第一篇：滚动直线导轨测控系统设计论文
1测控系统设计分析
1．1试验台结构设计
测试系统的作用是控制机械部件进行运作，其中，驱动部件带动试验台面部件，使其能够在床身上进行往复的运动;加载部件能够对被测导轨进行正确的加载，并且可以调节力的大小，从而使试验装置进行模拟加载跑合试验;并对相关寿命试验参数进行监测和采集。这些功能的实现需要搭建完善的测控硬件系统，并且根据所需要实现的功能，编制完善的试验控制软件、测试软件、数据分析软件等，使试验台能够按照预计的方案进行试验，并能够获得导轨副相关参数如:型号、载荷、震动等相对工作时间的变化曲线。本试验台主要由测控系统、加载力控制系统、驱动电机控制系统及数据采集系统组成。
1．2加载力控制系统
1．2．1试验的加载力分析
我国目前的寿命试验台可以进行单条导轨的试验，然而加载力不能变化，加载方式单一，不能提供高加载。为了提高试验效率，试验台面上表面设置相互平行的三条被测导轨副转接板，每条被测导轨副转接板上均设置一条被测导轨副，被测导轨副转接板可以根据被测导轨副型号的不同进行更换，保证了试验装置的通用性，因此需要三组加载力装置分别对三条被测导轨进行加载，实现被测导轨可以分别加载或是同时加载;由于工作时，导轨所承受的载荷是变化的，因此加载力的调节范围需要较大，并且现在厂家所使用的导轨最大承载可达到30t，根据以上要求，选择液压加载的方式，液压加载可以提供高压力(30t)，并且其传动平稳，可以实现自动过载保护，具有使用寿命长、体积小、重量轻等优点，满足本试验台的需求。因此加载部件主要由龙门和三个液压缸组成，三个液压缸并排安装在龙门顶部，可分别对三条被测导轨副进行加载，并且可以根据实际加载要求更换不同上下加载工装。
1．2．2加载力控制系统设计
液压缸加载的控制分为加载动作的控制和加载力大小的控制。加载动作即为液压缸的伸出和缩回，可以通过三位四通电磁换向阀来控制;加载力的大小通过减压阀来控制。根据试验要求，现设计加载力控制的液动原理图，当液压站本身通路正常时，三个减压阀8接收到AO电压信号后，输出相应的压力，压力变送器可以监测减压阀输出压力的大小，换向阀10接收到减压阀给的压力信号后，可以给油缸11相应的液压力，换向阀的左右电磁铁的通断，可以控制油缸流量进入的方向，从而控制油缸的伸出和缩回动作，蓄能器7的作用是保压，可以避免电机长期连续工作。减压阀的控制信号AO要求可以通过程序提供0～10V的电压信号，工控机给输出卡信号，使板卡输出相应的模拟电压信号给减压阀，经分析PCI-1720是一款具有4路模拟量输出口的输出卡，可以提供0～10V范围的电压，满足试验需求。结合所选板卡及试验要求，设计加载力大小控制接线，工控机控制采集卡PCI-1720输出0～10V的电压信号，板卡VO口输出的电压信号发送给相应的减压阀，减压阀为液压缸的运动提供压力。电磁阀的控制信号DO要求所选的控制板卡可以给出六位的数字信号，每两位高低信号控制一个电磁阀，当电磁阀右电磁铁为高信号，左电磁铁为低信号时，油缸的活塞向下运动，实现伸出动作;当电磁阀左电磁铁为高信号，右电磁铁为低信号时，油缸的活塞向上运动，实现缩回动作。经分析PCI-7260可以提供8通道大功率继电器输出，并且可以单独控制，满足试验需求。结合所选板卡及试验要求，设计电磁阀的控制接线，工控机控制板卡PCI-7260的NO和COM口向电磁阀发送数字信号，六个DO口分别控制三个液压缸的伸出与缩回动作。由于电磁阀里有磁铁线圈，当断电时，它会产生电感电流，其中与电磁阀并联的二极管就是为了释放这些电感电流，防止这些电流加在板卡的端口，影响板卡的性能。
1．3驱动电机控制系统
1．3．1电机控制的分析，本试验台的运动通过在试验台面的一侧安装齿条，齿条与驱动部件中的齿轮啮合，在驱动部件的带动下实现试验台面部件往复运动的功能。驱动部件主要是由电机与减速器组成，电机的转速及其正反转一般是由变频器［9］控制的，变频器根据工控机输入的电压量，来控制电机的转速，从而控制试验台面的移动速度，并且变频器通过接受相应的数字信号可以控制电机的启动和停止;电机要实现正反转控制，将其电源的相序中任意两相对调即可，当试验台面运动到最大试验位置时，变频器会接收到相应的数字信号，并且可以输出信号给电机来改变转向。同时，由于电机的控制程序有出错的可能，使电机不能正常的正反转，所以还要设计一个急停开关，可以通过人工控制使机床瞬停。
1．3．2电机控制系统设计
变频器接收到的电压量和数字信号都可以由工控机的板卡提供，电机的启动、停止和正反转要求所选的控制板卡可以给出三位的数字信号，并可单独控制，经分析PCI-1716可以提供16位数字量输入/输出通道，并且可以提供0～10V的模拟输出，由于变频器输出的电流量比较高，但是板卡输出的的较小电流信号，因此选用继电器用于电机的控制系统中，起到电控开关的作用，根据所选板卡、电器元件及试验要求，设计使用五个继电器分别控制电机的停止、启动和正/反转信号开关以及正向到位和反向到位开关，当继电器的输入端接受到板卡PCI-1716相应DO口发出的数字信号后，继电器便处于接通状态，变频器的端口接受到信号后，在输出信号控制电机的电机的停止、启动和正/反转;正向到位和反向到位信号时要通过光电开关控制的，光电开关安装在试验台面试验范围的最远端，试验台面运动到最大试验距离时，会遮挡光电开关，光电开关给PCI-1716相应DI口的发出信号，通过工控机中所编程序控制反馈给电机正反转开关，改变电机的转向，从而实现试验台面的往复运动。正极限和反极限开关是由两个限位开关实现的，两个限位开关安装在试验台运动的最远端，串联接在变频器的急停端口处，一旦试验台接触或是人工触碰到任意限位开关，试验台都会当即停止，防止试验台冲出床身，造成事故。
1．4数据采集系统
1．4．1数据采集分析
试验台往复运行时，被测导轨的振动状态可以体现导轨的使用寿命状况，通过监测振动量相对工作时间的变化曲线，可以分析导轨的磨损状况;同时，加载力也要实时监测，确保被测导轨所承受的载荷是按预设的大小施加的;，由于液压系统中的油缸及油路管道对于减压阀输出的压强有损耗，所以减压阀的输出压强也需要进行监测。
1．4．2数据采集系统设计
振动量、加载力及液压力的采集都可以通过板卡采集，并传送给工控机中显示出来，经分析PCI-1716可以提供16路单端模拟量输入，满足试验需求，传感器将采集的信号传送到板卡的AI口，板卡将接收到信号传送给工控机，工控机将信号的变化曲线显示在电脑界面上，实现了实时监控被测导轨参数的目的。试验台进行寿命试验时，工控机通过输出卡PCI1716给变频器信号，变频器控制驱动电机的转速，使试验台按预计的速度运行，当试验台接触到光电开关时，光电开关给变频器信号，实现试验台的正反转，当试验台运行超过设计范围时，限位开关起到急停作用，工控机还可以通过控制采集卡的数字输出，来控制润滑泵的使用，对被测导轨进行润滑;试验台正常运行时，需要对被测导轨进行加载，PCI1720输出卡给减压阀相应的电压信号，使液压缸输出预计的压力，电磁阀接受PCI7260输出卡的数字信号，来控制液压缸的动作，液压力计记录液压缸的内部输出压强，力传感器监控被测导轨所受的加载力，帮助液压缸提供符合试验要求的加载力;试验台正常加载运行时，振动传感器不断的将采集到的三条导轨的机械振动量转化成电信号，电信号通过调理仪的分析转化，传送给采集卡PCI1716，从而可以在工控机的记录仪里观测到振动的变化曲线，记录试验台不同运行速度和不同加载力情况下的被测导轨振动变化曲线，从而来分析导轨的寿命。
2控制系统软件设计
根据试验的需求，系统的软件设计包括试验控制软件、测试软件、数据分析软件，针对本试验台所要实现的功能，控制软件主要是电机的控制、液压缸的加载及润滑泵的控制，测试软件主要是液压缸压强、被测导轨加载力及振动变化曲线的监测，数据分析软件的功能主要是对于试验数据的分析、记录、调用及输出打印等。
2．1系统主程序流程图
系统主程序流程图，试验开始时，首先要确定被测滚动直线导轨副的型号和加载力大小及其试验环境，数据处理软件记录这些参数的设置，接着把被测件安装在被测导轨副转接板上，通过按键控制开启润滑系统，为试验的进行做准备;接下来，启动加载液压缸对被测导轨副进行加载(先空转，然后逐步加载)，通过控制伺服阀以及压力传感器的监测将载荷加至指定值，并保持载荷不变，来模拟导轨实际工况;然后，启动振动传感器，在线监测振动量的变化情况，启动电机控制系统，使工作台面按试验计划往复运作。在测试软件里，可以对振动量实时监测显示，试验者通过观察振动变化曲线来分析导轨使用寿命的状况。当变化曲线有异样时，需要观测被测导轨是否有点蚀，如果有的话，并且导轨的行程没有达到额定值，说明此产品不合格，数据处理软件记录下此不合格导轨的信息;若被测导轨没有发生点蚀现象并且行程达到额定值，则说明导轨的寿命合格，数据处理软件同样也记录下此合格导轨的信息，如此完成导轨的寿命试验。
2．2试验台程序主界面
程序的主界面是利用VisualBasic6．0编写的，程序的主界面，界面上包含了参数的设置、寿命试验的实施、加载力及振动的监测、板卡及电机的测试和被测导轨数据的分析，数据存储、数据查询及数据的输出报表等功能。
2．3寿命试验程序界面
寿命试验运行的程序界面，可以控制试验台往复运行以及加载力的控制。
2．4参数监测界面，可以实时观测加载力的变化，振动变化曲线是通过iocomp控件来绘制的，纵坐标为板卡所收集到的传感器测得的信号。
2．5数据处理软件
本测控系统的数据处理软件是采用VisualBasic6．0编写，并结合Access数据库设计了导轨副寿命测量信息数据库、人员及测量标准数据库以及数据库管理软件，用于保存导轨副参数信息，寿命测量原始数据，分析数据结果等，能够很好地满足工厂的实际生产测量需要。
3试验台设计成果
为滚动直线导轨寿命试验台实物图，在已经设计好的试验台机械结构的基础上，运用上文所分析设计的测控系统，试验台面已经可以模拟工况的往复运行，并且液压加载系统可以为三根被测导轨提供0～30t的加载力，在加载力为30t时，试验台面可以最高速度正常运行，振动传感器所收集到的信号可以在参数监测界面进行监测，同时试验数据通过数据处理软件保存在数据库中，随时可以被调用分析。
4结束语
本文针对滚动直线导轨副试验台所需实现的功能问题，对其测控系统进行了研究。结合滚动直线导轨副寿命试验装置，提出了试验台测控系统的设计方案，用以实现模拟被测导轨在工况下的运行、导轨的加载以及参数的监测功能。本文提出的滚动直线导轨副试验台测控系统的设计方案，可为滚动直线导轨副试验台的研制提供参考，有助于提高国产滚动直线导轨副的性能。为滚动直线导轨副寿命参数的分析提供了试验基础。
第二篇：基于ARMlinux的嵌入式远程测控系统设计.
基于ARM linux的嵌入式远程测控系统
设计
基于ARM linux的嵌入式远程测控系统设计
类别：嵌入式系统
前言 目前，大多数远程测控系统中，系统的硬件采用8／16位的单片机，软件多采用汇编语言编程，该编程仅包含一个简单的循环处理的控制流程；单片机与单片机(或上位机)之间的通信通过RS232、RS485或CAN总线来组成局域网，再用Pc机作为 Web服务器，与Internet进行通讯。这样的远程测控设备成本高、体积大、速度慢、功耗大。现在，32位嵌入式CPU价格已下降，性能指标也有提高，为嵌入式系统的广泛应用提供了可能性。基于上述情况，我们将嵌入式系统应用于远程测控系统，大大提高了测控系统的性能，同时降低了成本和功耗，体积也大大减小。
嵌入式系统一般应用嵌入式操作系统来开发。在嵌入式操作系统的选择上，由于Linux有完整开放的源代码，因而它具有修改和优化系统、内核稳定、适用于多种CPU和多种硬件平台、支持网络等特点，所以选择Linux作为嵌入式操作系统较好。本文提出的基于 ARMlinux的嵌入式远程测控系统不仅能够实现本地数据采集与控制，还能实现远程测控任务。
1、硬件系统
硬件系统如图1。S3C2410包含一个16／32-bit的Risc(ARM920T)的CPU内核，主频200Hz，内部含有8通道1O位AD转换器和大量的I／O口、LCD控制器等丰富接口，能运行Ucosll、ARMlinux和Wince嵌入式操作系统，DM 9OOO是10M／100M以太网接口控制芯片。本硬件系统结构简单，成本低，不需要Pc机就可直接接入Internet。
2、软件系统
嵌入式操作系统是整个嵌入式系统的核心。本系统选择ARMlinux系统。由于嵌入式系统的存储容量很小，因此要把ARMLinux操作系统装入有限的存储器内，就要对它进行裁剪。很多资料对此都有论述，这里就不再累述。下面主要介绍基于操作系统上的远程测控软件设计。其体系结构如图2。
2.1 基于Boa的Web服务器
嵌入式linux主要有三个web Server：Hapd、Thttpd和Boa。Httpd是最简单的一个web Server。它的功能最弱，不支持认证，不支持CG1。Thttpd和Boa都支持认证、CGI等，功能都比较全。Boa是一个单任务的小型Httpd 服务器，源代码开放、性能优秀，特别适合应用在嵌入式系统中。下面介绍Boa的移植与编译。
对于有MMU嵌入式linux，把Boa下载到Redhat宿主机上后，解压到任意目录，再修改Boa／src／Makefde里面的编译器。例如：
CC=／opfhosfarmv41／bin／armv41—unkllown—linux—gcc CPP=／opt／host／army41／bin／armv41—unknown—linux—g++ 此后直接在Boa／src目录下执行make即可生成Boa可执行文件。将其复制到ramdisk加载mount的目录的bin里面后，等一同加入配置文件和HTML/CGI文件后，重做ramdisk即可。
配置文件Boa．conf的编制见下。
需要说明的是，Linux下的应用程序的配置都是以配置文件的形式提供的，～般都是放在目标板／ete／目录下或者／ctc／config目录下，但Boa 的配置文件Boa．conf一般都放置在目标板／home／httpd／目录下。本系统Boa.conf文件的编写程序为：
Servername S A M S U N G—A R M DocumentRoot／home／httpd／cgi—bin／
ScfiptAlias／index．html／home／httpd／html／index.html 它指定了HTML页面index.html必须放／home／httpd／html目录下，CGI可执行文件必须放到／home／httpd／cgi～bin目录下。
2.2 CGI程序技术原理
CGI(Common Gateway Interface)是外部扩展应用程序与WWW服务器交互的一个标准接口。按照CGI标准编写的外部扩展应用程序可以处理客户端浏览器输入的数据，从而完成客户端与服务器的交互操作。而CGI规范定义了Web服务器如何向扩展应用程序发送消息，在收到扩展应用程序的信息后又如何进行处理等内容。通过 CGI可以提供许多静态的Html网页无法实现的功能。其www与CGI的工作原理如下。
HTTP协议是WWW的基础，它基于客户／服务器模型。一个服务器可以为分布在网络各处的客户提供服务。它是建立在TCP／IP协议之上的“无连接”协议。每次连接只处理一个请求。当一个请求到来时，便创建一个子进程为用户的连接服务。根据请求的不同，服务器会返回HTML文件或通过CGI凋用外部应用程序，返回处理结果。服务器通过CGI与外部程序和脚本之问进行交互，根据客户端在进行请求时所采取的方法，服务器会收集客户所提供的信息，并将该部分信息发送给指定的CGI扩展程序。CGI扩展程序对信息进行处理并将结果返回服务器。服务器对信息进行分析后，将结果发送网客户端。
外部CGI程序与www服务器进行通信、传递有关参数和处理结果是通过环境变量、命令行参数和标准输入来进行的。服务器提供了客户端(浏览器)与CGI扩展程序之问的信息交换的通道。客户的请求通过服务器的标准输出传送给CGI的标准输入。CGI对信息进行处理后，会将结果发回到它的标准输入，然后由眼务器将处理结果发送给客户端。
2.3 CGI外部扩展程序的编制
服务器程序可以通过三种途径接收信息：环境变量、命令行和标准输入。具体使用哪一种方法要由标签的Method属性来决定。在“Method=GET”时，向CGI程序传递表单编码信息的正常做法是通过命令来进行的。
大多数表单编码信息都是通过Qucry-String的环境变量来传递的。如果“Method=POST”，表单信息将通过标准输入来读取。还有一种不使用表单就可以向CGI传送信息的方法。那就是把信息直接追回在URL地址后面，信息和URL之间用问号(?)来分隔。本测控系统采用的是GET方法。下面是远程控制LED闪烁快慢的程序。其网页如下页图3，其程序如下。
；LED测试
＜input type=“radio”name=“speed”value=“show”checked＞慢速
＜input type=“radio”name=“speed”value=“normal”＞中速 ＜input type=“radio”name=“speed”value=“rast”＞高速
＜input type=“submit”value=确定“name=”submit＞
其中leds.cgi程序如下：
#!/bin/sh Period=1+case $QUERY-STRING in slow）
period=0.25 ；；
normal)period = 0.125 ；；
fast period=0.0625+；；
fast)+ period =0.0626 ；；
esac /bin/echo $ period ? /tmp/led-control//通过Query_String的环境变量传递给应用程序。
echo “Content-type:texe/html；charset=gb2312”
echo /bin/cat led =result.template exit 0 led—control是编译好的可执行的应用程序，通过led驱动来实现对LED的控制。因为S3C2410有MMU，所以通过操作系统来对硬件控制需要驱动程序来实现。其数据采集部分也类似，不再单独说明。
图3 实验结果
3、测试结果
首先建立好基于S3C2410嵌入式开发环境，把编译好的booloader、嵌入式linux内核和ramdisk烧人Flash中，然后起动Boa服务器，在PC机的浏览器上输人嵌入式系统的IP地址，即显示出如图3的网页。通过点击慢速、中速和高速，再点击确定，测控板上LED的闪烁由慢变快，圆满实现了设计目标。
4、结论
找们开发的基于ARMLinux的远程测控系统，在真正意义上实现了通过互联网进行远程测控。它具有一般通用平台性能，特别适合实时性要求不很强的家电网络监控和远程工业控制。当然随着硬件和网络速度提高及操作系统实时性的改善，将会大大提高此测控系统的性能，因此有很好的应用前景。
第三篇：滑动与滚动教学设计
【教材分析】
本课是在上节《运动与摩擦力》的基础上继续研究影响摩擦力大小的因素，学习本课是为研究如何改变摩擦力的大小打下基础。本课有两个活动。第一，测量滑动和滚动摩擦力的大小。学生对小车“行驶”“刹车”两种情况下摩擦力大小的差别一般估计不到，因此，用对比实验的方法测量并比较两种摩擦力的大小会给学生留下很深的印象。第二，认识和制作滚珠轴承。滚珠轴承的应用非常广泛，是一种将滑动变为滚动的机械装置。根据儿童的特点，要认识滚珠轴承的作用，通过动手做一个“滚珠轴承”是一个很好的办法。认识滚珠轴承将为下一课寻找自行车上的“好设计”打下基础。
【学情分析】
学生在学习本课之前已经对摩擦力有了一定的了解，知道摩擦力的大小跟物体重量和接触面的光滑程度有关；但对物体的运动方式跟摩擦力的关系还不太清楚，因此本节课先从学生熟悉的小车入手，观察、体验和认识车轮不同的运动方式滑动和滚动，从而发现问题，摩擦力的大小是否跟物体运动方式有关？进而产生猜想，再利用实验数据验证，整理得出结论，根据掌握的知识再次进行探究将课程延伸，为下节课学生的学习做好铺垫。
【学习目标】
科学概念：
1、通过观察、实验，能说出摩擦力的大小与物体的运动方式（滚动还是滑动）有关。对于相同的物体，滚动的摩擦力小，滑动的摩擦力大。
2、通过观察、思考，能说出运动的物体失去动力后自己会停止下来，是因为受到了摩擦力的作用。
3、通过制作，初步了解滚珠轴承是一种将滑动转变为滚动的装置。
过程与方法：
1、能通过小组合作学习，设计出小车轮子滚动与滑动摩擦力的对比实验，并通过实验，证实滚动的摩擦力小，滑动的摩擦力大。
2、能用简单物品模拟制做滚珠轴承。
情感、态度、价值观：
1、在实验中，能记录真实数据。
2、了解人类改进搬运重物的方法，感受科学技术与社会的关系。
【评价设计】
1、通过观察学生回答问题的情况和动手实践完成实验的情况，达成对科学概念目标一的评价。
2、通过观察学生回答联系实际生活问题的情况，达成对科学概念目标二的评价。
3、通过观察学生制作模拟滚珠轴承的情况，达成对科学概念目标三的评价。
4、通过观察、检测学生对比实验和模拟滚珠轴承的完成情况，达成对探究能力目标一、二的评价。
5、通过观察学生实验中的测量记录表和实验之后小组汇报的情况，达成对科学态度目标的评价。
【学习重点】
设计对比实验，证实小车轮子的运动方式（滑动还是滚动）与摩擦力大小的关系。
【学习难点】
设计并完成车轮滑动、滚动时摩擦力大小的对比实验。
【学具准备】
教师：课件、小车对比实验工具一套、悠悠球。
学生：小车及配件、测力计、6个钩码、学习单、计算器、橡胶盖、塑料球。
【学习过程】
一、实物导入，观察体验车轮的两种运动方式。
1、观察体验
同学们，在我们每个小组的材料盘中都有一辆载有重物的小车，大家可以把它拿出来，四人小组轮流在桌面上推一推，拉一拉,观察正常行驶的小车的车轮是怎么运动,刹车时小车的车轮又是怎么运动？
2、学生一边观察一边填写学习记录单。
3、交流观察到的现象和体会
4、课件展示——一个物体在另一个物体表面运动，有滑动和滚动两种方式。
设计意图：通过学生的观察、体验，引出课题。
二、提出问题，猜想。
1、引出问题
车轮滑动时感觉怎么样？车轮滚动时感觉怎么样？
2、连续猜想
为什么你感觉滚动比滑动时省力、省劲？
车轮在桌面上滚动的摩擦力大还是滑动的摩擦力大？大多少？估计一下。
设计意图：从学生的亲身体会和已有知识出发，学生上节课已经认识了摩擦力，因此,会说出摩擦力和物体滑动和滚动这两种运动方式有关，程度较好的同学可能直接就猜想滚动的方式移动物体摩擦力小，省力。便于下一环节探究物体滑动和滚动摩擦力的大小。
三、设计完成实验。
1、分组设计实验
四人小组根据学习单前半部分内容交流、填写完成实验设计。
2、分组测量、整理数据，完成实验。
四人小组分工合作，教师巡视指导。
设计意图：使学生有序高效地进行实验探究学习，体现做中学的理念，教师适当的提出意见。
四、汇报交流，教师反馈。
1、汇报交流
小组集体上台，以科学发布会的形式汇报。
学生汇报交流实验得出的结论，教师汇总展示数据。
2、教师总结实验结论
相同的物体——滚动的摩擦力小，滑动的摩擦力大。
3、分析实际问题
设计意图：数据可能各不相同，但结论是一致的，要让每一个孩子都体会到成功的乐趣；同时完成由小概念建构到大的概念。
五、概念延伸，拓展应用。
1、介绍常见的轴承。
轴承是一种将滑动转变为滚动的机械装置。
2、四人小组做一个“滚珠轴承”，体验作用；展示并提出改进意见。
3、结合生活中的应用，进一步让学生体会滑动摩擦变滚动摩擦的例子还有很多。
设计意图：将学生学习的知识拓展到具体的应用；体现科学不是教出来的，也不是读出来的，是学生在主动思考的基础上自己做出来的。
六、总结全课。
同学们，虽然滑动摩擦力远大于滚动摩擦力，但是现实生活中也有很多地方用到滑动摩擦力，课后请大家继续留意生活中有关滑动与滚动摩擦力的应用。
设计意图：让学生带着问题走出课堂，在生活中延伸科学。
板书：
滑动与滚动
滑动大
相同的物体摩擦力
滚动小
第四篇：电子系统级设计论文
电子系统级（ESL）设计
摘要：电子系统级设计（ESL,Electronic System Level)设计是能够让SOC 设计工程师以紧密耦合方式开发、优化和验证复杂系统架构和嵌入式软件的一套方法学，并提供下游寄存器传输级(RTL)实现的验证基础。ESL牵涉到比RTL级别更高层次的电路设计，其基本的关注点在于系统架构的优化、软硬件划分、系统架构原型建模、以及软硬件协同仿真验证。SystemC是一种很好的软硬件联合设计语言,它不仅可以帮助设计人员完成一个复杂的系统设计,还可以避免传统设计中的各种弊端,并提高设计效率。关键词：电子系统级设计；SOC；SystemC 1 引言
目前，高质量的电子系统设计变得越来越复杂和困难。功能更繁杂的设计需求，更短的上市时间，不断增加的成本压力使这种趋势看起来还在加速。从应用概念到硅片实现的过程已经不能仅仅靠工程师聪明的大脑来完成，而更需要依赖于严格完善的设计方法学。
随着片上系统（SoC，System on Chip)设计复杂度的不断提高，设计前期在系统级别进行软硬件划分对SoC各方面性能的影响日趋增加，迫切需要高效快速性能分析和验证方法学。传统的RTL仿真平台不能提供较快的仿真速度与较大的仿真规模，FPGA平台则不能提供详细的性能分析指标，而电子系统级设计（Electronic System Level，ESL）方法，不仅提供高速的仿真验证手段还提供详细的性能分析指标，已经成为当今SoC设计领域最前沿的设计方法，它是能够让SoC设计工程师以紧密耦合方式开发、优化和验证复杂系统架构和嵌入式软件的一套方法学。电子系统级设计（ESL，Electronic System Level）牵涉到比RTL级别更高层次的电路设计，其基本的关注点在于系统架构的优化、软硬件划分、系统架构原型建模、以及软硬件协同仿真验证。全新的ESL工具为电路系统级建模提供了虚拟原型的基本仿真平台。电子系统级设计正在从学术研究的课题变成业界广为接受的建模手段，它完成从理想应用优化到目标体系结构建立。而后依据预期产量规模的不同，用SoC 芯片或可编程平台实现。2.传统SOC设计方法的局限
目前的设计方法不能充分利用设计能力来快速构建满足市场需求的SoC。而只有快速适应消费电子市场的变化，商业系统设计公司才能在竞争中胜出。这使SoC设计方法的研究具有重要的现实意义。
目前在技术上，SoC设计面临的主要挑战是在系统建模和硬件设计之间的不连续性。通常系统是使用C语言或其他系统描述语言定义的。而系统的集成电路实现却使用硬件描述语言，因此导致转换和重写系统的负担。这样的流程使得设计过程中容易出错而且耗时。验证流程中需要仿真大规模系统，仿真速度难以需满足设计需求。HDL模型仿真效率低，需要提高抽象层次。SoC系统中的组件具有多样性异质性，包括各个专业的设计，模拟和数字设计等等，需要提供异质的仿真环境以及对系统级设计空间的探索复杂性的管理。千万门级的规模使得设计本身的管理成为问题深亚微米集成电路中，沿线延迟的增加使时序收敛问题显得更加突出，需要消除前端逻辑设计和后端物理设计的反复返工问题传统的设计重用方法需要适应规模的增长。系统设计需要具有竞争力，从基于芯片的设计方法，过渡到基于IP核的设计也是必然趋势。虽然可以使用标准接口，但是更理想的办法是分离出通讯部分，使用接口综合技术。因此需要设计工具重点面向模块间的通讯和互连，门级和寄存器传输级(RTL)仿真速度太慢，不适合系统设计。需要提高设计的抽象层次。SoC设计的趋势是向高层抽象移动，更强调芯片级的规划和验证。强调早期芯片级规划，以及软硬件系统验证。软硬件协同设计方法是SoC设计方法学研究的重要领域。主要目的是开发适应设计需求的设计方法和相应的电子设计自动化软件。在设计中通常一种技术是不能满足设计要求的，因此要结合研发成本和开发周期等等因素，综合考虑各种技术。3.ESL设计的基本概念
ESL设计指系统级的设计方法，从算法建模演变而来。ESL设计已经演变为嵌入式系统软硬件设计、验证、调试的一种补充方法学。在ESL设计中能够实现软硬件的交互和较高层次上的设计抽象。ESL设计能够让SoC设计工程师以紧密耦合方式开发、优化和验证复杂系统架构和嵌入式软件，并能够为下游的寄存器传输级(RTL)实现提供验证基础。
ESL设计以抽象方式来描述系统单芯片（SoC）设计。在ESL设计中，系统的描述和仿真的速度快，让设计工程师有充裕的时间分析设计内容。并且能提供足够精度的虚拟原型，以配合软件的设计。ESL设计不仅能应用在设计初期与系统架构规划阶段，亦能支持整个硬件与软件互动设计的流程。
ESL设计技术与IP模块能将流程融入现有的硬件与软件设计与工具流程，在SoC开发流程中扮演协调统合的角色。它们让工程师能开发含有数百万逻辑门与数十万行程序代码的设计，并提供一套理想平台，用来进行验证，满足客户持续成长的需求。
4.ESL设计的特点
ESL设计之所以会受欢迎，主要源于以下五方面功能：功能正确和时钟精确型的执行环境使提前开发软件成为可能，缩短了软硬件集成的时间。系统设计更早地和验证流程相结合，能确定工程开发产品的正确性。在抽象层设置的约束和参数可以被传递到各种用于设计实现的工具中。（1）更早地进行软件开发
有了虚拟的原型平台意味着可以更早地开始软件开发。对于目前基于SystemC语言的ESL设计方法学来说，ESL设计工程师可用SystemC生成一个用来仿真SoC行为的事务级模型。由于事务级模型的开发速度比RTL模型要快得多。在RTL实现以前，完成TLM建模后的系统就可以开始软件的开发。这样软件的开发可以和RTL实现同时展开，而不是传统上的在RTL实现完成以后才开始软件的开发。虽然部分和硬件实现细节有关的软件要在RTL完成以后才能开始，但还是可以节省大量的开发时间。（2）更高层次上的硬件设计
为了适应不断变化的市场要求，需要不断推出新产品或经过改进的产品。在SoC设计中可以通过改进一些模块的性能、增加功能模块或存储器、甚至在体系结构上做出重大的调整。因此设计工程师必须拥有可实现的快速硬件设计方法。为了实现快速的硬件设计，在ESL设计须建立在较高层次上的抽象如事务级建模（TLM）。事务级模型应用于函数调用和数据包传输层。传输级模型可以分为事件触发型和时钟精确型，这些模型能够提供比RTL级模型快好几个数量级的仿真速度。ESL工具的挑战就是既要保持足够精度的时序信息来帮助设计决策，又要提供足够的仿真速度以满足大型的系统软件（如OS启动）在可接受的时间内的完整运行。只要掌握了这种平衡，就可以在高级设计中验证时序和设置约束条件，再将这些优化的设计分割、分配到各个不同的软、硬件设计工作组去加以实现。RTL仿真通常只能提供10MIPS到数百MIPS左右的性能；然而，时钟精确型的ESL仿真却能达到100KMIPS到1MMIPS的仿真速度。（3）设计的可配置性和自动生成
越来越多的系统强调自己的可配置性，诸如：不同的处理器、不同的总线带宽、不同的存储器容量、无数的外设。配置和生成出来的设计必须和验证环境得到的结果完全一致，并延续到整个设计流程中。通过ESL模型，结构设计师能够找到最好的配置方案。但是，这样产生出来的结果需要和一套骨架的验证环境同步到设计实现中去。如ARM已经实现了从RealView SoC Designer ESL环境中自动导入SynopsysDesignWare coreAssembler SoC的集成和综合流程，并且可以从coreAssembler或Mentor Graphics公司的Platform Express中启动ARM PL300 AXI可配置互联生成器，来生成AXI总线系统。（4）方便的架构设计
ESL架构设计能完成功能到运算引擎的映射。这里的引擎指的是那些可编程的目标——如处理器、可配置的DSP协处理器，或者是特殊的硬件模块如UART外设、互连系统和存储器结构。这是系统设计的开始环节，从行为上划分系统，验证各种配置选择的可行性及优化程度。ESL工具对于开发可配置结构体系是非常关键的。它使系统结构从抽象的行为级很容易地映射到具体的硬件设计，从而方便决定哪些模块可以被复用，哪些新模块需要设计。还能提供必要信息指导最优化的通讯、调度和仲裁机制。（5）快速测试和验证
由于ESL设计中的抽象级别明显高于RTL设计抽象级别，ESL设计中可以做到描述模块内的电路状态、精确到纳秒的转换以及精确到位的总线行为。相比使用RTL，使用周期精确的事务级模型将使硬件验证和硬件/软件协同验证速度快1000倍或者更多。这种方法不仅可产生用于验证系统行为，它还支持与较低抽象级别的RTL模型的协同仿真。如果ESL设计抽象级别被当作一个测试台的话，当下游的RTL实现模块可用时，它们便可在这个测试台上进行验证。
系统级的HW/SW协同验证要优于C/RTL实现级的HW/SW协同验证。因为在系统级的验证可以在较早的展开，而不必等到底层的实现完成后才开始。在底层实现没有开始前的协同验证可以及时修改体系结构或软硬件划分中的不合理因素。越高层次上的验证，可以越大程度上减少修改设计带来的损失。5.ESL设计方法
ESL作为一种先进的设计方法学，能够用于硬件的功能建模与体系结构的探察，给硬件架构设计人员提供准确可靠的设计依据，因此在本章的内容里将将详细介绍ESL设计的基本流程与ESL的核心方法—利用SystemC实现事务级建模的基本理念。
首先要指出的是在设计的哪个阶段使用ESL设计方法和ESL设计工具。每一个电子产品的设计过程以某一种形式的顶层定义开始。这个定义过程可以以文本的形式描述，也可以用图表、状态图、算法描述，或者利用工具如MATLAB等描述。ESL设计并不是定位在这个层次上的设计。而是通过描述系统怎样工作，并为进一步的实现提供一个解决方案。ESL设计成为系统和更加底层设计之间的桥梁。ESL设计包括功能设计和体系结构设计两大领域。
系统的行为由功能模块实现，功能模块设计必须关注系统的应用。功能设计不考虑硬件和软件，物理和工艺。功能设计包括实现功能模块结构、模块之间的通信和它们的基本行为。在ESL中一个硬件功能模块的设计包括定义正确的功能，确定输入和输出，划分子模块，确定子模块的结构、数据流和控制逻辑，还要为其模块建立测试环境。这个设计过程和RTL的设计流程相似，但他们在不同的抽象层次上，使用不同的设计语言，例如，在ESL的功能模块建模过程中使用SystemC或SystemVerilog，而RTL级建模则使用Verilog或者VHDL。
体系结构设计首先要建立平台的描述。接着将应用的功能部件影射到平台。验证体系结构模型，并根据成本和性能优化这个结构。在体系结构设计中需要考虑处理器的类型、处理器的数量、存储器的大小、Cache性能、总线互联和占用率、软件和硬件的功能划分和评估、功耗的评估和优化等。
首先ESL接受一个设计定义的输入，这个定义可以是文本、图表、算法或者是某种描述语言如UML，SLD，MATLAB等的描述。对于这个输入的定义，在ESL设计完成算法的开发，接口定义，用ESL语言或其他语言来描述来完成体系结构的设计。并在此基础上完成软硬件的划分。完成软硬件划分后，可以开始软件和硬件的设计。在硬件设计中，对于功能单元需要在较高层次上的建模，完成功能设计。比如说用SystemC进行事务级的建模。
用C/C++或其他高级语言完成应用软件的设计。在这个阶段开始软硬件的协同验证，根据协同验证的结果反馈给体系结构和软硬件划分。后者根据性能、成本等因素重新做出调整。软硬件的设计和验证，包括软硬件的协同验证是一个重复的过程，在整个设计过程中都要根据验证的结果对体统和设计做出调整。完成验证的硬件和软件设计就可以组成一个完整地系统级设计。传递给下一级 的设计作为输入。比如说是ESL设计为软件应用提供C或C++语言描述的程序。为定制电路提供Verilog或VHDL语言描述的硬件设计。为硬件平台提供PCB板的功能部件或抽象层IP，比如说基于SystemC的IP。在实现ESL设计流程的具体过程中，有不同的实现方法可以采用。下面介绍两种应用得比较多 的设计方法。
在完
成系统功能定义后，设计方法之一是从系统的定义开始，先进行算法级设计。通常用MatLab等工具进行算法的分析，接着用Simulink等工具进行数据流的分析。完成分析后进行体系结构的平台的设计。体系结构和平台设计要进行系统级的验证，以确定结构是否合理。在体系结构的设计中，首先从IP库中获取已有的硬件模块的事物级模型，如处理器和总线模型，或者重新设计IP库中没有的模块的事物级模型。硬件模块的事物级建模完成后，建立系统模型。接下来输入软件参考模型进行软硬件的协同验证。体系结构的系统级验证的目标是确定存储器的大小、DMA的定义、总线带宽和软硬件划分等。
与图2中的ESL设计方法一相比，图3中的设计方法是直接由软件参考代码开始，创建事物级模型的虚拟平台，在此基础上进行系统结构设计，验证和性能的分析。通常，软件参考代码已实现了基本功能，特别是保证了算法及数据流等的正确性。如，软件参考代码可以是某一标准协议的用C语言写的参考代码。在软件参考代码和事物级模型的基础上分别进行软件和硬件的设计。在软件设计中，会把建立完成的虚拟平台和构架作为集成开发环境的一部分。集成开发环境还包括编译器和调试工具的开发。在设计的过程通过软硬件的协同验证调整设计的内容。
6.SystemC的系统级芯片设计方法研究
在传统设计方法中,设计的系统级往往使用UML,SDL, C, C++等进行描述以实现各功能模块的算法,而在寄存器传输级使用硬件描述语言进行描述。最广泛使用的2种硬件描述语言是VHDL和Verilog HDL,传统的系统设计方法流程如图3所示。从图中不难看出,传统的设计方法会出现如下弊端:首先,设计人员需要使用C/C++语言来建立系统级模型,并验证模型的正确性,在设计细化阶段,原始的C和C++描述必须手工转换为使用VHDL或Verilog HDL。在这个转换过程中会花费大量的时间,并产生一些错误。
其次,当使用C语言描述的模块转换成HDL描述的模块之后,后者将会成为今后设计的焦点,而设计人员花费大量时间建立起来的C模型将再没有什么用处。再次,需要使用多个测试平台。因为在系统级建立起来的针对C语言描述的模块测试平台无法直接转换成针对HDL语言描述的模块所需要的测试平台。
无论采用什么样的设计方法学,人们都需要对SOC时代的复杂电子系统进行描述,以选择合适的系统架构进行软硬件划分、算法仿真等。描述的级别越低,细节问题就越突出,对实际系统的模仿就越精确,完成建模消耗的时间、仿真和验证时间就越长。相反,描述的抽象级别越高,完成建模需要的时间就越短,但对目标系统的描述也就越不精确。作为设计人员必须在速度和精确性之间做出选择。
人们对系统级描述语言的要求是:高仿真速度以及建模效率、时序和行为可以分开建模、支持基于接口的设计、支持软硬件混合建模、支持从系统级到门级的无缝过渡、支持系统级调试和系统性能分析等。人们迫切需要一种语言单一地完成全部设计。这种语言必须能够用于描述各种不同的抽象级别(如系统级、寄存器传输级等),能够胜任软硬件的协同设计和验证,并且仿真速度要快。这就是所谓的系统级描述语言SLDL,而传统的硬件描述语言如VHDL和Verilog HDL都不能满足这些要求。SystemC就是目前这方面研究的最新、最好的成果,他扩展传统的软件语言C和C++并使他们支持硬件描述,所以可以很好地实现软硬件的协同设计,是系统级芯片设计语言的发展趋势。7.ESL综合
“ESL综合”到底有没有一种明确的定义，能让我们确信ESL综合是一种可行的设计技术，或者用于评估某款所谓的ESL综合工具是否真的能够完成综合工作？凭借Synplicity营销高级副总裁AndrewHaines在电子设计自动化(EDA)方面的工作经验，关于ESL综合的定义，建议是：此定义应该突出ESL综合与其他ESL设计工作相比的独到之处。
首先，从本质来说，综合是从一种抽象层级转变为另一种抽象层级，同时保持功能不变。逻辑综合是从RTL到逻辑门的转变；而物理综合则是从RTL到逻辑门及布局的转变。因此，ESL综合是从ESL描述语言到RTL等抽象较低的实施方案的转变。就ESL综合的定义而言，选择哪种描述语言并不重要，因为通过在初始化阶段根据不同应用支持多种ESL语言的方式，用户群最终均能解决这一问题。重要的是，ESL综合应将设计转变为抽象较低但功能相当的实施方案。其次，某种技术被定义为综合技术，就必然与其他形式的转变存在根本区别。例如，原理图输入(schematic capture)很显然是一种涉及多种抽象层级的转变，而综合则不是。综合与原理图输入定义的独特区别在于香蕉曲线，也
就是说，综合的结果不是面积与时序关系图上的一个点，而是一条曲线，表示所有综合结果均保持相当的功能，但时序与面积不同。因此，根据面积与时序关系自动定义一系列功能相当的解决方案必须作为ESL综合定义的一部分。
我们已经认识到，真正的DSP综合需要从算法发展到优化的RTL，市场中已有能够满足上述要求的相关ESL综合技术。这确实是ESL综合技术的进步。不过，客户必须始终认识到，有的所谓“ESL综合”工具实际只能根
据算法描述创建参数化的RTL模型，这种产品不能实现自动化，也无法形成“香蕉曲线”，且对提高工作效率的作用也非常有限。定义本身不会改善ESL设计，即便如此，我们也应当在早期为其下一个明确的定义，以便设计小组了解ESL的真正进步与不足。参考文献：
[1]刘强.基于SystemC的系统级芯片设计方法研究,现代电子技术，2005（9）[2]陶耕.基于ESL设计方法学的雷达信号产生与处理技术[D].南京理工大学,2009 [3]Ron Wilson.电子系统级设计：从现象到本质.EDN电子设计技术，2008（11）
[4]Bassam Tabbara.电子系统级（ESL）设计：越早开始越好.中国集成电路，2005（12）[5]祝永新.基于ARM ESL平台的H.264与AVS双解码软硬件协同设计和研究[D].上海交通大学,2010 [6]刘昊.基于ESL的AVS帧内预测算法周期精确级建模.信息技术，2008
第五篇：机电一体化系统设计论文
机电一体化系统设计论文
班级：数控姓名：潘万顺学号：081841191
摘要：机电一体化是现代科学技术发展的必然结果,本文简述了机电一体化技术的基本概要和发展背景。综述了国内外机电一体化技术的现状，分析了机电一体化技术的发展趋势。作为机电系的一名学生，将来工作学习都会以机电为主，所以必须掌握好各种机电的专业知识。我会本着认真的态度对待专业课的学习，提高自己的专业素养.接下来我将介绍一下我对电动机的认识。
关键词：机电一体化；技术；应用
引言
现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。
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