硬件平台设计

硬件平台设计

OpenRISC1200可编程片上系统IP核 FPGA

SoC（System on Chip）片上系统是现代电子系统设计的一个发展方向，它将原先分立的多个芯片集成在一块芯片上，通过提高芯片的集成度、减少系统芯片的数量和相互之间的PCB连线、减少PCB面积来降低整个系统的成本，同时使系统的性能、功能和可靠性都有很大的提高。随着新型的高性能、低成本FPGA的出现和综合技术的提高，基于FPGA的SoPC(System on Programmable Chip)可编程片上系统正逐步走向市场。基于FPGA的SoPC与基于ASIC技术的SoC相比，具有设计周期短、产品上市速度快、设计风险和设计成本低、集成度高、灵活性大、维护和升级方便、硬件缺陷修复和排除简单等优点。因此基于FPGA和包括32位CPU在内的各种IP核的系统级应用开发将是下一代电子系统设计的发展方向。

顺应这个潮流，FPGA器件的方要供应商Altera和Xilinx都推出了各自的SoPC解决方案：Nios系统和MicroBlaze系统。它们功能强大、开发环境和配套IP核完善，是工程应用的首选。但是它们只能用在各自厂商的FPGA上，不但配套IP核价格昂贵，而且用户无法获得所有源代码，不利于我国SoPC技术的发展。2100433B

----硬件平台是SIMOTION运动控制系统的基础。使由工程开发系统所开发的且使用了实时软件模块的应用程序可以运行在不同的硬件平台上，用户可以选择最适合自己机器的硬件平台。 ----SIMOTION的不同之处在于，可按任务层次划分的系统，具有灵活的功能，且使用同一种工程开发工具。 ----SIMOTION 运动控制系统可连接三种硬件平台，即： ----SIMOTION D-集成在驱动器中的紧凑型系统。SIMOTION D的功能是集成在新的SINAMICS S120多轴驱动系统的控制模板上。使之成为一个极其紧凑的拥有控制器及驱动器的系统。将运动控制与驱动器功能集成在一起，使得系统具有极快的响应速度。 典型应用领域

根据其紧凑的设计，以及集成于驱动器上这一特点，SIMOTION D特别适用于： 小型机械 分布式自动化结构，例如拥有多轴的机器 模块化设计的机器，也可以与SIMOTION P或SIMOTION C配合使用 实时性要求极高的多轴耦合应用 SIMOTION C -模块化与灵活性

----SIMOTION C230-2控制器是装配在S7-300机壳中。它具有四个模拟量接口用于连接驱动器，并且带有若干数字量输入及输出端口。此外，C230-2可以扩展S7-300的I/O模板及功能模板。C230-2带有两个具有时钟同步的PROFIBUS接口以及一个以太网接口，提供了多种通讯方式的选择。 典型应用领域

模块化的设计使得C230-2具有极高的灵活性，可以满足许多应用领域的要求： 对驱动器的选择具有最高的灵活性 极宽的过程信号范围 SIMOTION P -针对需要开放性的任务

----SIMOTION P350是一个基于PC的运动控制系统。它采用具有实时处理能力的Windows NT操作系统。

----除了SIMOTION控制任务之外，其它的PC应用程序也能执行。例如：操作员监控、过程数据分析、标准PC应用等。 典型应用领域

开放性及工业PC技术使得P350特别适用于： 要求开放式PC环境的场合 要求在同一硬件平台上既执行控制又进行显示的场合 要求具有方便的数据管理、分析及报表的场合 对远程诊断及远程操作员控制要求很高的场合 ----这样，每种硬件平台都具有针对某些特定应用领域的优势。而不同的硬件平台可以组合在一起用于处理复杂的控制任务。不同的硬件平台永远具有相同的系统资源，其功能及工程开发总是相同的。

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dSPACE实时仿真系统

dSPACE实时仿真系统是由德国dSPACE公司开发的一套基于MATLAB/Simulink的控制系统开发及半实物仿真软硬件工作平台，实现了和MATLAB/Simulink/RTW的完全无缝连接。dSPACE实时系统拥有实时性强，可靠性高，扩充性好等优点。

dSPACE中的处理器运算性能强大，并且I/0接口十分丰富，用户可根据需要自行组合;软件环境功能强大而又灵活，提供自动生成代码及调试和下载等一系列的功能，在快速控制原型控制仿真方而，dSPACE允许反复修改模型设计，进行离线及实时仿真，可在设计之初就将错误修正，节省设计费用。使用RCP技术，可以在费用和性能之间进行折衷。通过将快速原型硬件系统和所要控制的实际设备相连接，可以反复研究使用不同传感器及驱动机构时系统的性能特征。而且，还可以利用旁路技术将原型控制单元或控制器集成于开发过程中，从而逐步完成从原型控制器到产品型控制器的顺利转换。

在硬件在回路仿真方面，dSPACE平台可以实现对控制器的极限测试，失效测试。

RTLAB实时仿真系统

RT-LAB是加拿大名为Opal-RT公司推出的一款工业级的系统实时仿真平台软件包。

该平台能在短时间内以较低的成本建立实时系统动态模型，简化工程系统的设计过程，具有灵活、高效、可测量等优势。

RT -LAB完全集成MATLAB/Simulink和MATRIXx/SystemBuild，已有的动态系RT-LAB所用;采用分布式处理的专业化块设计;且该平台使用户能方便地将目标模型分割为几个子系统，便于并行处理，集成丰富的第三方代码库;提供丰富的应用程序编程接口，便于用户开发自定义应用;使用LabVIEW等工具可以创建定制的功能和测试界而;支持1000余种I/0设备，提供高度优化的硬件实时调度程序。

NI硬件在环仿真平台

NI开发的硬件在环仿真平台帮助用户节省了在汽车研发到生产各个阶段耗费的时间和成本。凭借业内领先的I/0、灵活现成的硬件、强大高效的LabVIEW开发环境，用户可以创建各种应用的解决方案。

NI开发了基于PXI实时控制器的硬件在环仿真方案。PXI全称为面向仪器系统的PCI扩展，结合了PCI的电气总线特性和通用计算机强大的功能和高性价比，提供了一种高性能、低成本的虚拟仪器测试方案。

仿真模型建立在PXI实时控制器之中，NI提供FPGA模块以适应更高动态性能和更高精度的模型应用需求。NI硬件在环仿真平台具有开放的软硬件技术架构，可以减少工程师的开发时间、成本和风险。在支持第三方硬件和软件建模工具的同时，NI还提供一系列高性能模拟和数字I/0设备，CAN,LIN和FlexRay总线接口，故障注入硬件等，便于用户高效实现应用。基于开放的工业标准，用户总能将最新的PC技术用在自己的HIL测试系统中。同时，HIL测试系统的可扩展性满足了多种快速变化的需求，以适应新技术发展所带来的测试挑战。

PCB设计是以电路原理图为依据实现硬件电路的功能，此外还应满足可生产性、可测试性、安规、EMC、EMI等技术规范要求，以构建产品的工艺、技术、质量和成本优势。

硬件电路设计制作物理边框

封闭的物理边框是PCB设计的基本平台，对后续的自动布局和布线起着约束作用。绘制物理边框时一定要精确，以免出现安装问题。使用圆弧边框可以减少应力导致PCB板断裂的现象，也能避免尖脚划伤人员。

硬件电路设计引入元器件和网络

引入元器件和网络是将原理图中的元器件和网络等信息引入到物理边框内，为布局和布线做准备。在更新PCB之前，应确认原理图中与PCB关联的所有元器件的封装库均可用。

硬件电路设计元器件布局

元器件的布局与布线对产品的寿命、稳定性、电磁兼容等都有很大的影响。布局常用的规则有：

（1）元器件的放置顺序。先放置与电路结构有关的需固定位置的元器件，如电源插座、指示灯、开关、连接件等，最好将其位置锁定，以免被误移动；再放置电路中的特殊元器件，如发热元件、大体积元件、IC等；最后放置小元件。

（2）元器件的安放位置。首先应考虑特殊元器件的安放位置，例如发热元件要尽量靠边放置以便散热，且不宜集中放置，并远离电解电容；去耦电容要尽量靠近IC的电源管脚，并力求与电源和地之间形成的回路最短。其次应考虑信号的隔离问题，例如高电压、大电流的强信号与低电压、小电流的弱信号应完全分开；模拟信号与数字信号分开；高频信号与低频信号分开等。非特殊元器件的布局应使总的连线尽可能短，关键信号线最短。结构相同的电路可采用对称式设计以提高设计效率、减小出错率，并节省调试时电路的辨识时间。布局应留有足够的工艺边，以免干涉PCB板的正常传送。

（3）元器件的放置方向。在设计许可的条件下，同类元器件应按相同方向排列，相同封装的元器件等距离放置，以便元件贴装、焊接、测试和返修。

硬件电路设计电路板布线

合理的布线可以有效减少外部环境对信号的干扰以及各种内部信号之间的相互干扰，提高设备运行的可靠性，同时也便于查找故障原因和维护工作，提高产品的可用性。布线常用的规则有：

（1）布线的位置。布线应尽量走在焊接面；模拟部分和数字部分的地和电源应分开布线；大电流、高电压信号与小信号之间应注意隔离；尽量少用过孔、跳线；布线也应留有足够的工艺边。

（2）布线的宽度与长度。除地线外，在同一块PCB板上导线的宽度应尽可能均匀一致，避免突然变粗或变细。电源线和地线的宽度要求可以根据1mm的线宽最大对应1A 的电流来计算，电源和地构成的环路应尽量小；在可能的条件下电路的连线应尽量短，这样有利于降低线路阻抗，也可减弱由于连线引起的各种干扰效应。

（3）布线的角度。布线时应避免锐角、直角，宜采用135°或圆角布线。