時間：2023-04-24 17:36:46
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TOPSwithⅡ
TheWayofQuickDesignforSinglechipSwitchingPowerSupplyAbctract:Threeendssinglechipswitchingpowersupplyisnewtypeswitchingpowersupplycorewhichhasbeenpopularsince1990.Thispaperintroducesquickdesignforsinglechipswitchingpowersupply.
Keywords:Singlechipswitchingpowersupply,Quickdesign,TopswithⅡ
在設計開關電源時，首先面臨的問題是如何選擇合適的單片開關電源芯片，既能滿足要求，又不因選型不當而造成資源的浪費。然而，這并非易事。原因之一是單片開關電源現已形成四大系列、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，不僅要知道設計的輸出功率PO，還必須預先確定開關電源的效率η和芯片的功率損耗PD，而后兩個特征參數只有在設計安裝好開關電源時才能測出來，在設計之前它們是未知的。
下面重點介紹利用TOPSwitch－II系列單片開關電源的功率損耗（PD）與電源效率（η）、輸出功率（PO）關系曲線，快速選擇芯片的方法，可圓滿解決上述難題。在設計前，只要根據預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電源型號及功率損耗值，這不僅簡化了設計，還為選擇散熱器提
η/％(Uimin=85V)
中圖法分類號：TN86文獻標識碼：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的關系曲線
圖2寬范圍輸入且輸出為12V時PD與η，PO的關系曲線
圖3固定輸入且輸出為5V時PD與η，PO的關系曲線
供了依據。
1TOPSwitch－II的PD與η、PO關系曲線
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的關系曲線
TOP221～TOP227系列單片開關電源在寬范圍輸入（85V～265V）的條件下，當UO=＋5V或者＋12V時，PD與η、PO的關系曲線分別如圖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。圖中的橫坐標代表輸出功率PO，縱坐標表示電源效率η。所畫出的7條實線分別對應于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的關系曲線
TOP221～TOP227系列在固定交流輸入（230V±15％）條件下，當UO=＋5V或＋12V時，PD與η、PO的關系曲線分別如圖3、圖4所示。這兩個曲線族對于208V、220V、240V也同樣適用。現假定Uimin=195V,Uimax=265V。
2正確選擇TOPSwitch－II芯片的方法
利用上述關系曲線迅速確定TOPSwitch－II芯片型號的設計程序如下：
（1）首先確定哪一幅曲線圖適用。例如，當Ui=85V～265V，UO=＋5V時，應選擇圖1。而當Ui=220V(即230V－230V×4.3％)，UO=＋12V時，就只能選圖4；
（2）然后在橫坐標上找出欲設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。進而還可求出芯片的結溫（Tj）以確定散熱片的大?。?/p>
（5）最后轉入電路設計階段，包括高頻變壓器設計，元器件參數的選擇等。
下面將通過3個典型設計實例加以說明。
例1：設計輸出為5V、300W的通用開關電源
通用開關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，由縱坐標上查出該點的η=71.2％，最后從經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％的效率指標偏低，還可繼續往上查找TOP225的實線。同理，選擇TOP225也能輸出30W功率，而預期的電源效率將提高到75％，芯片功耗降至1.7W。
根據所得到的PD值，進而可完成散熱片設計。這是因為在設計前對所用芯片功耗做出的估計是完全可信的。
例2：設計交流固定輸入230V±15％，輸出為直流12V、30W開關電源。
圖4固定輸入且輸出為12V時PD與η，PO的關系曲線
η/％(Uimin=195V)
圖5寬范圍輸入時K與Uimin′的關系
圖6固定輸入時K與Uimin′的關系
根據已知條件，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的結溫
這里講的結溫是指管芯溫度Tj。假定已知從結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)、環境溫度為TA。再從相關曲線圖中查出PD值，即可用下式求出芯片的結溫：
Tj=PD·RθA＋TA(1)
舉例說明，TOP225的設計功耗為1.7W，RθA=20℃/W，TA=40℃，代入式（1）中得到Tj=74℃。設計時必須保證，在最高環境溫度TAM下，芯片結溫Tj低于100℃，才能使開關電源長期正常工作。
3根據輸出功率比來修正等效輸出功率等參數
3．1修正方法
如上所述，PD與η，PO的關系曲線均對交流輸入電壓最小值作了限制。圖1和圖2規定的Uimin=85V，而圖3與圖4規定Uimin=195V（即230V－230V×15％）。若交流輸入電壓最小值不符合上述規定，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′所對應的輸入功率PO′，折算成Uimin為規定值時的等效功率PO，才能使用上述4圖。折算系數亦稱輸出功率比（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，圖中的橫坐標僅標出Ui在低端的電壓范圍。
（2）當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Uimin′（3）設初級電壓為UOR，其典型值為135V。但在Uimin′<85V時，受TOPSwitch－II調節占空比能力的限制，UOR會按線性規律降低UOR′。此時折算系數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電壓值。
現將對輸出功率進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，然后根據已知的Uimin′值查出折算系數K。
（2）將PO′折算成Uimin為規定值時的等效功率PO，有公式
PO=PO′/K（2）
（3）最后從圖1～圖4中選取適用的關系曲線，并根據PO值查出合適的芯片型號以及η、PD參數值。
下面通過一個典型的實例來說明修正方法。
例4：設計12V，35W的通用開關電源
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PO值，從圖2上查出最佳選擇應是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相關參數的修正及選擇
（1）修正初級電感量
在使用TOPSwitch－II系列設計開關電源時，高頻變壓器以及相關元件參數的典型情況見表1，這些數值可做為初選值。當Uimin′LP′=KLP（3）
查表1可知，使用TOP224時，LP=1475μH。當K=1.15時，LP′=1.15×1475=1696μH。
表2光耦合器參數隨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
光敏三極管的發射極電流IE（mA）3.55.0
【關鍵詞】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
電子設備都離不開可靠的電源，進入80年代計算機電源全面實現了開關電源化，率先完成計算機的電源換代，進入90年代開關電源相繼進入各種電子、電器設備領域，程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開關電源，更促進了開關電源技術的迅速發展。
1.1開關電源的基本原理
開關電源就是采用功率半導體器件作為開關元件，通過周期性通斷開關，控制開關元件的占空比調整輸出電壓，開關電源的基本構成如圖1-1所示，DC-DC變換器是進行功率變換的器件，是開關電源的核心部件，此外還有啟動電路、過流與過壓保護電路、噪聲濾波器等組成部分。反饋回路檢測其輸出電壓，并與基準電壓比較，其誤差通過誤差放大器進行放大，控制脈寬調制電路，再經過驅動電路控制半導體開關的通斷時間，從而調整輸出電壓。
1.2開關電源與線性電源的比較
是先將交流電經過變壓器變壓，再經過整流電路整流濾波得到未穩定的直流電壓，要達到高精度的直流電壓，必須經過電壓反饋調整輸出電壓。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大，而且電壓反饋電路是工作在線性狀態，調整管上有一定的電壓降，在輸出較大工作電流時，致使調整管的功耗太大，轉換效率低，還要安裝很大的散熱片。這種電源不適合計算機等設備的需要，將逐步被開關電源所取代。
1.3開關電源的發展與應用
當前,開關電源新技術產品正在向以下"四化"的方向發展:應用技術的高頻化;硬件結構的模塊化;軟件控制的數字化;產品性能的綠色化。由此,新一代開關電源產品的技術含量大大提高,使之更加可靠、成熟、經濟、實用。
開關電源高頻化是其發展的方向，高頻化使開關電源小型化，并使開關電源進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了高新技術產品的小型化、輕便化。
近年,有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去,構成了"智能化"功率模塊(IPM),這樣縮小了整機的體積,方便了整機設計和制造。為了提高系統的可靠性,有些制造商開發了"用戶專用"功率模塊(ASPM),它把一臺整機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的引線相連,這樣的模塊經過嚴格、合理的、熱、電、機械方面的設計,達到優化完善的境地。
開關電源是一種采用開關方式控制的直流穩定電源,它以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用于以電子計算機為主導的各種終端設備、通信設備等幾乎所有的電子設備,是當今電子信息產業飛速發展不可缺少的一種電源方式。而當我們把開關電源的研究擴大到可調高電壓、大電流時,以及將研究新技術應用于DC/AC變換器,即開拓了大功率應用領域,又使開關電源的應用范圍擴大到了從發電廠設備至家用電器的所有應用電力、電子技術的電氣工程領域。作為節能、節材、自動化、智能化、機電一體化的基礎的開關電源,它的產品展現了廣闊的市場前景。例如,發電廠的貯能發電設備、直流輸電系統、動態無功補償、機車牽引、交直流電機傳動、不停電電源、汽車電子化、開關電源、中高頻感應加熱設備以及電視、通訊、辦公自動化設備等。
1.4開關電源當前存在的問題
當我們對該技術進行深入研究后卻發現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：采用定頻調寬的控制方式來設計電源，都以輸出功率最大時所需的續流時間為依據來預留開關截止時間的，則負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；"反峰電壓"是開關導通期間存入高頻變壓器的勵磁能量在開關關斷時的一種表現，而勵磁能量只能在、也必須在開關關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"控制方法不具備這一條件；高頻變壓器的磁通復位問題；傳統的電流取樣方法是在功率回路中串聯電阻，效率不高，這個問題向來是電源技術，尤其是以小體積、高功率密度見長的開關電源技術發展的"瓶頸"；高頻開關電源的并聯同步輸出問題。
以上的問題看似彼此獨立，其實它們之間存在著一定的關聯性解決這些問題，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導電性的元件例如二極管、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
在設計開關電源時，首先面臨的問題是如何選擇合適的單片開關電源芯片，既能滿足要求，又不因選型不當而造成資源的浪費。然而，這并非易事。原因之一是單片開關電源現已形成四大系列、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，不僅要知道設計的輸出功率PO，還必須預先確定開關電源的效率η和芯片的功率損耗PD，而后兩個特征參數只有在設計安裝好開關電源時才能測出來，在設計之前它們是未知的。
下面重點介紹利用TOPSwitch－II系列單片開關電源的功率損耗（PD）與電源效率（η）、輸出功率（PO）關系曲線，快速選擇芯片的方法，可圓滿解決上述難題。在設計前，只要根據預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電源型號及功率損耗值，這不僅簡化了設計，還為選擇散熱器提
η/％(Uimin=85V)
中圖法分類號：TN86文獻標識碼：A文章編碼：02192713(2000)0948805
PO/W
供了依據。
1TOPSwitch－II的PD與η、PO關系曲線
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的關系曲線
TOP221～TOP227系列單片開關電源在寬范圍輸入（85V～265V）的條件下，當UO=＋5V或者＋12V時，PD與η、PO的關系曲線分別如圖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。圖中的橫坐標代表輸出功率PO，縱坐標表示電源效率η。所畫出的7條實線分別對應于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的關系曲線
TOP221～TOP227系列在固定交流輸入（230V±15％）條件下，當UO=＋5V或＋12V時，PD與η、PO的關系曲線分別如圖3、圖4所示。這兩個曲線族對于208V、220V、240V也同樣適用?，F假定Uimin=195V,Uimax=265V。
2正確選擇TOPSwitch－II芯片的方法
利用上述關系曲線迅速確定TOPSwitch－II芯片型號的設計程序如下：
（1）首先確定哪一幅曲線圖適用。例如，當Ui=85V～265V，UO=＋5V時，應選擇圖1。而當Ui=220V(即230V－230V×4.3％)，UO=＋12V時，就只能選圖4；
（2）然后在橫坐標上找出欲設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。進而還可求出芯片的結溫（Tj）以確定散熱片的大小；
（5）最后轉入電路設計階段，包括高頻變壓器設計，元器件參數的選擇等。
下面將通過3個典型設計實例加以說明。
例1：設計輸出為5V、300W的通用開關電源
通用開關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，由縱坐標上查出該點的η=71.2％，最后從經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％的效率指標偏低，還可繼續往上查找TOP225的實線。同理，選擇TOP225也能輸出30W功率，而預期的電源效率將提高到75％，芯片功耗降至1.7W。
根據所得到的PD值，進而可完成散熱片設計。這是因為在設計前對所用芯片功耗做出的估計是完全可信的。
根據已知條件，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的結溫
這里講的結溫是指管芯溫度Tj。假定已知從結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)、環境溫度為TA。再從相關曲線圖中查出PD值，即可用下式求出芯片的結溫：
Tj=PD·RθA＋TA(1)
舉例說明，TOP225的設計功耗為1.7W，RθA=20℃/W，TA=40℃，代入式（1）中得到Tj=74℃。設計時必須保證，在最高環境溫度TAM下，芯片結溫Tj低于100℃，才能使開關電源長期正常工作。
3根據輸出功率比來修正等效輸出功率等參數
3．1修正方法
如上所述，PD與η，PO的關系曲線均對交流輸入電壓最小值作了限制。圖1和圖2規定的Uimin=85V，而圖3與圖4規定Uimin=195V（即230V－230V×15％）。若交流輸入電壓最小值不符合上述規定，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′所對應的輸入功率PO′，折算成Uimin為規定值時的等效功率PO，才能使用上述4圖。折算系數亦稱輸出功率比（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，圖中的橫坐標僅標出Ui在低端的電壓范圍。
（2）當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Uimin′（3）設初級電壓為UOR，其典型值為135V。但在Uimin′<85V時，受TOPSwitch－II調節占空比能力的限制，UOR會按線性規律降低UOR′。此時折算系數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電壓值。
現將對輸出功率進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，然后根據已知的Uimin′值查出折算系數K。
（2）將PO′折算成Uimin為規定值時的等效功率PO，有公式
PO=PO′/K（2）
（3）最后從圖1～圖4中選取適用的關系曲線，并根據PO值查出合適的芯片型號以及η、PD參數值。
下面通過一個典型的實例來說明修正方法。
例4：設計12V，35W的通用開關電源
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PO值，從圖2上查出最佳選擇應是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相關參數的修正及選擇
（1）修正初級電感量
在使用TOPSwitch－II系列設計開關電源時，高頻變壓器以及相關元件參數的典型情況見表1，這些數值可做為初選值。當Uimin′LP′=KLP（3）
查表1可知，使用TOP224時，LP=1475μH。當K=1.15時，LP′=1.15×1475=1696μH。
表2光耦合器參數隨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
光敏三極管的發射極電流IE（mA）3.55.0
（2）對其他參數的影響
當Uimin的規定值發生變化時，TOPSwitch－II的占空比亦隨之改變，進而影響光耦合器中的LED工作電流IF、光敏三極管發射極電流IE也產生變化。此時應根據表2對IF、IE進行重新調整。
TOPSwitch－II獨立于Ui、PO的電源參數值，見表3。這些參數一般不受Uimin變化的影響。
表3獨立于Ui、PO的電源參數值
獨立參數典型值
開關頻率f(kHz)100
輸入保護電路的箝位電壓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測試系統軟件設計
2.1NI-VISA調用程控電源功能的實現
在本測試系統中，工控機采用NI公司的PX-I-8110，可編程直流電源采用TOELLNER公司生產的TOE8815-64。工控機與可編程直流電源之間的通信利用Agilent公司的USB/GPIB轉換模塊實現[1]。在利用LabVIEW軟件設計控制程序時，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，例如在本測試系統中程控直流電源的GPIB地址為GPIB0：1：IN-STR，通過這樣的設置就可以建立起工控機與直流電源之間的聯系[1]。
2.2可編程直流電源的控制指令的實現
在測試系統進行模擬輸出時，最重要的是將采集到的波形進行提煉，并通過控制程控直流電源進行輸出。在這里，需要設置的參數為電壓、電流、時間以及起始和結束地址等。在GPIB模式下，TOE8155的控制可被設置為“聽”模式和“說”模式。TOE8155的指令架構符合IEEE-488.2標準，除了上述標準中通用的指令外，TOE8155還具有專門的控制指令集，可通過工控機對直流電源進行參數設置和輸出控制，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，在本測試系統中需要用到的TOE8155特定的部分主要指令有[3]：（1）FBbbb將程序設置為觸發模式，循環次數設置為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中并無現成的控件可供使用，因此，在程序設計時，相當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、規律的電壓波形，見圖4（某汽車啟動瞬間的因此，在進行模擬電壓的設定時，這種電壓信號是由幾段不同狀態的電壓信號組成的，程序定義時不僅要設置每段電壓信號的電壓幅值、持續時間，和起始終止地址位等信息，還有設置兩端相鄰電壓信號之間的過渡時間[4]。在本設計中，是利用LabVIEW軟件中的簇和條件結構實現這一過程的[3]。寫入波形程序編輯見圖5。
2.3自動測試的實現
前面提到，測試系統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。這意味著需要進行大量的模擬波形的調用并輸出。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度，更能提高測試系統的效率。在本測試系統中，利用Test-stand與sequenc系列調用測試程序的子VI，其架構見圖6[5]。由于成本的考慮，車載電器件往往多為平臺產品，但是也存在個別車載電器件是專用件的情況。因此在技術人員選擇測試波形的分類時，參考圖7的測試流程進行操作。測試系統的操作時，首先選擇被測DUT所應用的車型，其次，導入該車型的電源曲線，并進行模擬測試。在測試完成后，判斷該DUT是否為平臺化產品，如果判定結果為“是”，則導入該DUT所應用的各車型電源曲線，并進行模擬測試；如果判定結果為“否”，則再次進行是否隨即抽取模擬波形并測試的判定。若判定結果為“是”，則隨機導入電源曲線，并進行模擬測試，若判定結果為“否”，則完成測試，退出程序。
IEEE802．3af標準對以太網供電（POE）做出了詳盡的規定，它允許通過以太網傳輸數據的同時提供48V電源，IEEE802．3af標準中定義的電源供電設備（PSE）是能夠通過10BASE－T、100BASE－T或者1000BASE－T網絡提供電源的DTE或者Midspan設備，而IEEE802．3af標準中定義的受電設備（PD）則是通過網絡從電源供電設備（PSE）取得電源的設備。IEEE802．3af標準中規定的PSE可以提供約13W功率。從而使小型數據設備可以通過它們的以太網連接獲得電源，而不需要從墻上的交流電源插座獲取電源。這些設備包括數字VoIP電話、網絡無線接入點、因特網設備、計算機電話、安全攝像機或任何以太網連接的數據設備。IEEE802．3af標準的推出，大大擴展了以太網的應用，同時也給以太網帶來了巨大的發展空間。
1MAX5941的功能
MAX5941A／MAX5941B是一款高度集成的電源IC，適用于以太網供電（POE）系統中的受電設備（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48V電源轉換以輸出5V或者PD所需要的電壓，輸出電壓可實現隔離或者非隔離。MAX5941A的最大占空比為85％，可用于反激式轉換器。MAX5941B的占空比限制在50％以內，主要用于單端正激式轉換器中。
2IEEE802．3af標準的PD接口特性
MAX5941的PD接口特性符合IEEE802．3af標準，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，同時還具有寬滯回供電模式欠壓鎖定（UVLO）以及“電源好”狀態輸出等功能。
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小于10μA。其可編程限流功能可防止上電期間產生很高的浪涌電流。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，因而可補償電壓在雙絞電纜上的阻性衰減，并確保系統在偵測、分級和上／掉電諸狀態間無擾動地轉換。MAX5941的UVLO門限可調，并具有一個兼容于IEEE802．3af標準的缺省值。MAX5941可工作于PD前帶有或不帶二級管橋的設計中。
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，供電設備（PSE）將向VIN施加兩種1．4V～10．1V范圍內的電壓（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25．5kΩ特征電阻是否存在。在此模式下，MAX5941內部的大部分電路處于關閉狀態，失調電流小于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二極管，以免對MAX5941造成內部損傷。由于PSE使用斜率技術（ΔV／ΔI）來計算特征阻抗，這樣，保護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PD所要求的功率對PD進行分級。以便PSE高效地管理功率分配。IEEE802．3af標準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吸收的總電流應在IEEE802．3af標準要求之內。進入供電模式后，分級電流將被關斷。
供電模式下，當VIN上升至欠壓鎖定門限(VUV-LO,ON)以上時，MAX5941將逐步開啟內部N溝道MOSFET管Q1。圖1是MAX5941的內部接口電路框圖。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Q1的漏－源電壓降至1．2V以下，且柵－源電壓高于5V時，MAX5941會發出“電源好”信號。由于MAX5941具有較寬的UVLO滯回和關斷消隱時間，因而可補償雙絞電纜的高阻抗。
3用MAX5941實現48V電源轉換
MAX5941是電流模式的PWM控制器，可將48V輸入電源轉換成5V電壓輸出，MAX5941用內部穩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，還能穩定第三（偏置）繞組的輸出電壓，從而為IC提供穩定的工作電源。開始啟動時，調節器將V＋調整到VCC并為器件提供偏置。啟動之后，改由VDD穩壓器從第三繞組輸出穩定的VCC。此結構只需一只很小的電容即可對第三繞組的輸出進行濾波，從而省下了一只濾波電感的成本。
在設計第三繞組時，所設計的線圈匝數應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VDD電壓達到12．7V后，可以將高壓調節器關掉。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，低壓調節器將被關閉，電路重新進入軟啟動。此時欠壓鎖定狀態MOSFET驅動器的輸出（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的設計實例
MAX5941的一般設計步驟如下：
確定具體需求
設定輸出電壓
計算變壓器主、副繞組匝比
計算復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設計的正激式DC／DC轉換器，具體計算如下：
(1)對于30V≤VIN≤67V，VOUT＝5V，IOUT＝10A，VRIPPLE≤50mV的要求。開啟門限應設為38．6V。
(2)設定輸出電壓時，可根據下式計算電阻R1和R2：
VREF／VOUT＝R2／(R1＋R2)
式中VREF是并聯調節器的基準電壓。
（3）根據最小輸入電壓和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，本設計選用最大占空比為50％的MAX5941B。然后根據下式計算匝數比：
NS／NP≥（VOUT＋VD1×DMAX）／（DMAX×VIN＿MIN）
式中：NS／NP為匝數比（NS是副繞組匝數，NP是主繞組匝數），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＿MIN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閉周期內能夠全部返回V＋?？捎孟率絹泶_定復位繞組匝比：
NR≤NP×（1－DMAX＇）／DMAX＇
式中：NR／NP為復位繞組匝比，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＿MIN≤NT≤NP（VDDMAX＋0．7）／VIN＿MAX
式中：VDDMIN是最小VDD電源電壓（13V），VDDMAX是最大VDD電源電壓（30V），VIN＿MIN是最小輸入電壓（30V），VIN＿MAX是最大輸入電壓（本設計為67V），NP是主繞組匝數，NT是第三繞組匝數：可選擇NT＝7。
（6）根據下式選擇RSENSE：
RSENSE≤VILIM／（NS×1．2×IOUTMAX／NP）
式中：VILIM是檢流比較器的觸發門限電壓（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
本監控系統是為鐵路用4kVA/25Hz主從熱備份逆變電源系統設計的。
4kVA/25Hz主從逆變電源是電氣化鐵路區段信號系統的關鍵設備，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載供電，且負載不允許斷電，故采用雙機熱備份系統，一旦主機發生故障，要求在規定時間內實現切換，因此，備份逆變器一直處于開機狀態。由于逆變器經過了整流，逆變兩級能量變換，功率較大，且指標要求較高，必須要采用先進的控制技術；同時為了安全實現主從切換，也必須要有完善的監控系統來實現鎖相，保證整機的安全。
1監控系統總體設計要求
根據實際情況，本系統主要完成以下功能：
1）主從切換功能主從控制之間實現準確無誤的切換，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）鎖相功能主從機組局部電壓同頻同相，同一機組內A相恒超前B相90°；
3）完善的保護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載的沖擊，以及輸出過壓、過流保護，頻率、相位超差保護，橋臂直通保護，過熱保護等；
4）顯示功能實時顯示運行參數及工作狀態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組之間通信，與監控中心（上位機）通信等功能；
6）抗干擾功能系統具有良好的抗干擾能力。
2系統硬件電路設計
2.1DS80C320單片機簡介
DS80C320是DALLAS公司的高速低功耗8位單片機。它與80C31/80C32兼容，使用標準8051指令集。與普通單片機相比有以下新特點：
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/計數器，兩個全雙工硬串行口；
2）高速性能，4個時鐘周期/機器周期，最高振蕩頻率可達33MHz，雙數據指針DPTR；
3）內置可編程看門狗定時器，掉電復位電路；
4）提供DIP，PLCC和TQFP三種封裝。
2.2基于DS80C320的監控系統硬件電路設計
按照上述系統設計要求，設計了如圖1所示的監控系統。監控系統采用模塊化的設計思想，分為微處理器及外設模塊，模擬量采集模塊，開關量采集模塊，頻率及相差測量模塊，控制量輸出模塊，人機接口模塊，同步信號模塊以及通信模塊。
1）微處理器及外設模塊微處理器采用DS80C320，非常適合于監控。本系統充分利用前面已提及的特點，簡化了硬件設計與編程，從而提高了整個系統的可靠性。根據系統需要擴展了一片8255，一片E2PROM和一片8254。
2）模擬量采集模塊根據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位逐次逼近式模數轉換器AD574A，其內部集成有轉換時鐘，參考電壓源和三態輸出鎖存器，轉換時間25μs，并通過ADG508A擴展模擬量輸入通道。
3）開關量采集模塊首先經光耦進行隔離后，再通過與門送入單片機的外部中斷口，同時通過8255送入單片機，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過具有遲滯特性的過零比較器轉換為方波，然后通過雙四選一開關4052送入單片機，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，實現可靠隔離。
6）人機接口模塊包括按鍵和顯示部分。通過簡單的按鍵選擇，實現電流、電壓、頻率及相差的顯示。顯示部分采用8279驅動8位七段LED顯示，同時通過發光二極管和蜂鳴器提示運行狀態。
7）同步信號模塊本模塊用來實現鎖相。單片機控制8254產生局部同步脈沖和軌道同步脈沖，同步脈沖用來復位正弦基準。通過軟件控制同步信號的頻率，可實現主從鎖相和局部及軌道的相位跟蹤。具體實現過程將在下文詳述。
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實現與另一機組監控單元的雙機通信，獲取對方機組狀態信息；利用串口1采用RS485標準接口實現與上位機的通信，完成傳輸數據和遠程報警等功能。
3系統軟件設計
3.1系統軟件流程
主程序流程圖如圖2所示。系統上電復位后，首先對單片機，芯片及控制狀態進行初始化；然后讀取AC/DC模塊的工作狀態，若正常則啟動DC/AC模塊，否則轉故障處理；開啟DC/AC后，讀入其工作狀態并判斷輸出電壓是否滿足要求，有故障轉故障處理，正常則開啟故障中斷；接下來進行主從機組判斷和相位跟蹤，實現主從相位同步和局部及軌道電壓的鎖相；只有在實現鎖相后，才采用查詢方式處理鍵盤及測量顯示。在軟件編制中，鍵盤中斷是關閉的。實驗證明，對人機交互通道采用這種查詢處理方法，完全可以滿足系統的實時要求。開關量的輸入采取先產生中斷，后查詢的方法，保證了響應的實時性和逆變系統的安全性。
3.2系統采用的主要算法和技術
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轉換的交流小信號，然后對小信號進行采樣，最后對采樣數據采用一定的算法，得到正確的顯示值。均方根法是目前常用的算法，其基本思想是依據周期連續函數的有效值定義，將連續函數離散化，從而得出電壓的表達式
式中：n為每個周期均勻采樣的點數；
ui為第i點的電壓采樣值。
3.2.2數字濾波算法
A/D轉換時，被采樣的信號可能受到干擾，從采樣數據列中提取逼近真值數據時采用的軟件算法，稱為數字濾波算法。目前常用的方法有程序判斷濾波、中值濾波、算術平均濾波、加權平均濾波、滑動平均濾波等。根據本系統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平均濾波法相結合的濾波方法，即進行多周期采樣，取其算術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單片機鎖相技術
本監控系統一個很重要的功能是實現相位同步，即保證主從機組的相位同步和機組內局部電壓相位恒超前軌道電壓相位90°。本系統鎖相的基本原理是，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，B路超前（滯后）一定的相位，可以通過適當降低（增大）B路信號的頻率來實現相位調整進而鎖相，最后再把B路頻率置為原頻率值。
本系統中，單片機控制8254產生25Hz同步脈沖，同步脈沖用來復位正弦基準，使基準正弦波重新從零值開始?；鶞收也ㄅc三角波比較產生SPWM波，經逆變得到與基準正弦同頻的交流輸出，因此，通過調整同步脈沖的頻率可改變正弦基準的頻率，進而可改變被調整輸出電壓的相位。要實現系統的鎖相要求，需要從機組局部電壓跟蹤主機組的局部電壓，各機組軌道電壓跟蹤本機組的局部電壓。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。首先由多路開關選擇要鎖相的兩路信號，由單片機測量相位差，并對所得相位差數據進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，則應同時改變從機組局部和軌道的同步脈沖；否則，若為局部、軌道相位跟蹤，則只改變本機組軌道的同步脈沖。通過調整同步脈沖，可實現相位調整。實現鎖相后，同步脈沖的頻率置為25Hz返回。
4抗干擾措施
由于該監控系統工作于強電環境，很容易受到各種干擾的影響。干擾一旦串入系統，輕則會引起誤報，嚴重時就會導致整個系統癱瘓，甚至造成重大事故。本系統從硬件和軟件兩方面采取了抗干擾措施，保證了監控系統的可靠運行。
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行信息傳輸，在電氣上將單片機與各種傳感器、開關、執行機構隔離開來，可以較好地防止串模干擾。
2）加去耦電路在電源進線端加去耦電容，削弱各類高頻干擾。
3）合理布置地線系統中的數字地與模擬地分開，最后在一點相連，避免了數字信號對模擬信號的干擾。
4）數字信號采用負邏輯傳輸騷擾源作用于高阻線路時易形成較大干擾，而在數字信號系統中，輸出低電平時內阻要小些，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從死循環和跑飛狀態中拉出，使單片機復位。而DS80C320提供了內部可編程硬邏輯看門狗，不須外加電路，就能夠實現可靠的超時復位。同時，DS80C320還為一些重要的看門狗控制位提供了訪問保護，防止單片機失控后對這些重要的控制位進行非法操作，進一步保證了程序的安全性。
2）對于數字信號采集，利用干擾信號多呈毛刺狀且作用時間短這一特點，多次重復采集，直到連續兩次或兩次以上采集結果完全一致才認為有效。數字信號輸出時，重復輸出同一個數據，其重復周期盡可能短，使外部設備對干擾信號來不及作出有效反應。
3）對模擬量的采樣和處理，采用數字濾波技術。
中國古典園林歷史悠久，造園藝術更是源遠流長，早在周五王時期就有建宮苑的活動，她的形成主要受統治階級的思想及佛道、繪畫、詩詞的藝術影響，如在魏、晉、南北朝時期，統治階級爭奪激烈，國家呈分裂狀態，加之道、佛盛行的影響，產生了玄學，這時的士大夫，或人欲享樂，或潔身自好，或遨游山水，導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。
中國古典園林的構造，主要是在自然山水基礎上，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特征體現在如下幾個方面：
1.1.1模山范水的景觀類型
地形地貌，水文地質，鄉土植物等自然資源構成的鄉土景觀類型，是中國古典園林的空間主體的構成要素。鄉土材料的精工細做，園林景觀的意境表現，是中國我傳統的園林的主要特色之一。中國古典園林強調“雖由人做，宛自天開”，強調“源于自然而高于自然”，強調人對自然的認識和感受。
1.1.2適宜人居的理想環境
追求理想的人居環境，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境，如山水的布局、植物的種植、亭廊的構建等，無不以光影、氣流、溫度等人體舒適性的影響因子為依據，形成舒適宜人居住生活的理想環境。
1.1.3巧于因借的視域邊界
不拘泥于庭院范圍，通過借景擴大空間視覺邊界，使園林景觀與外面的自然景觀等相聯系、相呼應，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循序漸進的空間組織
動靜結合、虛實對比、承上啟下、循序漸進、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，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模P鍵是“假自然之景，創山水真趣，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，表達追求超脫與自然協調共生的思想和意境。古典園林中常常通過楹聯匾額、刻石、書法、藝術、文學、哲學、音樂等形式表達景觀的意境，從而使園林的構成要素富于內涵和景觀厚度。
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，或避世取幽修身養性。這些園林的設計修建思想無一不是當時統治階層的思想反映。這也進一步鞏固了“閉關鎖國”的政策，使中國的古典園林騰達于這一時期而無法飛躍。
直到20世紀70年代末，我國實行了改革開放政策，結束了“閉關鎖國”的狀況。在這種歷史條件下，出現了中國的造園師在海外建造中國古典園林的想象，近30年來不斷得到發展。
中國的古典園林猶如中國傳統文化和歷史文化，數千年來在中華大地上孕育、生長、并發展成熟，她正以自己獨特的形式和內涵形成自己獨特的藝術風格，是世界藝術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計師和技術工人在新的歷史時期為宣傳、介紹中國傳統園林藝術，增進中外園林界和人民之間友誼、促進我國園林事業發展作出寶貴貢獻，不僅有很好的設計效益，同時也能取得良好的經濟效益。
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秀作品，不是模仿國內哪一風景名勝，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滿足不了當代人的需要。
中國古典園林已經發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，在現有的新的歷史條件下，結合新的材料和技術，再造中國古典園林在現代的輝煌。
日本是在中國古典園林的基礎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，發展得很好。中國也應該有進軍世界的新的改革方針去應對世界。日本“禪”的思想領導著他們的園林，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、中國古典園林進軍世界的改革應與全球化戰略融為一體
我們應該把古典園林進軍世界的改革與全球化戰略融為一體。時代的變化推動園林建設全球化，這不僅是園林發展的客觀趨勢，更是時代的要求，而在實施園林建設的全球化時，我們首先要強調中西方文化的差異性。在國外建設園林不能簡單的抄襲或者遷移，而是在新的條件下創作，既要適應時代的需要，又要具有典型的傳統風貌。例如：
4.1公園建設
在公園建設方面，我們在強調民族特色、地域異性的同時，適度地融入異域民族風情，積極應用多學科成果，必能將公園建設成具有感染力、創造力、風格鮮明的''''現代的中國古典園林”。
4.2城市園林規劃
在城市園林規劃方面，應整體綜合考慮，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、園林文化就不能永續發展。
因此，我們必須在園林建設中既考慮繼承傳統，又考慮有所創新。既考慮中國文化，又考慮世界發展，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面效應，使用現代先進的科學文化藝術，更好地將中國園林建設推向新的。
5、中國古典園林在國內的發展
在國內，古典園林同樣也是一切造景設計的基礎。近些年來，在它的基礎上已經形成了多個學科交叉的新型學科，如：園林設計、環境設計、規劃設計、風景園林設計等等，這些學科雖然名稱不一樣，但其所共同追求的“普遍和諧”的傳統觀念都是一樣的。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、“道發自然”為探求規律，遵循“反璞歸真”、“樸素自然”為審美標準，以自然而然的大自然才是真、善、美的。
5.1中國古典園林是現代園林設計的靈感之源
中國古典園林是現代園林設計的靈感之源，古典園林的造園思想精髓更是我們現代造園設計的理論基礎，因為一個好的園林作品并不是憑空臆造出來的，而是從“鄉土”中“生長”出來的，正如“一方水土養一方人”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
中國現代風景園林的發展，需要本土風景園林師的艱苦努力。中國的風景園林師必須關注風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，這樣才能設計出“土生土長”的風景園林作品。
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，拓展中國園林的設計領域
面對西方思潮的沖擊，現代設計師更要開拓思路，挖掘古典園林的現實意義，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，應用到更廣泛的領域。
中國古典園林的發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度，避世及享樂的意識促使這2個階層熱衷于構筑“不出世既賞世”的園林形式。階層的態度導致其意識領域的開放，使其十分重視意境及韻味，對詩畫意境的追求也體現在造園態度上，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，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境，來更進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
中國古典園林的一大魅力在于其獨立性及不可復制性，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格特色。如網師園精巧幽深、典雅隱逸的宋代園林；拙政園平淡疏朗、曠遠明瑟的明代風格；留園布置精巧、奇石眾多的清代風格。
1.3空間的利用
園林中的不同空間布局與利用呈現出園林之間迥然不同的風格。如同借由空間的豐富組成形式，在園林整體環境構成中產生引導的作用，廊的運用常具有明顯的引導意味，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
隨著園林的逐漸發展興起，人們對于建筑的要求已經不僅僅局限于住房，在這樣的形式下產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容加以區分各自的功能。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。屋頂的形式多變、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，是人字形屋頂的一種；懸山頂形式較為多變，也是人字形屋頂的一種；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現代園林中對古典元素的運用
現今的園林建設涵蓋的范圍越來越廣，但不論在哪種形式的園林形式中，古典園林的應用已經成為不可或缺的一部分。住宅區、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調感。
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，更是一種處世的態度和對情感的抒發?，F代園林中的古典園林要素僅留于表面形式，疏于空間格局規劃布置，遺漏園林建筑的的構造技藝。造園者的意圖已經不再以景喻情、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生的古典園林，現在已經僅僅成為人們對古人安逸生活的猜測和向往，在現代園林中的出現也只是一種祭奠和懷念。
【Abstract】Hightwochemistriessecondvolumeoffourthchapteroffourthhasarrangedthegalvanicbatteryprincipleanditstheapplicationteaching,thispartofknowledgeismoreabstract,thestudentunderstoodwithdifficulty.Inordertoletstudentbetteracceptance,understoodthispartofknowledge,Ifromchannelofflesson,thegalvanicbatterydefinitiondrawout,thegalvanicbatteryprinciplesummarizes,thegalvanicbatteryconstitutionconditioninducedfourpartstomakesomeownteachingdesign.
【Keywords】Galvanicbattery;Galvanicbatteryprinciple;Teachingdesign
在現代生活、生產和科學技術的發展中，電池發揮著越來越重要的作用，大至宇宙火箭、人造衛星、空間電視轉播站、飛機、輪船，小至電腦、收音機、照相機、電話、助聽器、電子手表、心臟起搏器等，都離不開各種各樣的電池。而這些電池都是應用原電池原理制作出來的。高二化學第二冊第四章第四節安排了原電池原理及其應用的教學，這部分知識較抽象，學生難以理解。為了讓學生更好的接受，理解這部分知識，我對原電池原理的教學作了如下設計：
1“番茄電池”引課取一個熟透的番茄，在番茄里平行地插入銅片和鋅片，用導線將銅片與鋅片及電流表相連，可觀察到電流表指針發生偏轉。學生們在生活中已接觸過各種各樣的電池，但番茄也能制出電池！可大大激發學生的學習興趣，提高學生的學習熱情，帶著高漲的學習情緒進入本節課的學習。
2學生分組實驗，引出原電池定義進入新課學習后，為了更好地探索原電池的化學原理，變學生被動接受式學習為主動發現式學習，突出學生的主體地位，將教材中的教師演示實驗設計成學生分組實驗，并結合實驗設疑：
[學生分組實驗]
實驗步驟現象1鋅片插入稀硫酸中
2銅片插入稀硫酸中
3銅片、鋅片一同插入稀硫酸中鋅片上有氣泡產生
銅片上無氣泡產生
同上[問題]為什么鋅能與稀硫酸反應放出氫氣而銅不能？
[學生分組實驗]
4鋅片、銅片用導線連接后插入稀硫酸中銅片上有氣泡產生[設疑]①是什么氣體？（氫氣）
②既然銅片上產生的是氫氣，銅片上就要有電子，是否說明銅能失去電子？提出假設一：銅若失去電子，應該觀察到怎樣的現象？
③銅片上電子的唯一來源就是由導線輸送過來的。導線中有電子流動可通過什么證明？
[學生分組實驗]
5在導線中接入電流表電流表指針偏轉學生可根據電流表指針的偏轉方向判斷電子是由鋅片流向銅片。
[教師演示實驗]在上述裝置的導線中接入小燈泡，小燈泡發光（該實驗要成功，酸要多且鋅片、銅片的面積較大）。通過這個非常直觀的現象引出原電池定義。[歸納、板書]
原電池
原電池的定義：把化學能轉化為電能的裝置叫原電池。
這樣依據實驗內容層層設疑，將學生的思維步步引向深入，充分發揮教師的主導作用，并結合實驗提出假設，驗證假設，突破教學難點。不僅如此，還有助于培養學生的創造思維和實事求是、嚴肅認真的科學態度、訓練科學的學習方法。
3動畫模擬過程，總結原電池原理再利用FLASH模擬反應過程，使學生從宏觀現象到微觀本質，從感知表象到內在聯系的過程中，提高思維的嚴密性、邏輯性和深刻性，進一步突破教學難點。如圖1所示：
圖
負極（鋅片）：Zn-2e-=Zn2+（氧化反應）
正極（銅片）：2H++2e-=H2（還原反應）
總反應：Zn+2H+=Zn2++H2
若將上述裝置的導線斷開，只有鋅片上有氣泡，微觀過程是鋅片在稀硫酸中失電子（原因：鋅片能和稀硫酸反應），鋅被氧化成Zn2+而進入溶液，電子留在鋅片上，溶液中的H+到鋅片上得電子被還原成氫原子，氫原子結合成氫分子從鋅片上放出。若將導線連接，鋅片上產生的電子就通過導線流向銅片，溶液中的H+到銅片上獲得電子被還原成氫原子，氫原子結合成氫分子從銅片上放出。
導線斷開，發生直接的氧化還原反應，鋅失電子的氧化反應和H+得電子的還原反應都在同一地點鋅片上進行，有電子得失，但無電子流動。導線連接后，使鋅失電子的氧化反應和H+得電子的還原反應分別在兩個地點鋅片、銅片上進行，實現了電子的流動，產生了電能，形成了原電池。在原電池中，電子流出的一極是負極（如鋅片），發生氧化反應。電子流入的一極是正極（如銅片），發生還原反應。
[歸納、板書]
原電池原理：將氧化還原反應的氧化反應，還原反應分別在兩極上進行。
4再利用實驗，歸納原電池的構成條件教師先給出裝置圖，讓學生判斷能否形成原電池。能或不能可利用上述學生分組實驗的實驗裝置進行驗證，并可與圖1進行比較。讓學生自己找出能或不能形成原電池的原因，歸納出構成原電池的條件。
構成原電池的條件：前提：自發進行的氧化還原反應
（一般是負極能與電解質溶液提供的陽離子發生氧化還原反應）（1）活潑性不同的兩極
正極：較活潑金屬
負極：不活潑金屬或能導電的非金屬（如碳棒）
（2）兩極插入電解質溶液
（3）兩極相連（導線連接或直接接觸）形成閉合回路
半導體制冷器（TEC）是以帕爾貼效應為基礎研制而成，其最基礎的元件是利用一只P型半導體和一只N型半導體連成的熱電偶。當通電后在兩個接頭處就會產生溫差，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就構成了一個簡單的半導體制冷器。在制冷面或制熱面增加一個熱交換器就可以完成半導體制冷器與外界環境的能量交換。
1.2半導體激光器溫控電路設計
1.2.1半導體激光溫控電路原理
高穩半導體激光器一般都有內置半導體熱電制冷器（TEC）和溫度傳感器等相關的溫控元件來保證激光器管芯溫度可控。半導體激光器內置溫控系統基本工作原理如圖1所示。將溫度傳感器（常用負溫度系數的熱敏電阻）與激光器管芯安置在同一熱沉上，起到實時監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良），通過調節由R1和R2組成的電阻網絡可以設定比較器的參考電壓值，在這里稱之為基準電壓。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，比較器的負輸入端電壓相對變小，輸出電壓也隨著變化。TEC驅動源將驅使電流從N型半導體流向P型半導體形成制冷面，實現對LD管芯進行制冷。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驅動源將驅使電流從P型半導體流向N型半導體，形成制熱面，實現對LD管芯制熱。
1.2.2TEC驅動源類型
半導體激光器的溫度控制系統需要滿足溫度控制精度高、響應速度快且穩定性高的要求，同時要能實現制冷和制熱雙向控制，以適應外界溫度變化和半導體激光器本身工作條件變化。一般情況下，TEC驅動源按驅動工作模式可以分為線性工作模式和脈寬調制工作模式（PWM）兩種類型。TEC驅動源線性工作原理：通過控制三極管的開關狀態可以控制驅動TEC的電流大小和方向，這種驅動方式的效率一般低于50%，需要為三極管提供良好的導熱通道，且有控溫“死區”。但這種模式有噪聲低和可靠性高等優點。TEC驅動源脈寬調制（PWM）工作原理：在PWM方式下，三極管工作在飽和狀態，而不是線性區域，只有當需要向負載供電時才導通。電路通過4個三極管來控制電流的方向和大小，電路結構呈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%，能實現無“死區”溫控。但這種模式有著噪聲高和可靠性低等缺點。兩種驅動源在實際使用中各有利弊，具體采用何種驅動方式需要根據實際情況來最終確定。
2航天高穩激光源溫控電路設計方案
2.1MAX1968功能及其特點
MAX1968是MAXIM公司研制生產的一款高度集成具有紋波噪聲抑制功能的脈寬調制TEC驅動芯片，調制頻率為500kHz/1MHz；單電源供電，供電電壓范圍為3~5.5V；能夠實現最大3A雙向TEC驅動電流，完成對LD管芯的制冷或制熱。MAXIM公司研制生產的MAX1968芯片具有體積小、效率高、價格低和可實現雙向無死區溫控等優點，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芯片設計電路及失效分析
2.2.1MAX1968芯片設計電路分析
MAX1968芯片資料有應用芯片電路推薦，從推薦電路應用方案來看，電路的設計在濾波、抑制紋波噪聲、LC濾波諧振電路等都做了詳細的考慮。在COMP引腳與GND之間焊接了0.01μF的電容，確保電流控制環的穩定工作。FREQ引腳接高電位，即內部振蕩器的開關頻率選擇為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MAX1968芯片上電后芯片就需要工作，根據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現，在給該溫控電路上電瞬間，時有MAX1968失效的現象，具體表現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芯片進行了詳細分析，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力，導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行引腳間特性測試，發現兩電路第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）之間未見短路現象。將這兩塊芯片進行開蓋，在開蓋過程中，由于內部芯片尺寸較大，電路個別引腳經腐蝕后脫落，但經測試，短路現象依然存在，未破壞原始失效現象。在金相顯微鏡下，對兩塊芯片表面進行仔細觀察，發現兩塊芯片第5、6端以及第23、24端之間存在燒毀現象，如圖2所示。芯片為多層金屬化結構，從燒毀形貌分析，可能是下層鋁條燒毀后，導致上層鋁條燒毀短路。由于兩塊芯片失效現象一致，因此可以排除器件偶然缺陷導致失效的可能，應該是芯片失效與外部異常電應力導致內部場效應管擊穿。
2.3航天高穩激光源溫控電路設計方案
2.3.1完善MAX1968芯片電路設計
通過上述分析，結合芯片內部結構和TEC驅動源脈寬調制（PWM）工作原理，我們基本能判斷是芯片內部燒毀的通道發生在場效應管上。在試驗過程中發現，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，隨著上電次數逐漸增多，R和R'的阻值從開始的兆歐數量級慢性漸變到歐數量級，并最終失效。失效的原因認為是MAX1968芯片上電后，芯片就根據CTLI引腳電壓輸入情況判斷TEC需要制冷或制熱，并立即進行工作，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致芯片內部有大的紋波電壓或大電流產生，因發熱而導致芯片失效。通過完善MAX1968芯片電路設計，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新設計方案電路試驗驗證
根據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）在帶同樣負載的情況下，分別對完善電路和未完善電路進行上下電連續沖擊，上、下電頻率同為13Hz，如圖4所示。在兩組電路的驗證中，完善之前的設計電路在經過約32min之后電源輸出電流突然增大，經測試發現MAX1968芯片已經失效。完善之后的設計電路在經過28天之后，測試MAX1968芯片的電性能依舊正常。由此可見對MAX1968設計電路的完善是有效的。
2.3.3航天高穩激光源溫控電路設計工程驗證
航天高穩激光源溫控電路，在某項航天測試（包括振動、沖擊、熱循環和熱真空等試驗）中各項指標都正常，最終順利完成了航天相關試驗。
1工業技術植入園藝作物生產，實現了設施園藝生產的自動化
工業技術植入園藝作物生產之中，使設施園藝賦予了工廠化農業的內涵，成為工業化大體系不可分割的部分。溫室生產的高投入、高產出、高效率管理模式要求應用大量的高新技術，當前工業領域內的科技成果(如機器人技術等)不斷運用于溫室園藝配套裝備之中，已取得初步成果。國外發達國家一直致力于把自動化技術應用于園藝作物的耕種、施肥、灌溉、病蟲害防治、收獲以及農產品加工、儲藏、保鮮的全過程，可以根據作物生長發育的特點，創造最適宜的溫室環境條件，基本擺脫了外界環境條件對作物生產的影響，實現了作物周年生產和均衡上市。目前，這種自動控制技術逐步向智能化、網絡化方向發展［31］。20世紀70年代以來，發達國家的設施園藝已具備了設施設備完善、生產技術規范、產量穩定和產品質量安全性強等特點，并且已形成了溫室制造、生產資料配套、產品生產、物流等為一體的設施園藝產業體系。目前，日本、美國、荷蘭、以色列、韓國、英國開發出的耕耘、移栽、施肥、噴藥、蔬菜嫁接、蔬菜水果采摘、育苗移栽、苗盤覆土消毒等機器人裝備相對比較成熟，可用于設施園藝生產。溫室園藝機器人的使用，不僅大幅提高勞動生產率，改善設施生產勞動環境，而且保證了作業的一致性和均一性［32］。日本、韓國等國研究開發了多種設施園藝耕作機具、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率;荷蘭研制溫室屋面清洗機械裝置，用于清洗屋面灰塵，大幅度提高了溫室的透光率［33－34］。另外，荷蘭還開發出自動通風窗開閉、溫濕度調節裝置，被越來越多的溫室采用。發達國家在設施園藝產品的采收和后加工過程中，廣泛使用包裝機具、高效運輸裝置、盆花轉運機械、快速分級系統等設備，提高了園藝農產品的商品性，如荷蘭采運、包裝設備能同時實現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高新技術在設施園藝中的應用，推動了設施園藝向“植物工廠”方向發展
無土栽培、計算機技術、生物技術、產品采后處理、新能源利用等高新技術在設施園藝中的應用，使設施園藝逐步向“植物工廠”方向發展。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”，可用來生產蔬菜、花卉和果樹，并且一些高附加值的作物如香料、工業原料植物、藥用植物、食用菌等也采用“植物工廠”進行生產。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，由于充分利用空間，實現立體多層種植，單位面積的栽培效率可提高數倍。如日本在“植物工廠”內利用無土栽培技術和環境自動調控技術，一年內可多茬栽培生菜和菠菜，收獲期比露地縮短一半時間，產量可達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，太空農業成為研究的熱點，美國宇航局(NASA)在國際空間站上探索“植物工廠”技術，目前已在綠豆、菜豆和馬鈴薯等作物上獲得了成功。
3無土栽培技術的應用使設施園藝發生了巨大變革
20世紀20年代末，無土栽培技術開始應用于設施作物生產，使設施栽培技術產生了一次大的變革。無土栽培打破了作物生產的空間和地域限制，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行作物生產;無土栽培改變了設施栽培的傳統種植方式，采用營養液或有機基質進行作物生產，可以有效避免設施土壤連作障礙，生產出清潔安全的園藝產品，并且具有省水、省肥、省工等優勢，從而成為栽培學領域飛速發展的一門新技術;無土栽培可加速作物生長，提高產量和品質，一般果菜類蔬菜水培的產量為土壤栽培的數倍甚至數十倍，如番茄營養液栽培年產量最高的可達到75kg•m－2，極大提高了園藝作物的生產效率。20世紀70年代初，美國已有400hm2溫室采用無土栽培技術生產黃瓜、番茄等。目前，在發達國家的設施園藝生產中，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50%，美、日、英、法等國的無土栽培面積達到250～400hm2［36－37］。歐共體明確規定，所有歐共體國家溫室作物生產要全部實現無土栽培。
4節能、環保的理念貫穿于設施園藝生產之中
設施園藝是一種高能源消耗、高成本投入、高效率產出的生產方式，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施園藝發達國家開展節能工作的普遍做法。隨著能源危機的不斷加劇，節能設備已成為溫室裝備研究和開發的熱點之一，而人工補光裝置是溫室耗能最多的設備之一。日本、荷蘭、美國等積極探索溫室新型補光光源LED的研究。LED冷光源在滿足作物光合作用需求的條件下，與傳統鈉燈相比具有高光效、長壽等特點，節省能耗達50%以上［38－39］。近年來，由于中東局勢不穩定導致能源緊張、CO2排放的限制以及《京都議定書》的執行等原因，歐美發達國家已將節能技術作為溫室領域最重要的研究課題。目前在設施園藝節能新材料、新技術和新能源的研究中，主要傾向于對太陽能和儲熱材料的有效利用。其中，溫室相變儲熱技術就是最具發展前景的節能技術之一［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、地下儲熱和室內外聯合儲熱系統，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一步改進［41－42］。一些國家利用淺層地熱，在夏季通過把低溫冷水源抽到地上，用于溫室降溫，經過熱交換的熱量回流到地下，冬季把高溫熱水源抽上來，只需要稍微加溫就可以用于溫室增溫［43］。另外，通過對溫室覆蓋材料內側進行鍍膜處理，能夠有效阻止長波向室外輻射，減少了熱損耗，可以實現節能25%以上。在多余能量回收和利用方面，荷蘭瓦赫寧根大學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－高品位能量產生組合系統，并應用于生產［44］。該技術在高溫季節，可以反射作物光合作用不需要的近紅外光(NIR)，減輕溫室的高熱負荷，而收集反射的能量直接或間接地轉化成電能，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，減少夏季進入溫室的太陽輻射量，達到降溫目的;通過改進溫室通風窗口的數量、尺寸、傳動方式以及開啟的角度也能夠使溫室達到較理想的降溫效果。發達國家在發展設施園藝過程中，把保護環境作為前提條件。進入21世紀，隨著人們對生態環境保護和食品安全的日益關注，歐美發達國家在探索溫室能源高效利用、生態環境保護等方面進行了大量的研究工作，研制開發出一系列適合于溫室安全生產的環境友好型新技術。營養液無土栽培技術在現代溫室生產中被廣泛使用，然而，大量營養液的廢棄給環境帶來巨大的壓力。歐盟普遍采用營養液閉路循環系統，通過對營養液的回收、過濾、消毒等措施，實現節水21%、節肥34%，提高營養液利用效率，同時大幅度地減少營養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、生態防治和物理防治相結合的綜合防治技術的研究與應用［45］。目前，荷蘭在溫室生物和生態防治綜合利用方面處于世界領先地位，如Koppert公司通過釋放天敵昆蟲，能夠對設施蔬菜主要害蟲達到良好的防治效果，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了商品化。為了提高溫室番茄、甜椒等蔬菜作物的質量，禁止使用化學生長激素，荷蘭研制馴化出取代傳統振蕩授粉的雄蜂授粉，這種授粉方式效率高，并且能使作物產量提高20%左右。以色列開發出太陽能殺滅溫室土壤病蟲害新技術，把灌溉系統安置在翻耕的土壤中，鋪上一層薄薄的透明塑料膜，經過夏季高溫處理，可殺死地表30cm土壤層中90%～100%的細菌、真菌以及線形蠕蟲等。統計分析表明，太陽消毒法可提高設施番茄、洋蔥、土豆等農作物產量25%～432%。在新型栽培基質開發利用方面，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型基質，形成與其相配套的設施蔬菜低碳栽培技術體系［47］。目前，低成本、環保型無土栽培基質研發已取得重大進展，并逐步走向產業化、商品化。
5信息化技術和計算機技術應用于設施園藝作物周年生產之中
隨著微型計算機、傳感器及單片機技術的運用，溫室環境控制智能化、網絡化管理技術得到較快的發展。設施園藝發達國家研發作物自動化生產管理和環境智能化控制體系，從育苗、定植、栽培、施肥、灌溉等過程全部實現自動化運作，溫室環境如溫度、光照、濕度、水分、營養、CO2濃度等綜合環境因子全部實現計算機智能監控。隨著無線網絡技術的應用，溫室網絡化管理技術也得到了較快的發展。美國、日本、荷蘭研發出一種基于控制器局域網總線(CAN)和無線傳感器網絡(WSN)的控制系統，能夠對溫室內空氣溫濕度、土壤溫濕度以及光照等參數進行自動采集，同時控制風機、暖氣、水泵等溫室環境調控設備，使溫室環境達到農作物生長的最佳環境［48］。通過研究溫室作物生長發育與環境、營養之間的定量關系，建立作物生長發育信息化模型，開發出適合不同作物生長發育的溫室控制、咨詢及管理專家系統。以色列和荷蘭開發出番茄和黃瓜等蔬菜作物生育模型和專家系統，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境指標、不同生育階段的水肥指標、病蟲害預防和控制技術等。荷蘭瓦赫寧根大學通過將作物管理模型與環境控制模型相結合，實現溫室環境的智能化管理，大幅度降低了溫室系統能耗和運行成本。日本千葉大學利用遙感遙測、人工神經網絡、遺傳算法、模糊控制策略等智能控制技術，對農產品從產地生長、采收驗收、加工、自檢自控等所有過程的數據、信息、圖像都實現了信息化管理［49］。
6注重溫室作物專用品種的選育及其配套技術的研發
現代農業競爭的核心是品種，重視溫室栽培作物專用品種的選育是設施園藝發達國家保持溫室產業世界競爭力的重要手段。這些國家在搜集保存本國種質資源的同時，還十分重視國外種質資源的搜集、交換和引進，如以色列通過搜集和引進國外花卉、蔬菜、果樹品種在設施內進行微咸水灌溉，通過遺傳改良、馴化，培育出適合于本國溫室生產的專有設施園藝品種。近年來，設施園藝發達國家越來越關注設施作物新品種的外觀品質、營養品質、耐貯運等性狀的選育，如以色列選育出一種根據客戶對體積和色澤要求的無籽西瓜新品種;荷蘭種苗公司開發出一些富含鈣質、維生素且熱量低的“減肥蔬菜”，高氨基酸含量的“營養蔬菜”，具有觀賞價值的“花卉蔬菜”等新品種。一些生物技術被廣泛用于溫室作物新品種的選育，包括細胞組織培養、體細胞雜交、原生質體融合、遺傳標記、轉基因等技術，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入茄子，使冬種茄子與夏種的一樣優質;荷蘭育成的抗蟲蔬菜品種可以大幅度減少蔬菜生產中農藥的使用量，既降低了蔬菜產品農藥的殘留，也降低了蔬菜生產的成本。此外，在開發和選育設施作物新品種的基礎上，歐美發達國家非常注重溫室新品種配套栽培技術的研究和開發，選育的新品種普遍采用工廠化育苗體系、高效安全生產技術體系和無土栽培技術，利用高新技術使環境因子與栽培模式的規范完美結合，為作物生長提供最佳的環境，保證高產、穩產［50－51］。
國外設施園藝發展趨勢分析
1設施環境調控自動化與設施園藝作業機械化程度不斷提高
發達國家從事農業人員較少，加上勞動力成本較高，設施園藝生產中非常注重管理水平和勞動生產率的提高，從溫室耕作、作物栽培、生長管理、產品采收、包裝和運輸等過程全部實現機械化控制，溫室內溫度、光照、濕度等環境調節全部由計算機監控和自動化調控。隨著工業技術的不斷發展，機器人技術將會廣泛應用于設施園藝的生產，實現溫室作業精確、高效及省力化。
2溫室日趨大型化，環境調控趨于智能化
大型溫室設施具有投資省、土地利用率高、便于實行機械化自動管理、實現產業化規模生產、室內環境相對穩定的優點，因此，設施園藝發達的國家如荷蘭、加拿大等溫室逐漸向大型化方向發展;溫室園藝的核心是能夠對設施內栽培環境進行有效地控制，創造出適于作物生育的最佳環境條件，因此，未來的人工智能控制系統不僅要做到栽培環境全自動控制，還要與市場、氣象站、種苗公司、病蟲害測報等相連接，進行產量、產值的預測，為生產者提供更為廣泛的信息情報和確切的決策依據。
3設施作物品種更加豐富，市場服務體系更加完善
愈發重視設施作物專用品種的選育，為設施園藝生產提供專用的耐低溫、高溫、弱光、高濕，具有多種抗性、優質高產的種苗。種苗公司作為品種選育的主體，在種質資源、育苗設備方面具有強大的優勢，能夠依據市場需求開發設施栽培所需專用品種，并對設施園藝產前、產中、產后提供技術支持和市場信息化服務。
4無土栽培成為現代設施園藝的主要栽培形式
