电教多媒体设备的节能电源设计与实现
范鋆 何明胜
摘 要： 供电模块是电教多媒体设备的基础单元，为了降低电教多媒体设备功耗，进行节能电源设计，提出一种基于分散控制系统的节能电源设计方案。采用低功耗的STM32F101xx芯片作为微处理器中央控制单元，节能电源系统模块包括功率放大模块、驱动模块、过流过压保护模块和接口部分；采用现代MOS技术进行过流过压保护，设置数字隔离器提高电源功能的稳压性能；采用DCS分散控制，降低射频干扰，实现节能电源优化设计。实验结果表明，设计的电教多媒体设备的节能电源具有较高的输出电压峰峰值，功耗较低，供电稳定性较强，节能效果较好。
关键词： 电教多媒体设备； 节能电源； 过压保护； 分散控制系统
中图分类号： TN86?34； TM762 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0180?03
Abstract： The power supply module is a basic unit of the electrified?education multimedia equipment. In order to reduce the power consumption of the electrified?education multimedia equipment and design the energy?saving power supply， an energy?saving power supply design scheme based on distributed control system （DCS） is proposed. The low?power consumption STM32F101xx chip is taken as the central control unit of the microprocessor. The energy?saving power supply system module includes the power amplification module， driver module， overcurrent and overvoltage protection module， and interface module. The modern MOS technology is used to conduct the overcurrent and overvoltage protection. The digital isolator is set to improve the voltage stabilization performance of the power supply. The DCS is adopted to reduce the radio frequency interference， and realize the optimization design of the energy?saving power supply. The experimental results show that the designed energy?saving power supply of the electrified?education multimedia equipment has high peak?to?peak value of output voltage， low power consumption， strong power supply stability， and good energy?saving effect.
Keywords： electrified?education multimedia equipment； energy?saving power supply； overvoltage protection； distributed control system
随着多媒体教学的推广和普及，电教多媒体设备在中小学及高等教育教学中得到广泛应用，电教多媒体设备是保障多媒体教学的机电一体化设备，包括了电动幕布的启动系统、投影仪控制系统、音箱功放控制系统以及远程多媒体教学控制系统等。这些设备需要一套稳定持续的电源供电支持，由于电教多媒体设备的使用周期较长，对供电电源的持续性和稳定性要求较高，研究电教多媒体设备的节能电源设计对促进设备的稳定运行具有基础性意义，相关的电源设计方案受到人们的极大重视[1]。为了降低电教多媒体设备功耗，本文提出一种基于分散控制系统（Distributed Control System，DCS）的节能电源设计方案，实现电源优化设计。
1 电源整体设计与结构分析
电教多媒体设备的节能电源设计中，首先对输入的220 V电源进行收发转换控制和功率放大处理，通过串口RS 232进行总线控制，进行系统的总体模型设计。系统的功能模块主要包括了外部I/O设备、输入200 V电源接入、功率放大模块、DCS分散控制模块、过压保护控制模块和上位机通信模块等，采用低功耗的STM32F101xx芯片作为微处理器中央控制单元[2]。系统要实现对电教多媒体设备的电源稳压、 串口RS 232通信和功率放大功能。根据上述设计思想和原理分析，得到本文设计的电教多媒体设备的节能电源系统的整体结构模型如图1所示。
结合图1所示的节能电源的整体设计图进行节能电源工作流程和功能模块化分析，分别描述如下：
（1） 220 V接入电源提供整个电教多媒体设备的初始电源，为整个节能电源的设备控制提供供电输入。
（2） 功率放大模块满足电教多媒体设备的VXI总线数据触发和功率放大功能，采用电容式传感器设备进行电源输入的检波设计，主要作用是实现防雷击接地保护控制。采用双路电流输出型D/A转换芯片，在末级放大器输出交流信号，变换成只有正半轴有值的信号，提高电源的输出功率增益[3]。
（3） DCS主控电路模块。其主要作用是对运放电源输入的I/O动态功耗进行反相放大，把检波器输出的接地保护信号变换成直流信号，在驱动模块中进行睡眠、停机和待机三种模式的选择控制。
（4） 自动增益控制的主要作用是通过设计PCI总线及桥接电路，根据采样值幅度调整直流放大器输出的直流信号大小，而自动改变电教多媒体设备的供电输入功率I/O端口，读取的采样值在自动增益控制进行信号幅值检测滤波，实现了自动增益控制，满足电教设备的低电压启动需求。另外，在电源设计中，还需要设置数字隔离器提高电源功能的稳压性能[4]，采用DCS分散控制，提高电压保护能力。根据上述功能分析，得到本文设计的电教多媒体设备的节能电源工作流程图如图2所示。根据上述对电教多媒体设备的节能电源的总体设计和结构分析，进行节能电源的低功耗设计。
2 电源硬件设计
2.1 节能电源的功耗最优化分析
结合图1和图2所述的总体框图构架与系统工作流程，进行电教多媒体设备的电源硬件设计，本文提出一种基于分散控制系统的节能电源设计方案，采用低功耗的STM32F101xx芯片作为微处理器中央控制单元，进行电教多媒体设备的节能的输入功率和功耗控制。在硬件设计时，使用低功耗技术，有效地消除直流偏置[5]，考虑节能电源的嵌入式DCS的输入控制信号幅值较低，频率处于低频，采用静态功耗抑制方法，进行功率因数修正，进行节点电源的静态功耗和动态功耗的匹配，电源的静态功耗[Pspc]和动态功耗[Pdpc]计算公式分别为：
2.2 节能电源的电路设计
节点电源电路设计主要是对功率放大模块、驱动模块、过流过压保护模块和接口部分的电路进行集成设计。在电源的功率放大模块设计中，STM32F101xx给予相应的晶振，当电教多媒体设备进入低电流待机模式，采用复位电路实现总线与电源及地之间的短路保护，确保电源输入节点到总线的电器隔离，CAN总线加载电路由2 片16 b宽度的32 MB SDRAM 组成，由此实现功率放大模块电路设计，如图3所示。
在电源的驱动模块设计中，通过ADUM1201管脚接47 kΩ，运放供电12 V和-12 V。输入电源首先通过一个瞬态二极管进行电源滤波，隔离电源要求扼制电流突变和滤除高频噪声，降低射频干扰。采用防电磁辐射的隔离CAN收发器得到5 V输出接口电源，为了消除CAN电源上的瞬态冲击，采用晶振芯片82C250进行电源驱动设计，使得节能电源免受过流的冲击，得到驱动电路模块设计如图4所示。
过流过压保护模块用现代MOS技术进行设计，采用直插式开关电容低通滤波器设计过流保护隔直流电路，其中低通截止频率[fc]的变化范围为40～20 kHz，阻带衰减大于51 dB，正电源输入端与BUFFIN端相连，通过BUFFOUT端输出开关电容滤波电压。在过流过压保护模块设计中，电教多媒体设备节能电源的输出电压是经由二极管[D2]传送到输出端，当输出电压[Vo]不为零对应于[D1]的截止状态。综上描述，得到过流过压保护电路设计如图5所示。在接口电路中，采用DCS分散控制，实现了电教多媒体设备的节能电源优化设计。
3 实验测试分析
在电路调试实验中，起控点是由直流放大器输出的直流电平来控制，输入电压Vipp的范围为150～230 V，测试输出电压的峰峰值为[Vopp]，计算输出功率增益，得到测试结果见表1。
图6给出了不同方法设计的电源进行电教多媒体设备供电的输出电压峰峰值响应曲线。
分析表1和图6的结果得知，采用本文方法设计的电源具有较高的输出增益，消耗的功耗较低，输出电压的稳定性较强，说明电源的可靠性较高，实现节能设计。
4 结 语
本文提出一种基于分散控制系统（DCS）的节能电源设计方案，采用低功耗的STM32F101xx芯片作为微处理器中央控制单元。重点对功率放大模块、驱动模块、过流过压保护模块和接口部分进行设计。采用DCS分散控制，降低射频干扰，实现节能电源优化设计。测试表明，设计的电教多媒体设备的节能电源具有较高的输出电压峰峰值，功耗较低，供电稳定性较强，节能效果较好，使用价值较高。
参考文献
[1] 雷邦军，费树岷，翟军勇，等.静止无功补偿器（SVC）的一种新型非线鲁棒自适应控制设计方法[J].中国电机工程学报，2013，33（30）：65?70.
[2] 梅从立，黄文涛，殷开婷，等.基于Hammerstein模型的感应电机变频器调速系统神经网络控制[J].控制与决策，2015，30（6）：1148?1152.
[3] 张小冰.变频器优化控制方法研究与仿真[J].计算机仿真，2011，28（11）：409?412.
[4] 黄春平.双向流动补偿控制下连续电压无畸变恢复设计[J].科技通报，2014，30（6）：88?90.
[5] 邓异，梁燕，周勇.水聲换能器基阵信号采集系统优化设计[J].物联网技术，2015，5（4）：36?37.
[6] 陆兴华，吴恩燊，黄冠华.基于Android的智能家居控制系统软件设计研究[J].物联网技术，2015，5（11）：14?16.
[7] 施建中，董泽.基于开放结构的集成分散控制系统研究[J].计算机仿真，2015，32（7）：134?136.
摘 要： 供电模块是电教多媒体设备的基础单元，为了降低电教多媒体设备功耗，进行节能电源设计，提出一种基于分散控制系统的节能电源设计方案。采用低功耗的STM32F101xx芯片作为微处理器中央控制单元，节能电源系统模块包括功率放大模块、驱动模块、过流过压保护模块和接口部分；采用现代MOS技术进行过流过压保护，设置数字隔离器提高电源功能的稳压性能；采用DCS分散控制，降低射频干扰，实现节能电源优化设计。实验结果表明，设计的电教多媒体设备的节能电源具有较高的输出电压峰峰值，功耗较低，供电稳定性较强，节能效果较好。
关键词： 电教多媒体设备； 节能电源； 过压保护； 分散控制系统
中图分类号： TN86?34； TM762 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）16?0180?03
Abstract： The power supply module is a basic unit of the electrified?education multimedia equipment. In order to reduce the power consumption of the electrified?education multimedia equipment and design the energy?saving power supply， an energy?saving power supply design scheme based on distributed control system （DCS） is proposed. The low?power consumption STM32F101xx chip is taken as the central control unit of the microprocessor. The energy?saving power supply system module includes the power amplification module， driver module， overcurrent and overvoltage protection module， and interface module. The modern MOS technology is used to conduct the overcurrent and overvoltage protection. The digital isolator is set to improve the voltage stabilization performance of the power supply. The DCS is adopted to reduce the radio frequency interference， and realize the optimization design of the energy?saving power supply. The experimental results show that the designed energy?saving power supply of the electrified?education multimedia equipment has high peak?to?peak value of output voltage， low power consumption， strong power supply stability， and good energy?saving effect.
Keywords： electrified?education multimedia equipment； energy?saving power supply； overvoltage protection； distributed control system
随着多媒体教学的推广和普及，电教多媒体设备在中小学及高等教育教学中得到广泛应用，电教多媒体设备是保障多媒体教学的机电一体化设备，包括了电动幕布的启动系统、投影仪控制系统、音箱功放控制系统以及远程多媒体教学控制系统等。这些设备需要一套稳定持续的电源供电支持，由于电教多媒体设备的使用周期较长，对供电电源的持续性和稳定性要求较高，研究电教多媒体设备的节能电源设计对促进设备的稳定运行具有基础性意义，相关的电源设计方案受到人们的极大重视[1]。为了降低电教多媒体设备功耗，本文提出一种基于分散控制系统（Distributed Control System，DCS）的节能电源设计方案，实现电源优化设计。
1 电源整体设计与结构分析
电教多媒体设备的节能电源设计中，首先对输入的220 V电源进行收发转换控制和功率放大处理，通过串口RS 232进行总线控制，进行系统的总体模型设计。系统的功能模块主要包括了外部I/O设备、输入200 V电源接入、功率放大模块、DCS分散控制模块、过压保护控制模块和上位机通信模块等，采用低功耗的STM32F101xx芯片作为微处理器中央控制单元[2]。系统要实现对电教多媒体设备的电源稳压、 串口RS 232通信和功率放大功能。根据上述设计思想和原理分析，得到本文设计的电教多媒体设备的节能电源系统的整体结构模型如图1所示。
结合图1所示的节能电源的整体设计图进行节能电源工作流程和功能模块化分析，分别描述如下：
（1） 220 V接入电源提供整个电教多媒体设备的初始电源，为整个节能电源的设备控制提供供电输入。
（2） 功率放大模块满足电教多媒体设备的VXI总线数据触发和功率放大功能，采用电容式传感器设备进行电源输入的检波设计，主要作用是实现防雷击接地保护控制。采用双路电流输出型D/A转换芯片，在末级放大器输出交流信号，变换成只有正半轴有值的信号，提高电源的输出功率增益[3]。
（3） DCS主控电路模块。其主要作用是对运放电源输入的I/O动态功耗进行反相放大，把检波器输出的接地保护信号变换成直流信号，在驱动模块中进行睡眠、停机和待机三种模式的选择控制。
（4） 自动增益控制的主要作用是通过设计PCI总线及桥接电路，根据采样值幅度调整直流放大器输出的直流信号大小，而自动改变电教多媒体设备的供电输入功率I/O端口，读取的采样值在自动增益控制进行信号幅值检测滤波，实现了自动增益控制，满足电教设备的低电压启动需求。另外，在电源设计中，还需要设置数字隔离器提高电源功能的稳压性能[4]，采用DCS分散控制，提高电压保护能力。根据上述功能分析，得到本文设计的电教多媒体设备的节能电源工作流程图如图2所示。根据上述对电教多媒体设备的节能电源的总体设计和结构分析，进行节能电源的低功耗设计。
2 电源硬件设计
2.1 节能电源的功耗最优化分析
结合图1和图2所述的总体框图构架与系统工作流程，进行电教多媒体设备的电源硬件设计，本文提出一种基于分散控制系统的节能电源设计方案，采用低功耗的STM32F101xx芯片作为微处理器中央控制单元，进行电教多媒体设备的节能的输入功率和功耗控制。在硬件设计时，使用低功耗技术，有效地消除直流偏置[5]，考虑节能电源的嵌入式DCS的输入控制信号幅值较低，频率处于低频，采用静态功耗抑制方法，进行功率因数修正，进行节点电源的静态功耗和动态功耗的匹配，电源的静态功耗[Pspc]和动态功耗[Pdpc]计算公式分别为：
2.2 节能电源的电路设计
节点电源电路设计主要是对功率放大模块、驱动模块、过流过压保护模块和接口部分的电路进行集成设计。在电源的功率放大模块设计中，STM32F101xx给予相应的晶振，当电教多媒体设备进入低电流待机模式，采用复位电路实现总线与电源及地之间的短路保护，确保电源输入节点到总线的电器隔离，CAN总线加载电路由2 片16 b宽度的32 MB SDRAM 组成，由此实现功率放大模块电路设计，如图3所示。
在电源的驱动模块设计中，通过ADUM1201管脚接47 kΩ，运放供电12 V和-12 V。输入电源首先通过一个瞬态二极管进行电源滤波，隔离电源要求扼制电流突变和滤除高频噪声，降低射频干扰。采用防电磁辐射的隔离CAN收发器得到5 V输出接口电源，为了消除CAN电源上的瞬态冲击，采用晶振芯片82C250进行电源驱动设计，使得节能电源免受过流的冲击，得到驱动电路模块设计如图4所示。
过流过压保护模块用现代MOS技术进行设计，采用直插式开关电容低通滤波器设计过流保护隔直流电路，其中低通截止频率[fc]的变化范围为40～20 kHz，阻带衰减大于51 dB，正电源输入端与BUFFIN端相连，通过BUFFOUT端输出开关电容滤波电压。在过流过压保护模块设计中，电教多媒体设备节能电源的输出电压是经由二极管[D2]传送到输出端，当输出电压[Vo]不为零对应于[D1]的截止状态。综上描述，得到过流过压保护电路设计如图5所示。在接口电路中，采用DCS分散控制，实现了电教多媒体设备的节能电源优化设计。
3 实验测试分析
在电路调试实验中，起控点是由直流放大器输出的直流电平来控制，输入电压Vipp的范围为150～230 V，测试输出电压的峰峰值为[Vopp]，计算输出功率增益，得到测试结果见表1。
图6给出了不同方法设计的电源进行电教多媒体设备供电的输出电压峰峰值响应曲线。
分析表1和图6的结果得知，采用本文方法设计的电源具有较高的输出增益，消耗的功耗较低，输出电压的稳定性较强，说明电源的可靠性较高，实现节能设计。
4 结 语
本文提出一种基于分散控制系统（DCS）的节能电源设计方案，采用低功耗的STM32F101xx芯片作为微处理器中央控制单元。重点对功率放大模块、驱动模块、过流过压保护模块和接口部分进行设计。采用DCS分散控制，降低射频干扰，实现节能电源优化设计。测试表明，设计的电教多媒体设备的节能电源具有较高的输出电压峰峰值，功耗较低，供电稳定性较强，节能效果较好，使用价值较高。
参考文献
[1] 雷邦军，费树岷，翟军勇，等.静止无功补偿器（SVC）的一种新型非线鲁棒自适应控制设计方法[J].中国电机工程学报，2013，33（30）：65?70.
[2] 梅从立，黄文涛，殷开婷，等.基于Hammerstein模型的感应电机变频器调速系统神经网络控制[J].控制与决策，2015，30（6）：1148?1152.
[3] 张小冰.变频器优化控制方法研究与仿真[J].计算机仿真，2011，28（11）：409?412.
[4] 黄春平.双向流动补偿控制下连续电压无畸变恢复设计[J].科技通报，2014，30（6）：88?90.
[5] 邓异，梁燕，周勇.水聲换能器基阵信号采集系统优化设计[J].物联网技术，2015，5（4）：36?37.
[6] 陆兴华，吴恩燊，黄冠华.基于Android的智能家居控制系统软件设计研究[J].物联网技术，2015，5（11）：14?16.
[7] 施建中，董泽.基于开放结构的集成分散控制系统研究[J].计算机仿真，2015，32（7）：134?136.
