西門子6ES7355-0VH10-0AE0通訊模組

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高效工程組態(tài)成就高效自動化

】LED顯示屏用電源的設計
林建偉，李震
西安普聲電信有限責任公司，陜西西安710043
1引言
   LED顯示屏是一種迅速發(fā)展起來的新型信息顯示媒體。隨著我國經濟的不斷發(fā)展,已被廣泛應用于車站、賓館、銀行、醫(yī)院等公共場合。顯示屏電源是其重要組成部分，主要用來給顯示屏發(fā)光二極管提供必要的工作電流，保證屏體正常顯示。為簡單起見，通常采用由一小功率電源帶3到4個顯示驅動板的供電方案。這樣,一個較大面積的顯示屏需要配接許多電源模塊，例如一個2m×1.5m的屏體，就需要提供24個5V/20A的模塊電源。該設計存在以下的缺點。
   1）接線復雜每一個電源均需單獨地配置交流輸入線、直流輸出線。
   2）電源冗余度差在大多數情況下，屏體顯示內容為文字、動畫、圖片，每個顯示驅動板消耗的電流不一樣，可能某些電源模塊過載，而另一些模塊空載。此外，若某一電源失效，會造成屏體的一部分黑屏。
   3）電源過載能力差，利用率低屏體在工作時消耗的電流隨畫面的內容、顏色、亮度而變化，大部分時間電流較小，而大面積高亮度的畫面雖消耗電流大，但持續(xù)時間短?？紤]到LED是恒流驅動的，只要驅動板可正常工作，供電電壓可以降低一些。電源有下拖形狀的限流特性，而不是通常的較陡峭形狀的限流特性，以保證有較好的過載能力、較高的利用率。
   考慮到以上各點，提出新的供電方案如下：
   1）集中供電，采用n＋1冗余方案。西門子6ES7355-0VH10-0AE0通訊模組
   2）電源模塊設計適當的輸出電流，模塊可均流。保證屏體裝配工藝易實現n＋1冗余。
   3）電源模塊有下拖形狀的限流特性以保證有較好的過載能力、較高的利用率。
   4）電源模塊有扁平的外形，自然散熱，易于在屏體上安裝，并利用屏體散熱。
   5）電源模塊帶APFC，減小對電網的干擾，適應電網的波動。
2電路設計
   采用集中供電方案可避免分散供電的缺點，但要求電源的可靠性更高，否則電源一旦失效會造成整屏的黑屏，而不是部分黑屏。提高電源可靠性的zui積極的辦法為提高變換效率，減少發(fā)熱量，同時選用可靠性高的線路與器件。
2．1AC/DC電路設計
   傳統(tǒng)的AC/DC全波整流電路采用的是整流＋電容濾波電路。這種電路是一種非線性器件和儲能元件的組合，輸入交流電壓的波形是正弦的，但輸入電流的波形發(fā)生了嚴重的畸變，呈脈沖狀。由此產生的諧波電流對電網有危害作用，使電源輸入功率因素下降。在本設計中整流電路部分采用有源功率因數校正電路(APFC),避免了上述缺點。其電路如圖1所示。

   與典型PFC主電路不同的是此電路選用了無損吸收緩沖網絡。該網絡降低了開關管的開關損耗,提高了其穩(wěn)定性,增強了其使用壽命。它利用一組無源元件,使開關管實現了零電流開通和零電壓關斷，提高了電源的工作效率,且相對于其它諧振軟開關電路，降低了生產成本。
   下面通過分析PFC主開關Q的工作過程來說明此無損吸收緩沖網絡的工作原理。
   1）Q導通時，因為電感 L2中電流不能突變，且C2、C1電壓不能突變，Q中的的電流從零開始增加,緩慢上升。通過 D4的電流iD4漸減。Q實現零電流開通，導通的損耗較小。
   2）當電流iD4減少為零時，D4進入反向恢復狀態(tài)，通過電感 L2的電流iL2=iL1＋irD4。D4反向電流irD4的變化率受到電感 L2的控制，反向恢復損耗降低。
   3）主電感L2中電流緩慢增加，Q上的電壓 uQ下降。電容C2通過D2、C1、L2、Q放電 ,C2上的電壓uC2下降。
   4）當uC2下降為零時,C2中的能量*轉向 C1、L2。L2中的電流飽和不變，uQ下降變?yōu)榱?，Q完成零電流開通過程。
   5）Q保持開通狀態(tài),與普通PFC電路的開關管狀態(tài)相同。
   6）Q關斷時，L2中的電流 iL2通過D1流向C2，C2從零開始充電，Q實現零電壓關斷，關斷損耗較小。二極管 D2、D3使uC2zui終鉗位在輸出電壓VL。
   7）L2在導通時存儲的能量通過 D1、D2流向C1，L2逐漸復位。當 L2復位后，C1中的能量通過D3輸出。
   8）當C1兩端電壓變?yōu)榱銜r， D4正向導通。Q完成零電壓關斷過程。
   9）Q保持關斷狀態(tài)直到開始進入新的開關循環(huán)過程。
   Q的開關波形如圖2所示;Q的實測導通時間和關斷時間如圖3所示。（電源負載22A）
   從以上分析可知此無損吸收網絡具有以下幾個特點。
   1）Q的zui大工作電壓等于輸出電壓 VL。
   2）PFC電路的輸出二極管D4的耐壓是 VL與電感L2的反向電壓之和。
   3）Q中的電流上升率，即Q的開通損耗決定于電感 L2兩端電壓和L2的電感量。
   4）Q兩端的電壓上升率，即Q的關斷損耗決定于流過電容 C2的電流和C2的容量。
   5）由于開關動作引起的存儲在 L2和C2中的能量zui終都輸出給了負載，保證了轉換器的工作效率。
2．2DC/DC主電路設計
   DC/DC主電路采用單端雙正激電路。單端雙正激電路相對于其它拓撲電路結構，開關管承受電壓低，在控制電路設計中不必擔心共態(tài)導通問題，也不會因電路不對稱發(fā)生高頻變壓器單向偏磁，即不存在變壓器飽和問題，是一種可靠性較高的電路?？紤]到整機的高度不超過60mm，以及變壓器工藝、安裝、散熱的要求，DC/DC變換采用雙變壓器、雙輸出電感結構。變壓器原邊并聯(lián)，副邊各自用一個輸出電感，如圖4所示。
   該電路的無損吸收網絡不同于AC/DC部分電路所采用的無損吸收網絡。它僅使開關管完成了零電壓關斷過程。以下以開關 Q2為例（Q1與Q2變化狀態(tài)相同），簡述該網絡的工作原理。

   1）導通過程
   Q1、Q2開通時，除一路電流通過 Q1、T1副邊、Q2外，另一路電流流過 Q1、C5
L7、D10、C7、 Q2形成LC振蕩回路，C5、C7被充電。當A與B點之間的電壓uAB等于主電路電壓VDC時，由于 D10的單向導電性，振蕩結束。電感L7起限制 C7、C5中的電流變化的作用。Q1、 Q2中流過的電流為從副邊折算到原邊的負載電流與C5、C7充電電流之和。
   2）關斷過程
   Q1、Q2關斷時，由于B點對地電壓為零，C7從零開始充電， Q2對地電壓uQ2緩慢上升，Q2零電壓關斷。加在 Q2上的電壓因二極管D15的鉗位作用，zui終為VDC。因此，B點電壓升為VDC。 Q2實現零電壓關斷過程。
   由于變壓器勵磁電感、漏感及引線寄生電感所引起的感應電勢的能量通過 C7、D14返回電源，Q2上的電壓維持在VDC直到變壓器原邊磁通復位。此時， Q1、Q2上的電壓分別為VDC/2直到新的工作周期。
   Q2的開通期間與關斷期間的狀態(tài)與普通開關管同期間的狀態(tài)相同。
   圖5為實測Q2開關波形。圖6為實測 Q2零電壓關斷波形。
   從以上分析中,可以總結出以下特點。
   1）電路中每個開關管的zui大工作電壓等于電源電壓。
   2）Q1、Q2關斷的電壓上升率分別決定于電容 C5、C7的容量。
2．3控制電路設計
   為保證電源安全可靠地工作，電路設計中采用TOP224Y制作一反激式開關電源作為輔助源，如圖7所示。其兩路輸出分別為AC/DC部分和DC/DC部分的控制電路供電。

   AC/DC控制部分使用PFC控制芯片UC3854B。交流輸入過、欠壓、PFC變換直流電壓（400V）過、欠壓時都關閉UC3854，使PFC部分停止工作。這些故障信號通過隔離光耦傳遞到DC/DC控制電路，以達到在AC/DC部分工作不正常時保護主開關管的目的。
   DC/DC控制部分使用了PWM控制芯片UC3846，采用峰值電流型控制模式。峰值電流型控制模式相對于電壓控制模式，負載響應速率快，具有逐脈沖限流特性，容易獲得下拖形狀的限流特性，非常適合在此應用。
   n＋1冗余應用時，多模塊必須有均流功能。該電源輸出電流較大，直接從DC輸出用分流器取電流
   信號功率損耗較大，同時裝配工藝較復雜。因此，本設計采取了原邊電流合成的方法。
   用電流傳感器取出開關管導通時變壓器原邊的電流信號。該信號包含了變壓器的勵磁電流信號與輸出電感電流折算到變壓器原邊的電流信號。因輸出電感折算到原邊的電流遠大于變壓器的勵磁電流，所以可認為電流傳感器取出的即為輸出電感的充磁電流。這是輸出電感電流的上升部分，只要模擬出輸出電感續(xù)流時的下降部分，合成后即可得到輸出電感的電流信號，也為輸出電流信號。取出該合成后的電流信號后就可用于電流保護的控制與均流控制上了。
   如圖8所示，把電流傳感器取出的電流信號經高速單向緩沖后向一電容充電。開關管導通時關閉恒流源，而開關管關斷時打開恒流源對電容恒流放電。在選擇合適的電路參數后，電容上的電壓波形就與輸出電感上的電流成比例，放大后就可得到輸出電感電流，也即輸出電流。

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高效工程組態(tài)成就高效自動化

雖然國內外LED顯示屏發(fā)展已有不短的時間了，但還是沒有形成統(tǒng)一行業(yè)標準，當客戶一個LED顯示屏項目完成的時候僅能憑經驗和外觀來判斷是否可以驗收，在這里，有著多年安裝LED顯示屏經驗的繪芯技術人員為大家講解簡單辨別電源的優(yōu)劣方法，希望能給大家?guī)韼椭?        在本次講解之中，為能讓大家更好掌握關于LED顯示屏電源知識，我們將加入選擇電源產品的注意事項、電源的未來發(fā)展趨勢等內容。
LED顯示屏電源外觀

LED顯示屏電源外觀（不同的廠商，外觀也盡不相同）
一、簡單方法辨別電源的優(yōu)劣
        雖然一般顯示屏廠商對電源產品都能提出一些要求，但是由于電源廠商過多，許多不的電源產品充斥其中，讓消費者難以辨別真?zhèn)蝺?yōu)劣。為此，有業(yè)內人士給出了幾點建議：
       1、看外觀工藝。一個好的電源廠家，其對作工工藝也是非常嚴格的，因為這樣才能保障產品的批量*性。一個不負責任的廠家，生產的電源其外觀，錫面，元件的排列整齊度不會好。
       2、滿載效率。電源的效率是zui重要的一個指標，效率高的電源能量轉換率高，這樣既附合節(jié)能環(huán)保的要求，又能實實在在的能為用戶省電省錢。
       3、恒壓電源的輸出電壓紋波大。紋波的大小對用電設備的壽命有非常大的影響，紋波越小越好。第四，電源工作時的溫升。溫升影響電源的穩(wěn)定性及壽命，溫升越低越好溫升。另外從效率方面也可看出，一般效率高溫升會小。

LED顯示屏電源內部結構（不同的廠商，內部也盡不相同）
二、選擇電源產品的注意事項
       由于LED顯示屏產品的屬性，在播放視頻或畫面時通常會產生瞬間變化的電流，這就對LED電源提出了較為嚴格的要求。通常，為了保證顯示屏畫面的正常播出，需要對電源產品預留一定的余量。一般意義上來講，余量預留的越多，電源產品的性能越穩(wěn)定，壽命越長，但是，這樣一來就增加了電源 產品的成本，太多的余量預留也容易造成浪費。當前，業(yè)界的LED顯示屏電源一般都是預留20%——30%的余量。
       那么，除了電源余量預留的指標，在選擇電源產品時還需要注意其他幾個方面。首先，為了使電源供應器的壽命增長，建議選用多30%輸出功率額定的機型。例如若系統(tǒng)需要一個100W的電源，則建議挑選大于130W輸出功率額定的機型，以此類推可有效提升電源供應器的壽命。其次，需要考慮電源供應器的工作環(huán)境溫度，及有無額外的輔助散熱設備，在過高的環(huán)溫電源供應器需減額輸出。再次，根據應用場選擇各項功能的電源，如保護功能：過電壓保護、過溫度保護、過負載保護等；應用功能：信號功能、遙控功能、遙測功能、并聯(lián)功能等； 特殊功能：功因矯正（PFC）、不斷電（UPS）。
三、電源的未來發(fā)展趨勢
       未來，LED顯示屏還會朝著高清、節(jié)能、智能化等方向發(fā)展，電源產品也會有更多的新的技術突破?？傊?，面積越來越小、重量越來越輕、體積越來越薄、性能越來越高、智能化控制越來越凸顯將會是LED顯示屏電源的未來發(fā)展趨勢。
      看完了上面的內容，希望能給大家在選購LED顯示屏電源的時候有所幫助，更希望在LED顯示屏技術不斷發(fā)展的未來選擇到合適自己使用的電源。
一臺觸摸屏，其工作極不穩(wěn)定，有時能正常點擊，有時卻無反應。
[故障分析處理]
針對這種現象，應著重檢查各接線接口是否出現松動，串口及中斷號是否有沖今天人類的生活片刻也離不開機器。與機器的和平共處比任何時候都更顯重要。而要做到這一點，人與機器的交流必須通暢無阻。設計zui精巧的人機界面裝置能夠讓人根本感覺不到是它賦予了人巨大的力量－此時人與機器的界線*消融，人與技術合為一體。以下是10種產品被專家們認為是s世紀zui偉大的人機界面裝置。
 擴音器
擴音器的問世使得人們不僅在乘坐地鐵或去郊外遠足時能夠欣賞自己喜愛的音樂和廣播節(jié)目，而且還能聆聽以電子手段保存下來的早已與世長辭的人的聲音以及大自然中根本不存在的種種奇妙聲音。在電影院里，擴音器所營造的聲的世界將觀眾們帶入一個想象的世界。擴音器亦是本世紀所有具有個性魅力的公眾人物與大眾溝通的重要工具。
擴音器是1915年發(fā)明的，從那以后一代又一代的技術人員為它的完善做出了不懈的努力。今天，隨著錄音設備和存儲技術的飛速發(fā)展，用美國*擴音設備生產企業(yè)Bose公司研究員威廉·R·舒特的話說，擴音器“反而成為家庭音響系統(tǒng)中zui薄弱的一環(huán)”。他說：每當我在家中欣賞音樂的時候，根本沒有辦法做到想象自己是坐在音樂廳里。擴音技術還做不到這一點，原因何在，尚不得而知。
按鍵式
按鍵式業(yè)務是美國電報公司在1963年11月正式開通的。幾乎所有初次接觸按鍵式的人都認為它遠勝于轉盤式。貝爾實驗室的研究人員為使這種新產品為人們所接納，真可謂絞盡腦汁。他們實驗了16種按鍵排列方式，交叉式的，圓盤式的，不一而足。他們還在機的大小、形狀、按鍵的間距、彈性甚至與手指尖接觸的部位的外形上作了大量的文章。
節(jié)省撥號時間只是按鍵式的設計初衷之一，實際上從一開始技術專家就抱著一個把新式機設計成一種遙控數據輸入設備的目的。正是從這一設計思想出發(fā)，研究人員在1968年又在鍵盤上增加了“＊”鍵和“＃”鍵。雖然研究人員的部分設計思想－如通過機來控制家用電器的開關－迄今尚未實現，但是按鍵式畢竟開創(chuàng)了語音數據通信的新時代。
 方向盤
zui初的汽車是用舵來控制駕駛的。舵不能說不好，但是它會把汽車行駛中產生的劇烈振動傳導給駕駛者，增加其控制方向的難度。當發(fā)動機被改為安裝在車頭部位之后，由于重量的增加，駕駛員根本沒有辦法再用車舵來駕駛汽車了。方向盤這種新設計便應運而生，它在駕駛員與車輪之間引入的齒輪系統(tǒng)操作靈活，很好地隔絕了來自道路的劇烈振動。不僅如此，好的方向盤系統(tǒng)還能為駕駛者帶來一種與道路親密無間的感受。
但是zui初設計方向盤的人沒有能夠預見到在汽車車速越來越快的今天，一旦發(fā)生車禍，方向盤卻成了造成駕駛員喪命的罪魁禍首。五十年代，不帶方向盤的概念型汽車相繼問世，可是消費者對這種汽車一點也不感興趣。畢竟，沒有方向盤的汽車根本就不成其為汽車。
 
今天在許多場合我們都會用到，如在食堂就餐，在商場購物，乘公共汽車，打，進入管制區(qū)域等等，不一而足。在西方，人們遺失了之后，往往擔心的不是里的現金，而是各種用途的。
 70年代早期，帶有磁條的在美國問世，*的提高了購物時的驗證效率，一下子便受到零售商的青睞。美國的行業(yè)因此進入一個高速增*。有人問，目前陸陸續(xù)續(xù)問世的各種“智能卡”會不會取代呢？專家認為暫時是不會的。他們指出，芯片型的智能卡只適用于某些特定的領域，與并不發(fā)生沖突，更何況取代的終端設備投放代價高昂，誰也不會愿意這么做的。
交通指揮燈

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人機界面（Human Machine Interaction，簡稱HMI），又稱用戶界面或使用者界面，是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，是計算機系統(tǒng)的重要組成部分。是系統(tǒng)和用戶之間進行交互和信息交換的媒介，它實現信息的內部形式與人類可以接受形式之間的轉換。凡參與人機信息交流的領域都存在著人機界面。
人機界面是指人和機器在信息交換和功能上接觸或互相影響的領域或稱界面所說人機結合面，
嵌入式人機界面
嵌入式人機界面
信息交換，功能接觸或互相影響，指人和機器的硬接觸和軟觸，此結合面不僅包括點線面的直接接觸，還包括遠距離的信息傳遞與控制的作用空間。人機結合面是人機系統(tǒng)中的中心一環(huán)節(jié)，主要由安全工程學的分支學科安全人機工程學去研究和提出解決的依據，并過安全工程設備工程學，安全管理工程學以及安全系統(tǒng)工程學去研究具體的解決方法手段措施安全人機學。它實現信息的內部形式與人類可以接受形式之間的轉換。凡參與人機信息交流的領域都存在著人機界面。大量運用在工業(yè)與商業(yè)上，簡單的區(qū)分為“輸入”（Input）與“輸出”（Output）兩種，輸入指的是由人來進行機械或設備的操作，如把手、開關、門、指令（命令）的下達或保養(yǎng)維護等，而輸出指的是由機械或設備發(fā)出來的通知，如故障、警告、操作說明提示等，好的人機接口會幫助使用者更簡單、更正確、更迅速的操作機械，也能使機械發(fā)揮zui大的效能并延長使用壽命，而市面上所指的人機接口則多界狹義的指在軟件人性化的操作接口上。
特定行業(yè)的人機界面可能有特定的定義和分類，比如工業(yè)人機界面（Industrial Human-machine Interface或簡稱Industrial HMI）。
人機交互、人機互動（，簡寫HCI，又稱用戶界面或使用者界面）：是一門研究系統(tǒng)與用戶之間的互動關系的學問。系統(tǒng)可以是各種各樣的機器，也可以是計算機化的系統(tǒng)和軟件。人機交互界面通常是指用戶可見的部分。用戶通過人機交互界面與系統(tǒng)交流，并進行操作。小如收音機的播放按鍵，大至飛機上的儀表板、或是發(fā)電廠的控制室。
人機交互（Human-Computer Interaction，簡寫HCI）：是研究關于設計、評價和實現供人們使用的交互計算系統(tǒng)以及有關這些現象進行研究的科學。
人機交互與人機界面是兩個有著緊密而又不盡相同的概念。
人機交互與人機界面的關系：
人機交互是指人與機器的交互，本質上是人與計算機的交互。或者從更廣泛的角度理解：人機交互是指人與含有計算機的機器的交互。具體來說，人機交互用戶與含有計算機機器之間的雙向通信，以一定的符號和
液晶屏被用作人機界面顯示器
動作來實現，如擊鍵，移動鼠標，顯示屏幕上的符號/圖形等。這個過程包括幾個子過程：識別交互對象-理解交互對象-把握對象情態(tài)-信息適應與反饋等；而人機界面是指用戶與含有計算機的機器系統(tǒng)之間的通信媒體或手段，是人機雙向信息交互的支持軟件和硬件。這里界面定義為通信的媒體或手段，它的物化體現是有關的支持
人機界面用液晶屏
人機界面用液晶屏
軟件和硬件，如帶有鼠標的圖形顯示終端等。
交互是人與機-環(huán)境作用關系/狀況的一種描述。界面是人與機-環(huán)境發(fā)生交互關系的具體表達形式。交互是實現信息傳達的情境刻畫，而界面是實現交互的手段。在交互設計子系統(tǒng)中，交互是內容/靈魂，界面是形式/肉體；然而在大的產品設計系統(tǒng)中，交互和界面，都只是解決人機關系的一種手段，不是zui終目的，其zui終目的是解決和滿足人的需求。
交互設計是從屬于產品系統(tǒng)的，是對成功的產品設計的一種強有力的支持與完善。
如果利用系統(tǒng)論的觀點，交互設計是從屬于產品設計系統(tǒng)的子系統(tǒng)。
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擴音器是1915年發(fā)明的，從那以后一代又一代的技術人員為它的完善做出了不懈的努力。今天，隨著錄音設備和存儲技術的飛速發(fā)展，用美國*擴音設備生產企業(yè)Bose公司研究員威廉·R·舒特的話說，擴音器“反而成為家庭音響系統(tǒng)中zui薄弱的一環(huán)”。他說：每當我在家中欣賞音樂的時候，根本沒有辦法做到想象自己是坐在音樂廳里。擴音技術還做不到這一點，原因何在，尚不得而知。
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zui初的汽車是用舵來控制駕駛的。舵不能說不好，但是它會把汽車行駛中產生的劇烈振動傳導給駕駛者，增加其控制方向的難度。當發(fā)動機被改為安裝在車頭部位之后，由于重量的增加，駕駛員根本沒有辦法再用車舵來駕駛汽車了。方向盤這種新設計便應運而生，它在駕駛員與車輪之間引入的齒輪系統(tǒng)操作靈活，很好地隔絕了來自道路的劇烈振動。不僅如此，好的方向盤系統(tǒng)還能為駕駛者帶來一種與道路親密無間的感受。
但是zui初設計方向盤的人沒有能夠預見到在汽車車速越來越快的今天，一旦發(fā)生車禍，方向盤卻成了造成駕駛員喪命的罪魁禍首。五十年代，不帶方向盤的概念型汽車相繼問世，可是消費者對這種汽車一點也不感興趣。畢竟，沒有方向盤的汽車根本就不成其為汽車。
 
今天在許多場合我們都會用到，如在食堂就餐，在商場購物，乘公共汽車，打，進入管制區(qū)域等等，不一而足。在西方，人們遺失了之后，往往擔心的不是里的現金，而是各種用途的。
 70年代早期，帶有磁條的在美國問世，*的提高了購物時的驗證效率，一下子便受到零售商的青睞。美國行業(yè)因此進入一個高速增*。有人問，目前陸陸續(xù)續(xù)問世的各種“智能卡”會不會取代呢？專家認為暫時是不會的。他們指出，芯片型的智能卡只適用于某些特定的領域，與并不發(fā)生沖突，更何況取代的終端設備投放代價高昂，誰也不會愿意這么做的。
交通指揮燈