R'來表征，隨著上電次數(shù)逐漸增多，R和R'的阻值從開始的兆歐數(shù)量級慢性漸變到歐數(shù)量級，并最終失效。失效的原因認(rèn)為是MAX1968芯片上電后，芯片就根據(jù)CTLI引腳電壓輸入情況判斷TEC需要制冷或制熱，并立即進(jìn)行工作，上述過程在上電的一瞬間就會完成。這種輸入與輸出同時實施勢必會導(dǎo)致芯片內(nèi)部有大的紋波電壓或大電流產(chǎn)生，因發(fā)熱而導(dǎo)致芯片失效。通過完善MAX1968芯片電路設(shè)計，在MAX1968的使能引腳中引入了毫秒級的延時，致使MAX1968芯片完成加電后再實施輸出工作。具體新的設(shè)計電路方案如圖3所示。通過大量的試驗證明阻抗R和R'的阻值不衰退，這說明對MAX1968芯片電路的完善是有效的。
2.3.2MAX1968新設(shè)計方案電路試驗驗證
根據(jù)完善電路特性搭建了對電路性能驗證比較的試驗平臺，試驗的基本思路是讓兩種電路（完善前和完善后）在帶同樣負(fù)載的情況下，分別對完善電路和未完善電路進(jìn)行上下電連續(xù)沖擊，上、下電頻率同為13Hz，如圖4所示。在兩組電路的驗證中，完善之前的設(shè)計電路在經(jīng)過約32min之后電源輸出電流突然增大，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)MAX1968芯片已經(jīng)失效。完善之后的設(shè)計電路在經(jīng)過28天之后，測試MAX1968芯片的電性能依舊正常。由此可見對MAX1968設(shè)計電路的完善是有效的。
2.3.3航天高穩(wěn)激光源溫控電路設(shè)計工程驗證
航天高穩(wěn)激光源溫控電路，在某項航天測試（包括振動、沖擊、熱循環(huán)和熱真空等試驗）中各項指標(biāo)都正常，最終順利完成了航天相關(guān)試驗。
1工業(yè)技術(shù)植入園藝作物生產(chǎn)，實現(xiàn)了設(shè)施園藝生產(chǎn)的自動化
工業(yè)技術(shù)植入園藝作物生產(chǎn)之中，使設(shè)施園藝賦予了工廠化農(nóng)業(yè)的內(nèi)涵，成為工業(yè)化大體系不可分割的部分。溫室生產(chǎn)的高投入、高產(chǎn)出、高效率管理模式要求應(yīng)用大量的高新技術(shù)，當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的科技成果(如機(jī)器人技術(shù)等)不斷運用于溫室園藝配套裝備之中，已取得初步成果。國外發(fā)達(dá)國家一直致力于把自動化技術(shù)應(yīng)用于園藝作物的耕種、施肥、灌溉、病蟲害防治、收獲以及農(nóng)產(chǎn)品加工、儲藏、保鮮的全過程，可以根據(jù)作物生長發(fā)育的特點，創(chuàng)造最適宜的溫室環(huán)境條件，基本擺脫了外界環(huán)境條件對作物生產(chǎn)的影響，實現(xiàn)了作物周年生產(chǎn)和均衡上市。目前，這種自動控制技術(shù)逐步向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展［31］。20世紀(jì)70年代以來，發(fā)達(dá)國家的設(shè)施園藝已具備了設(shè)施設(shè)備完善、生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范、產(chǎn)量穩(wěn)定和產(chǎn)品質(zhì)量安全性強(qiáng)等特點，并且已形成了溫室制造、生產(chǎn)資料配套、產(chǎn)品生產(chǎn)、物流等為一體的設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)體系。目前，日本、美國、荷蘭、以色列、韓國、英國開發(fā)出的耕耘、移栽、施肥、噴藥、蔬菜嫁接、蔬菜水果采摘、育苗移栽、苗盤覆土消毒等機(jī)器人裝備相對比較成熟，可用于設(shè)施園藝生產(chǎn)。溫室園藝機(jī)器人的使用，不僅大幅提高勞動生產(chǎn)率，改善設(shè)施生產(chǎn)勞動環(huán)境，而且保證了作業(yè)的一致性和均一性［32］。日本、韓國等國研究開發(fā)了多種設(shè)施園藝耕作機(jī)具、播種育苗裝備、灌水施肥裝備以及自動嫁接裝備等，提高了溫室管理水平和勞動生產(chǎn)率;荷蘭研制溫室屋面清洗機(jī)械裝置，用于清洗屋面灰塵，大幅度提高了溫室的透光率［33－34］。另外，荷蘭還開發(fā)出自動通風(fēng)窗開閉、溫濕度調(diào)節(jié)裝置，被越來越多的溫室采用。發(fā)達(dá)國家在設(shè)施園藝產(chǎn)品的采收和后加工過程中，廣泛使用包裝機(jī)具、高效運輸裝置、盆花轉(zhuǎn)運機(jī)械、快速分級系統(tǒng)等設(shè)備，提高了園藝農(nóng)產(chǎn)品的商品性，如荷蘭采運、包裝設(shè)備能同時實現(xiàn)10～20個不同花卉品種的自動分類，X射線可用于分辨盆花莖干的長度和葉色［35］。
2高新技術(shù)在設(shè)施園藝中的應(yīng)用，推動了設(shè)施園藝向“植物工廠”方向發(fā)展
無土栽培、計算機(jī)技術(shù)、生物技術(shù)、產(chǎn)品采后處理、新能源利用等高新技術(shù)在設(shè)施園藝中的應(yīng)用，使設(shè)施園藝逐步向“植物工廠”方向發(fā)展。在美國、日本、英國、奧地利、丹麥等國都建有高度自動化的“植物工廠”，可用來生產(chǎn)蔬菜、花卉和果樹，并且一些高附加值的作物如香料、工業(yè)原料植物、藥用植物、食用菌等也采用“植物工廠”進(jìn)行生產(chǎn)。目前，“植物工廠”主要用于生菜、菠菜、萵苣、三葉芹、番茄等蔬菜作物的生產(chǎn)，由于充分利用空間，實現(xiàn)立體多層種植，單位面積的栽培效率可提高數(shù)倍。如日本在“植物工廠”內(nèi)利用無土栽培技術(shù)和環(huán)境自動調(diào)控技術(shù)，一年內(nèi)可多茬栽培生菜和菠菜，收獲期比露地縮短一半時間，產(chǎn)量可達(dá)180kg•m－2左右，為露地栽培的30倍以上［26］。此外，隨著人類對太空探索的日益增多，太空農(nóng)業(yè)成為研究的熱點，美國宇航局(NASA)在國際空間站上探索“植物工廠”技術(shù)，目前已在綠豆、菜豆和馬鈴薯等作物上獲得了成功。
3無土栽培技術(shù)的應(yīng)用使設(shè)施園藝發(fā)生了巨大變革
20世紀(jì)20年代末，無土栽培技術(shù)開始應(yīng)用于設(shè)施作物生產(chǎn)，使設(shè)施栽培技術(shù)產(chǎn)生了一次大的變革。無土栽培打破了作物生產(chǎn)的空間和地域限制，可以在不適合作物生長的荒漠戈壁、灘涂地、海島、鹽堿地、高寒地、陽臺屋頂甚至太空進(jìn)行作物生產(chǎn);無土栽培改變了設(shè)施栽培的傳統(tǒng)種植方式，采用營養(yǎng)液或有機(jī)基質(zhì)進(jìn)行作物生產(chǎn)，可以有效避免設(shè)施土壤連作障礙，生產(chǎn)出清潔安全的園藝產(chǎn)品，并且具有省水、省肥、省工等優(yōu)勢，從而成為栽培學(xué)領(lǐng)域飛速發(fā)展的一門新技術(shù);無土栽培可加速作物生長，提高產(chǎn)量和品質(zhì)，一般果菜類蔬菜水培的產(chǎn)量為土壤栽培的數(shù)倍甚至數(shù)十倍，如番茄營養(yǎng)液栽培年產(chǎn)量最高的可達(dá)到75kg•m－2，極大提高了園藝作物的生產(chǎn)效率。20世紀(jì)70年代初，美國已有400hm2溫室采用無土栽培技術(shù)生產(chǎn)黃瓜、番茄等。目前，在發(fā)達(dá)國家的設(shè)施園藝生產(chǎn)中，無土栽培占溫室總面積的比例荷蘭超過70%，加拿大超過50%，比利時達(dá)50%，美、日、英、法等國的無土栽培面積達(dá)到250～400hm2［36－37］。歐共體明確規(guī)定，所有歐共體國家溫室作物生產(chǎn)要全部實現(xiàn)無土栽培。
4節(jié)能、環(huán)保的理念貫穿于設(shè)施園藝生產(chǎn)之中
設(shè)施園藝是一種高能源消耗、高成本投入、高效率產(chǎn)出的生產(chǎn)方式，其中溫室的能源消耗占運行成本的比例較高，減少能耗、提高能源利用效率是設(shè)施園藝發(fā)達(dá)國家開展節(jié)能工作的普遍做法。隨著能源危機(jī)的不斷加劇，節(jié)能設(shè)備已成為溫室裝備研究和開發(fā)的熱點之一，而人工補(bǔ)光裝置是溫室耗能最多的設(shè)備之一。日本、荷蘭、美國等積極探索溫室新型補(bǔ)光光源LED的研究。LED冷光源在滿足作物光合作用需求的條件下，與傳統(tǒng)鈉燈相比具有高光效、長壽等特點，節(jié)省能耗達(dá)50%以上［38－39］。近年來，由于中東局勢不穩(wěn)定導(dǎo)致能源緊張、CO2排放的限制以及《京都議定書》的執(zhí)行等原因，歐美發(fā)達(dá)國家已將節(jié)能技術(shù)作為溫室領(lǐng)域最重要的研究課題。目前在設(shè)施園藝節(jié)能新材料、新技術(shù)和新能源的研究中，主要傾向于對太陽能和儲熱材料的有效利用。其中，溫室相變儲熱技術(shù)就是最具發(fā)展前景的節(jié)能技術(shù)之一［40］，美國和日本等國使用氯化鈣、硫酸鈉、聚乙二醇和石蠟等相變材料作為墻體儲熱、地下儲熱和室內(nèi)外聯(lián)合儲熱系統(tǒng)，試驗證明是可行的儲熱方法，但其工藝和儲放熱效率等尚需進(jìn)一步改進(jìn)［41－42］。一些國家利用淺層地?zé)?，在夏季通過把低溫冷水源抽到地上，用于溫室降溫，經(jīng)過熱交換的熱量回流到地下，冬季把高溫?zé)崴闯樯蟻?，只需要稍微加溫就可以用于溫室增溫?3］。另外，通過對溫室覆蓋材料內(nèi)側(cè)進(jìn)行鍍膜處理，能夠有效阻止長波向室外輻射，減少了熱損耗，可以實現(xiàn)節(jié)能25%以上。在多余能量回收和利用方面，荷蘭瓦赫寧根大學(xué)通過覆蓋多層光譜選擇性吸收的金屬材料(SOL-MOXHilite，荷蘭)和絕緣塑料薄膜(Ebiral，美國)，研制成一種高效降溫－高品位能量產(chǎn)生組合系統(tǒng)，并應(yīng)用于生產(chǎn)［44］。該技術(shù)在高溫季節(jié)，可以反射作物光合作用不需要的近紅外光(NIR)，減輕溫室的高熱負(fù)荷，而收集反射的能量直接或間接地轉(zhuǎn)化成電能，用于溫室降溫的能耗;荷蘭溫室通過在玻璃表面噴灑白色涂層，減少夏季進(jìn)入溫室的太陽輻射量，達(dá)到降溫目的;通過改進(jìn)溫室通風(fēng)窗口的數(shù)量、尺寸、傳動方式以及開啟的角度也能夠使溫室達(dá)到較理想的降溫效果。發(fā)達(dá)國家在發(fā)展設(shè)施園藝過程中，把保護(hù)環(huán)境作為前提條件。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著人們對生態(tài)環(huán)境保護(hù)和食品安全的日益關(guān)注，歐美發(fā)達(dá)國家在探索溫室能源高效利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面進(jìn)行了大量的研究工作，研制開發(fā)出一系列適合于溫室安全生產(chǎn)的環(huán)境友好型新技術(shù)。營養(yǎng)液無土栽培技術(shù)在現(xiàn)代溫室生產(chǎn)中被廣泛使用，然而，大量營養(yǎng)液的廢棄給環(huán)境帶來巨大的壓力。歐盟普遍采用營養(yǎng)液閉路循環(huán)系統(tǒng)，通過對營養(yǎng)液的回收、過濾、消毒等措施，實現(xiàn)節(jié)水21%、節(jié)肥34%，提高營養(yǎng)液利用效率，同時大幅度地減少營養(yǎng)液外排污染水源和土壤。在溫室病蟲害防治方面，開展以生物防治、生態(tài)防治和物理防治相結(jié)合的綜合防治技術(shù)的研究與應(yīng)用［45］。目前，荷蘭在溫室生物和生態(tài)防治綜合利用方面處于世界領(lǐng)先地位，如Koppert公司通過釋放天敵昆蟲，能夠?qū)υO(shè)施蔬菜主要害蟲達(dá)到良好的防治效果，如粉虱天敵漿角蚜、斑潛蠅天敵潛蠅姬小蜂、蚜蟲天敵食蚜癭蚊［46］，目前這些害蟲的天敵已基本實現(xiàn)了商品化。為了提高溫室番茄、甜椒等蔬菜作物的質(zhì)量，禁止使用化學(xué)生長激素，荷蘭研制馴化出取代傳統(tǒng)振蕩授粉的雄蜂授粉，這種授粉方式效率高，并且能使作物產(chǎn)量提高20%左右。以色列開發(fā)出太陽能殺滅溫室土壤病蟲害新技術(shù)，把灌溉系統(tǒng)安置在翻耕的土壤中，鋪上一層薄薄的透明塑料膜，經(jīng)過夏季高溫處理，可殺死地表30cm土壤層中90%～100%的細(xì)菌、真菌以及線形蠕蟲等。統(tǒng)計分析表明，太陽消毒法可提高設(shè)施番茄、洋蔥、土豆等農(nóng)作物產(chǎn)量25%～432%。在新型栽培基質(zhì)開發(fā)利用方面，加拿大、以色列、英國等國研制出替代草炭、巖棉的無土栽培生態(tài)型基質(zhì)，形成與其相配套的設(shè)施蔬菜低碳栽培技術(shù)體系［47］。目前，低成本、環(huán)保型無土栽培基質(zhì)研發(fā)已取得重大進(jìn)展，并逐步走向產(chǎn)業(yè)化、商品化。
5信息化技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于設(shè)施園藝作物周年生產(chǎn)之中
隨著微型計算機(jī)、傳感器及單片機(jī)技術(shù)的運用，溫室環(huán)境控制智能化、網(wǎng)絡(luò)化管理技術(shù)得到較快的發(fā)展。設(shè)施園藝發(fā)達(dá)國家研發(fā)作物自動化生產(chǎn)管理和環(huán)境智能化控制體系，從育苗、定植、栽培、施肥、灌溉等過程全部實現(xiàn)自動化運作，溫室環(huán)境如溫度、光照、濕度、水分、營養(yǎng)、CO2濃度等綜合環(huán)境因子全部實現(xiàn)計算機(jī)智能監(jiān)控。隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，溫室網(wǎng)絡(luò)化管理技術(shù)也得到了較快的發(fā)展。美國、日本、荷蘭研發(fā)出一種基于控制器局域網(wǎng)總線(CAN)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的控制系統(tǒng)，能夠?qū)厥覂?nèi)空氣溫濕度、土壤溫濕度以及光照等參數(shù)進(jìn)行自動采集，同時控制風(fēng)機(jī)、暖氣、水泵等溫室環(huán)境調(diào)控設(shè)備，使溫室環(huán)境達(dá)到農(nóng)作物生長的最佳環(huán)境［48］。通過研究溫室作物生長發(fā)育與環(huán)境、營養(yǎng)之間的定量關(guān)系，建立作物生長發(fā)育信息化模型，開發(fā)出適合不同作物生長發(fā)育的溫室控制、咨詢及管理專家系統(tǒng)。以色列和荷蘭開發(fā)出番茄和黃瓜等蔬菜作物生育模型和專家系統(tǒng)，包括適用于整枝方式、栽培密度、針對天氣和植株生育狀況的環(huán)境指標(biāo)、不同生育階段的水肥指標(biāo)、病蟲害預(yù)防和控制技術(shù)等。荷蘭瓦赫寧根大學(xué)通過將作物管理模型與環(huán)境控制模型相結(jié)合，實現(xiàn)溫室環(huán)境的智能化管理，大幅度降低了溫室系統(tǒng)能耗和運行成本。日本千葉大學(xué)利用遙感遙測、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊控制策略等智能控制技術(shù)，對農(nóng)產(chǎn)品從產(chǎn)地生長、采收驗收、加工、自檢自控等所有過程的數(shù)據(jù)、信息、圖像都實現(xiàn)了信息化管理［49］。
6注重溫室作物專用品種的選育及其配套技術(shù)的研發(fā)
現(xiàn)代農(nóng)業(yè)競爭的核心是品種，重視溫室栽培作物專用品種的選育是設(shè)施園藝發(fā)達(dá)國家保持溫室產(chǎn)業(yè)世界競爭力的重要手段。這些國家在搜集保存本國種質(zhì)資源的同時，還十分重視國外種質(zhì)資源的搜集、交換和引進(jìn)，如以色列通過搜集和引進(jìn)國外花卉、蔬菜、果樹品種在設(shè)施內(nèi)進(jìn)行微咸水灌溉，通過遺傳改良、馴化，培育出適合于本國溫室生產(chǎn)的專有設(shè)施園藝品種。近年來，設(shè)施園藝發(fā)達(dá)國家越來越關(guān)注設(shè)施作物新品種的外觀品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)、耐貯運等性狀的選育，如以色列選育出一種根據(jù)客戶對體積和色澤要求的無籽西瓜新品種;荷蘭種苗公司開發(fā)出一些富含鈣質(zhì)、維生素且熱量低的“減肥蔬菜”，高氨基酸含量的“營養(yǎng)蔬菜”，具有觀賞價值的“花卉蔬菜”等新品種。一些生物技術(shù)被廣泛用于溫室作物新品種的選育，包括細(xì)胞組織培養(yǎng)、體細(xì)胞雜交、原生質(zhì)體融合、遺傳標(biāo)記、轉(zhuǎn)基因等技術(shù)，在茄子、番茄、甜椒、黃瓜及葉用萵苣等蔬菜作物上培育出一大批優(yōu)良品種，如德國馬普育種研究所將人工合成的吲哚基醋酸基因轉(zhuǎn)入茄子，使冬種茄子與夏種的一樣優(yōu)質(zhì);荷蘭育成的抗蟲蔬菜品種可以大幅度減少蔬菜生產(chǎn)中農(nóng)藥的使用量，既降低了蔬菜產(chǎn)品農(nóng)藥的殘留，也降低了蔬菜生產(chǎn)的成本。此外，在開發(fā)和選育設(shè)施作物新品種的基礎(chǔ)上，歐美發(fā)達(dá)國家非常注重溫室新品種配套栽培技術(shù)的研究和開發(fā)，選育的新品種普遍采用工廠化育苗體系、高效安全生產(chǎn)技術(shù)體系和無土栽培技術(shù)，利用高新技術(shù)使環(huán)境因子與栽培模式的規(guī)范完美結(jié)合，為作物生長提供最佳的環(huán)境，保證高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)［50－51］。
國外設(shè)施園藝發(fā)展趨勢分析
1設(shè)施環(huán)境調(diào)控自動化與設(shè)施園藝作業(yè)機(jī)械化程度不斷提高
發(fā)達(dá)國家從事農(nóng)業(yè)人員較少，加上勞動力成本較高，設(shè)施園藝生產(chǎn)中非常注重管理水平和勞動生產(chǎn)率的提高，從溫室耕作、作物栽培、生長管理、產(chǎn)品采收、包裝和運輸?shù)冗^程全部實現(xiàn)機(jī)械化控制，溫室內(nèi)溫度、光照、濕度等環(huán)境調(diào)節(jié)全部由計算機(jī)監(jiān)控和自動化調(diào)控。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)將會廣泛應(yīng)用于設(shè)施園藝的生產(chǎn)，實現(xiàn)溫室作業(yè)精確、高效及省力化。
2溫室日趨大型化，環(huán)境調(diào)控趨于智能化
大型溫室設(shè)施具有投資省、土地利用率高、便于實行機(jī)械化自動管理、實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)、室內(nèi)環(huán)境相對穩(wěn)定的優(yōu)點，因此，設(shè)施園藝發(fā)達(dá)的國家如荷蘭、加拿大等溫室逐漸向大型化方向發(fā)展;溫室園藝的核心是能夠?qū)υO(shè)施內(nèi)栽培環(huán)境進(jìn)行有效地控制，創(chuàng)造出適于作物生育的最佳環(huán)境條件，因此，未來的人工智能控制系統(tǒng)不僅要做到栽培環(huán)境全自動控制，還要與市場、氣象站、種苗公司、病蟲害測報等相連接，進(jìn)行產(chǎn)量、產(chǎn)值的預(yù)測，為生產(chǎn)者提供更為廣泛的信息情報和確切的決策依據(jù)。
3設(shè)施作物品種更加豐富，市場服務(wù)體系更加完善
愈發(fā)重視設(shè)施作物專用品種的選育，為設(shè)施園藝生產(chǎn)提供專用的耐低溫、高溫、弱光、高濕，具有多種抗性、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的種苗。種苗公司作為品種選育的主體，在種質(zhì)資源、育苗設(shè)備方面具有強(qiáng)大的優(yōu)勢，能夠依據(jù)市場需求開發(fā)設(shè)施栽培所需專用品種，并對設(shè)施園藝產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后提供技術(shù)支持和市場信息化服務(wù)。
4無土栽培成為現(xiàn)代設(shè)施園藝的主要栽培形式
