关键词： 煤矸石   温度监测   温差发电   窄带物联网   低功耗  

摘要： 随着社会经济水平的不断发展,我国对于煤炭资源的利用量也在快速增长,使得煤矸石的产生量逐年增加,堆积成的煤矸石山也逐年增多。这些煤矸石山在长时间的堆砌以及内部的氧化作用下容易使得内部温度急剧升高导致自燃,并且煤矸石山在自燃的过程中由于不完全燃烧,会产生大量的SO、HS、CO等有害气体,严重污染矿区周围的空气、土壤以及饮用水源,并且对企业的安全生产和人员生命健康也造成了巨大的威胁。基于以上背景,本文设计了一种基于温差发电的煤矸石山温度监测系统,选用PDMS硅橡胶和液态金属Galinstan等柔性材料并结合温差发电片制备具有良好的共形能力的温差供电模块,可安装于煤矸石山重力热管的复杂表面上,通过收集煤矸石山地底的多余热量,为温度监测系统提供电能,同时采用NB-IoT技术实现对煤矸石山温度数据的采集、传输和显示。本文的主要研究内容如下:(1)分析煤矸石山温度监测系统的功能需求,结合煤矸石山矿区的工作环境,对比分析常用的物联网无线通信技术,确定采用窄带物联网(NB-IoT)作为煤矸石山温度监测系统采集终端与云平台之间的无线传输方式。以NB-IoT技术为核心对煤矸石山温度监测系统的总体方案进行设计,将系统分为温差供电模块、数据采集模块、数据传输模块、主控模块和可视化显示界面等部分,对其中用到的温差发电技术、NB-IoT技术、MQTT技术等进行详细分析。(2)设计温差供电模块。分析温差发电原理和热电转换模型,通过Solid Works三维建模软件设计温差供电模块的结构,将温差供电模块分为微凸起表面、温差发电片、聚热层和基底层四部分。选用柔性硅橡胶Ecoflex和液态金属Galinstan的混合材料制备微凸起表面,确定选用型号为TEC1-04901的温差发电片进行热电转换,选用柔性硅橡胶PDMS制备基底层和聚热层。通过Comsol有限元仿真软件对温差供电模块中的微凸起散热结构进行结构设计和仿真分析,设计了半椭圆体、金字塔、圆柱体3种不同的微凸起表面结构,通过仿真对比得到半椭圆体微凸起结构的散热性能最佳,探究不同高度(H)与间距((35)l)对热量传递效率的影响,确定H=3 mm、间距(35)l=1 mm作为半椭圆体微凸起散热结构的特征参数,通过激光打标技术与3D打印技术制备铜模板和树脂模板,应用模板法制备温差供电模块的各个部分并组装成整体。(3)对煤矸石山温度监测系统的软硬件进行设计。通过查阅相应资料确定系统的主控芯片STM32F103C8T6、NB-IoT模块MN316以及温度传感器热电偶WRNK-191。通过应用Cadence软件对系统的硬件电路进行设计,绘制相应的PCB图并制备硬件实物,通过应用Keil-MDK5软件对系统的软件程序进行设计,其中主程序部分完成了系统初始化、主函数运行和各个功能模块调用的设计,传感器模块部分完成了基于温度-阻值公式的温度值计算程序设计和SPI通信接口的数据传输程序设计,NB-IoT通信模块完成了串口指令发送、MQTT服务器连接以及温度数据上传的程序设计。(4)搭建实验测试平台,通过串口助手软件验证温度监测系统的传感器数据采集功能和NB-IoT的数据传输功能正常,使用UTP1306S直流稳压电源测试得到温度监测在运行状态下的功耗为141.9 mW,同时测试分析温差供电模块的输出特性,得到温度供电模块的在温差为20℃时的输出功率为180 mW,可以在较低温差情况下满足系统的电能需求。

关键词： 物联网技术   唤醒接收机   蓝牙低功耗   蓝牙反向散射通信  

摘要： 随着物联网技术的不断发展,越来越多的设备和物品可以互相连接并实现智能化操作,但是物联网技术随着物联网节点的日益增加仍然存在着新的挑战。比如物联网设备需要大量的能源来运行和传输数据,这限制了其使用寿命和可用性。反向散射技术通过射频信号与标签之间的反向散射来进行通信,能够让标签在不需要电池的情况下进行通信,从而实现低功耗和长寿命。由于反向散射技术依赖于反射信号的回传,因此反向散射通信距离相对较短,且在强烈的干扰环境下易受到影响。蓝牙反向散射技术的出现,使得通信距离进一步增加,成本也大大降低,人们可以在更远的距离上进行通信。另外为了进一步降低功耗,可以将唤醒接收机与蓝牙反向散射系统相结合,使得蓝牙反向散射系统在需要时被唤醒,不需要时就进行休眠,这样为物联网节点降低功耗提供了又一个解决方案。本文则是在以上构想中搭建了一个低功耗的可唤醒的蓝牙反向散射系统,并且为低功耗形成了一套有效的解决方案。 首先,为了降低物联网设备的功耗,延长电池寿命,本文进行了关于唤醒接收机的有关研究。本文在设计中采用的方案是使用包络检波器来接收射频信号,其中包络检波器器是基于肖特基二极管的无源器件,这样在一定程度上降低了系统功耗,包络检波器在2.48GHz的接收频率下,灵敏度为-45d Bm,为了增加灵敏度,本文在设计上加入了低功耗低频放大器,同时为了更加准确的恢复出原信号,在低频放大器后面又加入了比较器,为了使唤醒的序列更加简单,本文使用了唤醒芯片,使用直接频率检测的方式进行唤醒。得到的唤醒接收机消耗功耗仅为25.31W,灵敏度为-60d Bm。 其次,为了实时传输温度信息,本文进行了蓝牙反向散射系统的研究。应用蓝牙反向散射技术来传输温度信息,并且能够在手机等终端设备上搜索到蓝牙名称以及温度信息。在本文设计中,使用单片机产生蓝牙包比特序列来对振荡器振荡频率进行切换,其中蓝牙包持续时间为176s,振荡器为可产生两个频率振荡的低功耗反馈振荡器,其产生的振荡波形用来切换射频开关来对入射载波信号进行调制,从整体看像是完成了对载波信号的混频作用。设计的蓝牙反向散射系统在20d Bm载波的照射下通信距离可达10米,消耗功耗为1261.7W,单位比特功耗只有1.94n J/bit。 然后,为了完成各模块的供电,本文还进行了自供电模块的设计。在整个系统中,唤醒接收机是能量的主要消耗者。其中自供电模块为两路供电,唤醒接收机的整体供电电压为2V,蓝牙反向散射系统的整体供电电压为2.4V。 最后,总结了本文设计中的问题并且指出了未来可以改进的方向。

关键词： 中子谱仪   中子剂量   卫星载荷   低功耗   读出电子学  

摘要： 空间中辐射环境极为复杂,尤其是近地轨道附近的辐射带,包含银河宇宙射线、太阳高能粒子以及各类次级粒子。探测近地轨道的中子有助于更加深入地理解空间科学问题,如辐射带粒子来源,太阳对粒子的加速原理等。由于中子不带电,通常使用间接方式来进行探测,探测过程常常受到带电粒子和次级中子的影响,导致中子探测误差较大。中子谱仪搭载在小卫星MN30-4上,执行近地轨道的中子探测任务,探测的中子为热中子和能量小于20 MeV的快中子。本文设计了中子谱仪探测器的类型和排布方式:共使用1 5片硅探测器,使用核反应法和反符合方式进行中子探测,使用6LiF转换层对热中子进行转换,使用高密聚乙烯转换层对快中子进行转换,并使用钆(Gd)制成的屏蔽层对中子谱仪的非探测面进行屏蔽。以上的设计可以一定程度上去除带电粒子和次级中子的影响,提高中子探测的准确性。本文设计了中子谱仪的系统总体架构,其电子学部分包含三块电路板,分别为电源板、前端板、数据板。电源板设计了低噪声的电源模块,负责中子谱仪中各个器件的供电以及探测器偏压的产生。前端板连接探测器,使用SKIROC2A芯片作为前端读出芯片。数据板包含FPGA、单片机和存储器等芯片,FPGA对前端板进行控制和数据读出,读出的数据通过串行外设接口(Serial Peripheral Interface,SPI)传输至STM32单片机进行保存,同时设计了 CAN总线与以太网接口,负责与卫星的通信。最终组装的中子谱仪正样外壳为铝合金材质,使用阳极氧化处理其表面,外壳长宽高分别为93 mm、87 mm、93 mm,总重量为791 g。为验证中子谱仪设计的有效性和准确性,对前端读出芯片的基本性能进行了测试,读出电路各通道基线不一致性小于17个ADC码,所有通道的RMS小于2.0个ADC码,放大及转换电路线性度大于0.99。中子谱仪测试了各个接口及功能,与卫星进行了联调测试。在完成基本测试后,在国内多个加速器和辐射源,使用241 Am-α源、14 MeV中子束流、2.5 MeV中子束流、241 Am-Be中子源、14 MeV质子束流等实验装置对中子谱仪进行测试,在各项实验中,中子谱仪取得的数据与模拟结果吻合良好,符合设计预期。同时基于中子谱仪,设计制造了一款中子剂量仪,可为航天员出舱或是未来登月任务提供中子剂量测量的服务。为减小体积和降低功耗,中子剂量仪相较于中子谱仪适当缩减了探测器规模,并使用分立元件搭建放大电路和采样保持电路,使用了包含内部ADC的低功耗MSP430单片机作为主控芯片进行数据的读出与处理。使用函数信号发生器对中子剂量仪进行测试,中子剂量仪放大和读出电路工作良好,线性度大于0.998,整机额定功耗11.7 mW,可以实现长达10天的工作时间。

关键词： JAVA语言  

ISBN: (纸本)9787302637929

摘要： 本书全面、系统地介绍了Java多线程相关的核心知识点，把官方多线程的核心知识点用链路的方式讲解清楚。读者在学习的过程中需要循序渐进，核心知识点的理解是很重要的。由核心知识点扩展开来就可以形成万物。学习和创造希望读者在此过程中能拥有自已的成长和思维。全书共分为10章。第1~3章介绍了线程的核心知识点，第4章讲解线程局部变量，第5章介绍Lock锁，第6章讲解原子包，第7章介绍阻塞队列，第8章介绍线程池，第9章讲解线程同步器，第10章是AQS源代码分析.

关键词： 时间数字转换器   高分辨率   宽量程   低功耗   抗温度干扰  

摘要： 随着物联网技术与精密测量技术的发展,传统机械式水表由于精度低、效率低、易磨损等缺点,已经不能满足人们的应用需求。近年来,超声智能水表以其高精度、宽量程、高效数字化管理等优点逐渐取代机械式水表,成为水资源计量的重要工具。由于时间数字转换技术是超声智能水表的核心技术,因此本文对超声智能水表应用场景与时间数字转换器进行研究,并设计一款可应用于超声智能水表的TDC电路。该TDC采用三段式架构,兼顾高分辨率与宽量程,同时,考虑到超声智能水表的使用寿命与应用环境,该TDC还具有低功耗、抗温度干扰性能。本文主要工作如下:通过对单段式TDC的研究现状、工作原理与常用结构的分析,总结其无法兼顾量程与分辨率的缺点,从而引入多段式TDC架构,并分析其工作过程与量化原理,为本文三段式TDC电路设计提供理论基础。提出一种宽量程、高精度、低功耗、抗温度干扰的三段式TDC结构。针对宽量程与抗温度干扰的需求,高段位采用MDLL与高位计数器结构,量程可达毫秒级,且MDLL输出时钟频率不受温度影响。针对高精度与抗温度干扰的需求,中段位采用三态反相型时间放大器结构,具有稳定的增益与较强的抗温度干扰能力。同时,低段位采用环形振荡器与低位计数器结构,结合中段位时间放大倍数,TDC整体达到子门延时级分辨率。此外,由于低段位环形振荡器易受温度影响,本文提出一种校准方法,可在温度变化后重新获取环形振荡器的频率,进而修正TDC分辨率,提升测量的准确性。提出一种D触发器亚稳态纠正电路,解决本文TDC在量化过程中由D触发器亚稳态引起的误码问题;采用一种新型的时间提取方式,解决高段位与中段位之间时间传递错误引起的误码问题。此外,对本文TDC的误差来源进行分析,并提供减小误差的方法。本设计采用TSMC 180 nm CMOS工艺,通过Cadence EDA工具完成电路设计、前仿真、版图设计与后仿真。仿真结果表明:在1.8V电源电压、8 MHz输入时钟的条件下,TDC的分辨率可达54.4ps,量程可达4ms,DNL在1LSB以内,INL在2.5 LSB以内,功耗为8.01 mW。此外,温度在-40℃-100℃之间变化时,TDC电路性能均满足设计指标。

关键词： 低功耗功率MOS器件   耐压模型   比导通电阻   特征电容   双向开关  

摘要： 低功耗功率MOS器件在应用中有效降低系统功率损耗,提升系统效率,提高系统设备可靠性,减少系统成本,是实现电力电子设备的小型化、集约化、智能化不可或缺的基础和核心元件。自沟槽MOSFET结构发明和广泛应用以来,研究者们在沟槽MOSFET优化、超结MOSFET、体内场板MOSFET与分离栅MOSFET四个方向进行创新研究并获得更低功耗的功率MOS器件。特色工艺功率产品的提出实现了超越摩尔的创新途径,以功率MOS器件为主的“功率芯”成为“中国芯”最好的突破口。继续挖掘低功耗功率MOS器件潜力,研究更低导通电阻、更小芯片面积和更快开关速度的结构与技术,最大发挥功率MOS器件在驱动、开关等方面的优势,是研究者们的不懈追求。本文以低功耗功率MOS器件为研究对象,研究了低功耗功率MOS器件理论模型、结构、设计与工艺实现。提出沟槽功率MOS器件耐压解析模型和亚微米器件铝硅双扩散模型,并提出亚微米沟槽功率MOS器件、分离栅沟槽功率MOS器件和垂直单管双向功率MOS开关共计三类低功耗功率MOS器件新结构。主要创新点如下:一、提出低功耗沟槽功率MOS器件耐压解析模型、亚微米结构铝硅双扩散模型和亚微米沟槽功率MOS器件新结构。首先,建立沟槽功率MOS器件的二维耐压解析模型,获得漂移区二维电场分布,并给出最优击穿判据,得到器件击穿电压(breakdown voltage,BV)、比导通电阻(specific on-resistance,R)与结构和工艺参数的关系,实现沟槽功率MOS器件最优设计。基于该模型,提出并设计亚微米沟槽功率MOS器件新结构,元胞节距达到0.5μm级。同时,为研制该器件,提出亚微米结构铝硅双扩散模型,在扩散区中进行定性分析与基于恒定杂质源扩散和非稳态扩散的半定量分析,获得失效状态、临界状态和可靠状态下扩散区中铝的相对扩散系数和相对浓度的分布。基于该模型,讨论了金属电介质层对铝硅双扩散的影响,提出铝硅双扩散工艺并实验验证了其可靠性。实验结果显示,亚微米沟槽功率MOS器件具有24.1 V的BV和3.68 mΩ·mm的R,相比量产的低压沟槽功率MOS器件比导-耐压优值提升35.5%,器件功耗进一步降低。二、提出低功耗分离栅沟槽功率MOS器件(SGMOS)新结构。首先,对传统低压SGMOS进行优化分析,并研究其终端耐压退化机理。在此基础上,提出倒L型源高掺杂区结构的SGMOS,设计以斜角四象限注入为关键的源注入工艺实现该器件的制造。实验测得耐压为38.5 V的该器件具有157.5 mΩ·n C的导通电阻-栅电荷优值,相比同电压的低压SGMOS,性能获得18.2%的提升。提出窄控制栅结构的SGMOS,设计以类侧墙形成方式的窄控制栅形成工艺实现该器件。实验测得耐压为25 V的该器件具有34.1 mΩ·n C的导通电阻-栅电荷优值,相比同电压的低压SGMOS,性能获得11.7%的提升。研究复合介质层结构的SGMOS并对其进行优化设计,复合介质层结构指采用多层介质替代场板多晶硅与N漂移区间的隔离氧化层,实现相同的等效厚度下具有可调的等效介电常数,优化漂移区电场,降低漂移区电阻,从而实现器件功耗的进一步降低。此外,复合介质层结构还可以降低SGMOS元胞节距缩小而带来的工艺风险。三、提出低功耗功率MOS双向开关三层叠封方案、集成封装方案与垂直单管双向功率MOS开关新结构。使用亚微米沟槽结构,设计集成采样功率MOS器件的功率MOS双向开关,提出功率MOS双向开关与数据采集芯片、控制芯片三层叠封的封装方案,实现功率开关芯片级集成、系统级封装。使用分离栅沟槽结构,设计集成预充预放功率MOS器件的功率MOS双向开关,提出功率MOS双向开关集成封装方案,提高功率MOS器件开关与导通一致性,同时降低系统级成本。此外,提出并设计垂直单管双向功率MOS开关,将传统的双向开关对管设计转化为单管设计,从双沟道U型电流通路功率MOS双向开关转化为单沟道垂直型电流通路功率MOS双向开关,缩小功率开关整体尺寸,实现导通阻抗的降低,设计20 V双向耐压的功率MOS开关具有1.84 mΩ·mm的极低R。

关键词： 压电能量采集   最大功率点追踪   AC-DC转换器   低功耗   预偏置  

摘要： 能量采集技术为无线传感网络节点(Wireless Sensor Networks,WSN)的大规模应用提供了可持续的供电方案,克服了传统电池使用寿命有限,更换困难等局限。环境中的振动能量分布广泛,压电能量采集技术能够利用压电换能器(Piezoelectric Transducer,PT)将振动的机械能转换为电能,并将其通过压电接口电路输出为负载供电。近年来的一些研究表明,对于弱耦合的压电能量采集系统而言,预偏置技术能够增大机电耦合系统的阻尼力,从而提高压电接口电路的输入功率,获取更高的输出功率。本文针对预偏置结构的预偏置电压调整问题展开研究,对基于预偏置的压电接口电路进行了损耗和输出功率分析,提出了现有预偏置方案采用固定最大预偏置电压的局限性,利用Matlab对输出功率进行了建模计算,得出在不同最大开路电压条件下的最优预偏置电压。基于理论分析建模,本文提出了一种基于预偏置电压自适应调整的最大功率点追踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)算法,在更大的振动条件范围内实现了输出功率的提升。本文中的预偏置结构压电接口电路采用Buck-Boost的基本拓扑实现,每半个周期进行一次能量提取与预偏置,预偏置的能量直接来源于前半个振动周期所采集到的部分能量,借助不完全的电压翻转实现预偏置。该电路避免了负电压的出现,利用检测技术对所有开关进行了自适应时序控制,能够自适应调整预偏置电压以应对不同的最大开路电压条件。基于TSMC 0.18μm BCD工艺在Cadence中对所设计的压电接口电路进行了仿真验证,压电换能器的固有电容为19n F,振动频率为146Hz,电感为47μH。后仿真结果表明,MPPT电路在最大开路电压低于0.7V时自适应的最优预偏置电压低于最大预偏置电压,高于0.7V时将预偏置电压调整到最大预偏置电压处。接口电路在0.29V～2V的最大开路电压范围内的输出功率为0.31μW～45.8μW,最高FOM为8.3。系统的静态电流只有400n A,芯片总面积为1.1mm×0.9mm。

关键词： 无线传感器网络   相对剩余能量   邻居节点信息   Dijkstra算法  

摘要： 无线传感器网络由多个传感器节点组成,以一种特殊方式被部署在人迹罕至、环境恶劣的地方,通过收集实时数据完成对被测目标的全方位感知。由于网络的生存能力直接依赖并受限于电池的功率,严重限制了无线传感器网络的广泛应用。因此,如何均衡无线传感器网络通讯产生的能量消耗,提高能量利用率成为了人们的重要研究方向。本文针对无线传感器网络的能量消耗不均匀问题展开了研究,论文的主要工作内容如下:(1)针对SEP路由协议选举过程中限制因素少、簇头节点分布不合理的问题,本文提出了基于能量和节点信息的稳定选举协议(ED-SEP)。该协议将相对剩余能量、邻居节点数量、与终端节点之间的相对距离加入簇头选举公式中,增加了剩余能量较高、网络密集区域处节点成为簇头的概率,避免了低能量、网络稀疏区域处节点被选举成为簇头。分别测试了改进协议在改变终端节点位置、提高初始能量情况下的性能表现。研究表明,本文提出的改进协议有效解决了SEP协议簇头节点分布不合理的问题,提升了网络性能。(2)本文针对SEP路由协议以单跳方式与终端节点直接通讯,容易造成簇头节点能量耗散快的问题,提出了最优路径稳定选举协议(OPT-SEP)。该协议以相对剩余能量和两节点之间相对距离为路径权重衡量值,基于Dijkstra算法,为源节点提供两条最优传输路径。单跳与多跳方式相结合,不仅避免了网络边缘处节点因远距离通信产生较大的能量消耗,也避免了与终端节点相距较近节点选择中间节点转发造成网络资源的浪费。研究表明,改进协议有效减少了网络在每轮运行过程中的能量消耗,改善了网络能量结构,有利于稳定周期的延长。最后,搭建了路由协议硬件测试系统,实现了本文设计的簇首优选算法和最优路径选择算法,验证了改进协议的可行性。