第一篇：余熱自發(fā)電節(jié)能照明燈系統(tǒng)的設(shè)計論文

摘 要：本設(shè)計為一種余熱自發(fā)電節(jié)能照明燈系統(tǒng)，它在原有普通照明燈的基礎(chǔ)之上增加的一種節(jié)能設(shè)備，利用溫差發(fā)電裝置中的溫差發(fā)電片，把照明燈釋放的熱能在重新收集起來轉(zhuǎn)換成電能，配合升壓裝置給手機、充電寶等小型移動設(shè)備進行充電，其主要目的是讓照明燈發(fā)光時所產(chǎn)生的熱量能夠盡可能被充分回收利用。本作品具有自動切換功能，當(dāng)普通照明燈開啟時，自動切換到儲存電源模式，利用溫差發(fā)電裝置中的溫差發(fā)電片配合升壓裝置進行儲存電源;當(dāng)普通照明燈亮度較低時，自動切換到釋放電源模式，給普通照明燈供電，達到一定的亮度后自動切換到儲存電源模式;當(dāng)普通照明燈關(guān)閉時，自動關(guān)閉開關(guān)并把產(chǎn)生的電能儲存到蓄電池中，當(dāng)要給手機、充電寶等小型移動設(shè)備進行充電時，用手打開開關(guān)連接USB接口給其充電即可;本照明燈系統(tǒng)還配有自動調(diào)光模式，隨著所處空間亮度的變化而改變照明燈的亮度，實現(xiàn)保護視力、減少能源浪費的功能。該作品可應(yīng)用于家庭、商場、辦公室等場所，安裝方便，經(jīng)濟實用，真正達到節(jié)約能源的目的。

關(guān)鍵詞：儲存電源模塊 釋放電源模塊 亮度感應(yīng)模塊 自動切換功能研制背景及意義

目前，市場上的節(jié)能照明燈層出不窮，但大多數(shù)都是針對照明燈的節(jié)能而設(shè)計生產(chǎn)的，雖然其使用壽命長、功耗低，但是照明燈還有它自身的余熱始終沒有被人們開發(fā)利用。據(jù)資料顯示，目前，市場上的普通照明燈亮著的時候溫度可以高達90℃，節(jié)能照明燈的溫度也在40~60℃，并且許多公共場所每天使用的普通照明燈的時間高達16個小時，因此，每天照明燈散發(fā)出來的熱量十分可觀。由于這些普通照明燈的發(fā)光和發(fā)熱是并存的，而且照明燈發(fā)光越亮，散發(fā)的熱量就越多，這樣長年累積下來，照明燈的熱量消耗也是一筆很大的浪費。結(jié)合社會所需，所以，就利用燈泡發(fā)光所產(chǎn)生的“余熱”，設(shè)計制作了這一種余熱自發(fā)電節(jié)能照明燈系統(tǒng)。設(shè)計方案

2.1 核心控制處理器的選擇

由于余熱自發(fā)電節(jié)能照明燈系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能比較簡單，因此，選用型號為STC89C52的單片機模塊作為核心控制處理器，配合儲電和釋電轉(zhuǎn)換模塊、儲存電源模塊、釋放電源模塊、亮度感應(yīng)模塊、照明燈亮度、USB接口等執(zhí)行系統(tǒng)控制其運行。本作品總體結(jié)構(gòu)和功能系統(tǒng)框架圖，如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)和功能系統(tǒng)框架圖

2.2 各種執(zhí)行模塊的選擇

2.2.1 儲電和釋電轉(zhuǎn)換模塊

余熱自發(fā)電節(jié)能照明燈系統(tǒng)的儲電和釋電轉(zhuǎn)換模塊采用STC89C52單片機模塊控制處理器控制繼電器進行儲存電源模塊、釋放電源模塊兩部分電路實現(xiàn)平穩(wěn)的轉(zhuǎn)換。它在余熱自發(fā)電節(jié)能照明燈系統(tǒng)中起著自動調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換電路、安全保護的作用。

2.2.2 儲存電源模塊

余熱自發(fā)電節(jié)能照明燈系統(tǒng)的儲存電源模塊是由溫差發(fā)電裝置和升壓裝置組成，它采用溫差發(fā)電裝置中的溫差發(fā)電片進行發(fā)電。其中，溫差發(fā)電片一側(cè)貼近照明燈底部，對照明燈發(fā)光時散發(fā)出來的熱量進行收集，并將收集到的熱量集中到溫差發(fā)電片的這一側(cè)，溫差發(fā)電片另一側(cè)安裝散熱片。利用溫差發(fā)電片兩側(cè)的溫差，可以產(chǎn)生2~3V的電壓，通過利用升壓裝置將電壓升至穩(wěn)定的5V電壓，然后將穩(wěn)定的5V電壓儲存到蓄電池中。

2.2.3 釋放電源模塊

余熱自發(fā)電節(jié)能照明燈系統(tǒng)的釋放電源模塊是由5V穩(wěn)壓電路和輸出控制電路組成。當(dāng)余熱自發(fā)電節(jié)能照明燈系統(tǒng)的USB接口被連接時，儲存在蓄電池中穩(wěn)定的5V電壓由輸出控制電路控制輸出給手機、充電寶等小型移動設(shè)備進行充電。

2.2.4 亮度感應(yīng)模塊

余熱自發(fā)電節(jié)能照明燈系統(tǒng)的亮度感應(yīng)模塊采用光敏電阻傳感器配合輔助電路組成。亮度感應(yīng)模塊具有兩個模式，其配合自動切換功能當(dāng)普通照明燈亮度較低或者所處空間亮度變化時，亮度感應(yīng)模塊自動感應(yīng)到這些信息，然后產(chǎn)生信號傳遞給STC89C52單片機模塊控制處理器，經(jīng)STC89C52單片機模塊控制處理器處理后傳給亮度控制器來控制照明燈的亮度，達到亮度狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)后不在改變，從而實現(xiàn)保護視力、減少能源浪費的功能。主要功能及性能分析

本設(shè)計為一種創(chuàng)新、實用、節(jié)能、智能、便捷的余熱自發(fā)電節(jié)能照明燈系統(tǒng)，它在原有普通照明燈的基礎(chǔ)之上增加的一種節(jié)能設(shè)備，利用溫差發(fā)電裝置中的溫差發(fā)電片進行發(fā)電，把照明燈釋放的熱能在重新收集起來轉(zhuǎn)換成電能，配合升壓裝置產(chǎn)生的穩(wěn)定電壓給手機、充電寶等小型移動設(shè)備進行充電，其主要目的是讓照明燈發(fā)光時所產(chǎn)生的熱量能夠盡可能被充分回收利用。本作品具有自動切換功能，當(dāng)普通照明燈開啟時，自動切換到儲存電源模式，利用溫差發(fā)電裝置中的溫差發(fā)電片配合升壓裝置進行儲存電源;當(dāng)普通照明燈亮度較低時，自動切換到釋放電源模式，給普通照明燈供電，達到一定的亮度后自動切換到儲存電源模式;當(dāng)普通照明燈關(guān)閉時，自動關(guān)閉開關(guān)并把產(chǎn)生的電能儲存到蓄電池中，當(dāng)給手機、充電寶等小型移動設(shè)備進行充電，用手打開開關(guān)連接USB接口給其充電即可;本照明燈系統(tǒng)還有自動調(diào)光模式，隨著所處空間亮度的變化而改變照明燈的亮度，從而實現(xiàn)保護視力、減少能源浪費的功能。創(chuàng)新點及應(yīng)用前景

余熱自發(fā)電節(jié)能照明燈系統(tǒng)利用溫差發(fā)電裝置中的溫差發(fā)電片進行發(fā)電，擁有自動切換儲存和釋放電源的功能，安裝在普通照明燈的外部，適用于各種類型的節(jié)能燈，不影響整個照明燈的外觀，充滿的電源能夠讓人們隨時連接USB接口給自己的手機、充電寶等小型移動設(shè)備進行充電，并且作品外形設(shè)計的輕巧、時尚、靚麗，價格便宜、安裝方便，經(jīng)濟實用，更能吸引消費者的眼球。本作品如果不工作了，無需重新購置照明燈，只需在原有照明燈基礎(chǔ)上安裝即可，可應(yīng)用于家庭、辦公室、商場、咖啡廳、旅游景點等

第二篇：余熱發(fā)電油系統(tǒng)介紹

余熱發(fā)電汽輪機組油系統(tǒng)工藝知識介紹

一、油系統(tǒng)的作用及工藝流程

1.油系統(tǒng)的作用

（1）減少軸承的摩擦損失,并帶走因磨擦產(chǎn)生的熱量和由轉(zhuǎn)子傳來的熱量；

（2）向調(diào)節(jié)系統(tǒng)和保護系統(tǒng)裝置供油，以保證其正常工作；

（3）供給傳動機構(gòu)的潤滑用油

（4）供油過程中對管道及軸承起到清洗和防腐蝕的作用。

2.供油的工藝流程

由主油泵或高壓交流油泵打出的油被送到潤滑油過濾器和油冷卻器處，控制油壓力調(diào)節(jié)閥將使油壓保持在0.8MPa以上，另外調(diào)整油冷卻器入口冷卻水量，控制油溫度調(diào)節(jié)閥使汽機、發(fā)電機各處軸承入口處供油溫度保持在35-45℃之間。

油路在潤滑油過濾器入口處分為兩條支路：

（1）一路到控制系統(tǒng)部分，控制油送到調(diào)節(jié)器主伺服電機，緊急停車閥及超速調(diào)節(jié)器導(dǎo)引閥等停車設(shè)施，為使控制油壓波動最小，在管線上裝有過壓閥：注入潤滑油壓力為0.6MPa壓力；

（2）另一路為潤滑路線，0.8MPa高壓油由雙重孔板及潤滑油壓調(diào)節(jié)閥來降至0.1～0.13MPa左右，潤滑油被送至汽機的每個軸承、減速機與發(fā)電機、減速嚙合齒輪及盤車設(shè)施。

二、供油系統(tǒng)的設(shè)備組成及作用

1.余熱發(fā)電油系統(tǒng)的組成：主油泵、高壓交流油泵、潤滑交流油泵、直流油泵、注油器、油過濾器、冷油器、油凈化器、低壓油過壓閥、啟動排油閥、油霧風(fēng)扇、油箱、單向閥及相關(guān)的管道和閥門。

2.作用

1、主油泵：離心式油泵，位于減速機齒輪軸的前向端，由主減速齒輪通過一套泵驅(qū)動齒輪來驅(qū)動，離心泵由主軸直接帶動，設(shè)備簡單，系統(tǒng)緊湊，但自吸能力差，需使用注油器向油泵供油。

2.高壓交流油泵：又稱啟動油泵或調(diào)速油泵，其作用是在主油泵不能正常工作時向調(diào)節(jié)、保護、潤滑系統(tǒng)供油。自動啟動連鎖條件：潤滑油壓≤1MPa時高壓油泵自動啟動；

3.潤滑交流油泵、直流油泵：潤滑交流油泵和直流油泵又稱低壓輔助油泵或事故油泵，作用是在主油泵不能供給系統(tǒng)潤滑油時向各軸承及盤車裝置提供潤滑油。自動啟動連鎖條件：潤滑油壓≤0.05MPa時潤滑交流油泵自動啟動；潤滑油壓≤0.04MPa時直流油泵自動啟動；

4.冷油器：對潤滑油進行降溫冷卻的設(shè)備，控制潤滑油溫度在35°C~45°C之間，屬于表面式換熱器。油從上而下沿若干隔板構(gòu)成的彎曲流道流動，冷卻水則是自上而下在銅管中流動。要求油側(cè)壓力要高于水側(cè)壓力，防止銅管破裂時由內(nèi)進水而使油質(zhì)惡化。

5.潤滑油過濾器、調(diào)速油過濾器在切換時：

（1）應(yīng)先打開兩單元之間的平衡閥進行油壓平衡，方可進行切換；

（2）慢慢切換手柄（有鎖緊裝置的應(yīng)先打開鎖緊手柄），以防止可能出現(xiàn)的油壓低而停車，手柄指向何側(cè)，即何側(cè)投入運行

（3）慢慢關(guān)閉平衡閥，確認油壓穩(wěn)定、無波動。

6.低壓油過壓閥：安裝在冷油器出口油管道上，起穩(wěn)定潤滑油壓的作用。閥門是彈簧力型的，以送返回油至油箱的方法來保持油壓。在其執(zhí)行機構(gòu)上有一個波紋管腔，上側(cè)備有彈簧。當(dāng)入口壓力過高時，閥門逐步打開，進行減壓；當(dāng)入口壓力過低時，閥門逐步關(guān)閉，進行增壓。

7.啟動排油閥：確保副主油泵與主油泵切換過程中，系統(tǒng)穩(wěn)定供油。當(dāng)機組啟動時，主油泵的出口壓力低于啟動油泵的出口壓力，主油泵的油通過排油閥上的排油口流至油箱，帶走主油泵內(nèi)的部分熱量，當(dāng)啟動油泵停止后，主油泵投入工作時，主油泵有的壓力將排油閥活塞推下，主油泵出口油與排油口斷開。

三、汽輪機啟動時油壓的建立

汽輪機的啟動過程其實就是打開主汽門和高調(diào)門，使汽輪機進汽的過程，而這都是通過油壓的建立來實現(xiàn)的，而建立油壓的順序是：安全油壓——AST油壓——OPC油壓——DDV油壓。先啟動高壓油泵通過掛閘建立安全油壓，打開主汽門，在建立AST油壓和OPC油壓后建立DDV油壓，DDV伺服閥控制高調(diào)門開度，從而實現(xiàn)汽輪機的進汽，沖轉(zhuǎn)。

四、汽輪機組油系統(tǒng)常見故障現(xiàn)象及處理方法

1.軸承油溫過高 ：油潤滑油溫基準(zhǔn)值35℃～45℃，報警50℃軸承潤滑油溫度基準(zhǔn)＜65℃，報警75℃

處理方法：

（1）檢查過濾器內(nèi)是否有白金屬；

(2)增加通過冷卻器的冷卻水流量；

(3)如油溫仍持續(xù)偏高，振動上升，則應(yīng)緩慢地減速，停汽輪機，進行檢查

可能原因：1）檢查油溫調(diào)節(jié)閥，是否存在故障；

2）油中有臟物，清洗濾油器 ；

3）油冷卻器水或油側(cè)存在氣隔―――打開排氣閥；

4）檢查油冷卻器是否堵塞；

5）軸承燒壞，檢查確認后更換

2.潤滑油過濾器中有雜質(zhì)

檢查：（1）確認物料的類型—如果是大量的白色金屬則緊急停機。

（2）不是白色金屬，為一般雜質(zhì)（包括片狀管道防銹漆）處理方法：

（1）經(jīng)常更換過濾器筒

（2）操作油凈化器

（3）檢查油壓，油溫是否在正常范圍內(nèi)

3.潤滑油過濾器中有軸承白色金屬

處理方法：(1)準(zhǔn)備停汽輪機

(2)檢查油溫、油壓、振動及汽輪機軸向位移情況

(3)確認某處軸承,可能原因有軸承白色金屬發(fā)現(xiàn)

1)軸承間隙有變化出現(xiàn)磨損

2)軸承油膜過薄，油流對軸承冷卻效果不佳，容易發(fā)生干擦

和燒瓦現(xiàn)象

3)汽輪機嚴重振動（如水沖擊現(xiàn)象）

4.油箱油位顯示過高或過低

(1)油中進水（油位顯示高）

(2)油濾篩有堵塞現(xiàn)象

(3)油位計不正常

(4)系統(tǒng)漏油或排污閥打開

(5)油冷卻器頭部或冷卻管有泄漏現(xiàn)象（油位顯示低）

5.潤滑油壓力異常下降

現(xiàn)象：（1）壓力表上低油壓

（2）潤滑油壓力低報警

（3）輔助油泵自動啟動

（4）汽輪機跳閘（潤滑油壓力低于0.02Mpa汽輪機跳閘）處理方法：

（1）準(zhǔn)備汽輪機停機，如有可能，恢復(fù)油壓（檢查輔助油泵的啟動情況）

（2）檢查油壓開關(guān)和油壓檢測管路。

（3）檢查油系統(tǒng)管路是否有泄漏，及時處理；

（4）切換潤滑油過濾器磨

第三篇：家用電器節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計說明書

家用電器節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計說明書

設(shè)計者：

指導(dǎo)教師：

（XX學(xué)院，機械設(shè)計制造及其自動化工程，機本班）

作品內(nèi)容簡介

通過實驗設(shè)計了一套空調(diào)與電熱水器聯(lián)合節(jié)能系統(tǒng)，實現(xiàn)家庭、酒店、理發(fā)店醫(yī)院等同時需要制冷和制熱（包括制熱水）系統(tǒng)的節(jié)能。通過對空調(diào)系統(tǒng)的改進實現(xiàn)，空調(diào)廢熱利用，節(jié)約熱水器耗能。把熱水器變成空調(diào)系統(tǒng)的一個冷凝器，在夏天使用空調(diào)時順便加熱熱水，熱水器不耗電；春秋冬通過熱泵原理，利用空調(diào)設(shè)備，用電能取得大量熱量，實現(xiàn)節(jié)能。

研制背景及意義

空調(diào)和熱水器是家庭的必備家電，目前大中城市普遍采用的是電熱水器，酒店既大量使用空調(diào)有需要大量熱水，夏天空調(diào)制冷產(chǎn)生的大量廢熱，如果能利用這些廢熱來加熱水可提供大量生活熱水。春秋冬季節(jié)需要大量生活熱水，如果用電熱水器來加熱，能耗很到，空調(diào)設(shè)備也基本閑置，如果能利用空調(diào)裝置和熱水器裝置構(gòu)成一個熱泵，既可實現(xiàn)空調(diào)裝置的有效利用，也能實現(xiàn)熱水器的節(jié)能。

對于家庭、酒店、理發(fā)店或醫(yī)院等系統(tǒng)來說，同時購買空調(diào)和熱泵熱水器可實現(xiàn)有效節(jié)能，但是熱泵熱水器投資巨大，節(jié)能卻不省錢。沒有經(jīng)濟意義。

因此，我們致力于研發(fā)盡量少的的增加設(shè)備投資的情況下實現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能。

設(shè)計方案

2.1機械控制

空調(diào)熱水器設(shè)計如圖1所示

室內(nèi)換熱器

熱水器換熱器（冷凝器）

室外換熱器

壓縮機

毛細管（節(jié)流閥）

6、7

四通閥8、9

截止閥

可調(diào)節(jié)三通閥

圖1

空調(diào)熱水器系統(tǒng)設(shè)計圖

空調(diào)熱水器原理圖如圖2

室內(nèi)換熱器

熱水器換熱器（冷凝器）

室外換熱器

壓縮機

毛細管（節(jié)流閥）

6、7

四通閥8、9

截止閥

可調(diào)節(jié)三通閥

圖2

空調(diào)熱水器原理圖

制冷、制熱水循環(huán)：

關(guān)閉閥門8，打開閥門9，四通閥6，7通電，當(dāng)水溫較低時，閥門10調(diào)節(jié)流量是工質(zhì)全部流向2（熱水器換熱器）加熱水，當(dāng)水溫升高（>32度）調(diào)節(jié)閥門10減小流向2的流量，讓一部份工質(zhì)流經(jīng)3（室外換熱器），當(dāng)水溫超過40度，只讓工質(zhì)流經(jīng)3。

室內(nèi)換熱器（蒸發(fā)器）

熱水器換熱器（冷凝器）

室外換熱器（冷凝器）

壓縮機

毛細管（節(jié)流閥）

6、7

四通閥8、9

截止閥

可調(diào)節(jié)三通閥

圖3

制冷制熱水循環(huán)

制熱、制熱水循環(huán)：

關(guān)閉閥門9，打開閥門8，四通閥6，7失電，此時3（室外換熱器）充當(dāng)蒸發(fā)器，1（室內(nèi)換熱器）、2（熱水器換熱器）充當(dāng)冷凝器，通過閥門10可以實現(xiàn)僅制熱，或者僅制熱水，同時制熱和制熱水將受室外換熱器負荷限制。

室內(nèi)換熱器（冷凝器）

熱水器換熱器（冷凝器）

室外換熱器（蒸發(fā)器）

壓縮機

毛細管（節(jié)流閥）

6、7

四通閥8、9

截止閥

可調(diào)節(jié)三通閥

圖4

制熱制熱水循環(huán)

設(shè)計時考慮的主要問題：

1.熱水器和空調(diào)的工況差異大，在水溫的不同階段由于工況的漂移，壓縮機負荷急劇變化，致使機組無法有效運行，如何在不影響空調(diào)性能的前提下，實現(xiàn)空調(diào)的熱量利用？

2.空調(diào)熱水器能否實現(xiàn)的四季均可利用？

3.熱水器換熱器怎么在空調(diào)中一直充當(dāng)冷凝器？

2.2電器部分（電路控制）

1.空調(diào)控制系統(tǒng)十分復(fù)雜，修改難度大，同時改動成本也高。因此我們基本不對空調(diào)控制系統(tǒng)的進行修改。

2.根據(jù)水溫調(diào)節(jié)閥門開度，市場有該控制電路成品，采用這種產(chǎn)品。我們可以實現(xiàn)對閥門10的控制。

3.還需要另外設(shè)計的控制包括閥門8、9和四通閥7，（注：四通閥6在空調(diào)控制系統(tǒng)中）下面設(shè)計對閥門8、9和四通閥7進行的控制設(shè)計：

這些閥門只存在兩種狀態(tài)：狀態(tài)一：閥門8關(guān)，閥門9開，四通閥7得電；狀態(tài)二：閥門8開，閥門9關(guān)，四通閥7失電。所有閥門的兩種狀態(tài)對應(yīng)相反。閥門8、9均為得電打開，因此控制電路設(shè)計就比較簡單。

圖5

電磁閥控制

開關(guān)向右，電磁閥9得電打開，電磁閥8失電關(guān)閉，實現(xiàn)制冷制熱水循環(huán)；

開關(guān)向左，電磁閥8得電打開，電磁閥9失電關(guān)閉，實現(xiàn)制熱制熱水循環(huán)

理論設(shè)計計算

1.空調(diào)工況計算：

考慮到目前主要使用的制冷劑為R22，有必要對原有設(shè)備進行節(jié)能改造，本設(shè)計計算采用R22做制冷劑計算，但R22對臭氧層有破壞作用，屬于將要淘汰的制冷劑之一。故在日后新產(chǎn)品的設(shè)計制造中考慮使用R134a等環(huán)保制冷劑。

空調(diào)制冷系統(tǒng)，工質(zhì)為R22，需要制冷量=5kW，空調(diào)用冷氣溫度為=15°C，蒸發(fā)器端部傳熱溫差為?

=10°C，冷卻水溫度為=32°C，冷凝器端部的傳熱溫差取

?=

8°C，液體過冷度△=5°C，有害過熱度△=5°C，壓縮機的輸氣系數(shù)為λ=0.8,指示效率?=0.8。

分析：繪制制冷循環(huán)的壓-焓圖，如右圖所示

根據(jù)已知條件，得出制冷劑的工作溫度為：

=+?=32+8=40°C

=-?=10-5=5°C

=-?=40-5=35°C

=+?=5+5=10°C

查R22表得到各循環(huán)特征點的狀態(tài)參數(shù)如下：

點號

P（MPa）

t（°C）

h（kJ/kg）

v（/kg）

0

0.58378

407.143

0.58378

412

0.043

1.5335

446

1.5335

250

熱力計算：

(1)

單位質(zhì)量制冷量

=-=407.143-250=157.143kJ/kg

(2)

單位容積制冷量

=/=157.143/0.043=3654.5kJ/

(3)

理論比功

=-=446-412=34kJ/kg

(4)

指示比功

=/?=34/0.8=42.5kJ/kg

=+=412+42.5=454.5kJ/kg

(5)

制冷系數(shù)

ε=/=157.143/34=4.62

ε=/=157.143/42.5=3.70

(6)

冷凝器單位熱負荷

=-=454.5-250=204.5kJ/kg

(7)

所需工質(zhì)流量

=/=5.0/157.143=0.0318kg/s

(8)

理論輸氣量

=/λ=1.37×/0.8=1.71×

/s

實際輸氣量

==0.0318×0.043=1.37×

/s

(9)壓縮機消耗的理論比功

==0.0318×34=1.08

kW

壓縮機消耗的指示功率

=/

?=1.08/0.8=1.35

kW

(10)冷凝器的熱負荷

==0.0318×204.5=6.50

kW

(11)熱力學(xué)完善度

卡諾循環(huán)制冷系數(shù)ε=(273+10)/(40-15)=11.32

指示熱力學(xué)完善度

?=ε/ε=3.7/11.32=0.327

2.熱水器換熱器設(shè)計計算：

經(jīng)分析：該換熱器在空調(diào)中一直起著水冷式冷凝器的作用，下面按照水冷式冷凝器的設(shè)計方法設(shè)計換熱器。

設(shè)計要求：熱負荷

Qk=6.5KW;

冷凝溫度

tk=40oC；制冷劑

R22

（1）

冷凝器的結(jié)構(gòu)形式：臥式殼管式冷凝器

（2）

冷卻水溫

t’,溫升△t,t1’=32oC;在臥式冷凝器中，一般取△t=3～5oC,取△t=4

oC，冷卻水出口溫度

t’

’=

t1’+△t=36

oC

（3）

冷凝器中污垢熱阻

管外熱阻

ro=0.9x10-4m2.oC/W

管內(nèi)熱阻

ri=

0.9x10-4m2.oC/W

（4）

冷凝器的設(shè)計計算

①

冷卻水流量

qvs

和平均傳熱溫差△tm

冷卻水流量qvs為

QVS=Qk／(ρc?t)=6.5／(1000×4.187×4)=0.388×10-3

m/s

平均傳熱溫差

△tm

=t，-t,／㏑[tk-t1,/(tk-t1，)]=36-32/㏑[40-32/(40-36)]=5.8

℃

②

初步規(guī)劃的結(jié)構(gòu)尺寸

選用的銅管，取水流速度

u=1.5m/s

則每流程的管子數(shù)

z=4qVS／πdi2u=4×0.388×10-3/[3.14×(10-2)2×10-6×1.5]=5.15

圓整后z=6

根

實際水流速度

u=4qVS／πdi2z=4×0.388×10-3/[3.14×(10-2)2×10-6×6]=1.3

m/s

③

管程與有效管長

假定熱流密度q=6400w/m2則所需的傳熱面積Fo為

Fo=Qk/q=6500/6400=1.015

m2

管程與管子有效長度乘積

NLc=F0/πd2z=1.015/(3.14×0.01×6)=5.38

m

采用管子或正三角形排列的布置方案，管距

S=20mm,對不同流程數(shù)N，有不同管長lc及筒徑D,見下表：

N

lc(m)

NZ

D(m)

lc/D

2.69

0.14

1.34

0.18

0.89

0.20

0.67

0.22

從D及l(fā)c/D值看，8流程是可取的④

傳熱系數(shù)

1)

管內(nèi)冷卻水與內(nèi)壁面的換熱系數(shù)，αi=0.023λ/di

Ref0.8Prf0.4

計算時取冷卻水的平均溫度ts為定性溫度

ts=(t1’+t1’’)/2=(32+36)/2=34℃

Ref=udi/v=1.3×0.008/(0.7466×10-6)=13930

Ref0.8=2066

Pr=4.976(查物性表中的數(shù)據(jù))

Pr0.4=1.9

λ=62.48×10-2

W/(m

oC)

αi=0.023×62.48×10-2/0.008×2066×1.9=7051

W/(m2

oC)

2)

水平管的排數(shù)

因流程數(shù)N=8，總的管子數(shù)Nz=48，將這些管子布置在17個縱列內(nèi)，每列管子數(shù)分別為1，2，3，4，3，3，3，3，4，3，3，3，3，4，3，2，1則按公式

=[48/(2×10.75+2×20.75+10×30.75+3×40.75)]4=2.94

(3)管外換熱系數(shù)α0的計算

α0=cb(1/?t0d0)0.25

W/(m2

·℃)

查表得

b=1465.9,c=0.725,α0=nm-0.25αco=2585?t0-0.25

W/(m2

·℃)

（4）傳熱系數(shù)大。傳熱過程分成兩部分：第一部分是熱量經(jīng)過制冷劑的傳熱過程，其傳熱溫差為?t0，第二部分是熱量經(jīng)過管外污垢管。管壁管內(nèi)污垢層以及冷卻水的傳熱過程：

第一部分的熱流密度：

q1=λα0?t=2585?t00.75

W/m3

第二部分的熱流密度為：

q2=?ti/[(1/αi+γi)d0/di+δ/λ(d0/dm)+

γ0]

W/m2

其中

dm為管子的平均直徑，將有關(guān)數(shù)值代入求的：

q2=2614?ti=2614(5.8-?t0)

取不同的?t0試湊：

?t0

q1

q2

7319.2

5892.5

3.5

6012.2

6614.78

3．35

6404.3

6400.9

可見?t0=3.35時，q1與q2的誤差已經(jīng)很小，所以tw=36.65oC，q=6404

W/m2

這與前面假定的q=6400

W/m2

只差0.6%，表明前面的假定可取。

(5)傳熱面積和管長：

傳熱面積F0=1.015m2，有效管長L=0.67m，適當(dāng)增加后，取管長為0.93m。

(6)水的流動阻力

沿程阻力系數(shù)ξ=0.3164/Ref0.25=0.3164/(13930)0.25=0.0291

冷卻水的流動阻力?P為：

?P=1/2

ρu2

[(ξ

N

L/di)+1.5(N+1)]

=0.5×1000×1.32×[0.0291×8×0.93/0.008+1.5(8+1)]

=0.034MPa

考慮到外部管路損失，冷卻水總壓降約為：

?P，=0.1+?P=0.134MPa

取離心水泵的效率?=0.6，則水泵所需的功率為：

Pe

=qr

?P，/?=0.388×10-3×0.134×106/0.6=86.7

W

設(shè)計綜述如下：Ф10×1的銅管總數(shù)為48根，每根傳熱管的有效長度為930mm，管板的厚度取30mm，考慮傳熱與管板之間脹管加工時兩端各伸出3mm，傳熱管實際下料長度為1000mm，殼體長度為930mm，殼體規(guī)格為Ф273×7mm的無縫鋼管，取端蓋水腔深度為50-60mm，端蓋鑄造厚度約為10mm，則冷凝器外形總長為1100mm。冷卻水流程為8，傳熱管48根。冷凝器外壁涂上1mm的隔熱涂料。

3.熱水器燒水時間計算（實用性計算）：

熱水器換熱器熱負荷

6.5kW，電熱水器總共50L水

將50L水從14℃加熱到40℃水溫升高26℃

燒水時間t

假設(shè)水箱保溫不夠散熱，損失20熱能

燒水時間t’=

冷凝器設(shè)計入口溫度為32℃，當(dāng)水溫較低(<=32)時，冷凝器的傳熱溫差較大，傳熱快。當(dāng)水溫較高（>32℃）時，冷凝器的傳熱溫差較小，傳熱慢。總體來看，啟動空調(diào)20分鐘內(nèi)，能夠?qū)⑺疅_到40℃供洗澡用。

4.節(jié)能計算

情況1：夏季使用空調(diào)制冷，且需要熱水洗澡，冷水水溫20℃

需要水溫40℃：節(jié)約全部原來需要電熱水器燒水消耗的電能

需要水溫60℃：節(jié)約初始20℃到40℃的燒水電能；40℃到60℃，使用電熱水器加熱；

電熱水器耗能：W=cm?t=4187*50*40=8374000J

本裝置耗能：W=cm?t=4187*50*20=4187000J

與使用電熱水器加熱相比節(jié)能：（8374000-4187000）/8374000=50%

情況2：春秋季節(jié)不使用空調(diào)制冷，且需要熱水洗澡，冷水水溫15℃

需要水溫40℃：使用熱泵加熱，供熱系數(shù)為4.3，與電熱水器加熱相比，節(jié)約電能76%。

需要水溫60℃，先使用熱泵將水加熱到40℃，再用電熱水器加熱到60℃；

電熱水器耗能：W=cm?t=4187*50*45=9420750J

本裝置耗能：W=cm?t=4187*50*（25/4.3+20）=5404151J

與使用電熱水器加熱相比節(jié)能：42.6%。

情況2：春秋季節(jié)不使用空調(diào)制冷，且需要熱水洗澡，冷水水溫10℃

需要水溫40℃：使用熱泵加熱，供熱系數(shù)為4.3，與電熱水器加熱相比，節(jié)約電能76%。

需要水溫60℃，先使用熱泵將水加熱到40℃，再用電熱水器加熱到60℃；

電熱水器耗能：W=cm?t=4187*50*50=10467500J

本裝置耗能：W=cm?t=4187*50*(30/4.3+20)=4187000J

與使用電熱水器加熱相比節(jié)能：46%。

綜上，本設(shè)計主要在節(jié)約電熱水器加熱部分的能量，至少能節(jié)能40%以上。且夏天能利用空調(diào)制冷的熱量，春秋冬季使用熱泵制熱，節(jié)能優(yōu)勢明顯。

工作原理及性能分析

工作原理：能級匹配節(jié)能原理，熱泵原理

電熱水器通過電加熱的方式加熱水，是把功變成熱，能級嚴重不匹配，造成能源的品質(zhì)浪費。本作品基于熱泵原理（通過做功把熱量由低溫?zé)嵩磦飨蚋邷責(zé)嵩矗玫綌?shù)量高于功的能量），較電加熱熱水器而言實現(xiàn)電能的合理利用。

性能分析：

從經(jīng)濟性上來說，熱泵成本較高，本作品合理的利用空調(diào)裝置，實現(xiàn)熱水器的熱泵改造，實現(xiàn)設(shè)備投資的節(jié)約。

理論估計本設(shè)計的性能要遠高于空調(diào)和熱水器單獨使用。具體的性能指標(biāo)還有看實際中空調(diào)和熱水器聯(lián)用對空調(diào)系統(tǒng)的影響程度，才能確定。

創(chuàng)新點及應(yīng)用

1）實現(xiàn)空調(diào)和熱水器不同工況的有效整合；

2）操作和控制簡便，容易地使用它；

3）空調(diào)設(shè)備在春秋冬季節(jié)得到有效利用。

在全國大中城市，空調(diào)和電熱水器普及數(shù)量很多，大部分屬于隔離狀態(tài)，有待在節(jié)能改造，因此應(yīng)用前景很廣。

參考文獻

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制冷技術(shù)與裝置設(shè)計

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制冷原理及設(shè)備

西安交通大學(xué)出版社，1998：53-54，246-250

第四篇：校園路燈系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計探討

校園路燈系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計探討

摘要： 如今我國經(jīng)濟高速發(fā)展，人們生活水平日益提高，能源和資源變得日益緊張，電力短缺已成為制約國民經(jīng)濟發(fā)展的突出矛盾。學(xué)校作為一個國家人才輸出地，在我國乃至世界當(dāng)中都占有相當(dāng)重要的分量，而學(xué)校由于照明所產(chǎn)生的耗電量無疑是眾多公共事業(yè)單位中最多的部門之一。但在號召節(jié)能減排的當(dāng)下，我們應(yīng)從技術(shù)角度以及行為角度去尋找能夠解決此類問題的方法，既要保證合適照度、保證各種教學(xué)和生活等方面工作的順利進行，又要求節(jié)約電能，提倡綠色照明環(huán)境。

關(guān)鍵詞：校園路燈系統(tǒng)；光源類型；節(jié)能

21世紀(jì)，可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為人類社會發(fā)展的綠色思潮，倡導(dǎo)綠色低碳生活，減少能源的浪費，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會已成為人類社會的廣泛共識。大學(xué)校園校區(qū)面積大，有教學(xué)工作區(qū)、學(xué)生生活居住區(qū)、食堂、超市和運動場所等不同的功能區(qū)域，在這些區(qū)域內(nèi)安裝有大量的室外照明燈具，這些室外照明燈具作為學(xué)校一個很重要的照明用電組成部分，室外照明設(shè)計不僅要體現(xiàn)藝術(shù)性還要注重其功能性，既要保證合適照度、保證各種教學(xué)和生活等方面工作的順利進行，又要求節(jié)約電能，提倡綠色照明環(huán)境

1、學(xué)校路燈照明系統(tǒng)的現(xiàn)狀：

目前校園路燈存在路燈的布點方式不合理，照明效果欠佳，燈型不統(tǒng)一、線路老化、燈桿銹蝕嚴重、不滿足節(jié)能要求等現(xiàn)象。根據(jù)調(diào)查，有很多學(xué)校晚上23：00過后校園里幾乎沒有行人來往了，然而校園路燈卻是“通宵達旦”。學(xué)校路燈有些是全夜燈，也有些是后夜燈，基本上是人工控制，勞動強度很大，繁瑣，由于工作人員開啟或關(guān)閉路燈的不及時，造成不方便路人與浪費用電的現(xiàn)象時有發(fā)生。在不影響路燈正常工作的情況下對其進行節(jié)能研究有著重要意義。

2、光源類型的選擇

參考《城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》要求，結(jié)合大學(xué)校園室外道路照明的具體情況，路燈照明系統(tǒng)所采用光源的主要類型有：高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、節(jié)能燈（緊湊型熒光燈）、半導(dǎo)體發(fā)光二級管（LED）燈、太陽能燈等。

（1）校園主干路、次干路的道路照明光源，考慮大量的車流、人流以及景觀的照明需要，應(yīng)采用具有發(fā)光效率高、壽命長、透霧能力強、色溫適中、顯色性也符合一般道路照明要求的高壓鈉燈。

（2）生活居住區(qū)和商業(yè)區(qū)的人行道路照明光源，考慮尊重人的感受，強調(diào)以人為本的理念；同時要營造環(huán)境幽靜輕松的氛圍，可考慮選擇發(fā)光效率比較高、壽命長、顯色性好的金屬鹵化物燈或緊湊型熒光燈。

（3）在滿足道路照明標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，經(jīng)過經(jīng)濟效益分析對比以及試點成熟的基礎(chǔ)上，適當(dāng)推廣使用太陽能路燈、半導(dǎo)體發(fā)光二級管（LED）燈等新能源節(jié)能 燈具。

3、校園路燈節(jié)能措施

（1）節(jié)能不是靠降低照明水平來實現(xiàn)，而是在確保各級道路符合相應(yīng)的照明標(biāo)準(zhǔn)的前提下考慮節(jié)能。因此，首先就得根據(jù)被照明場所的要求和特點合理選定照明標(biāo)準(zhǔn)值。否則，標(biāo)準(zhǔn)選高了會造成能源浪費，標(biāo)準(zhǔn)選低了又不符合照明要求。

（2）照明設(shè)計是實現(xiàn)節(jié)能的核心環(huán)節(jié)。在進行照明設(shè)計時，要同時提出多套方案進行設(shè)計計算，在確定它們都符合照明標(biāo)準(zhǔn)的要求后，再進行綜合經(jīng)濟分析比較，從中選取最佳的方案。

（3）合理選擇照明器材是實現(xiàn)節(jié)能的有效手段之一。根據(jù)《城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》要求，應(yīng)選擇符合國家標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于節(jié)能評價規(guī)定的光源和鎮(zhèn)流器。在選擇燈具時，首先要滿足燈具相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及光強分布和眩光限制的要求，在此前提條件下再選擇高效率者。

（4）氣體放電燈的功率因數(shù)一般在0.4～0.6之間，可通過實施電容補償或配用電子鎮(zhèn)流器來提高功率因數(shù)，降低無功損耗。從經(jīng)濟合理的角度考慮，補償后的功率因數(shù)在0.8～0.9之間為宜。

（5）在深夜普遍降低路面照度是節(jié)能效果最為明顯的一項措施。由于深夜車流、人流量小，應(yīng)該普遍推行這種措施。因此，在主干路、次干路應(yīng)該采取這一措施。實施這一措施的辦法包括：

第一，采用雙光源燈具是一種合理的辦法。深夜的交通流量小，關(guān)閉1只光源，如將1盞燈具內(nèi)的2只光源在上半夜全部點亮，下半夜道路車流量小時關(guān)掉其中1只光源，既可以達到節(jié)能目的，又不影響路面照度均勻度。

第二，采用深夜能自動降低路燈光源功率的裝置，如變功率鎮(zhèn)流器或智能型照明調(diào)控裝置等。變功率鎮(zhèn)流器是通過時間控制器和電子開關(guān)來調(diào)節(jié)鎮(zhèn)流器的電抗，減小光源回路電流，從而調(diào)節(jié)照明裝置的功率，從全功率降至60%～70%的功率。如高壓鈉燈燈具內(nèi)安裝變功率鎮(zhèn)流器時，深夜能自動降低光源的功率，從而達到節(jié)能的目的。智能型照明調(diào)控裝置是一種智能型降壓穩(wěn)壓調(diào)光裝置，能夠根據(jù)電網(wǎng)電壓的波動，平滑地對路燈輸入電壓進行動態(tài)調(diào)整，自動調(diào)光。在深夜電網(wǎng)電壓升高、道路車流量小時進行自動調(diào)壓，降低光源的功率，從而降低路面照度，達到節(jié)能的效果。

第三，采用深夜關(guān)閉不超過半數(shù)燈具的辦法，但不得關(guān)閉沿道路縱向相鄰的兩盞燈具，以免路燈照明均勻度降低過多，影響交通安全。當(dāng)路燈為單側(cè)布置時，應(yīng)采用間隔熄燈的方式；當(dāng)路燈為雙側(cè)交錯布置時，應(yīng)采用熄滅一側(cè)路燈的方式；當(dāng)路燈為雙側(cè)對稱布置時，應(yīng)采用交叉熄燈的方式。

第四，由于技術(shù)原因，考慮到線路壓降以及終端負載的電壓需求，電網(wǎng)供電電壓普遍偏高，尤其是在午夜以后，由于市網(wǎng)電壓遠高于額定電壓，路燈照明系統(tǒng)電壓不能根據(jù)電網(wǎng)波動、照度需求以及照明時段等情況進行實時調(diào)整，往往導(dǎo)致燈具過度發(fā)熱，造成大量的電能浪費、照明燈具的使用壽命大幅縮短。目前路燈照明的電能利用率還不到65%，電能浪費相當(dāng)嚴重，存在著巨大的節(jié)能空間。采用智能路燈節(jié)能設(shè)備對路燈系統(tǒng)運行狀態(tài)進行全自動的監(jiān)控，實現(xiàn)人性化的亮度設(shè)置和控制。采用智能路燈節(jié)能設(shè)備后照度基本不變，燈具的功耗明顯減少，使用壽命大大延長。學(xué)校用于路燈照明系統(tǒng)維護的成本也將明顯減少，同時也將帶來相當(dāng)可觀的經(jīng)濟效益。

（6）電纜截面的選擇。校園室外路燈照明系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)用電功率不是很大，線路上的工作電流也不是很大，但需要敷設(shè)線路較長。負荷計算時電纜載流量的要求容易得到滿足，但由于路燈照明系統(tǒng)線路較長，線路壓降要滿足線路末端的電壓要求是需要重點考慮的問題。解決線路壓降問題的方法可以考慮適當(dāng)加大線路截面；加大線纜截面積的同時也提高了線路的輸送能力，對提高供電可靠性、電壓合格率以及節(jié)約電能是大有好處的。

（7）選擇合理的控制方式，采用具有可靠度高和一致性好的控制設(shè)備也是一項重要的節(jié)能措施。基于校園特殊的分區(qū)特點，室外路燈照明系統(tǒng)的控制方式應(yīng)合理選擇，做到需要開燈時能即刻開啟，需要關(guān)燈時馬上就能關(guān)閉，這樣才能準(zhǔn)確控制全年的燈具燃點時間，達到節(jié)能目的。對于重要校園路燈照明區(qū)域應(yīng)根據(jù)所在地區(qū)的地理位置和季節(jié)變化合理確定開關(guān)燈時間，并應(yīng)根據(jù)天空亮度變化進行必要修正。宜采用光控和時控相結(jié)合的控制方式，以時控為基礎(chǔ)，并輔以光控功能，使路燈照明的開、關(guān)控制準(zhǔn)確合理。路燈照明宜采用智能化控制，通過計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用有線和無線傳輸方式，對路燈的啟閉、運行狀態(tài)、故障情況等進行遙控、遙測、遙信，從而實現(xiàn)對路燈的遠距離監(jiān)控和管理。通過時控、光控、程控等多種智能化控制模式，實現(xiàn)對路燈照明的動態(tài)智能化控制，從而達到長期安全、節(jié)能運行和科學(xué)管理的目的。對于非重要路燈照明區(qū)域，在滿足照度及安全的情況下，應(yīng)選擇在深夜自動或手動關(guān)閉部分，以節(jié)約電能。

（8）由于太陽能路燈以太陽光為能源，白天在陽光的照射下，太陽能電池板給蓄電池充電，晚上蓄電池給負載供電使用，無需復(fù)雜昂貴的管線鋪設(shè)，無需人工操作，工作穩(wěn)定可靠，安全無污染，節(jié)省電費免維護等優(yōu)點以及LED路燈的定向發(fā)光、功率消耗低、驅(qū)動特性好、響應(yīng)速度快、抗震能力高、使用壽命長、綠色環(huán)保的優(yōu)點。所以隨著太陽能以及LED路燈技術(shù)的發(fā)展成熟，校園路燈設(shè)計在綜合經(jīng)濟效益分析合適的情況下，逐步采用太陽能以及LED路燈將成為綠色節(jié)能校園建設(shè)的一個有著巨大潛力的發(fā)展方向。

4、總結(jié)：

校園是學(xué)生和教職工工作和生活的主要場所，合理的安裝路燈會給大家的生活和學(xué)習(xí)帶來很大的方便，同時，也會有效的減少校園內(nèi)的安全事故，保障學(xué)生和教職工的安全。因此，學(xué)校對校園內(nèi)路燈的管理與優(yōu)化應(yīng)該盡快進行和落實。路燈之類的設(shè)施實施節(jié)能改進，不久可以降低能耗成本，而且有助于緩解政府能源供應(yīng)和建設(shè)壓力，對減少廢氣污染保護環(huán)境也有巨大的現(xiàn)實意義，我們要努力落實以人為本，全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)的科學(xué)發(fā)展觀，減輕環(huán)境污染，實現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展的重要舉措。這在一定程度上提高了人們的生活水平。校園路燈穩(wěn)定可靠的工作關(guān)系是關(guān)系到校園全體師生的大事，事關(guān)人身安全與財產(chǎn)，科學(xué)合理的設(shè)計校園路燈控制系統(tǒng)具有很重要的社會意義。

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第五篇：電子系統(tǒng)級設(shè)計論文

電子系統(tǒng)級（ESL）設(shè)計

摘要：電子系統(tǒng)級設(shè)計（ESL,Electronic System Level)設(shè)計是能夠讓SOC 設(shè)計工程師以緊密耦合方式開發(fā)、優(yōu)化和驗證復(fù)雜系統(tǒng)架構(gòu)和嵌入式軟件的一套方法學(xué)，并提供下游寄存器傳輸級(RTL)實現(xiàn)的驗證基礎(chǔ)。ESL牽涉到比RTL級別更高層次的電路設(shè)計，其基本的關(guān)注點在于系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)化、軟硬件劃分、系統(tǒng)架構(gòu)原型建模、以及軟硬件協(xié)同仿真驗證。SystemC是一種很好的軟硬件聯(lián)合設(shè)計語言,它不僅可以幫助設(shè)計人員完成一個復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計,還可以避免傳統(tǒng)設(shè)計中的各種弊端,并提高設(shè)計效率。關(guān)鍵詞：電子系統(tǒng)級設(shè)計；SOC；SystemC 1 引言

目前，高質(zhì)量的電子系統(tǒng)設(shè)計變得越來越復(fù)雜和困難。功能更繁雜的設(shè)計需求，更短的上市時間，不斷增加的成本壓力使這種趨勢看起來還在加速。從應(yīng)用概念到硅片實現(xiàn)的過程已經(jīng)不能僅僅靠工程師聰明的大腦來完成，而更需要依賴于嚴格完善的設(shè)計方法學(xué)。

隨著片上系統(tǒng)（SoC，System on Chip)設(shè)計復(fù)雜度的不斷提高，設(shè)計前期在系統(tǒng)級別進行軟硬件劃分對SoC各方面性能的影響日趨增加，迫切需要高效快速性能分析和驗證方法學(xué)。傳統(tǒng)的RTL仿真平臺不能提供較快的仿真速度與較大的仿真規(guī)模，F(xiàn)PGA平臺則不能提供詳細的性能分析指標(biāo)，而電子系統(tǒng)級設(shè)計（Electronic System Level，ESL）方法，不僅提供高速的仿真驗證手段還提供詳細的性能分析指標(biāo)，已經(jīng)成為當(dāng)今SoC設(shè)計領(lǐng)域最前沿的設(shè)計方法，它是能夠讓SoC設(shè)計工程師以緊密耦合方式開發(fā)、優(yōu)化和驗證復(fù)雜系統(tǒng)架構(gòu)和嵌入式軟件的一套方法學(xué)。電子系統(tǒng)級設(shè)計（ESL，Electronic System Level）牽涉到比RTL級別更高層次的電路設(shè)計，其基本的關(guān)注點在于系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)化、軟硬件劃分、系統(tǒng)架構(gòu)原型建模、以及軟硬件協(xié)同仿真驗證。全新的ESL工具為電路系統(tǒng)級建模提供了虛擬原型的基本仿真平臺。電子系統(tǒng)級設(shè)計正在從學(xué)術(shù)研究的課題變成業(yè)界廣為接受的建模手段，它完成從理想應(yīng)用優(yōu)化到目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)建立。而后依據(jù)預(yù)期產(chǎn)量規(guī)模的不同，用SoC 芯片或可編程平臺實現(xiàn)。2.傳統(tǒng)SOC設(shè)計方法的局限

目前的設(shè)計方法不能充分利用設(shè)計能力來快速構(gòu)建滿足市場需求的SoC。而只有快速適應(yīng)消費電子市場的變化，商業(yè)系統(tǒng)設(shè)計公司才能在競爭中勝出。這使SoC設(shè)計方法的研究具有重要的現(xiàn)實意義。

目前在技術(shù)上，SoC設(shè)計面臨的主要挑戰(zhàn)是在系統(tǒng)建模和硬件設(shè)計之間的不連續(xù)性。通常系統(tǒng)是使用C語言或其他系統(tǒng)描述語言定義的。而系統(tǒng)的集成電路實現(xiàn)卻使用硬件描述語言，因此導(dǎo)致轉(zhuǎn)換和重寫系統(tǒng)的負擔(dān)。這樣的流程使得設(shè)計過程中容易出錯而且耗時。驗證流程中需要仿真大規(guī)模系統(tǒng)，仿真速度難以需滿足設(shè)計需求。HDL模型仿真效率低，需要提高抽象層次。SoC系統(tǒng)中的組件具有多樣性異質(zhì)性，包括各個專業(yè)的設(shè)計，模擬和數(shù)字設(shè)計等等，需要提供異質(zhì)的仿真環(huán)境以及對系統(tǒng)級設(shè)計空間的探索復(fù)雜性的管理。千萬門級的規(guī)模使得設(shè)計本身的管理成為問題深亞微米集成電路中，沿線延遲的增加使時序收斂問題顯得更加突出，需要消除前端邏輯設(shè)計和后端物理設(shè)計的反復(fù)返工問題傳統(tǒng)的設(shè)計重用方法需要適應(yīng)規(guī)模的增長。系統(tǒng)設(shè)計需要具有競爭力，從基于芯片的設(shè)計方法，過渡到基于IP核的設(shè)計也是必然趨勢。雖然可以使用標(biāo)準(zhǔn)接口，但是更理想的辦法是分離出通訊部分，使用接口綜合技術(shù)。因此需要設(shè)計工具重點面向模塊間的通訊和互連，門級和寄存器傳輸級(RTL)仿真速度太慢，不適合系統(tǒng)設(shè)計。需要提高設(shè)計的抽象層次。SoC設(shè)計的趨勢是向高層抽象移動，更強調(diào)芯片級的規(guī)劃和驗證。強調(diào)早期芯片級規(guī)劃，以及軟硬件系統(tǒng)驗證。軟硬件協(xié)同設(shè)計方法是SoC設(shè)計方法學(xué)研究的重要領(lǐng)域。主要目的是開發(fā)適應(yīng)設(shè)計需求的設(shè)計方法和相應(yīng)的電子設(shè)計自動化軟件。在設(shè)計中通常一種技術(shù)是不能滿足設(shè)計要求的，因此要結(jié)合研發(fā)成本和開發(fā)周期等等因素，綜合考慮各種技術(shù)。3.ESL設(shè)計的基本概念

ESL設(shè)計指系統(tǒng)級的設(shè)計方法，從算法建模演變而來。ESL設(shè)計已經(jīng)演變?yōu)榍度胧较到y(tǒng)軟硬件設(shè)計、驗證、調(diào)試的一種補充方法學(xué)。在ESL設(shè)計中能夠?qū)崿F(xiàn)軟硬件的交互和較高層次上的設(shè)計抽象。ESL設(shè)計能夠讓SoC設(shè)計工程師以緊密耦合方式開發(fā)、優(yōu)化和驗證復(fù)雜系統(tǒng)架構(gòu)和嵌入式軟件，并能夠為下游的寄存器傳輸級(RTL)實現(xiàn)提供驗證基礎(chǔ)。

ESL設(shè)計以抽象方式來描述系統(tǒng)單芯片（SoC）設(shè)計。在ESL設(shè)計中，系統(tǒng)的描述和仿真的速度快，讓設(shè)計工程師有充裕的時間分析設(shè)計內(nèi)容。并且能提供足夠精度的虛擬原型，以配合軟件的設(shè)計。ESL設(shè)計不僅能應(yīng)用在設(shè)計初期與系統(tǒng)架構(gòu)規(guī)劃階段，亦能支持整個硬件與軟件互動設(shè)計的流程。

ESL設(shè)計技術(shù)與IP模塊能將流程融入現(xiàn)有的硬件與軟件設(shè)計與工具流程，在SoC開發(fā)流程中扮演協(xié)調(diào)統(tǒng)合的角色。它們讓工程師能開發(fā)含有數(shù)百萬邏輯門與數(shù)十萬行程序代碼的設(shè)計，并提供一套理想平臺，用來進行驗證，滿足客戶持續(xù)成長的需求。

4.ESL設(shè)計的特點

ESL設(shè)計之所以會受歡迎，主要源于以下五方面功能：功能正確和時鐘精確型的執(zhí)行環(huán)境使提前開發(fā)軟件成為可能，縮短了軟硬件集成的時間。系統(tǒng)設(shè)計更早地和驗證流程相結(jié)合，能確定工程開發(fā)產(chǎn)品的正確性。在抽象層設(shè)置的約束和參數(shù)可以被傳遞到各種用于設(shè)計實現(xiàn)的工具中。（1）更早地進行軟件開發(fā)

有了虛擬的原型平臺意味著可以更早地開始軟件開發(fā)。對于目前基于SystemC語言的ESL設(shè)計方法學(xué)來說，ESL設(shè)計工程師可用SystemC生成一個用來仿真SoC行為的事務(wù)級模型。由于事務(wù)級模型的開發(fā)速度比RTL模型要快得多。在RTL實現(xiàn)以前，完成TLM建模后的系統(tǒng)就可以開始軟件的開發(fā)。這樣軟件的開發(fā)可以和RTL實現(xiàn)同時展開，而不是傳統(tǒng)上的在RTL實現(xiàn)完成以后才開始軟件的開發(fā)。雖然部分和硬件實現(xiàn)細節(jié)有關(guān)的軟件要在RTL完成以后才能開始，但還是可以節(jié)省大量的開發(fā)時間。（2）更高層次上的硬件設(shè)計

為了適應(yīng)不斷變化的市場要求，需要不斷推出新產(chǎn)品或經(jīng)過改進的產(chǎn)品。在SoC設(shè)計中可以通過改進一些模塊的性能、增加功能模塊或存儲器、甚至在體系結(jié)構(gòu)上做出重大的調(diào)整。因此設(shè)計工程師必須擁有可實現(xiàn)的快速硬件設(shè)計方法。為了實現(xiàn)快速的硬件設(shè)計，在ESL設(shè)計須建立在較高層次上的抽象如事務(wù)級建模（TLM）。事務(wù)級模型應(yīng)用于函數(shù)調(diào)用和數(shù)據(jù)包傳輸層。傳輸級模型可以分為事件觸發(fā)型和時鐘精確型，這些模型能夠提供比RTL級模型快好幾個數(shù)量級的仿真速度。ESL工具的挑戰(zhàn)就是既要保持足夠精度的時序信息來幫助設(shè)計決策，又要提供足夠的仿真速度以滿足大型的系統(tǒng)軟件（如OS啟動）在可接受的時間內(nèi)的完整運行。只要掌握了這種平衡，就可以在高級設(shè)計中驗證時序和設(shè)置約束條件，再將這些優(yōu)化的設(shè)計分割、分配到各個不同的軟、硬件設(shè)計工作組去加以實現(xiàn)。RTL仿真通常只能提供10MIPS到數(shù)百MIPS左右的性能；然而，時鐘精確型的ESL仿真卻能達到100KMIPS到1MMIPS的仿真速度。（3）設(shè)計的可配置性和自動生成

越來越多的系統(tǒng)強調(diào)自己的可配置性，諸如：不同的處理器、不同的總線帶寬、不同的存儲器容量、無數(shù)的外設(shè)。配置和生成出來的設(shè)計必須和驗證環(huán)境得到的結(jié)果完全一致，并延續(xù)到整個設(shè)計流程中。通過ESL模型，結(jié)構(gòu)設(shè)計師能夠找到最好的配置方案。但是，這樣產(chǎn)生出來的結(jié)果需要和一套骨架的驗證環(huán)境同步到設(shè)計實現(xiàn)中去。如ARM已經(jīng)實現(xiàn)了從RealView SoC Designer ESL環(huán)境中自動導(dǎo)入SynopsysDesignWare coreAssembler SoC的集成和綜合流程，并且可以從coreAssembler或Mentor Graphics公司的Platform Express中啟動ARM PL300 AXI可配置互聯(lián)生成器，來生成AXI總線系統(tǒng)。（4）方便的架構(gòu)設(shè)計

ESL架構(gòu)設(shè)計能完成功能到運算引擎的映射。這里的引擎指的是那些可編程的目標(biāo)——如處理器、可配置的DSP協(xié)處理器，或者是特殊的硬件模塊如UART外設(shè)、互連系統(tǒng)和存儲器結(jié)構(gòu)。這是系統(tǒng)設(shè)計的開始環(huán)節(jié)，從行為上劃分系統(tǒng)，驗證各種配置選擇的可行性及優(yōu)化程度。ESL工具對于開發(fā)可配置結(jié)構(gòu)體系是非常關(guān)鍵的。它使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從抽象的行為級很容易地映射到具體的硬件設(shè)計，從而方便決定哪些模塊可以被復(fù)用，哪些新模塊需要設(shè)計。還能提供必要信息指導(dǎo)最優(yōu)化的通訊、調(diào)度和仲裁機制。（5）快速測試和驗證

由于ESL設(shè)計中的抽象級別明顯高于RTL設(shè)計抽象級別，ESL設(shè)計中可以做到描述模塊內(nèi)的電路狀態(tài)、精確到納秒的轉(zhuǎn)換以及精確到位的總線行為。相比使用RTL，使用周期精確的事務(wù)級模型將使硬件驗證和硬件/軟件協(xié)同驗證速度快1000倍或者更多。這種方法不僅可產(chǎn)生用于驗證系統(tǒng)行為，它還支持與較低抽象級別的RTL模型的協(xié)同仿真。如果ESL設(shè)計抽象級別被當(dāng)作一個測試臺的話，當(dāng)下游的RTL實現(xiàn)模塊可用時，它們便可在這個測試臺上進行驗證。

系統(tǒng)級的HW/SW協(xié)同驗證要優(yōu)于C/RTL實現(xiàn)級的HW/SW協(xié)同驗證。因為在系統(tǒng)級的驗證可以在較早的展開，而不必等到底層的實現(xiàn)完成后才開始。在底層實現(xiàn)沒有開始前的協(xié)同驗證可以及時修改體系結(jié)構(gòu)或軟硬件劃分中的不合理因素。越高層次上的驗證，可以越大程度上減少修改設(shè)計帶來的損失。5.ESL設(shè)計方法

ESL作為一種先進的設(shè)計方法學(xué)，能夠用于硬件的功能建模與體系結(jié)構(gòu)的探察，給硬件架構(gòu)設(shè)計人員提供準(zhǔn)確可靠的設(shè)計依據(jù)，因此在本章的內(nèi)容里將將詳細介紹ESL設(shè)計的基本流程與ESL的核心方法—利用SystemC實現(xiàn)事務(wù)級建模的基本理念。

首先要指出的是在設(shè)計的哪個階段使用ESL設(shè)計方法和ESL設(shè)計工具。每一個電子產(chǎn)品的設(shè)計過程以某一種形式的頂層定義開始。這個定義過程可以以文本的形式描述，也可以用圖表、狀態(tài)圖、算法描述，或者利用工具如MATLAB等描述。ESL設(shè)計并不是定位在這個層次上的設(shè)計。而是通過描述系統(tǒng)怎樣工作，并為進一步的實現(xiàn)提供一個解決方案。ESL設(shè)計成為系統(tǒng)和更加底層設(shè)計之間的橋梁。ESL設(shè)計包括功能設(shè)計和體系結(jié)構(gòu)設(shè)計兩大領(lǐng)域。

系統(tǒng)的行為由功能模塊實現(xiàn)，功能模塊設(shè)計必須關(guān)注系統(tǒng)的應(yīng)用。功能設(shè)計不考慮硬件和軟件，物理和工藝。功能設(shè)計包括實現(xiàn)功能模塊結(jié)構(gòu)、模塊之間的通信和它們的基本行為。在ESL中一個硬件功能模塊的設(shè)計包括定義正確的功能，確定輸入和輸出，劃分子模塊，確定子模塊的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)流和控制邏輯，還要為其模塊建立測試環(huán)境。這個設(shè)計過程和RTL的設(shè)計流程相似，但他們在不同的抽象層次上，使用不同的設(shè)計語言，例如，在ESL的功能模塊建模過程中使用SystemC或SystemVerilog，而RTL級建模則使用Verilog或者VHDL。

體系結(jié)構(gòu)設(shè)計首先要建立平臺的描述。接著將應(yīng)用的功能部件影射到平臺。驗證體系結(jié)構(gòu)模型，并根據(jù)成本和性能優(yōu)化這個結(jié)構(gòu)。在體系結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要考慮處理器的類型、處理器的數(shù)量、存儲器的大小、Cache性能、總線互聯(lián)和占用率、軟件和硬件的功能劃分和評估、功耗的評估和優(yōu)化等。

首先ESL接受一個設(shè)計定義的輸入，這個定義可以是文本、圖表、算法或者是某種描述語言如UML，SLD，MATLAB等的描述。對于這個輸入的定義，在ESL設(shè)計完成算法的開發(fā)，接口定義，用ESL語言或其他語言來描述來完成體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計。并在此基礎(chǔ)上完成軟硬件的劃分。完成軟硬件劃分后，可以開始軟件和硬件的設(shè)計。在硬件設(shè)計中，對于功能單元需要在較高層次上的建模，完成功能設(shè)計。比如說用SystemC進行事務(wù)級的建模。

用C/C++或其他高級語言完成應(yīng)用軟件的設(shè)計。在這個階段開始軟硬件的協(xié)同驗證，根據(jù)協(xié)同驗證的結(jié)果反饋給體系結(jié)構(gòu)和軟硬件劃分。后者根據(jù)性能、成本等因素重新做出調(diào)整。軟硬件的設(shè)計和驗證，包括軟硬件的協(xié)同驗證是一個重復(fù)的過程，在整個設(shè)計過程中都要根據(jù)驗證的結(jié)果對體統(tǒng)和設(shè)計做出調(diào)整。完成驗證的硬件和軟件設(shè)計就可以組成一個完整地系統(tǒng)級設(shè)計。傳遞給下一級 的設(shè)計作為輸入。比如說是ESL設(shè)計為軟件應(yīng)用提供C或C++語言描述的程序。為定制電路提供Verilog或VHDL語言描述的硬件設(shè)計。為硬件平臺提供PCB板的功能部件或抽象層IP，比如說基于SystemC的IP。在實現(xiàn)ESL設(shè)計流程的具體過程中，有不同的實現(xiàn)方法可以采用。下面介紹兩種應(yīng)用得比較多 的設(shè)計方法。

在完

成系統(tǒng)功能定義后，設(shè)計方法之一是從系統(tǒng)的定義開始，先進行算法級設(shè)計。通常用MatLab等工具進行算法的分析，接著用Simulink等工具進行數(shù)據(jù)流的分析。完成分析后進行體系結(jié)構(gòu)的平臺的設(shè)計。體系結(jié)構(gòu)和平臺設(shè)計要進行系統(tǒng)級的驗證，以確定結(jié)構(gòu)是否合理。在體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，首先從IP庫中獲取已有的硬件模塊的事物級模型，如處理器和總線模型，或者重新設(shè)計IP庫中沒有的模塊的事物級模型。硬件模塊的事物級建模完成后，建立系統(tǒng)模型。接下來輸入軟件參考模型進行軟硬件的協(xié)同驗證。體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)級驗證的目標(biāo)是確定存儲器的大小、DMA的定義、總線帶寬和軟硬件劃分等。

與圖2中的ESL設(shè)計方法一相比，圖3中的設(shè)計方法是直接由軟件參考代碼開始，創(chuàng)建事物級模型的虛擬平臺，在此基礎(chǔ)上進行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，驗證和性能的分析。通常，軟件參考代碼已實現(xiàn)了基本功能，特別是保證了算法及數(shù)據(jù)流等的正確性。如，軟件參考代碼可以是某一標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的用C語言寫的參考代碼。在軟件參考代碼和事物級模型的基礎(chǔ)上分別進行軟件和硬件的設(shè)計。在軟件設(shè)計中，會把建立完成的虛擬平臺和構(gòu)架作為集成開發(fā)環(huán)境的一部分。集成開發(fā)環(huán)境還包括編譯器和調(diào)試工具的開發(fā)。在設(shè)計的過程通過軟硬件的協(xié)同驗證調(diào)整設(shè)計的內(nèi)容。

6.SystemC的系統(tǒng)級芯片設(shè)計方法研究

在傳統(tǒng)設(shè)計方法中,設(shè)計的系統(tǒng)級往往使用UML,SDL, C, C++等進行描述以實現(xiàn)各功能模塊的算法,而在寄存器傳輸級使用硬件描述語言進行描述。最廣泛使用的2種硬件描述語言是VHDL和Verilog HDL,傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計方法流程如圖3所示。從圖中不難看出,傳統(tǒng)的設(shè)計方法會出現(xiàn)如下弊端:首先,設(shè)計人員需要使用C/C++語言來建立系統(tǒng)級模型,并驗證模型的正確性,在設(shè)計細化階段,原始的C和C++描述必須手工轉(zhuǎn)換為使用VHDL或Verilog HDL。在這個轉(zhuǎn)換過程中會花費大量的時間,并產(chǎn)生一些錯誤。

其次,當(dāng)使用C語言描述的模塊轉(zhuǎn)換成HDL描述的模塊之后,后者將會成為今后設(shè)計的焦點,而設(shè)計人員花費大量時間建立起來的C模型將再沒有什么用處。再次,需要使用多個測試平臺。因為在系統(tǒng)級建立起來的針對C語言描述的模塊測試平臺無法直接轉(zhuǎn)換成針對HDL語言描述的模塊所需要的測試平臺。

無論采用什么樣的設(shè)計方法學(xué),人們都需要對SOC時代的復(fù)雜電子系統(tǒng)進行描述,以選擇合適的系統(tǒng)架構(gòu)進行軟硬件劃分、算法仿真等。描述的級別越低,細節(jié)問題就越突出,對實際系統(tǒng)的模仿就越精確,完成建模消耗的時間、仿真和驗證時間就越長。相反,描述的抽象級別越高,完成建模需要的時間就越短,但對目標(biāo)系統(tǒng)的描述也就越不精確。作為設(shè)計人員必須在速度和精確性之間做出選擇。

人們對系統(tǒng)級描述語言的要求是:高仿真速度以及建模效率、時序和行為可以分開建模、支持基于接口的設(shè)計、支持軟硬件混合建模、支持從系統(tǒng)級到門級的無縫過渡、支持系統(tǒng)級調(diào)試和系統(tǒng)性能分析等。人們迫切需要一種語言單一地完成全部設(shè)計。這種語言必須能夠用于描述各種不同的抽象級別(如系統(tǒng)級、寄存器傳輸級等),能夠勝任軟硬件的協(xié)同設(shè)計和驗證,并且仿真速度要快。這就是所謂的系統(tǒng)級描述語言SLDL,而傳統(tǒng)的硬件描述語言如VHDL和Verilog HDL都不能滿足這些要求。SystemC就是目前這方面研究的最新、最好的成果,他擴展傳統(tǒng)的軟件語言C和C++并使他們支持硬件描述,所以可以很好地實現(xiàn)軟硬件的協(xié)同設(shè)計,是系統(tǒng)級芯片設(shè)計語言的發(fā)展趨勢。7.ESL綜合

“ESL綜合”到底有沒有一種明確的定義，能讓我們確信ESL綜合是一種可行的設(shè)計技術(shù)，或者用于評估某款所謂的ESL綜合工具是否真的能夠完成綜合工作？憑借Synplicity營銷高級副總裁AndrewHaines在電子設(shè)計自動化(EDA)方面的工作經(jīng)驗，關(guān)于ESL綜合的定義，建議是：此定義應(yīng)該突出ESL綜合與其他ESL設(shè)計工作相比的獨到之處。

首先，從本質(zhì)來說，綜合是從一種抽象層級轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N抽象層級，同時保持功能不變。邏輯綜合是從RTL到邏輯門的轉(zhuǎn)變；而物理綜合則是從RTL到邏輯門及布局的轉(zhuǎn)變。因此，ESL綜合是從ESL描述語言到RTL等抽象較低的實施方案的轉(zhuǎn)變。就ESL綜合的定義而言，選擇哪種描述語言并不重要，因為通過在初始化階段根據(jù)不同應(yīng)用支持多種ESL語言的方式，用戶群最終均能解決這一問題。重要的是，ESL綜合應(yīng)將設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)槌橄筝^低但功能相當(dāng)?shù)膶嵤┓桨浮Ｆ浯危撤N技術(shù)被定義為綜合技術(shù)，就必然與其他形式的轉(zhuǎn)變存在根本區(qū)別。例如，原理圖輸入(schematic capture)很顯然是一種涉及多種抽象層級的轉(zhuǎn)變，而綜合則不是。綜合與原理圖輸入定義的獨特區(qū)別在于香蕉曲線，也

就是說，綜合的結(jié)果不是面積與時序關(guān)系圖上的一個點，而是一條曲線，表示所有綜合結(jié)果均保持相當(dāng)?shù)墓δ埽珪r序與面積不同。因此，根據(jù)面積與時序關(guān)系自動定義一系列功能相當(dāng)?shù)慕鉀Q方案必須作為ESL綜合定義的一部分。

我們已經(jīng)認識到，真正的DSP綜合需要從算法發(fā)展到優(yōu)化的RTL，市場中已有能夠滿足上述要求的相關(guān)ESL綜合技術(shù)。這確實是ESL綜合技術(shù)的進步。不過，客戶必須始終認識到，有的所謂“ESL綜合”工具實際只能根

據(jù)算法描述創(chuàng)建參數(shù)化的RTL模型，這種產(chǎn)品不能實現(xiàn)自動化，也無法形成“香蕉曲線”，且對提高工作效率的作用也非常有限。定義本身不會改善ESL設(shè)計，即便如此，我們也應(yīng)當(dāng)在早期為其下一個明確的定義，以便設(shè)計小組了解ESL的真正進步與不足。參考文獻：

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