关键词： 气体检测   催化燃烧式   NDIR   TDLAS   直接吸收   谐波检测  

摘要： 现阶段煤炭资源仍是我国最为重要的能源,在我国经济高质量发展的过程中具有举足轻重的作用。在相对封闭煤矿井下进行采煤作业时,煤层中的瓦斯气体会随之释放,瓦斯气体的主要组成成分就是甲烷(CH),当煤矿井下空气中甲烷气体的含量占总体积的5%～16%时,达到了甲烷气体爆炸的浓度条件,在遇到明火或电火花时就会发生爆炸;当甲烷气体的含量占煤矿井下空气体积的25%及以上时,空气中的氧气含量大幅降低,煤矿工人会因为缺氧而造成中毒甚至窒息事故。因此在采煤作业时应实时监测空气中甲烷气体的浓度。目前检测甲烷气体浓度的方法很多,本文主要对催化燃烧、非分散红外光谱(NDIR)以及可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)甲烷气体检测方法进行研究,重点是对TDLAS技术进行研究,该技术具有高精度、高灵敏度、高分辨率、单一选择性、对工作环境要求低等优点,广泛应用在气体检测领域,将TDLAS技术应用在煤矿甲烷气体浓度检测具有非常好的应用前景。现阶段绝大多数煤矿甲烷传感器仍采用有线供电和信息传输的方式,该方式的缺点为需要布置大量线缆,便捷性较差,对于复杂情况的适应性较差。针对煤矿现有甲烷传感器存在的弊端,本文设计了基于上述三种方法的煤矿无线甲烷传感器,主要研究内容如下:(1)分析了目前甲烷检测原理及研究现状以及TDLAS气体检测技术的优势。(2)研究了光谱吸收原理和气体分子选择性吸收光谱特性,讨论了TDLAS气体检测技术的实现方法,对于不同浓度的气体采取不同的检测方法,当气体浓度较高时,使用直接吸收光谱技术,当气体浓度较低时,使用谐波检测技术,对两种技术原理进行了公示推导。(3)设计了基于催化燃烧法、NDIR和TDLAS气体检测技术的甲烷传感器,采用模块化设计,将传感器分为主控模块、电源模块、无线传输模块、显示模块、声光报警模块以及气体采集处理模块,三种传感器的区别在于气体采集处理模块的不同。(4)对所设计的三种甲烷传感器进行了实验室和煤矿井下的现场实验,首先对所用激光器的性能进行了测试;其次通过标准甲烷气体浓度对TDLAS甲烷传感器进行了标定,同时对催化燃烧式和NDIR甲烷传感器的性能进行了测试;最后对三种传感器进行了煤矿井下现场实验。

关键词： 多相机建模   硬件光流   多线程   高效求解器  

摘要： 近年来,同时定位与建图(SLAM)技术发展迅速,相关研究成果被广泛应用于自动驾驶、机器人自主导航以及智能家居等许多领域。SLAM技术作为移动机器人自主定位的关键技术,其利用搭载在机器人上的传感器获取未知环境的信息,估计机器人自身的位姿,同时构建所在作业环境的地图。早期的激光SLAM技术主要依赖激光传感器获取点云数据,实现未知的环境感知与建图。但是,激光雷达存在体型大、造价高等问题,研究人员越来越青睐于轻便、造价便宜且信息丰富的视觉传感器,使得视觉SLAM逐渐成为研究热点。面向实际的复杂环境,当前视觉SLAM技术仍存在抗干扰能力较差的问题。主要表现在弱纹理环境和光照变化都会导致视觉SLAM算法失效。多相机视觉SLAM系统采用多个相机作为传感器,可以获取大视野的视觉信息,从而改善弱纹理与光照变化对算法的影响。即使有一个相机被遮挡,其余相机仍然可以正常工作,因而,多相机视觉SLAM具有更好的鲁棒性。但是,多相机SLAM系统需要处理的视觉数据成倍增加,往往导致算法耗时较大,难以保证系统的实时性。本文提出了一种基于多相机的实时视觉惯性SLAM系统。该系统重点解决多相机SLAM系统耗时大的问题,并且在室内外不同光照条件与遮挡条件下具有较高的实时性与鲁棒性。本文主要的研究内容如下:(1)多相机系统建模。针对主流视觉SLAM方法不支持多相机系统的问题,本文采用刚性耦合多相机系统模型建立多相机的观测模型。该模型通过引入一个虚拟光心,将无共视区域的多个相机设定成一个虚拟相机。利用原先单个相机到虚拟相机的外参,将单个相机的视觉观测,变换到虚拟相机中,以融合多相机的观测信息。(2)实时多相机前端算法研究。针对多相机视觉前端计算耗时较大问题,本文提出了基于硬件光流场特征点追踪算法。该算法主要利用前后帧匹配信息生成的光流场实现特征点追踪,从而减少算法耗时。同时,为了进一步提高实时性,本文利用多线程技术实现视觉前端算法的并行处理。实验结果表明,硬件光流特征追踪算法比正常的光流追踪算法耗时更小,且多线程技术会提升前端总体算法的实时性。(3)针对视觉SLAM系统滑动窗口优化计算量大的问题,提出了一种面向滑动窗口优化的高效求解器算法。目前开源SLAM系统的滑动窗口优化都是采用通用求解器算法进行计算的。这些算法是面向通用的、非线性优化问题的,将其直接用于求解滑动窗口优化问题,往往存在大量的冗余计算。在深入分析滑动窗口优化算法步骤的基础上,本文通过舒尔补矩阵的优化求解和冗余计算的预处理有效降低了滑动窗口优化的计算量,从而提高系统实时性。(4)基于LM优化算法设计并实现了实时多相机SLAM滑动窗口的高效求解器,包括求解器的算法步骤、软件结构、内外接口函数等。采用C++编程语言,编写了所设计高效求解器的完整代码。并将其应用到本文提出的多相机SLAM系统中。(5)系统实验与分析。针对本文研究内容所构建的完整系统开展性能的实验研究,并对结果进行分析。

关键词： 低功耗   最小生成树   GPU模块   时钟树  

摘要： 早期的电路设计,尺寸小,工作频率较低,功耗并不明显,随着半导体工艺节点的降低和系统设计复杂度的不断提高,功耗在集成电路设计方面的重要性不断凸显,低功耗物理设计在工程领域具有重要的实用价值和研究意义,引起了半导体从业者的广泛关注。本论文的研究是基于晶晨半导体(西安)有限公司实际项目的需求,使用TSMC 6nm工艺,在低功耗布局方面,采用多电源多电压域和电源门控技术,在低功耗时钟树方面采用时钟门控技术,在低功耗标准单元方面采用多阈值电压单元等常用的低功耗优化手段,对本论文使用的GPU模块进行低功耗物理设计。然后通过分析GPU模块的时钟树的性能和结构,在保证GPU性能的前提下,通过将时钟网络中的触发器进行集群来尝试更进一步地降低GPU模块的动态功耗。将时钟树上的触发器进行集群是依据最小生成树算法,以降低时钟树互连线的线长为标准,通过阈值距离和阈值电容来约束触发器群的规模,并为触发器群分配缓冲器来完成时钟树综合,最后完成GPU模块的绕线。相较于使用常用低功耗优化手段的GPU模块,进行集群的GPU模块的时钟树,插入的缓冲器数量减少了40%,时钟树的动态功耗降低了5%,其中开关功耗降低了8%。在时序方面,进行集群的GPU模块的总负时序余量也有明显降低。本论文采用的触发器集群的算法是在不改变触发器原始物理位置的前提下,通过就近分组的原则来进行集群的,算法采用TCL语言,可以集成进本论文所使用的EDA工具,实用性强,实现了通过对触发器进行集群来优化GPU模块动态功耗的目的。

关键词： 温差发电   DC-DC   升压   低功耗   线性稳压器  

摘要： 当今便携可穿戴设备在医疗和健康领域应用广泛,其中设备供电常为自充能储能器件电路架构和储能器件供电电路架构两种,而自充能储能器件电路架构相比于储能器件供电电路架构来说具备更小体积、更长使用寿命和极低替换频率等诸多优点。自充能储能器件电路的充能能量来源常有太阳能、震动能、热能和射频等环境能量,通过内部的能量管理电路将这些环境能量转化为电能,为微型设备的储能器件充电和电路供电,极大降低了设备内储能器件体积,并增强了设备的续航时间。本文研究的应用方向是人体周边便携可穿戴设备,而温差热能是最容易从人体上得到的环境能量,因此本文重点研究了用于温差发电的能量提取和管理电路,着眼于能量提取、转换和管理电路的超高转化效率和极低待机功耗等特性。基于以上需求,本文设计了一款用于温差发电能量提取和管理的集成电路,通过工作在断续模式下的DC-DC升压结构,提取和管理温差发电器件所产生的能量。本文首先基于温差发电器件(TEG)的器件特性建立其等效电路模型,然后分析目前已有的TEG器件能量管理架构,提出初步系统架构,在详细分析各类DC-DC升压转换器的工作原理和优缺点的基础上,结合低功耗设计技术,设计并实现了一款用于温差发电器件最大功率提取和能量管理的电路。该电路包括两个部分,前级是基于功率电感的DC-DC升压转换器,提供较大电压转换比,将电压抬升到1.2V左右,可为储能器件充电和数字模块供电,后级是低压线性稳压器(LDO)输出0.8V,提供低纹波电压,可为低功耗电路和模拟模块供电。内部主要电路模块包括:低压迟滞启动电路、最大功率转换电路(MPPT)、过零检测比较器电路(ZCD)、输出反馈电路和CMOS低功耗基准源电路,以及低压LDO电路。电路通过低压迟滞启动电路检测TEG器件电压,在高于启动阈值时开始工作,低于最低阈值电压时关闭电路大部分模块,降低设备功耗,通过MPPT电路从TEG器件提取最大功率和确定导通时间,通过ZCD电路确定关断时间,最后通过输出反馈比较电路限制最大输出电压,保护电路不会被过压损坏。本电路设计是基于0.18μm的CMOS工艺实现,版图后仿真数据显示,迟滞电路的电压迟滞范围为20mV～60mV,工作电流为308.8nA@27℃,因此能量管理电路可在温差发电器件电压大于60mV时启动,低于20mV时关闭电路,降低工作损耗。CMOS基准源的基准电压经过Monte-Carlo仿真显示基准电压均值为589.901mV,500个样本基本都在±3 σ的范围以内,基准电压较为稳定,在温度从-40℃到120℃范围内的温度系数为31.4ppm/℃。其中基准源电路包括基准电压电路、基准电流电路和宽摆幅电流镜电路,整体工作电流为655nA@25℃。低压差线性稳压器电路的效率为66.2%@VDD=1.2V,DC-DC升压转换器的效率为65.2%@VIN=50mV,整体电路在待机时工作电流为1.31μA,版图的整体面积为0.2746mm2。因此本文设计的用于温差发电能量提取的片上能量管理电路适用于便携可穿戴设备中。

关键词： 物联网   分布式控制   RPL协议   低功耗有损网络   网络拥塞  

摘要： 物联网(Internet of Things,IoT)在过去十年中得到了广泛的普及，随着连接设备数量的增加，物联网越来越多样化，以物联网为核心的产业现在已无处不在，低功耗有损网络(Low Power and Lossy Networks,LLN)也已成为物联网中的重要技术之一。RPL协议(Routing Protocol for LLN,RPL)作为低功耗有损网络的一种开放标准路由协议，已广泛应用于物联网领域。然而，随着网络流量的增加,RPL协议在物联网应用上面临着网络拥塞问题，仅使用修改目标函数等网络层改进手段难以有效解决这一问题。针对上述问题，本文基于RPL协议提出了一种分布式控制方案，旨在提高其在物联网应用中的性能表现。主要工作包括以下两个方面:　　(1)本文提出了一种基于RPL协议的分布式控制方案Distributed-RPL。该方案通过节点之间的数据同步降低大量不必要的上下行链路开销，从而有效解决RPL协议在物联网应用中因网络流量增加而面临的网络拥塞问题。实验表明，在不同网络拓扑下，Distributed-RPL能有效提升端到端时延、数据包交付率、能耗、负载均衡性四种性能指标，具有很好的应用潜力。　　(2)为了让Distributed-RPL能够顺利地运用于实际项目，本文针对该方法进行了工程化，增添了节点注册机制、节点活跃度机制、和更广义的数据同步概念，这些能够更好地帮助Distributed-RPL在工程实践中落地。基于工程化的Distributed-RPL、WEB 技术和嵌入式开发技术,本文设计并实现了一种物联网系统DRPL-IoT,该系统通过LLN服务器与LLN网关节点的通信，实现了环境数据采集、智能环境监测与控制等功能。通过对系统进行功能测试和性能测试，发现系统功能运行正常,同时具有良好的可用性。

关键词： SARADC   冗余技术   自校准技术   带隙基准电路  

摘要： 随着半导体技术的高速发展，信号处理系统变得越来越复杂。这些系统使用各种各样的连续时间信号，包括语音、声纳、医学成像、雷达、消费电子设备和卫星等。在这些系统中模数转化器(AnalogtoDigitalConverter,ADC)作为其中关键模块被广泛研究。而在各种ADC中，由于逐次逼近型数模转换器(SuccessiveApproximationRegisterADC,SARADC)具有中高等精度和中等速度，且其结构较为简单、功耗低等优点，被广泛的运用于各个领域。　　本论文基于hhgrace55nmCMOS工艺设计了一款18位、1MS/s的SARADC。其在5V的电源电压，1MS/s采样率下，ADC的有效位数为16.91位，信噪失真比为98.613dB,无杂散动态范围为107.342dB;在静态参数方面，微分非线性DNL=-0.65/+0.58LSB,积分非线性INL=-0.72/+0.67LSB,总功耗为6.89mW。本论文针对低功耗高精度主要做出了以下改进包括:　　(1)自校准技术和冗余技术的使用，由于传统的SARADC中电容存在失配现象，且其采用二进制算法，这会导致ADC精度大大下降，为了提高提精度和容错力，本设计采用了自校准技术和冗余技术。　　(2)采用了一种新型分段补偿带隙基准电路，大大降低了带隙基准的温漂,为SARADC各模块提供了高精度的基准。

关键词： 宽输入   低功耗   低压差线性稳压器   瞬态响应  

摘要： 随着电子设备更新换代,电源管理芯片需要兼容更多不同的应用场景中的不同的直流母线电压,于是电源管理芯片能否处理更宽范围的输入电压成为了一个重要的性能指标。此外,随着国内电池技术和传感器的普及和发展,电池容量有限与电路功能复杂化的矛盾愈发严重,对低功耗电路设计提出了很高的要求。为了应对上述需求,本文针对电源管理低压差线性稳压器(LDO)芯片,在宽输入、低功耗电路设计方面展开研究。宽输入及低功耗电路设计的难点为:电路稳定性差、响应速度慢。为了解决传统宽输入低功耗LDO稳定性差的问题,本文采用了嵌套弥勒补偿、动态零点补偿、电容-电阻对补偿等补偿方案,使全负载条件、全温区的典型相位裕度达到40°左右,最劣相位裕度达到30°。针对传统宽输入低功耗LDO响应速度慢的问题,本文提出了一种新型瞬态响应加速结构,通过快速检测输出电压的上冲/下冲来增大功率管栅极驱动电流,实现快速响应。在此基础上,本文基于华宏0.35μm BCD工艺完成了一款具有欠压保护、过流保护、过温保护、反向保护功能的宽输入低功耗LDO芯片的全电路设计和全面仿真。仿真结果显示,该LDO可以实现2.7V-24V的宽输入电压范围和1.8μA的超低典型静态电流,输出电压范围为1.2V-5V,最大输出电流达到150m A。在-60℃～130℃的全温区范围、全输入输出电压范围、全负载范围、全工艺角的条件下,该LDO的低频环路增益不低于65d B,环路相位裕度不低于30°。在输入2.7V、输出1.2V,负载电流在10ns内在10n A与50m A之间切换的负载瞬态仿真条件下,该LDO的下冲电压和过冲电压分别为32m V和30m V,比德州仪器公司的TPS70933产品分别降低了89%和67%,下冲恢复时间和上冲恢复时间分别为0.69ms和0.91ms,与德州仪器公司的TPS70933比较分别增加了0.44ms和减小了39.1ms,验证了本文提出的瞬态响应加速结构的有效性。

摘要： 安森美（onsemi）推出采用蓝牙低功耗联接的超低功耗车规级无线微控制器。随着传感器数量和车载通信的增加，汽车制造商越来越倾向于使用无线连接技术，以减少布线成本和重量，NCV-RSL15是其理想选择。另一方面，传感器部署数量上升可能会导致网络攻击次数随之增加，加剧安全问题。使用这款新型微控制器可解决这类安全隐患。虽然胎压监测系统（TMS）和其他感知应用中的传感器和一般功能清单不断增长，但功耗预算却没有增加。

关键词： 综合测试仪   非平稳电流测试   多通道组合   WPF   多线程  

摘要： 某型号发射筒是某飞行器系统中的重要组成部件,发射筒的质量优劣决定了飞行器的发射追踪性能和贮存寿命。对发射筒进行性能测试,是保障飞行器系统可靠工作的前提,是发射筒在生产、验收和维护过程中的必要环节。目前在应用的半自动发射筒测试设备与传统手工检测方法相比,虽然在测试效率上有了一定的提升,但是在操作简便性、数据准确性及数据可溯源性方面还有待提升。本课题从发射筒的测试信号特性出发,深入探讨了发射筒性能测试方法和软硬件解决方案,确定了一个以工控机为控制核心,面向测试仪器资源开发的方案。最终设计了一个快速、准确、操作简便的综合测试仪,相比于传统的半自动测试设备,本测试仪在性能上得到了更大的提升,极大提高了发射筒的测试效率和维护实用性。针对发射筒的各项测试的特性和流程,本文设计了模块化嵌入式检测系统电路,确保了硬件电路的可维护性和替换性,大幅缩小了检测设备的大小。围绕性能测试项目所涉及的导通/绝缘检测电路、起转性能检测电路和状态指示检测电路展开介绍电路设计原理。针对非平稳电流测量问题,分析了信号特性和常用检测方法,为非平稳电流测量选择了合适的测量电路和检测算法;针对多通道导通/绝缘组合测量问题,分析了测试组合点的特性,设计了继电器阵列控制电路。完成了仪器设备和器件选型,为后续综合测试仪的搭建打下了坚实的基础。在硬件系统的基础上,通过WPF(Windows Presentation Foundation)框架开发了综合测试仪的上位机软件,同时采用多线程技术,将软件划分为了一主多次的线程结构,多线程并行执行的优点使得软件具备过程执行的高效性。根据测试需求,将上位机软件分为了五个功能模块,包括通信模块、自检模块、测试采集模块、参数管理模块及报表生成模块。针对多页连续报表的生成问题,设计了基于Word书签的报表快速生成方法,达到了报表设计美观和高效制作的目的。上位机软件经整合测试表明,软件运行稳定并能实现所有的软件功能。本综合测试仪经过验证和整机调试,达成了各电气量和非电气量的测量精度指标,完成发射筒相关性能的自动化测试任务,达到了提高测试效率、保障数据准确性、安全性及数据溯源的目的。