关键词： 厚壳贻贝   养殖监测   STM32   NB-IoT   低功耗  

摘要： 长期以来厚壳贻贝的养殖模式较为粗犷,主要依靠老渔民的经验进行养殖周期管理,随着东海渔业资源持续衰退和国家倡导产业转型,贻贝养殖的规模不断扩张,通过物联网技术进行科学合理的厚壳贻贝养殖周期管理已经迫在眉睫。因其养殖区域处于离岸200-500米,海面10-20米以下的开放性海域,无法进行稳定的电源接入,所以通常使用锂电池进行供电。因此电池使用寿命是数据采集与传输系统维持长时间稳定工作的关键因素。除了选择大容量电池以外,尽可能降低系统电路的功耗是延长电池使用寿命的主要技术路线。本文针对舟山厚壳贻贝养殖环境这种长期无人值守、无稳定电源供应的场合,设计了一种基于STM32微处理器和NB-IoT通信技术的低功耗数据采集和传输系统,通过水温、溶解氧、光照强度、流速传感器采集和处理养殖环境数据,并上传至云平台进行汇总分析。主要通过以下几个方面的研究并实现了系统的低功耗运行:(1)硬件方案设计。充分考虑系统功能完整和易部署性的前提下,选用合理的低功耗硬件模块并进行针对性电路设计;设计SOC剩余电量检测电路,完成锂电池状态的监测;结合数据采集传输的特点,选用响应速度快功耗低的外设接口。(2)软件方案设计。进行精细化的功能模块动态功耗管理,合理切换各模块的工作模式和省电模式;完成预设工作后,及时关闭相关通信和外设接口;结合贻贝养殖周期特点,定制针对性的功耗优化方案。(3)应急优化设计。通过上位机程序设置,判断锂电池电量耗尽时间,提前进行系统工作频率转换,避免养殖周期关键节点系统停止工作的情况。在系统样机实现养殖环境数据采集和传输的基础上,对各模块进行不同状态下的功耗测试。通过汇总各模块功耗数据,完成了系统的整体功耗分析,本系统满足长期稳定监测舟山厚壳贻贝养殖环境数据的需求。

关键词： 物理不可克隆函数   低功耗   机器学习攻击  

摘要： 随着物联网发展和5G技术的研究与推动以及智能硬件的普及,越来越多的设备终端接入物联网,若终端设备的信息安全泄露,物联网所连接的设备中的安全漏洞非常容易受到入侵、篡改等攻击,不仅会危害到用户的财产,更严重者会威胁到人们的生命安全。由于传统的密码学方法并不能满足物联网领域低成本、低功耗的要求。因此,物理不可克隆函数(Physically Unclonable Function,PUF)应运而生,成为一种新的硬件安全防护手段。PUF的输出结果仅与芯片内结构的物理特征有关,因此更难以被攻击者复制或仿造。同时PUF电路将加密信息直接存储在自身电路结构中,必需要通电才能获取加密信息,断电后信息自动消失,因此更难受到传统的物理篡改和克隆的攻击,作为一种新型的安全语言,它在具有较高安全性的同时,具有低功耗和低成本的优点,在硬件安全方面有着重要的地位。基于上述研究前景,本文中提出了两种能够抵御机器学习算法攻击的低功耗强PUF设计。 首先,本文提出了一种基于扼流型反相器的强PUF设计,利用反相器的翻转电压Vtrip作为熵源。电路中的反相器和电源电压之间串联了一个NMOS扼流管,通过调节该晶体管的偏压能够控制反相器工作在亚阈值区,有效地降低了整体功耗的同时还引入了非线性因素,此外还提出了一种翻转机制,能够进一步降低机器学习算法预测准确率。该PUF采用了UMC 65nm工艺进行设计。通过仿真测试结果,PUF能够在环境温度从0℃至120℃和电源电压从0.7V至1.5V时正常工作,最差情况误码率为5.025%,并且在各种主流的算法攻击下,能保持机器学习预测准确率为53.8%,接近理想值50%。此外,在吞吐率为10Mbps的条件下能够保持0.26p J/bit的极低能效比。 其次,针对不同应用场景,本文还提出了一种基于带反馈的增益可调节级联放大器链的强PUF,通过将放大器的连接方法改变得到增益大于1和增益小于1这两种放大器类型。将增益小于1的放大器作为熵源接入级联放大器链中,并且由于反馈机制的存在,其中任何一级发生变化时,都能够引起其他级的放大器输入输出与增益的变化,进入稳态后将其电压进行放大得到输出。其正常工作的温度和电压范围分别为-40℃到120℃和0.9V至1.5V,最差情况误码率出现在为120℃、1.2V,误码率为8.79%,经过各种机器学习算法进行攻击,其预测准确率仅有50.6%。在功耗方面,吞吐率为50Kbps的条件下能够保持1.25p J/bit的能效比,并且其功耗大小仅有0.063μW。

关键词： 相变射频开关   高速   低功耗   GeTe   In2Se3  

摘要： 射频开关是当前无线通信系统的最基本和最关键的组件之一。近年来,相变射频开关作为一种新型射频器件,凭借其零静态功耗、低插损、高隔离度、小尺寸等优良特性被科研人员广泛关注。但现有GeTe相变射频开关因器件发热效率限制了其开关速度,且相变材料的熔融过程带来了较大的动态功耗。为此,本文从结构优化和材料设计等角度对直接加热型相变射频开关展开研究,分析了器件的相变性能与射频性能的协同优化机制,设计并制备了基于晶态-晶态转变的高速、低功耗相变射频开关。论文取得的主要成果如下: 首先,针对传统相变射频开关因发热效率较低带来的切换速度和动态功耗问题,设计了基于GeTe的类限制型结构的射频开关。通过增加表面隔离层并将相变区域刻蚀沉积于氧硅平面下方,减少操作过程中相变材料、金属电极和空气之间的热交换,提高了相变材料区域的加热效率,仿真分析了隔离层与刻蚀等关键因素对等温面分布的影响规律,设计出类限制型结构的GeTe相变射频开关器件,制备并测试了其开关特性,结果表明器件的开启速度和关闭速度分别达到68 ns和16 ns,快于现有文献报道的GeTe相变射频开关,器件功耗也有所改善。此外,在设计过程中对器件的射频性能进行优化,发现插入损耗随电极宽度和相变材料厚度增大而减小,随电极沟道间距增大而增大,隔离度则与此相反,主要受等效电阻与电容等阻抗因素的影响,结合热仿真协同设计类限制型结构,在仿真结果中实现了良好的射频性能,在0～40GHz频段内,器件测得优于-1.5 d B的插损与-25 d B的隔离度。 为了进一步解决上述相变射频开关操作电压较大的问题,本文提出了基于二维硫系相变材料In2Se3的高速、低功耗相变射频开关。传统相变射频开关通过GeTe的晶态-非晶态转变实现,本文基于In2Se3的晶态-晶态转变可显著降低相变所需的能量势垒,且无需经历熔融过程,可以实现更低的动态功耗和较快的切换速度。论文通过干法转移与lift-off工艺制备了垂直结构的In2Se3射频开关,实现了动态功耗低至1.71n J、速度达到200 ns,并在0～14 GHz频段内优于-20 dB的隔离度。

关键词： 线路   三维线路场景模型   多线程并行   视点预测   模型分页调度   模型动态更新  

摘要： 真实精细的大规模线路三维场景的构建与动态更新是实现铁、公路三维设计和数字孪生的基础。然而,精细真实的线路模型必然导致建模耗时骤增,大幅占用计算机内存。虽然有学者基于细节层次技术对大规模的线路精细模型进行简化和分层,但是大多采用串行方式构建线路分层模型,建模效率低;此外,现有研究以块状分布模型为主要研究对象,将模型划分为规则矩形块后进行分页调度,这种方法并不适用于呈条带状分布的线路三维模型;而且现有线路结构物模型更新效率有待提高。对此,本文提出了适用于条带状分布的线路三维模型的分页分层方法,并基于多线程技术,并行快速构建多层级线路结构物三维模型;实现了线路结构物分页分层模型的视相关动态调度;构建了基于页码的线路最小影响域,研究了最小影响域内线路分页分层模型的多线程并行实时更新方法,推动了大规模线路三维模型快速构建、实时交互和动态更新技术的发展。主要研究内容如下:(1)针对线路三维模型呈条带状分布的特点,本文提出了“里程-结构物”线路模型分页方法,参考美国建筑师协会对LOD的标准基定义对线路结构物模型进行细节层级划分。并以此为基础,采用多线程技术,设计多个独立线程,同时并行构建不同细节层级的线路结构物三维模型,提高了线路结构物模型建模计算的效率。(2)基于埃尔米特视点轨迹预测,提出了线路分页分层模型页码范围和细节层级的自动计算方法,据此进行地形模型的视相关快速动态裁剪与修补,同时根据所预测的下一帧视点到目标模型的距离动态修改线路模型分页数据库最大页数,最后将拟加载的线路分页分层模型数据加入到场景的渲染队列中进行预编译,避免不必要的内存资源占用,提高了线路三维模型实时渲染的流畅度。(3)针对所构建线路三维模型分页组织的特点,提出了基于页码的线路最小影响域确定原则,采用多线程技术,在多个线程中并行动态更新线路最小影响域内各个细节层级的线路结构物分页模型;并在更新过程中,建立了多个线程动态启动机制和分页模型数据地址动态修改方法,保证在避免线程冲突和模型跳突的同时,大大缩减了模型动态更新用时。(4)运用上述理论和方法,基于Osg Earth、Open Scene Graph,利用C++编程语言开发了道路线路三维可视化设计平台。以湖南省境内的某条规划设计里程约为65km的高速公路为测试用例。构建线路结构物分页分层模型时平均耗时4s;在进行线路方案修改时,线路结构物三维模型的平均更新速度约为13km/s;浏览过程中,场景和模型的实时渲染平均帧速率为59.83fps。经过实验测试,本平台可应用于工程实际线路设计,积极推动道路三维可视化设计的发展。图63幅,表10个,参考文献60篇

关键词： 低压差线性稳压器   低功耗   快速瞬态   频响分析  

摘要： 移动设备广泛应用于人们的日常生活中,这类设备主要采用点式负载（Point-of-load）的供电策略,即每一路负载有对应的一路Buck级联LDO（Low-Dropout Regulators）对其进行高效率、高质量的供电。负载条件的多样化决定了LDO设计路线的差异性,因此本文对适用于为移动设备中不同负载应用进行供电的低功耗、快速瞬态LDO展开研究与设计,主要包含以下四个方面的内容。1.全集成LDO由于其高集成广泛应用于片上系统。常规全集成LDO通常采用密勒补偿进行极点分离,维持环路稳定性。然而在常规密勒补偿中,输出极点的有限值会限制LDO的环路带宽。针对这一问题,本文提出了一种基于有源密勒电容补偿架构的P-LDO,有源电容结构可创造对功率管栅极去耦的等效密勒大电容,有效延伸了局部密勒反馈环路T（s）的带宽。借助有源电容结构,LDO实现了～4倍的带宽拓展。2.片外电容P-LDO适合于为Camera、Sensors等输入电压较高、负载电流较大的应用进行供电。在这类设计中,如何低功耗且有效驱动较大的栅电容是一设计难题。针对这一问题,本文提出了一种高性能的二次推挽电压缓冲器,缓冲器可同时向栅电容提供足够的充放电能力,克服了传统超级源随器上摆率不足的缺点;此外缓冲器在中高频提供的额外电压增益拓展了LDO的环路带宽。另外为了实现LDO的频率补偿,提出了可抑制Kick-Back噪声的优化动态二型补偿架构。3.片外电容N-LDO（功率管为NMOS）适合于为Flash Memory等应用进行供电。常规N-LDO设计中存在缓冲器驱动能力受限于静态电流,以及高频跳载时误差放大器输出V存在驱动死区等问题。针对上述难题,提出了新的功率管驱动技术TM-MOS（Transconductance Magnified MOS）用于低功耗的驱动NMOS功率管;而基于TM-MOS的负载电流采样功能,提出了有源钳位电路用于在输出电压过冲期间自适应控制的V的驱动死区。4.频响分析从小信号的角度量化了LDO的性能指标。由于常规分析方法（直接计算完整的传递函数）数学计算十分复杂,本文将局部反馈环路分析的方法应用到全文的频响分析中,这种方法在简化计算的同时提供了更多的设计直观性。所设计的三款LDO芯片均在CMOS平台上进行了实际流片。实验结果对理论分析、电路技术的有效性进行了验证。

关键词： 高压电力电缆   环境取能   开放式磁芯   低功耗   电源管理电路  

摘要： 高压电力电缆作为电网中传输电力的重要手段,及时对电缆的状态进行监测对确保电缆正常运行、提高用电可靠性至关重要。目前电力电缆状态检测主要通过传感器实现,在电缆表面通过接触或非接触方式感应电缆状态信息,通过无线或有线信号将数据传输到终端,实现电缆状态实时监控的效果。作为现代电子技术发展的产物,传感器做到了小型化、集成化,在电力电缆状态检测方面优势明显。但传感器在电力电缆特殊环境下存在能量供应问题,严重限制了传感器的使用。为了解决电力电缆环境下传感器供能问题,学者们提出利用电缆周围磁场为传感器供电的方式,但是如何提高装置适用范围并在有限体积下实现高效率磁场能量获取是需要突破的技术难点。针对上述问题,本文提出了可调式磁芯取能线圈,将环境中的磁场能转化为电能,并利用设计的电源管理电路将获取的电能处理后供给负载使用。文章整体结构如下:本文首先对电力电缆环境下传感器传统取能方式以及自环境取能方式进行调研并做优缺点比较,提出了磁场取能的方法并说明该方法具有较高的应用价值。在磁场取能方式确立后,对取能线圈磁场取能原理进行推导计算,然后对常用高压电力电缆分类并分析周边磁场方便取能线圈设计。基于上述分析通过有限元仿真软件对取能线圈核心部分磁芯进行材料和结构的建模计算,提出可调式磁芯设计来优化输出效果,后面结合磁芯及取能环境设计合理的线圈域再次提高功率输出。其次,通过得到的取能线圈输出数据,采用电路仿真软件对电源管理电路进行设计。该电路主体包括整流、滤波和稳压电路,为了提高电路的可靠性以及适用范围,电路中设计加入冲击电压保护模块以及储能模块。最终将电路输入端获得的交流电转化成稳定直流电输出,供负载使用。最后,通过以电力隧道为背景环境,单芯交联电力电缆为主体构建实验平台,测试取能线圈实验效果。在实验测试阶段,首先对比取能线圈的实验波形与仿真波形,再探究距离对取能线圈输出影响。然后利用实验室交流信号发生器对设计的电源管理电路模块进行实验探究,测量磁场取能装置整体输出效果,包括开路电压、输出功率以及带载能力,并通过放电实验验证电路可靠性。整个取能装置适用于不同电压等级、不同尺寸的电力电缆,易安装和拆卸,可调磁芯体积和质量都小于传统环绕式磁芯且磁芯不易饱和,输出功率在一定程度上满足传感器等低功耗负载使用。设计的电源管理电路功耗低,并可在减小供能死区的同时可稳定输出3.3V电压,较好地解决了电力电缆环境下传感器供能问题。

关键词： 伪伪差分   缩放式ADC   增量式ADC   低功耗   高精度   反相放大器  

摘要： 随着“智能化”的普及,智能传感器得到了空前的发展,应用规模和需求都在井喷式增长。同时对其核心部件——ADC提出了更为严苛的要求,包括低功耗、高精度、高CMRR、易于复用、可以处理多样化的输入信号等。易于复用是多传感器系统对ADC的基本要求,采用定期复位的IADC有得天独厚的优势;伪伪差分(Pseudo-Pseudo-Differential,PPD)结构仅用单端电路,便能实现差分电路的性能,适用于低功耗高精度ADC;zoom结构是SAR ADC和Δ-ΣADC的结合,兼顾了高精度和高能效。在此本文将IADC、PPD、zoom进行结合,创造性地提出了一种应用于智能传感器的ADC,即基于PPD的zoom IADC。在系统层面,本文采用“3bit SAR ADC+三阶1bit IADC”的系统架构并将其与改进的PPD结构相融合。PPD的主要创新点包括:一是提出了三相时钟的PPD实现技术,通过额外引入的一个相位来同时采样正反相输入信号,只要电路匹配,就可以完全消除输入共模噪声,提高了CMRR;二是提出了输入完全解耦技术,通过使用两个单端SAR ADC分别处理正反相输入信号,使正反相路径完全解耦,配合三相时钟带来的CMRR的提高,可实现ADC输入的多样化,即单端、差分信号都可以处理。在电路层面,提出了一种基于反相器的自偏置共源共栅放大器。为保证输入管工作在饱和区,共源共栅管使用LVT器件,其栅极与输入相连,无需额外偏置,提高了能效;为改善放大器的低频噪声使用了AZ技术。同时电路还采用CDAC复用的方式来减小面积,用DWA技术来缓解CDAC的失配。本文提出的基于PPD的zoom IADC在55nm CMOS工艺下完成了电路与版图设计,并进行了流片验证。测试结果表明,在0.378ms的转换时间内,等效输入噪声仅为20.19μV,在-0.9～0.9V的输入范围下,可以达到89.9d B的SNR。输入信号频率在5Hz～200Hz范围内的CMRR为84d B。在15bit的量化台阶下,差分输入的DNL为-0.53/+0.64LSB,INL为-1.12/+1.27LSB;单端输入的DNL为-0.47/+0.59LSB,INL为-1.44/+1.07LSB。芯片在1V的电源电压下,仅仅消耗了1.07μA的电流,可以计算得Fo M=180.8d B,Fo M=15.8f J/step。

关键词： 图像传感器   读出电路   时钟锁定   小计数区间   单斜坡模数转换器  

摘要： 近年来图像传感器由于具有重量轻、体积小、集成度高以及分辨率高等优势，在各行各业中得到了广泛的应用。图像传感器主要由探测器、像素阵列、行逻辑电路、偏置电路、时钟产生电路以及读出电路（readoutcircuit，ROIC）组成。在衡量图像传感器的功耗时，读出电路的功耗是至关重要的。由于传统读出电路中所采用的单斜坡模数转换器（SingleSlopeAnalogtoDigitalConverter，SSADC）功耗较高，因此会导致读出电路具有较大的功耗，直接影响芯片最终的成像质量与使用寿命。如何降低图像传感器读出电路的功耗，成为降低图像传感器功耗的关键。　　本文提出基于时钟锁定的低功耗图像传感器读出电路的设计方案。首先，针对传统读出电路中SSADC功耗较高的问题，提出了一种基于时钟锁定方式的可缩短计数区间的ADC逻辑结构。该ADC逻辑结构将计数区间划分为多段小区间，根据二分法，对信号值大小进行预判，进而确定翻转点所在的小区间，计数器从小区间起始点开始，计数持续至比较器翻转点处。该结构使得有效计数区间大幅缩短，可减少计数脉冲个数，降低动态功耗。　　其次，在划分小区间时，采用时钟信号来控制小区间的分布，而不是通过对电压的等分来形成多段小区间。由此可以通过控制时钟相位来确定小区间分布，相比于SAR-RampADC以及两步式SSADC，有效避免了由于信号切换以及失调电压引起的量化误差，从而实现了更加精准的量化。　　再次，基于Simulink模型，对所提出的基于时钟锁定的低功耗读出电路进行功能性验证。仿真结果表明，本文提出的计数区间时钟锁定的方式可以有效地降低由于计数脉冲数目增加所引起的动态功耗。　　最后，基于Cadence平台以及0.18μm标准CMOS图像传感器工艺完成了基于时钟锁定的低功耗读出电路的设计，通过与传统单斜坡ADC的平均功耗比较，验证了基于时钟锁定方式的ADC逻辑结构的有效性。该结构在数字域的最大平均功耗为传统单斜坡ADC动态功耗的35%，且仍具备优化余量。

关键词： 梯度线圈   便携式核磁共振成像   高效率   低功耗   高分辨率  

摘要： 梯度线圈作为用于空间编码的关键组件,在核磁共振成像中发挥着至关重要的作用,其性能直接影响核磁共振成像的图像质量。本文基于谐波分析设计方法,针对便携式高分辨率核磁共振成像系统设计了高效率低功耗的梯度线圈。论文取得的具体成果如下: （1）高效率低功耗梯度线圈的设计与优化:从便携式高分辨率成像的角度出发,基于谐波分析法实现了便携式核磁共振梯度线圈的设计,在此基础上根据梯度线圈性能参数和品质因数完成对梯度线圈设计中各项关键参数的优化,得到一种高效率低功耗的梯度线圈。其中Y方向梯度线圈的梯度效率为38.1 mT/m/A,相较于传统方法所设计的线圈,电感和电阻分别降低了43.09%和24.77%,Z方向梯度线圈的梯度效率为18.1 mT/m/A,相较于传统线圈提升了45.97%,两个方向线圈的各项品质因数均得到大幅提升。对两组线圈进行了表面温度和热应力的仿真对比,所设计的梯度线圈相比于传统线圈所产生的热量以及由电流热效应导致的形变均更低。此外还研究了定位偏差和导线连接对梯度线圈的性能影响,其中周向定位偏差对所设计的Y方向梯度线圈影响最大。 （2）高效率低功耗梯度线圈的制作与性能测试:根据便携式磁共振成像系统的需要设计并制作了一款工作频率为46.5 MHz的前置放大器,同时研制了一款适用于便携式核磁共振成像的射频探头,使用柔性PCB制作了三个方向的梯度线圈,搭建了完整的便携式核磁共振成像平台。高斯计实测梯度线圈的梯度磁场与仿真磁场基本一致,实测梯度效率分别为34.06 mT/m/A、31.64 mT/m/A、17.18 mT/m/A,实测线性度分别为1.72%、1.36%、1.39%,良好符合设计要求。线圈电阻和电感均处于较低水平,通过线圈的温度变化趋势测试说明了所设计线圈的低功耗和良好的散热能力。最后通过一阶有源匀场实验验证了所设计的梯度线圈可以消除空间中磁场的一阶不均匀分量,且通过一维相位编码成像测量并计算了成像过程中实际的梯度波形,与理论波形基本一致,能产生较高的梯度场强且梯度切换速率较快,验证了梯度线圈在核磁共振成像中的实际性能。 （3）高效率低功耗梯度线圈的实验应用研究:设计了不同形状的水模进行核磁共振二维成像实验,成像结果均无较大的畸变,基本与水模结构中的几何形状一致。对成像分辨率进行了测试,图像结果表明成像系统具有分辨1 mm以下微小结构的能力,图像分辨率为62.5μm×62.5μm,验证了该系统可以实现高分辨率成像。最后对人体离体肿瘤组织样本和正常组织样本进行自旋回波成像和T1-T2关联弛豫成像的对比实验,结合两种样本的自旋回波成像结果以及T1分布图和T2分布图的对比实现了对两种样本的区分。此外还测试了T1-T2关联弛豫成像过程中仪器共振频率的变化趋势,验证了梯度线圈的低功耗,对系统温度变化的影响较弱。