功耗分析仿真软件

功耗分析仿真软件（精选五篇）

功耗分析仿真软件篇1

自P.Kocher提出功耗分析概念以来, 在功耗分析实施过程中的功耗采集、功耗轨迹生成、功耗分析攻击三个主要实现环节中, 只有功耗分析攻击的讨论最为深入。究其原因, 功耗采集、轨迹生成都有固定的方案可循。而功耗分析攻击涉及到密码算法及其运行过程中一切数据的变化和中间值的估计, 必然会复杂和深入得多。一般, 功耗分析攻击都是在加密设备的物理硬件平台上完成。对加密芯片设计者而言, 所设计的算法软件和其他方面的设计必须在样品设备制造出来之后才能测试验证。对一个已经设计并付诸生产的嵌入式加密芯片而言, 后期的验证已经来不及对其进行结构上的调整和修正, 且测试周期长, 代价高。因此, 如能设计一个好的功耗分析仿真软件, 不需要搭建硬件实验环境和物理目标设备, 通过软件仿真硬件功耗消耗, 执行功耗分析攻击, 能仿真多种加密算法在多种类型加密设备上进行测试, 并能及时反馈所用攻击方法及防御方法的性能和效果, 具有极大的实用价值。

1.1 功耗分析仿真软件研究现状

到目前为止, 国内外对功耗分析方法的研究仍属于探索和起步阶段。

2003年Einhoven大学的ECSS研究小组设计和开发一种基于功耗泄露攻击的仿真试验平台PINPAS, 该仿真平台能对AES, ECC算法在内的密码算法的功耗泄露进行仿真。PINPAS仿真平台实现了简单功耗分析攻击、一阶差分功耗分析攻击。

2004年剑桥大学的EMA项目组以电磁辐射攻击为背景展开相关研究, 通过对密码芯片运算时的电磁泄露进行建模, 在设计阶段对密码芯片进行电磁分析。EMA项目开发了一套电磁攻击的仿真实验环境, 能处理简单电磁攻击和差分电磁攻击。

2005年清华大学的研究人员提出一种功耗分析模拟研究平台, 该平台为功耗分析及抗功耗分析提供一个理论研究平台, 可以为最终的芯片实现提供一定的安全依据。

2007年上海交通大学的研究人员在进行功耗分析实验的研究中, 对旁路功耗分析测试平台进行了详细的描述, 给出了整个系统的总体设计框图, 用图表的方式描述了攻击测试的流程。

2008年电子科学技术大学的范明钰、张涛、李欣等研究人员在开发旁路攻击仿真软件上进行了一些尝试, 初步完成了一个仿真软件SSSCA的相关设计与编写工作。该仿真软件中加密算法和SSSCA平台均是用高级语言描述, 目前只完成简单功耗分析攻击和一阶差分功耗分析攻击。

2 仿真软件设计目标和总体架构

2.1 功耗分析仿真软件设计目标

本文所开发的功耗分析仿真软件模块作为整个仿真软件系统的一部分, 已完成几个设计目标。

1) 采用自上而下的设计, 搭建软件的整体架构, 功耗分析仿真软件的最终目的是能够仿真多种加密算法在多种虚拟硬件平台上的泄露功耗进行分析, 随着项目开展, 能不断扩充算法模块, 因此整个软件系统结构需要良好的扩展性。

2) 完成密码算法的IP (Intellectual Property Core) 核设计。

3) 设计从硬件描述语言到高级语言的接口设计。

4) 设计加密算法的一阶功耗分析模块, 该模块包括功耗统计, 功耗分析攻击, 最后获得一条直观的功耗分析攻击曲线。

5) 设计加密算法二阶功耗分析模块, 该模块包括功耗统计, 功耗分析攻击, 最后获得一条直观的功耗分析攻击曲线。

2.2 功耗分析仿真软件总体架构

本文设计了一个功耗分析仿真软件总体架构, 对加密算法IP核进行功能模拟, 提取出功耗曲线, 并对其进行功耗分析;另一方面, 亦可以利用这一软件评估抗功耗分析攻击算法设计的有效性和可行性。功耗分析仿真软件总体架构如图1所示。

3 仿真软件各功能模块

3.1 加密算法IP核设计

用硬件描述语言实现加密算法。模拟加密芯片从数据输入到数据输出的全过程。

3.2 代码仿真模块

代码仿真模块主要是建立在大量的实验基础上, 完成密码算法过程中中间值与功耗数值之间的工作、功耗数据采集工作。

本文中代码仿真器选择的是Mentor Graphics子公司Model Technology的产品Modelsim, 属于编译型的Verilog/VHDL混合型仿真器。它是一个第三方软件, 其功能仿真和综合布线后的时序仿真便捷快速, 在软件环境下, 验证电路的行为与设想是否一致。

3.3 功耗分析模块

功耗分析模块是整个仿真软件架构的核心, 流程图如2所示。它的能力代表了仿真软件的能力, 由于加密算法的实现不同, 功耗分析工具不能做到完全通用化。本文自主设计开发出一个功耗分析仿真实验平台PASP (Power Analysis and Simulation Platform) , 完成功耗分析模块的处理工作。

数据预处理是指对加密算法IP核经Modelism运行后, 收集到与密钥相关的中间变量的值进行处理, 以实现从硬件描述语言到高级语言设计的接口。

功耗分析处理又是功耗分析模块的核心部分, 它主要包括两个部分:功耗统计和功耗分类处理。

数据后处理, 将得到的功耗偏差作为纵坐标, 子密钥解空间的值作为横坐标, 画出一条直观的功耗分析波形图。

4 功耗分析实例

4.1 仿真工作流程

一个完整的功耗分析仿真软件工作流程如图3所示。

4.2 功耗分析实例

本文在自主开发功耗分析仿真软件上做了一些尝试, 初步完成一个功耗分析软件PASP (Power Analysis Simulation Platform) 的编写工作。图4为PASP软件界面, 通过选择可分别进入一阶或高阶功耗分析。

以AES的一阶功耗分析和FVMAES二阶功耗分析为例, 展示本文所开发的PASP平台。点击功耗分析的类型, 分别进入一阶功耗分析和高阶功耗分析界面。

选择密码算法类型, 此处可以扩展, 本文以AES、FVMAES加密算法为例, 先选择算法类型, 然后输入信号文件, 信号文件为经Modelsim运行后与密钥有关的中间值文件, 点击数据预处理, 得到功耗点时刻即D值时刻。由于一阶界面与高阶界面展示的内容一致, 只是内部实现算法不同, 本文只给出一阶界面图片。

进行功耗统计, 计算加密运算过程中, 中间变量在D值时刻, 所产生的功耗。

功耗分类处理, 用D值对功耗数据进行区分, 采用基于均值检验的方法进行分析, 结果如图9所示。

数据后处理, 将得到的功耗偏差作为纵坐标, 子密钥解空间作为横坐标, 画出直观的波形图。AES一阶功耗分析和FVMAES二阶功耗分析图分别如图10、图11所示。

5 结束语

设计了一个功耗分析仿真软件总体架构, 描述了仿真软件各模块实现的功能, 最后通过实例展示本文开发的PASP平台。该平台完成模拟用硬件描述语言实现的密码算法IP核进行功耗分析的全过程, 在设计阶段即可验证和评估嵌入式加密芯片的功耗分析攻击及抗功耗分析方法的性能, 大大提高工作效率, 降低开发时间和开发成本, 具有很高的实用价值。

摘要：设计并自主开发一个功耗分析仿真软件, 完成对硬件描述语言实现的密码算法IP核进行功耗仿真分析。用软件仿真功耗分析攻击, 可以在嵌入式加密芯片的设计阶段评估设计方案和抗功耗分析攻击的性能, 提高工作效率, 降低开发时间和成本, 具有很高的实用价值。该软件已经实现了几种常用密码算法及其改进后加密算法的一阶功耗分析和高阶功耗分析功能。经测试得到的仿真结果与理论分析出来的攻击结果相符合, 实现了本软件的设计目标。

关键词：差分功耗分析,功耗分析仿真软件,高阶功耗分析

参考文献

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功耗分析仿真软件篇2

关键词：仿真；建模；原理分析

一、引言

数控加工仿真采用可视化技术，通过仿真和建模软件，模拟实际的加工过程，在计算机屏幕上按照铣、车等加工方法把加工路线描绘出来，使工程师能预先看到制造过程，及时发现生产过程中的不足，达到降低成本、缩短产品开发周期，增强产品竞争力的目的。

本文着重介绍VERICUT的机床文本模块功能，在VERICUT环境下建立数控机床模型的方法及应注意的问题，并结合MAKINO-A55型号卧式加工中心的模型实例展现了VERICUT5.4版本环境下建立数控机床全过程。

二、利用CATIA实体造型后的机床建模结果

三、机床建模的导入过程

①工艺系统分析。②建立机床几何模型。③建立刀具库。④设置CNC系统并建立部件树。⑤添加各部件的几何模型，并准确定位。⑥设置机床参数。⑦保存所有文件。

四、机床3D模型建立方法

在VERICUT中，机床可以分解为Base（基座）、X轴、y轴、z轴、C轴、A轴Fixture（夹具）、Spinde（主轴）、Tool（刀具）、Stock（毛坯）Design（CAD设计原型）等几个部件构成，建立机床可以根据机床的结构逻辑关系，由以上部件进行约束化的堆砌而构成的。

五、建立部件树

先设CONTROL为“FANUC-0T”：选菜单“SETUP→CONTROL→OPEN”，在弹出对话框中设“SHORT CUT”为“CGTECH_LIBRARY”，选“fan0t.ctl”打开后建部件树。选菜单“MODEL→COMPONENT TREE”，弹出部件树对话框，单击“BASE→右键单击→在光标菜单选APPEND→选ZLINEAR”，添加Z轴，单击“ZLINEAR→右键单击→在光标菜单选APPEND→选XLINEAR”，添加X轴。同样方法，添加其他部件，得到部件树。

六、导入机床建模的结果

七、機床控制及机床原始位置的定义

（1）在VERICUT软件中选取Setup／Machine／Setting选项，定义机床的起始位置。

（2）在“Base”上单击右键，选择Append>Tool Chain Model>Creat Model File>Sweep...在弹出的Sweep Profile对话框中设置刀具链。

八、机床建模分析

通过对机床模型文件（.mch机床文件）的分析，基本掌握机床模型的文本结构。它是由UNITS，COLORDEFINATION and MACHINE三大部分组成，其中MACHINE又由Base，X，Y，Spindle，Tool，Z，Fixture，Stock，Design，Tool Chain，Other Base等部分组成。

九、结论

仿真建模的步骤：定义坐标系、定义装配件、添加模型、机床参数设定、机床3D建模、保存机床模型及文本文件，经过最终的模拟运行，建立三轴卧式加工中心。

参考文献：

[1]李军锋.五坐标数控机床的加工仿真[J].CAD/CAM与制造业信息化，2002，（1）.

[2]VERICUT，使用手册.

[3]尤春风.CATIA V5机械设计[M].清华大学出版社，2002.

功耗分析仿真软件篇3

绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 综合了功率场效应晶体管 (MOSFET) 和大功率晶体管 (GTR) 的优点, 具有输入阻抗高、饱和压降低、开关速度快等优点 , 近年来在超音频大功率感应加热电源中得到了广泛的应用。然而大功率感应加热电源的开关器件功耗比较大, 加上电压型串联感应加热电源一般工作在弱感性以及母线电感的影响, 使得IGBT的开关环境相当恶劣。为了保障器件安全, 往往要加缓冲电路。缓冲电路有多种类型, 考虑到大功率感应加热电源采用全桥式逆变器, 因此, 多采用RCD缓冲电路。RCD缓冲电路是一种有损电路, 但因其结构简单、能有效地吸收过电压、可靠性高、实用价值大而广泛用于电力电子电路中。本文分析比较了3种RCD缓冲电路在大功率负载下开关器件的功率损耗。

1 主电路结构

图1为用于30～160 kW的超音频感应加热电源逆变器的主电路图。负载采用串联型谐振, C0、L0分别为谐振电容、电感, R0为负载。VT1～VT4为4只IGBT, 采用栅极驱动, 将输入的直流电压转换成方波电压。S1～S4为4路PWM控制信号, Ls为母线杂散电感, C1为小滤波电容。在开关关断瞬间, 由于直流母线及负载变压器漏感储能的作用, 在IGBT集射之间会产生电压尖峰, 如图2所示。

图2 (a) 和图2 (b) 分别表示在无缓冲电路的情况下, 感应加热电源逆变器处于谐振状态和弱感性状态时, 元件VT2的C、E极之间电压UCE的波形。在VT2关断时, 由于Ls的作用, UCE迅速上升, 并大于母线电压Ud, 最后趋于500 V。处于弱感性下的UCE波形明显比处于谐振状态下的UCE波形的尖峰电压大, 且振荡时间更长。可见尖峰电压的大小随着电感的漏感以及电路关断条件的不同而不同。

2 大功率级别的缓冲电路类型及参数选择

2.1 缓冲电路的功能及类型

缓冲电路是器件安全运行的重要环节, 用以控制IGBT的尖峰电压, 其主要作用: (1) 减小开关过程应力; (b) 改变器件开关轨迹, 使器件工作于安全工作区内; (c) 减小器件开关损耗。常见的应用于大功率场合的缓冲电路有3种形式, 如图3 所示。

I型电路采用2组II型缓冲电路, 使用快恢复二极管钳位瞬变电压, 可抑制振荡发生, 适用于中大容量器件, 但缓冲电路的损耗很大。II型电路将RCD缓冲电路直接并接在IGBT桥臂两端, 这种电路抑制IGBT关断瞬态电压的效果好, 而抑制IGBT开通时的瞬态电压效果稍差。III型缓冲电路由于每个元件有各自独立的吸收电路, 既可抑制关断浪涌电压, 缓冲电路的损耗又很小, 适合于大功率电路[1]。

2.2 缓冲电路参数设计

Cs的作用是减缓功率器件的关断du/dt和抑制关断时由于分布电感的影响而产生的过电压。Rs的作用是限制吸收电容的放电电流, 减缓对功率器件的电流冲击[2]。为了最大限度地发挥缓冲电路的作用, 电路中Cs和Rs都选用无感型的, Ds选用快恢复二极管。根据Cs和Rs的作用来设计吸收电路元件参数, 通常采用计算和实验相结合的方法来确定。

(1) 对于I型电路的参数设计

根据参考文献[3]介绍的缓冲电路参数公式, 经计算Cs= (35～99) nF, 取Cs=70 nF;Rs≤35 Ω, 取Rs=15 Ω。

(2) 对于II型电路的参数设计

由于电感Ls的储能完全等于Cs电压升高Δu%Ud所需要的电荷, 因此:

$\begin{array}{l} C_{s} = \frac{L_{s} Ι_{L}^{2}}{(Δ u % U_{d})^{2}} (1) \\ 2 \sqrt{\frac{L_{s}}{C_{s}}} \leq R_{s} \leq \frac{1}{4 f_{s} C_{s} \ln 15} (2) \end{array}$

式中:Ls为缓冲电路寄生电感; IL为母线电流; Δu%为过电压保护度有关, 一般设定为15%[4];fs为开关频率。

取IL=200 A, Ud=500 V, Ls=20 nH, fs=50 kHz, L=0.12 μH, 计算得:Cs=0.8 μF, Rs=2 Ω。

(3) 对于III型电路的参数设计

由能量守恒定律可知, 缓冲电容器Cs吸收的能量与进线电感Ls中的储能相等 [1,5], 因此有:

$L_{s} Ι_{0}^{2} / 2 = C_{s} (U_{d s p} - U_{d})^{2} / 2 (3)$

得:

$C_{s} = L_{s} Ι_{0}^{2} / (U_{d s p} - U_{d})^{2} (4)$

式中:I0为关断时的负载电流;Udsp为瞬态电压峰值。

取Ls=0.1 μH, I0=200 A, Udsp=560 V, 可求得所需的缓冲电容为Cs=1.1 μF。

缓冲电阻由式 (5) 得到:

$R_{s} = 1 / (6 C_{s} f_{s}) (5)$

式中:fs为开关频率。

当fs为50 kHz, 得Rs≤3.03 Ω, 取Rs=3 Ω。

3 仿真研究

本设计的仿真研究选择在PSpice仿真软件中进行, 仿真参数:设计中负载谐振频率fs=50 kHz, 功率为100 kW, 取母线杂散电感Ls=0.1 μH, 设L0=50.7 μH, R0=3 Ω, C0=0.2 μF, IGBT的型号为CM400HA-24H, 二极管的型号为BYT30P600, 驱动脉冲PWM信号的高电压为15 V, 为了确保IGBT可靠关断, 取低电压为-5 V, 为避免功率器件上下臂短路, 设驱动信号的死区时间为1 μs。由于电压型串联感应加热电源工作在谐振和弱感性状态, 本文分别在这2种状态下通过求1个周期的平均功耗对3种缓冲电路进行分析。图4为I型缓冲电路中IGBT和缓冲电阻的电压及功率损耗仿真图。

I型缓冲电路有效地抑制了IGBT的关断电压尖峰, 但电容中的大部分能量消耗在缓冲电阻上, 造成电阻的发热很严重, 其平均功率损耗甚至达到410 W, 且缓冲二极管的发热量也非常大, 该电路属于低效吸收电路。

P (Rs) -缓冲电阻的功率; U (Rs) -缓冲电阻的电压; P (IGBT) -IGBT的功率损耗;UCE-IGBT的集射电压

与I型不同, II型、III型电路缓冲电容的电压等于直流电压, 在下次关断前电压过冲能量只有部分消耗在电阻上, 另一部分反馈到直流电源, 就可避免电容过多地充放电, 使缓冲电路有较低的功耗。单相全桥逆变器采用II型缓冲电路在IGBT关断时, 抑制瞬态电压的效果好。图5为II型电路中IGBT和缓冲电阻的电压及功率损耗仿真图。

在谐振状态下, II型缓冲电路IGBT两端的电压与逆变器的输入电压近似相等, 说明该电路吸收效果很好。IGBT的平均功耗为430 W, 缓冲电阻的平均功耗为107 W。弱感性状态下, IGBT端电压会突然上升而产生过冲现象, IGBT将承受较高的du/dt冲击, 其平均功耗为510 W, 缓冲电阻的平均功耗为138 W。

III型缓冲电路其功能与II型类似, 而且它直接连接到每个IGBT的集电极和发射极, 具有寄生电感较小的优点, 可有效地抑制振荡和控制瞬变电压, 吸收效果好, 同时它还具有缓冲元件的功率损耗小、对IGBT开通有利以及无寄生振荡等特点。图6为III型缓冲电路中IGBT和缓冲电阻的电压及功率损耗仿真图。

P (Rs) -缓冲电阻的功率; U (Rs) -缓冲电阻的电压; P (IGBT) -IGBT的功率损耗;UCE-IGBT的集射电压

P (Rs) -缓冲电阻的功率; U (Rs) -缓冲电阻的电压; P (IGBT) -IGBT的功率损耗; UCE-IGBT的集射电压

从图6可看出, 在增加了III型缓冲电路后, 尖峰电压的最大值基本上与IGBT正常工作电压的大小相等, 表明在缓冲电路的保护下IGBT可以非常安全地工作。IGBT的平均功耗为198 W, 缓冲电阻的平均功耗为15.7 W。弱感性状态下, IGBT的平均功耗为430 W, 缓冲电阻的平均功耗为47 W。

从图4～图6可看出, 无论是带有哪种类型缓冲电路的单相全桥逆变器, 在谐振状态和弱感性状态下, 纯阻性缓冲电路的吸收效果最好;随着开关频率的改变使逆变器处于弱感性状态下, 吸收效果变差[4];而III型缓冲电路比II型缓冲电路吸收效果明显更好, 缓冲电阻的功耗更低, 所以III型缓冲电路适合用在大功率、大电流场合的感应加热电源中。

4 结语

本文针对电压型大功率感应加热电源的特点, 分析比较了3种缓冲电路的吸收效果, 从而得出III型缓冲电路是最佳缓冲电路方案的结论。其中I型缓冲电路的电能损耗大, 缓冲电阻发热严重;II型缓冲电路对关断瞬态电压抑制效果好, 但在大功率级别的IGBT工作场合, 不能有效地控制瞬变电压;而III型缓冲电路适用于大功率级别的IGBT工作场合, 它具有寄生电感较小的优点, 可有效地抑制振荡和控制瞬变电压。

摘要：针对大功率感应加热电源功率开关器件IGBT功耗大的特点, 给出了3种RCD缓冲电路结构及参数设计, 在PSpice仿真软件下对3种缓冲电路中的IGBT和缓冲电阻的功率损耗进行了仿真分析, 给出了相应的仿真结果。仿真结果表明, I型缓冲电路的电能损耗大, 缓冲电阻发热严重;II型缓冲电路对关断瞬态电压抑制效果好, 但不能有效地控制大功率级别IGBT的瞬变电压;III型缓冲电路具有寄生电感较小的优点, 可有效地抑制振荡和控制瞬变电压, 适用于大功率级别IGBT工作场合。

关键词：功率开关器件,IGBT,缓冲电路,功率损耗,PSpice,仿真

参考文献

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功耗分析仿真软件篇4

【关键词】仿真软件;电子测量学;教学活动;运用

信息时代背景下，计算机技术与教育教学深度结合，形成了很多教学软件。其中仿真软件能够克服客观条件，充分展示学习内容。电子测量作为一门具有实践性、抽象性特点的课程。当前教师在教学中采用传统教学模式，向学生传授的理论知识过于抽象，不够具体，无法帮助学生日后形成完善的理论知识结构。利用仿真软件开展电子测量教学活动，不仅能够提高教学活动效果和效率，还能够增强学生对教学内容的印象。因此加强对该问题的研究具有非常重要的现实意义。

一、仿真软件概述

所谓仿真软件，是指建立在集成电路、计算机技术基础之上的一种高级、快速的电子设计自动化工具。其融合了数据库、图形学及计算数学等学科形成一种通用性软件包。现有电子类仿真软件有View logic、OrCAD等，其中Multisim是国内外最为常用的DEA仿真软件。在实践应用中，不同仿真软件各具特色，如PSpice功能较为强大，适合对复杂电路进行分析和优化，而Protel综合性能较好，且使用范围非常广，能够将电路仿真及PCB设计有机整合到一起，提高仿真效果。

将仿真软件引入到电子测量教学中，能够突破传统教学抽象、枯燥教学方式，将教学内容以动画、图文等多媒体视听形式呈现出来，在轻松、愉悦的氛围中进行自主探究学习。电子测量技术试验需要设备投入非常大、且难度较大。如果引进仿真软件进行模拟操作，能够节省更多资源投入，且达到预期的教学目标，为师生交流提供良好的平台。总而言之，将仿真软件引入到实践教学中非常必要，不仅是教育教学现代化改革的需求，也是提高教学质量的有效手段。

二、仿真软件在电子测量教学中的运用

1.开展演示教学

在实践教学中，教师可以将仿真软件虚拟设备引入到课堂教学，帮助学生理解和消化理论知识。如果条件允许，可以配合电子白板进行师生互动，使得演示更加形象、具体，以此来调动学生学习热情。如在进行函数信号发生器相关内容教学中，可以借助虚拟设备进行仿真。经过仿真处理的信号发生器，图形更加逼真、形象，无论输入、还是输出端口都能够完全呈现出来。不仅如此，点击鼠标能够对设备进行操作，与真实的设备操作具有一致性。如选择输出波形、频率。在此基础上，教师组织并引导学生进行相关理论的讲解，然后操作控件，最后与真实的设备进行对比，以证明演示教学具有较强的说服力。

2.简化实验过程

众所周知，电子测量具有实践性特点，单纯依靠理论讲解远远不够，需要借助实践操作进行相应的补充，以此来达到预期的培养目标。以往试验教学中，教师需要搬运设备，不仅对设备性能产生诸多不良影响、缩短设备使用寿命，且使得演示操作过程繁琐、麻烦。对此，教师可以积极引入仿真软件，以此来简化实验过程。如利用示波器跟踪测量信号波形、测量电路等，在有限的时间内获得最佳教学效果。此外，教师还可以向学生介绍仿真软件操作方式和方法，使得学生进行独立的操作。

3.实现远程控制

现阶段，在实际教学中，我们不仅能够在智能设备中应用，还可以与计算机连接到一起实现远程控制目标。如在具体教学中，数字存储示波器作为一部重要的设备，对其进行讲解时，该设备自带STO实时监控软件，与计算机连接后，我们能够在电脑仿真界面上对设备进行针对性操作，如信号输入、探头衰减倍数的设置等。采取这种方式，能够对传统教学过程进行补偿，且能够帮助学生感受到对设备的真实性操作，增强学生对知识的体验，循序渐进地形成完善的理论知识体系。

4.加强课程设计

目前，社会对电子测量人才提出了更高要求，尤其是人才的实践能力。但现行教学活动中，往往侧重课程知识的讲解，实践课程相对较少，不利于学生创新意识及动手能力的培養。对此，基于仿真软件教学，我们将电子测量学与其他课程结合到一起，如模拟与数字电子的结合，设计出详细的虚拟电路图，然后进行波动监控、数值测量等相关知识的分析，计算并获取数据，为具体的安装、焊接等活动提供科学依据。上述过程，教师都可以引导并组织学生参与其中，给予学生更多自主权利，进行自主探究学习，跟随知识发展脉络开展实践学习。采取这种方式，既能够为学生提供动手机会，还能够培养学生实践综合能力。

不可否认，仿真软件对于电子测量教学具有促进作用，但从本质上来看，仿真软件的应用是一种教学辅助工具，不能够一味地使用，教师要注重虚实结合，兼具理论与实践，设置趣味性课堂，不断提高教学有效性。

三、结论

根据上文所述，仿真软件作为计算机技术发展的产物，是多学科共同作用下的结果，在提高教学质量、培养学生实践能力等方面占据非常重要的位置。因此在教学中，教师要加强对仿真软件的认识与分析，熟练掌握软件操作方式，并立足于电子测量教学内容，将仿真软件运用其中，构建趣味性课堂，调动学生积极性，优化课程设计、开展展示教学，深化学生对教学内容的理解，不断提高教学质量，从而促进电子测量教学持续开展，为社会培养更多专业人才。

参考文献：

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功耗分析仿真软件篇5

在计算机的传输耗能与运行能耗中, PC所占比例最高。降低计算机系统的能耗主要有[5,6]:第一, 硬件技术。第二, 软件技术。第三, 使用习惯和规矩。程序运行能耗分析是绿色计算、高效能计算的研究热点。本文将利用功率表, 实测一些常用软件运行的实时功耗, 并对测试数据进行分析, 以具体数据唤起人们增强计算机使用的节能环保意识。

1 测试设备与测试条件

测试电脑采用联想E680A和联想K29两台笔记本电脑, 其主要配置参数如表1所示。测试功率表是以ADE 7169电能计量芯片为核心组成的数字功率表 (如图1所示) , 其精度为0.5级。此外, 还必须对功率表的输入/输出端口进行改装, 即其输入端口与笔记本的稳压电源 (约19V) 连接, 其输出端口与笔记本的电源插孔连接, 功率表与电脑的连接如图2所示。测试时功率表数据采集间隔为2s。

测试运行的软件除预装的正版Windows操作系统外, 还准备正版的MS Office2003, MS Media Player10.0, 暴风影音播放器5, IE10与相关的Office和多媒体文档。在进行软件功耗测量时要求:第一, 将笔记本电脑的电源智能管理功能关闭, 或者设为高性能模式, 避免CPU频率自动调整对功耗的影响。第二, 在测量过程中保持显示器亮度不变:E680A的亮度设置为7/9, K29亮度设置为8/15。第三, 卸掉笔记本的电池, 直接由稳压电源供电, 避免电池充电对功耗影响。第四, 在笔记本工作一段时间 (5min) 后, 再进行测量, 避免笔记本启动后, 散热风扇未启动或已启动产生的误差。

2 软件运行实时功耗测量与分析

2.1 同一电脑运行不同软件的功耗对比

完成电脑与功率表的连接, 启动电脑K29, 当功率表读数稳定后, 启动IE10浏览器 (Ver11.0) , 快速打开www.sohu.com, www.sina.com, www.163.com, 先后用Windows自带的Media Player和暴风影音5播放同一音乐, 将音量调整到最大。分次测试并记录功耗, 完成一项测试后重启电脑直到功率表读数稳定后再进行下一项测试。绘制的功耗曲线如图3所示。

从图3可见, 三种程序在打开至最终稳定时都会产生功率的上升, 其中Media Player使电脑功耗上升最大为5.5W, 而IE浏览器和暴风影音5软件使电脑功耗上升不大, 均约为1W。其次, 在刚刚打开程序时, IE浏览器使电脑产生一个功耗的峰值, 并在瞬间达到约32W, 随后很快回落到20W之内, 而另外两款软件的这个效果相对不明显, 这种功耗峰值的产生可能与程序打开时的准备过程有关。

图4为K29读取不同外设时的功耗曲线。可见, 设备接入电脑都有一个功耗上升的过程, 其中移动硬盘上升最快, 光驱次之, U盘最小。在向U盘和移动硬盘写入文件过程中, 再次出现功耗上升, 而在光驱播放电影时, 功耗也有明显上升。

图5为K29进行压缩和解压缩文件时的功耗曲线。压缩过程, 功耗增加明显, 约为42W, 增加82.6%, 同时观察到CPU占用率上升达到约90%, 可见, CPU占用率是功耗大的主因。而在解压过程中, 功耗也增加较大, 约为31W, 同时观察到CPU占用率约为30%。从图中还可看出, 解压过程时间较短, 在第15个采样点就完成解压, 而压缩过程在第25个采样点尚未完成, 因此压缩过程功耗累计更大。

2.2 两台电脑进行相同操作的功耗对比

图6为两台电脑启动过程的功耗曲线。图7为两台电脑运行Office2003软件的功耗曲线。K29和E680A在启动过程中, 功耗出现较大起伏, 一般都高于稳定时的功耗。K29的稳定功耗约为10W, E680A的稳定功耗约为22W, 可见采用新技术的笔记本功耗更小。

从图7可见, 在打开Word文档时, 出现了一个功耗小峰值, 然后功耗回落, 再打开PPT文档时, 出现了另一个较大功耗峰值, 功耗回落稳定后与未打开前有少许增加。文档在打开时产生了功耗峰值, 而峰值的大小与文档大小, 包含的图片大小有关, 文档越大, 含图越多, 功耗峰值越大。

3 结论

本文利用数字功率表, 对笔记本电脑上不同软件运行的功耗进行实时测量。电脑软件操作引起的功耗, 实质上是软件操作触发了硬件的处理, 并由硬件直接产生了功耗。对本文测试数据的分析可得出如下结论:

第一, 软件运行首先需要加载到内存中, 这会涉及CPU的指令运行、内存读写和硬盘读写操作, 所以启动时都会有一个功耗峰值。

第二, 热插拔设备 (主要是USB设备) , 电脑会安装驱动, 为设备分配资源, 所以会产生一个功耗峰值。因此, 为低功耗, 可在电脑的电源管理软件中采用输入/输出设备 (I/O) 门控技术。

第三, 对于置入后台的软件 (如打开一个Office文档) , 只在打开文档时产生一个功耗峰值, 随后功耗与之前稳定值相差不大, 因此, 对于这种后台软件不必要立即关闭, 但对于打开的网页, 尤其是有较多插件的网页, 当置于后台时, 仍有较大功耗产生, 不看时应该尽量关闭。

参考文献

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