关键词： 无线传感器网络   低功耗节点   荷电状态估计   Peukert方程   电流累积   端电压   截距法-电动势-SOC法  

摘要： 无线传感器网络是近年来电子信息技术领域的研究热点，它由成百上千个低功耗节点组成，这些节点通过相互协作来完成复杂的任务。由于节点能量供给的有限性，其供能问题成为影响其发展的重要因素，为了能够延长节点的使用寿命，就需要提高整个节点对于能量的利用效率。对电池进行准确的荷电状态估计是提高能量利用效率的重要手段，可以为节点的正常工作提供保障，这对无线传感器网络低功耗节点有着重要意义。　　本文首先对无线传感网络的低功耗节点和电池荷电状态估计的国内外研究现状进行了总结，然后针对电池的速率容量效应、恢复效应、初始荷电状态未知这三大特点，完成了以下研究内容：　　（1）提出了一种改进Peukert方程的SOC估计方法( Peukert’s Law-based Method, PLM)。该方法通过改进Peukert方程来估计电池的有效容量，合理地考虑了电池的速率容量效应。本文首先从理论上分析了基于电流消耗累积模型的估计误差;然后，针对不同的电池在恒定电流、恒定电阻和模拟占空比负载工况下，对所提出的方法进行了验证;最后与现有的方法进行了比较。实验结果表明，在负载恒定或是变化缓慢的工况下，所提出的方法与现有方法在同等实验情况下平均绝对误差最小，能够更准确的估计出电池的荷电状态。　　（2）提出了一种结合电流累积和端电压的SOC估计方法。理论分析表明，基于电流消耗估计模型的估计误差会随着电流的累积越来越大，而基于端电压的估计方法在放电后期有较好的优势。本文基于前述两种方法的优点结合两种估计方法，构建了一种Hybrid估计方法。实验结果表明，针对不同的电池和不同工况，特别是在传感器网络中常用的占空比负载下，所提方法更准确，且准确性在整个生命周期内更加稳定。　　（3）提出了一种基于截距法-电动势-SOC的估计方法。首先对电池进行放电分析，建立了电池电动势EMF与荷电状态SOC的线性分段函数，从而提出了一种基于截距法的EMF估计方法，并以此来对电池荷电状态进行准确估计。实验结果表明，在电池具有恢复效应和初始荷电状态未知这两种情况下，现有的方法已经失效，所提出的方法可以较准确的估计出电池荷电状态。　　第二章提出了PLM估计方法，适用于恒流或是负载变化缓慢的情况;第三章提出了Hybird估计方法，在负载恒定或是变化剧烈时，其估计误差依然稳定;第四章提出了基于截距法-EMF-SOC估计方法，在电池恢复效应和初始荷电状态未知情况下，可准确估计电池荷电状态。

关键词： 低功耗蓝牙基带   单入多出系统   室内定位   接收信号强度指示   指纹法  

摘要： 随着物联网技术的不断普及和蓝牙技术的不断迭代,基于蓝牙的室内定位相关研究受到广泛关注,其中接收信号强度(Received Signal Strength Indicator,RSSI)技术由于其易获取的优点成为一条主要技术路线。传统基于RSSI的定位方案大多采用单天线接收,小范围空间内的RSSI稳定性受到室内环境中多径效应的恶劣影响,定位精度受到限制。 针对上述问题,本文设计了一种兼容蓝牙5.1协议的多接收通路低功耗蓝牙基带,实现四路信号同步接收,获取同时刻的定位特征数据,并且利用单入多出(Single Input Multiple Output,SIMO)系统的多维度RSSI指纹改进加权K近邻(Weighted K-Nearest Neighbor,WKNN)定位算法,实现小范围空间内的高精度定位。首先通过多通路并行接收有效利用不同天线RSSI的多径效应差异建立多维度RSSI指纹库。其次,提出RSSI相似度模型更准确地描述多径环境下RSSI差值与空间距离的映射关系,用于WKNN指纹匹配。最后将网格聚类算法运用于WKNN在线匹配阶段对参考点进行二次选择,减小误匹配率、提高定位精度。 本文基于FPGA平台验证了基带的多路数据同步接收功能,并在1m×1m的小尺度稳定室内环境中,以网格点间距5cm的实验条件对本文所设计的RSSI指纹法定位方案进行实验测试。实验结果显示平均定位精度为6.2cm,优于传统方案,实现了厘米级的高精度室内定位。

关键词： 电力变压器   射频能量收集   振动能量收集   混合供能   超材料  

摘要： 随着我国社会经济的快速发展,社会各行业对用电量的需求不断攀升,使得电力系统规模越发庞大。电力变压器作为电力系统中的关键设备,变压器的稳定工作对电力系统安全稳定运行的重要性不言而喻。这就需要对电力变压器的运行状态进行监测,防止变压器突发故障对生产生活造成影响。伴随着物联网技术的发展,电力变压器监测节点涌现出众多的低功耗传感器。对于这些传感器的供能方式,目前大多为外部有线电源供电或者化学电池供电。这些传统的供电方式存在成本较高、污染环境等缺点。因此,设计一种射频与振动混合供能系统将环境中的能量收集起来为传感器供电具有重要意义。本文针对电力变压器低功耗监测节点的射频与振动混合供能系统进行了研究。首先对射频能量收集天线和振动能量收集器的设计理论进行了分析。设计了一种超材料单元,并基于该单元提出了一款改进型的射频能量收集天线。通过仿真软件分析了不同尺寸参数对天线性能的影响,得到了优化后的天线。优化后的天线谐振频率为2.45GHz,谐振频率处S11的值为-34.95 d B,电压驻波比的值为1.036,增益为0.65 d B。与改进前的天线相比,其性能得到了较大的提升。其次设计了一种基于压电悬臂梁结构的振动能量收集器,通过有限元仿真软件对振动能量收集器进行了分析优化。最终得到的振动能量收集器在一阶固有频率100 Hz处的输出电压为5.97 V,输出功率为1.5 m W。然后对混合供能系统的能量收集电路进行了设计。通过分析不同的整流电路和匹配电路的拓扑结构,设计了单阶Cockroft-Walton倍压整流电路和双枝节匹配电路。通过微波仿真软件对由匹配电路和单阶倍压整流电路组成的整体电路进行仿真分析,从而确定了电路中元件的参数。并从电路的整流效率、输出电压和输出功率方面,分析了信号源输入功率和频率对其产生的影响。当输入功率为-10 d Bm时,射频整流电路在2.45 GHz处的输出电压为429 m V,整流效率为24.5%,输出功率为24.48μW。同时设计了基于BQ25504的电能管理电路,其中的振动能量收集采用了桥式整流电路。最后进行了实物的制作与测试,总的来说,试验结果与仿真结果有一定的差距。测试结果显示,天线和射频整流电路的S11参数曲线发生了偏移,但是其变化趋势与仿真基本一致。以信号发生器作为信号源,当输入功率为-10 d Bm,负载为7500Ω时,输出电压为318 m V,输出功率为13.48μW,整流效率为13.5%。振动能量收集器输出性能曲线走势与仿真基本一致,在一阶固有频率下的输出电压为4.68 V,输出功率为0.74 m W。试验结果表明混合供能系统能够满足低功耗传感器供电需求。

关键词： 微控制器   低压差线性稳压器   低静态电流   电源管理  

摘要： 降低能耗以延长电池使用寿命,是现代生活中普遍存在的便携式设备的重要需求之一,尤其针对包括智能手机、可穿戴设备、植入式医疗、以及智能物联网硬件模块等在内的远程或电池供电无线设备。而电源管理集成电路作为当今电子系统中最基本的组件,能够为电池供电设备中的核心MCU（Microcontroller Unit）提供所需电源轨与能源间的转换。由于MCU所需的节能特性,电源管理集成电路也需要更具高能效和高集成度的系统级解决方案。通过以片上低压差线性稳压器LDO（Low Dropout Linear Regulator）为核心构建的MCU电源管理系统,能够满足低功耗、易集成、快速响应与高电源电压抑制等性能需求。本文针对MCU实际应用情况,将LDO系统分为休眠与工作两种模式,并分别采用不同结构的LDO实现。其中休眠模式下采用工作在亚阈区的NMOS型两级架构LDO来提供1.1V电压输出,3V电压下静态电流为85.6n A,负载能力为100μA。该LDO在MCU休眠模式下,为其内部实时时钟和部分存储器提供工作电压,以保证MCU的实时唤醒能力;工作模式下采用PMOS型的三级架构LDO并输出1.2V电压,最大负载能力为30m A,3V电压下过冲与下冲电压均小于300m V,同时电压恢复稳定时间小于5μs。该模式下主要为MCU内部数字内核、内外部高速振荡器、各类存储器、I/O接口以及相关外设等供电。基于0.18μm的CMOS工艺设计了LDO电路系统,针对内部子模块以及整体分别进行了设计与仿真验证。为了提升系统的适用范围与灵活性,LDO系统还包含了如带隙基准、上电/掉电复位、过温保护、过流保护等其它电路模块。内部带隙基准模块可提供温度系数小于30ppm/~oC的0.9V基准电压并引入电压绝对值与分段补偿修调模块,该基准同时能够对MCU内部提供基准电流。LDO系统工作电压范围为1.8V～3.6V,上电复位与掉电复位阈值分别为1.76V与1.68V。系统休眠模式下输出电压为1.1V,静态电流为254n A;工作模式下输出电压为1.2V,静态电流为129.4μA。在整体瞬态仿真中,LDO系统在快（慢）上电过程中均能正常工作并输出稳定电压,同时在工作模式与休眠模式间进行切换直到输出电压稳定所需时间均小于50μs。该LDO系统能够满足初始设计指标,在MCU不同使用需求过程中能够迅速完成模式切换并进一步降低休眠模式功耗以提升电池使用寿命。

关键词： 模数转换器   逐次逼近   低功耗   栅压自举   基于共模电压的单调开关  

摘要： 随着国内电子通信技术的发展,传统医疗设备开始被可穿戴式医疗设备所取代。公众所认知的医疗设备都有体积大、功耗高和成本高的问题,不适合用于长期以及实时的病情监测。而可穿戴式医疗设备的出现,解决了传统医疗设备体积大与成本高的问题,但功耗问题也成了可穿戴式医疗设备占据市场的关键所在。模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)作为可穿戴式医疗设备中的关键电路,其功耗也在可穿戴式医疗设备中占很大的比重,降低该模块的功耗将显著解决可穿戴式医疗设备的续航问题,因此对ADC低功耗的研究与设计显得尤为重要。论文通过研究和设计逐次逼近型(Successive Approximation Register,SAR)ADC来完成低功耗的设计要求。SAR ADC较其他类型ADC有能量利用率高的优点,能更好地适应低电压、低功耗的工作场景。本文通过研究国内外论文和参考可穿戴式医疗设备的性能要求确定了设计指标,将SAR ADC的主要性能模块进行了优化设计。电路整体设计采用差分的结构,抑制了共模干扰。针对栅压自举采样开关的开关管受各种非理想特性干扰的问题,提出一种改进的栅压自举采样开关,稳定了开关管的阈值电压,增加了电路的采样线性度。针对比较器的失调电压问题,提出了一种两级前置放大动态比较器结构,减少了比较器的失调电压,降低了比较器的功耗,增加了ADC的精度。针对DAC电容阵列的传统开关策略开关能量高、电容器件多的问题,将现流行的单调开关策略与基于共模电压的开关切换策略相结合,提出一种基于共模电压的单调开关切换策略,参考电压采用三电平切换,每次只变换一个电容的参考电压,相对于传统的开关策略节省了97.7%的开关能耗,电容数量减少了75%。在SAR控制逻辑电路上,选用了动态SAR控制逻辑电路,减少了电路的静态功耗,同时节省了芯片的面积。文章基于SMIC 0.18μm CMOS工艺,利用Virtuoso工具进行电路设计并绘制版图,设计实现了一种10位低功耗SAR ADC,完整电路版图面积为450μm×250μm。仿真过程,设置电源电压为500m V,采样频率为5k S/s,对版图提取寄生参数后仿真的结果表明,本文所设计的SAR ADC有效位数位可以达到9.51位,功耗为52.3n W,信噪失真比为59d B,无杂散动态范围可以达到86.7d B,品质因数为14.35f J/conv-step。

关键词： LoRa   跨协议通信   工作模式   前导码   同步检验  

摘要： 随着计算机和物联网的不断发展,工作在同一频段的异构无线网络日益增多。为使得遵循不同通信协议的无线技术之间消除彼此干扰以及实现信息交互,跨协议通信(Cross-Technology Communication,CTC)应际而生。远距离无线电(Long Range Radio,LoRa)作为主流前沿的物联网通信技术,实现LoRa与其他无线技术之间的跨协议通信尤为重要。面向LoRa与其他同频段无线技术的通信需求,该文针对两路LoRa信号交织通过信号包络传递信息展开研究。该文的主要研究工作如下:首先,该文在LoRa跨协议通信系统背景下,结合LoRaWAN三种标准工作模式,提出在发送端和接收端之间存在的单方向性问题,并且基于质数的数学性质在发送端进行完备的时隙设计。该周期性设计相比持续发射降低功耗88.2%,数据包冲突率降低51.1%。此外,该质数周期时隙设计理论上能在多接收端情况下保证100%的接收端覆盖率,保证每个接收端都能成功接收到跨协议信号。其次,该文根据两路LoRa信号频率差等于复合信号包络频率这一数学依据,通过在时域上实现异种码元对齐,从而产生和同种码元对齐截然不同的信号特征。该文调整信号的可调前导序列数量,分析产生异种码元对齐的不同条件并从中选取最优方案。根据不同信号特征在接收端对复合信号的时域同步进行检验,并且根据接收情况对同步进行修正。最后,该文基于商用LoRa节点SX1278Z-TR4以及软件自定义无线电平台USRP N210搭建原型系统,对该文提出的LoRa跨协议通信系统设计方案进行验证和测试。实验结果表明,具备质数时隙设计的发射端相比随机发射或非质数周期具有更低的功耗、更高的覆盖度和更低的包冲突率。通过设计信号序列数量产生的异种码元对齐所具备的特殊特征和同种码元对齐时的特征具有显著区别,据此可以作为信号同步的判别依据。

关键词： 高精度   低功耗   模数转换器   Noise-shaping SAR ADC  

摘要： 模数转换器(ADC)是连接模拟域与数字域的通道,模数转换技术广泛应用于图像传感、数字通信、测量和信号处理等领域。随着信息技术的发展与移动终端的普及,模数转换器需兼顾高精度、低功耗的性能特点。传统模数转换器难以通过单一架构同时满足高精度、低功耗的要求,近年来,一种新型模数转换器混合架构——噪声整形逐次逼近型模数转换器(Noise-shaping SAR ADC)结合了逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)与Σ-ΔADC架构的优点,能够同时实现高精度、低功耗的性能。然而凭借混合架构的优势,目前Noise-shaping SAR ADC的设计一般也难以实现高信号与噪声失真比(SNDR,>90 d B)、宽带宽、高精度等性能要求。为了解决上述问题,本论文首先设计了一款分辨率为12位,最高采样率为2 MSPS的SAR ADC,并在其基础上引入Σ-Δ调制功能,设计了一款分辨率为16位,最高采样率为2 MSPS的混合架构高精度、低功耗Noise-shaping SAR ADC。其中,SAR ADC电路包括栅压自举开关、比较器、数模转换器(DAC)电容阵列与逐次逼近(SAR)逻辑电路等几部分。Noise-shaping SAR ADC的设计在上述的SAR ADC上加入噪声整形方法,噪声整形的步骤包括对余量电压进行采样、整形与求和。其中对余量电压的整形步骤是影响Noise-shaping SAR ADC精度的关键,本论文提出了一种结合电容型电荷泵的二阶积分环路滤波器,为一种二阶无源无损积分环路滤波器,补偿了传统无源有损积分中的积分损失,具有良好的噪声整形效果,同时其补偿的信号损失放宽了对后续电路的设计要求。对于DAC电容阵列的不同开关算法,本论文将反向合并电容开关(IMCS)算法电路与噪声整形方法中的环路滤波器相结合,其中IMCS算法具有功耗低、可使DAC电容阵列的顶级板保持共模电平等优点。最终,所设计的Noise-shaping SAR ADC实现了高精度(SNDR,>90 d B)、低功耗(μW量级)的性能。基于0.18μm 1P4M CMOS工艺,所设计的Noise-shaping SAR ADC整体版图面积为793μm×338μm。其中在1.8 V电源供电电压、采样时钟频率为2 MHz与过采样比为8(带宽为125 k Hz)的条件下,进行了整体电路的后仿真,利用所提出的无源无损二阶积分环路滤波器对噪声进行整形,仿真结果显示,Noiseshaping SAR ADC具有很好的二阶噪声整形效果,实现了91.1 d B的信号与噪声失真比(SNDR),14.84 bit的有效位数(ENOB),电路整体功耗为285μW。

关键词： 电容转换电路   delta-sigma调制器   chopper技术   低功耗   大动态范围  

摘要： 近年来,随着生物植入式遥测、可穿戴式智能医疗和环境监测等大动态范围应用的不断发展,电容传感器的需求逐渐增加。而植入式和可穿戴式应用同时要求信号检测系统具有低功耗特点,因此,与电容传感器适配的低功耗且高性能读取电路设计具有重要意义。本文基于delta-sigma调制器设计了一款低功耗且大动态范围的二阶电容数字转换器（CDC）,实现了最大电容信号为35p F的直接数字转换输入。本文首先利用Matlab软件,在充分考虑非理想因素的影响下搭建了delta-sigma调制器非理想系统级模型,通过噪声传递函数及稳定系数分析,确定调制器各级增益系数。在此基础上,将传感器C作为该调制器的第一级采样电容,并通过采用4bits补偿电容C与C的反相激励驱动,使CDC等效输入电容为(C-C),进而降低第一级电路对运放的要求,利用斩波技术降低第一级运放的输入失调电压,最后实现低功耗且高分辨率的CDC设计。文本最后采用Verilog实现与CDC适配的数字滤波器,以测试CDC对C分辨能力。该CDC采用中芯国际（SMIC）0.18μm CMOS工艺完成电路设计,芯片面积为1950×1200μm。电路供电电压为1.2V,整体功耗为30μW,实现了误差1%以内且频率为16k Hz和8k Hz的片上时钟信号。其中16k Hz为CDC的采样信号频率,8k Hz为斩波信号频率。CDC的FFT仿真结果显示其具有delta-sigma的噪声整形特点,当转换时间为16ms时,分辨率为1.85f F,Cx测量范围为0～35pF,且数字滤波器输出与Cx变化实现了较好的线性度。

关键词： 低功耗蓝牙   锁相环   小数分频器   压控振荡器   电荷泵  

摘要： 低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy,BLE）作为一种重要的无线通信技术,近年来一直是学者们的研究重点,BLE芯片的需求量也不断地增大。随着工艺的发展,芯片的工作电压和功耗不断降低,小数分频锁相环作为BLE芯片的重要组成部分,功耗占比约40%,降低其功耗对缩减整个BLE芯片的功耗起到关键作用。锁相环在低电压下容易出现分频器工作频率低、压控振荡器相位噪声恶化、电荷泵电流匹配度差等问题,因此在降低锁相环电压和功耗的同时优化各模块的性能,对BLE芯片设计有较大的价值。 本文面向BLE通信技术,基于22nm工艺,设计了一款工作于0.65V电压的小数分频锁相环。本文的设计将门控偏置支路与漏端开关电荷泵相结合,降低功耗的同时,电荷泵保持较好的电流匹配性;针对低电压供电,设计了带有超低功耗起振检测电路的C类压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator,VCO）。起振检测电路在振荡器起振之后自动拉低偏置电压,避免了VCO功耗的浪费,较好地解决了起振、电流效率、相噪性能之间的矛盾;通过优化DCVSL（Differential Cascode Voltage-Switch-Logic）单元,增加输出信号的对称性,解决了在低电压下二分频器的工作频率低、驱动能力弱等问题;采用内嵌逻辑门结构的4/5分频器和异步递减P/S计数器,提升可编程分频器在低电压下的工作频率并降低功耗;研究了多种Delta-Sigma调制器的特点,设计了一款输出序列具有较高随机性的三阶输出反馈调制器,并对其量化噪声进行验证。 仿真结果表明,在0.65V电压下,VCO的工作频率范围覆盖4.4GHz5.3GHz,整个锁相环的功耗小于1.15m W,环路锁定时间为15μs。锁相环在100k Hz频率偏移处的相位噪声为-90.1189d Bc/Hz,在1MHz频率偏移处的相位噪声为-114.5648d Bc/Hz,满足BLE的工作要求。

关键词： BLE   Wi-Fi   共存   抗干扰   AFH  

摘要： 蓝牙和Wi-Fi作为短距离无线通信技术的代表,已被广泛应用于各种便携式设备中。这两种技术都使用2.4GHz频段进行通信,因而两者共存会产生干扰问题。这可能会降低通信质量,甚至导致无法正常通信,直接影响到用户体验。为了提升蓝牙和Wi-Fi的共存性能,需要一种更高效的抗干扰技术。目前,研究最多的是基于蓝牙自适应跳频技术的改进方案,但这些方案存在一些不足之处:(1)规避Wi-Fi干扰信道不够及时,需要在干扰信道上进行多次数据传输才能规避干扰信道,影响通信效率;(2)没有考虑白名单机制,导致一些目前可用的信道一直处于黑名单,浪费可用信道资源,增加设备间的干扰。 本文针对以上的不足,在Wi-Fi干扰环境下对BLE(Bluetooth Low Energy)的抗干扰技术展开了研究,并基于蓝牙自适应跳频技术设计了一种G-AFH(Group-based Adaptive Frequency Hopping)抗干扰方案。本文的主要研究内容如下: (1)针对Wi-Fi信号干扰多个BLE信道的问题,本文设计并实现了基于信道分组的干扰识别与规避算法。该算法基于信道分组的PDR(Packet Delivery Ratio)动态调整信道分类阈值,能更准确且快速地排除受干扰信道,从而减少BLE在受Wi-Fi干扰信道上进行数据传输。实验结果表明,该算法能够有效地提升BLE的抗干扰性能。尤其是在密集干扰的场景下,该算法相对于传统的AFH(Adaptive Frequency Hopping)算法将丢包率降低了8.61%,同时吞吐量提升了14.31%。 (2)针对BLE在动态干扰场景下可用信道数量较少的问题,本文设计并实现了基于信道分组的信道探索算法。AFH算法仅当BLE的可用信道数量低于特定阈值时,才会重新将所有信道设置为可用信道。这不仅会浪费可用信道资源,还会导致多余的信号碰撞。信道探索算法会综合考虑信道分组的受干扰情况及其附近信道的性能,选择合适的时机重新评估黑名单信道的性能,以充分利用信道资源。实验结果表明,在相同的干扰环境下,该算法相对于传统的AFH算法将可用信道数量从9个增加到了20个,同时丢包率和吞吐量等指标都优于传统的AFH算法。 本文基于上述两种算法对传统的AFH技术作了进一步优化,设计并实现了G-AFH抗干扰方案。在BLE与Wi-Fi共存时,G-AFH表现出优异的抗干扰性能。这是一种有效应对Wi-Fi干扰的技术方案,而且不需要对蓝牙协议和跳频算法作出修改,可以兼容现有的蓝牙设备。因此,G-AFH技术方案具有一定的应用价值,并可以为研究蓝牙和Wi-Fi共存问题提供有用的指导。