硬件平臺設計

OpenRISC1200可編程片上系統IP核 FPGA

SoC（System on Chip）片上系統是現代電子系統設計的一個發展方向，它將原先分立的多個芯片集成在一塊芯片上，通過提高芯片的集成度、減少系統芯片的數量和相互之間的PCB連線、減少PCB面積來降低整個系統的成本，同時使系統的性能、功能和可靠性都有很大的提高。隨著新型的高性能、低成本FPGA的出現和綜合技術的提高，基于FPGA的SoPC(System on Programmable Chip)可編程片上系統正逐步走向市場。基于FPGA的SoPC與基于ASIC技術的SoC相比，具有設計周期短、產品上市速度快、設計風險和設計成本低、集成度高、靈活性大、維護和升級方便、硬件缺陷修復和排除簡單等優點。因此基于FPGA和包括32位CPU在內的各種IP核的系統級應用開發將是下一代電子系統設計的發展方向。

順應這個潮流，FPGA器件的方要供應商Altera和Xilinx都推出了各自的SoPC解決方案：Nios系統和MicroBlaze系統。它們功能強大、開發環境和配套IP核完善，是工程應用的首選。但是它們只能用在各自廠商的FPGA上，不但配套IP核價格昂貴，而且用戶無法獲得所有源代碼，不利于我國SoPC技術的發展。2100433B

----硬件平臺是SIMOTION運動控制系統的基礎。使由工程開發系統所開發的且使用了實時軟件模塊的應用程序可以運行在不同的硬件平臺上，用戶可以選擇最適合自己機器的硬件平臺。 ----SIMOTION的不同之處在于，可按任務層次劃分的系統，具有靈活的功能，且使用同一種工程開發工具。 ----SIMOTION 運動控制系統可連接三種硬件平臺，即： ----SIMOTION D-集成在驅動器中的緊湊型系統。SIMOTION D的功能是集成在新的SINAMICS S120多軸驅動系統的控制模板上。使之成為一個極其緊湊的擁有控制器及驅動器的系統。將運動控制與驅動器功能集成在一起，使得系統具有極快的響應速度。 典型應用領域

根據其緊湊的設計，以及集成于驅動器上這一特點，SIMOTION D特別適用于： 小型機械 分布式自動化結構，例如擁有多軸的機器 模塊化設計的機器，也可以與SIMOTION P或SIMOTION C配合使用 實時性要求極高的多軸耦合應用 SIMOTION C -模塊化與靈活性

----SIMOTION C230-2控制器是裝配在S7-300機殼中。它具有四個模擬量接口用于連接驅動器，并且帶有若干數字量輸入及輸出端口。此外，C230-2可以擴展S7-300的I/O模板及功能模板。C230-2帶有兩個具有時鐘同步的PROFIBUS接口以及一個以太網接口，提供了多種通訊方式的選擇。 典型應用領域

模塊化的設計使得C230-2具有極高的靈活性，可以滿足許多應用領域的要求： 對驅動器的選擇具有最高的靈活性 極寬的過程信號范圍 SIMOTION P -針對需要開放性的任務

----SIMOTION P350是一個基于PC的運動控制系統。它采用具有實時處理能力的Windows NT操作系統。

----除了SIMOTION控制任務之外，其它的PC應用程序也能執行。例如：操作員監控、過程數據分析、標準PC應用等。 典型應用領域

開放性及工業PC技術使得P350特別適用于： 要求開放式PC環境的場合 要求在同一硬件平臺上既執行控制又進行顯示的場合 要求具有方便的數據管理、分析及報表的場合 對遠程診斷及遠程操作員控制要求很高的場合 ----這樣，每種硬件平臺都具有針對某些特定應用領域的優勢。而不同的硬件平臺可以組合在一起用于處理復雜的控制任務。不同的硬件平臺永遠具有相同的系統資源，其功能及工程開發總是相同的。

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dSPACE實時仿真系統

dSPACE實時仿真系統是由德國dSPACE公司開發的一套基于MATLAB/Simulink的控制系統開發及半實物仿真軟硬件工作平臺，實現了和MATLAB/Simulink/RTW的完全無縫連接。dSPACE實時系統擁有實時性強，可靠性高，擴充性好等優點。

dSPACE中的處理器運算性能強大，并且I/0接口十分豐富，用戶可根據需要自行組合;軟件環境功能強大而又靈活，提供自動生成代碼及調試和下載等一系列的功能，在快速控制原型控制仿真方而，dSPACE允許反復修改模型設計，進行離線及實時仿真，可在設計之初就將錯誤修正，節省設計費用。使用RCP技術，可以在費用和性能之間進行折衷。通過將快速原型硬件系統和所要控制的實際設備相連接，可以反復研究使用不同傳感器及驅動機構時系統的性能特征。而且，還可以利用旁路技術將原型控制單元或控制器集成于開發過程中，從而逐步完成從原型控制器到產品型控制器的順利轉換。

在硬件在回路仿真方面，dSPACE平臺可以實現對控制器的極限測試，失效測試。

RTLAB實時仿真系統

RT-LAB是加拿大名為Opal-RT公司推出的一款工業級的系統實時仿真平臺軟件包。

該平臺能在短時間內以較低的成本建立實時系統動態模型，簡化工程系統的設計過程，具有靈活、高效、可測量等優勢。

RT -LAB完全集成MATLAB/Simulink和MATRIXx/SystemBuild，已有的動態系RT-LAB所用;采用分布式處理的專業化塊設計;且該平臺使用戶能方便地將目標模型分割為幾個子系統，便于并行處理，集成豐富的第三方代碼庫;提供豐富的應用程序編程接口，便于用戶開發自定義應用;使用LabVIEW等工具可以創建定制的功能和測試界而;支持1000余種I/0設備，提供高度優化的硬件實時調度程序。

NI硬件在環仿真平臺

NI開發的硬件在環仿真平臺幫助用戶節省了在汽車研發到生產各個階段耗費的時間和成本。憑借業內領先的I/0、靈活現成的硬件、強大高效的LabVIEW開發環境，用戶可以創建各種應用的解決方案。

NI開發了基于PXI實時控制器的硬件在環仿真方案。PXI全稱為面向儀器系統的PCI擴展，結合了PCI的電氣總線特性和通用計算機強大的功能和高性價比，提供了一種高性能、低成本的虛擬儀器測試方案。

仿真模型建立在PXI實時控制器之中，NI提供FPGA模塊以適應更高動態性能和更高精度的模型應用需求。NI硬件在環仿真平臺具有開放的軟硬件技術架構，可以減少工程師的開發時間、成本和風險。在支持第三方硬件和軟件建模工具的同時，NI還提供一系列高性能模擬和數字I/0設備，CAN,LIN和FlexRay總線接口，故障注入硬件等，便于用戶高效實現應用。基于開放的工業標準，用戶總能將最新的PC技術用在自己的HIL測試系統中。同時，HIL測試系統的可擴展性滿足了多種快速變化的需求，以適應新技術發展所帶來的測試挑戰。

PCB設計是以電路原理圖為依據實現硬件電路的功能，此外還應滿足可生產性、可測試性、安規、EMC、EMI等技術規范要求，以構建產品的工藝、技術、質量和成本優勢。

硬件電路設計制作物理邊框

封閉的物理邊框是PCB設計的基本平臺，對后續的自動布局和布線起著約束作用。繪制物理邊框時一定要精確，以免出現安裝問題。使用圓弧邊框可以減少應力導致PCB板斷裂的現象，也能避免尖腳劃傷人員。

硬件電路設計引入元器件和網絡

引入元器件和網絡是將原理圖中的元器件和網絡等信息引入到物理邊框內，為布局和布線做準備。在更新PCB之前，應確認原理圖中與PCB關聯的所有元器件的封裝庫均可用。

硬件電路設計元器件布局

元器件的布局與布線對產品的壽命、穩定性、電磁兼容等都有很大的影響。布局常用的規則有：

（1）元器件的放置順序。先放置與電路結構有關的需固定位置的元器件，如電源插座、指示燈、開關、連接件等，最好將其位置鎖定，以免被誤移動；再放置電路中的特殊元器件，如發熱元件、大體積元件、IC等；最后放置小元件。

（2）元器件的安放位置。首先應考慮特殊元器件的安放位置，例如發熱元件要盡量靠邊放置以便散熱，且不宜集中放置，并遠離電解電容；去耦電容要盡量靠近IC的電源管腳，并力求與電源和地之間形成的回路最短。其次應考慮信號的隔離問題，例如高電壓、大電流的強信號與低電壓、小電流的弱信號應完全分開；模擬信號與數字信號分開；高頻信號與低頻信號分開等。非特殊元器件的布局應使總的連線盡可能短，關鍵信號線最短。結構相同的電路可采用對稱式設計以提高設計效率、減小出錯率，并節省調試時電路的辨識時間。布局應留有足夠的工藝邊，以免干涉PCB板的正常傳送。

（3）元器件的放置方向。在設計許可的條件下，同類元器件應按相同方向排列，相同封裝的元器件等距離放置，以便元件貼裝、焊接、測試和返修。

硬件電路設計電路板布線

合理的布線可以有效減少外部環境對信號的干擾以及各種內部信號之間的相互干擾，提高設備運行的可靠性，同時也便于查找故障原因和維護工作，提高產品的可用性。布線常用的規則有：

（1）布線的位置。布線應盡量走在焊接面；模擬部分和數字部分的地和電源應分開布線；大電流、高電壓信號與小信號之間應注意隔離；盡量少用過孔、跳線；布線也應留有足夠的工藝邊。

（2）布線的寬度與長度。除地線外，在同一塊PCB板上導線的寬度應盡可能均勻一致，避免突然變粗或變細。電源線和地線的寬度要求可以根據1mm的線寬最大對應1A 的電流來計算，電源和地構成的環路應盡量小；在可能的條件下電路的連線應盡量短，這樣有利于降低線路阻抗，也可減弱由于連線引起的各種干擾效應。

（3）布線的角度。布線時應避免銳角、直角，宜采用135°或圓角布線。