关键词： 自适应电压调节技术   低功耗设计   关键路径时序监测   自适应电压调节总线  

摘要： 随着半导体制造工艺的迅速发展,构成数字电路系统的晶体管的特征尺寸越来越小,在相同面积上集成的晶体管数量呈数量级上升,导致芯片单位面积上的功耗不断增加,并使芯片系统的能耗问题成为影响半导体行业发展的重要因素。为了保证数字电路系统在工艺、电压、温度（Process,Voltage,Temperature,PVT）偏差以及设备老化损耗等因素的影响下能正常工作,芯片设计者通常在设计阶段预留一定的时序余量,但同时造成了芯片功耗及性能的浪费。自适应电压调节（Adaptive Voltage Scaling,AVS）技术作为一种能够监测芯片系统时序并实时调控供电电压的低功耗方法,能够有效降低甚至消除在设计阶段保留的设计余量,从降低电路系统工作电压的角度来达到降低功耗的目的。本文基于降低芯片功耗的需求,对芯片中关键路径的时序信息的获取展开研究,设计了一种基于间接时序监测的AVS结构,并使用AXI协议改进传统的自适应电压调节总线（AVSBus）,完成片上系统与负载点电源控制设备的点对点通信。本文的主要工作及创新如下:1、提出了一种基于间接时序监测法的自适应电压调节方法。本文通过串联反相器的方法构建延时链,在对数字负载和反相器延时链进行时序分析的基础上,确定了延时链的长度,以实现对关键路径延时变化特性的模拟,结合AVSBus最小粒度的电压读写确定时序余量监测延时链的长度。使用触发器构建了一种轻量化的时序监测单元,通过采样反相器延时链特定位置的信号翻转情况,间接获取关键路径的时序信息,解决了直接在关键路径末端插入时序监测单元导致的设计困难和结构复杂的问题。2、结合AXI协议改进了传统的自适应电压调节总线。本文在使用verilog实现传统AVSBus的基础上,使用AXI协议对AVSBus进行了接口转换,并采用AXI协议中的VALID/READY握手机制加强片上系统对通信的控制,同时设计了相应的局部寄存器文件以及传输数据的帧结构,使用3位循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check,CRC）码校验传输数据,通过AVSBus从机再同步机制恢复线路噪声以及其他人为因素导致的错误状态。3、对设计的AVS系统进行了功能验证和性能评估。搭建了基于通用验证方法学（Usual Validation Methodology,UVM）的模块级验证平台,完成了设计代码的功能验证。基于某厂家12nm工艺对设计模块进行了逻辑综合,总的综合面积开销为2656.85μm2。收集了验证测试覆盖率,并使用PTPX对不同工作频率下的自适应电压调节电路以及数字负载进行了功耗分析,当工作频率从1.3GHz下降到0.8GHz时,最多取得了53.4%的功耗收益。

关键词： 动态称重   压电效应   能量收集   低功耗   无线传输  

摘要： 交通运输牵连着各地文化和经济的发展脉络,是国家大力发展的基础行业,但同时也滋生了很多超限超载现象。动态称重作为治理这一现象的方式已然发展了几十年,但依旧存在着成本较高、安装检修困难、布线工程繁琐、破坏路面结构严重等问题,针对以上问题,通过比较选材、小型化设计、无线数据传输、压电能量收集等研究方法解决上述不足,设计一款基于压电效应的自供能无线动态称重传感器节点。具体研究内容有以下几个方面:(1)综合分析国内外路面动态称重和压电能量收集方面的研究现状,决定了传感器节点的总体框架和设计要点,并对压电效应和称重原理进行了阐述。(2)通过比选各种压电材料、压电陶瓷和结构构型,压电传感单元结构最终确定为并联连接方式的三PZT-5H型压电陶瓷堆栈式,然后运用workbench软件对其进行静力学应力应变仿真,最后对多个压电传感单元进行封装设计。(3)无线称重传感模块的设计细分为信号采集、核心处理、数据传输三模块,分别研究设计了这三个模块的主要硬件和相关电路,并制作实物电路板,然后用实物搭配万能试验机做相关无线传输实验。(4)分析压电发电特点为高电压非稳态交流电,选择有整流降压功能的LTC3588-1为能量收集电路和磷酸铁锂电池为储能元件,然后利用万能试验机对传感器节点施加递增载荷,测试其压电性能和LTC3588-1能量收集电路的实用性。在相同假设条件下,对电子元器件的消耗能量和LTC3588-1的收集能量做了一个功耗分析计算,计算结果显示后者更大,证明了自供能的合理性。

关键词： RC振荡器   调频   低压   低功耗  

摘要： 在EEPROM的各种应用方案中,其读写功能的速度是一个重要的参数指标,因此振荡器被广泛用作控制设备的片内和片外的时钟源。随着集成电路技术的不断发展,对振荡器的性能、稳定性、功耗、面积等方面提出了越来越高的要求,对振荡器的设计提出了更高的挑战。越来越多的研究人员现在正尝试设计新的电路结构,希望能在不同振荡器的性能特征之间找到一个平衡点。然而,传统RC振荡器的性能受到温度和电源电压等因素的影响,这将会导致其工作频率变得不稳定,例如有时候会产生跳变的情况。近年来,关于RC振荡器的研究很多,这些研究都是为了降低RC振荡器的功耗,提高其频率稳定性。随着芯片集成度的提高和应用范围的扩大,片上时钟的高精度和良好的稳定性显得非常重要。然而,随着智能设备的快速发展,对EEPROM芯片的低功耗和低成本的要求越来越高,因此片上时钟的集成需要考虑到成本问题。尽管晶体振荡器具有较高的精度和稳定性,但它不适合片上集成,所以RC振荡器就成为了首选。本文旨在基于已有的EEPROM芯片设计一个低压低功耗的的含有带隙基准源的RC振荡器选频电路。本文采用ASMC 0.15μm工艺,基于Cadence Virtuoso平台设计了一款低压低功耗的可以调频的RC张弛振荡器,完成了振荡器的功能仿真和版图设计,在TT工艺角,温度范围从-40°C变化到135°C下,振荡器可以工作的最低工作电压为1.3V,并且在电源电压为5V情况下,可以调节电路的频率4MHz到16MHz频率可调,温度系数为9.516ppm/°C,最低消耗的功耗仅为39μW。版图设计方面,最终的面积为171.2μm*170.6μm,并且进行DRC和LVS的检查。综上所述,本文所设计的基于EEPROM的时序模块电路,在工艺、温度、电源电压影响下仍能够具有稳定的频率输出。

关键词： 模拟前端   自平衡桥   加速度计   低功耗   电容读出电路   低噪声  

摘要： 随着当前物联网云计算技术的飞速发展,传感器成为了当前的热门话题。其中,加速度计是一种测量物体加速度的惯性传感器,在许多领域中受到广泛的应用。特别是电容式硅微加速度计,由于其精度高、功耗小、噪声低、易于集成等特点,在众多领域中起到了不可替代的作用。同时在移动/可穿戴式物联网对超低功耗的应用要求下,使得设计与电容式硅微加速度计适配的超低功耗高性能模拟前端电路具有重要意义。本文基于当前国内外的研究现状,采用SMIC(中芯国际)0.18μm CMOS工艺,研究和设计了一款低功耗低噪声硅微加速度计模拟前端集成电路,其主要包括由运算放大器和电平移位器构成的模拟前端核心电路和增益控制级模块。其中,模拟前端核心电路采用拥有高线性度且不需要载波驱动的自平衡桥架构,实现低功耗条件下电容信号检测和电压输出转换,同时配合前馈降噪技术以及相关双采样技术以实现低噪声和高分辨率的设计目标。基于自平衡技术的模拟前端核心电路转换输出电压信号通常较小,经增益控制级可实现电压信号的放大,以满足后续模数转换器的最大量程输入。增益控制级同时利用相关双采样技术以降低运算放大器的失调以及电路中的低频噪声,使电路拥有更好的噪声性能。仿真结果显示,模拟前端电路在总功耗265n W,增益控制级放大倍数为3倍时,可以将频率为100Hz,动态电容峰值为0.1p F,静态电容为1 p F的加速度计电容信号转换为预期的电压信号。并且等效输入噪声为45.11a F/Hz@100Hz,满足100a F的电容识别度指标。本文所设计的硅微加速度计模拟前端电路具有低功耗低噪声和高分辨率的特点,拥有广阔的应用市场前景。

关键词： 低功耗模数转换器   逐次逼近寄存器   电容失配校正技术   模拟校正算法   冗余电容阵列  

摘要： 逐次逼近寄存器型(Successive Apporoximation Register,SAR)ADC作为一种高精度、低功耗的模数转换器(Analog-To-Digital Converter,ADC),在各种领域中得到了广泛的应用,如通信、仪器仪表、医疗设备、汽车电子、航空航天等。相较于其他种类的ADC,SAR ADC具有数字化程度高、能量效率高、结构简单等优点,因此更能够适应先进工艺。SAR ADC在低功耗、高速、高精度等方面的矛盾性要求,也提出了一系列技术难题,研究这些难题有助于提高整个混合信号系统的性能和可靠性,推动电子技术的创新和发展。电容失配是SAR ADC的一个重要限制因素,对其精度和分辨率都会产生负面影响。如果不采取有效的电容失配校正技术,那么SAR ADC的有效位数将很难超过12 bit,即使采用更精密的电容阵列也难以有效提高其分辨率。本文的研究重点在于SAR ADC的电容失配校正技术,提出了一种基于冗余的模拟校正算法。该算法利用冗余位提取DNL误差,判断误差正负后,使用校正电容阵列对主电容阵列进行修正。本文使用MATLAB建模验证了该算法,并对其存在的缺陷进行了理论分析,包括稳定性、收敛方式和搜索范围等问题。在针对这些问题进行进一步优化后,获得了较好的校正效果。本文在28 nm工艺0.9V的电源电压下设计了一款14 bit 7 MS/s SAR ADC,对算法作进一步的验证。详细介绍了各个模块采用的电路结构,并分别进行了性能优化。最后将MATLAB校正后的电容阵列带入到原电路中进行仿真,在校正之后ADC的有效位数为12.22 bit,SNDR和SFDR分别为75.32 d B和85.01 d B。ADC核心功耗为130.5μW,Fo M值为3.9 f J/conv-step。

关键词： 油菜   施肥   随速控制   模糊PID   多线程  

摘要： 长江中下游地区是我国油菜的主产区,主要施肥方式仍多为固定转速施肥,施肥过程未充分考虑农机作业速度变化的影响,施用效率低下。针对油菜施肥作业过程中,作业速度与实际转速控制不匹配导致的肥料施用量大,施肥精量调节困难的问题,本文结合长江中下游地区油菜精量施肥的现实需求,以2BYQ-8型油菜直播机为作业平台,设计了油菜直播机施肥随速控制系统,并通过田间试验,验证该系统作业性能。主要研究内容如下:（1）开展了油菜直播机施肥随速控制系统总体方案设计。在查阅、对比分析了国内外研究文献的基础上,以实现油菜施肥作业随速控制、提高施肥精量程度为目标,确定了油菜直播机施肥随速控制系统通过测速雷达获取作业速度、高精度编码器反馈离心式排肥器转速、系统控制器闭环控制输出的系统逻辑,并开展了控制系统的总体方案设计、驱动方案设计和相关部件选型。（2）开展了油菜直播机施肥随速控制系统控制器设计。设计了控制器的硬件部分,确立了控制器内部硬件模块的组成,结合系统供电需求和实际作业情况,设计了控制内部电路和PCB,并为控制器的各个模块实现系统集成和封装,提高了控制器于田间工作的稳定性;基于模糊PID控制算法,搭建了系统控制模型,求得了系统传递函数,以实际田间施肥需求为依据,建立了模糊三参控制规则,并使用MATLAB Simulink与传统PID算法进行对比和分析,仿真结果表明模糊PID较PID算法稳态时间提前了约70%,稳态误差降低了约88%,具有较优的响应性能;设计了控制器的软件程序,结合Linux系统下多线程编程技术,通过线程通信的方式,实现控制器的硬件通信、信号解析、界面显示、人机交互以及算法处理等功能。（3）开展了油菜直播机施肥随速控制系统试验与分析。标定了测速雷达的误差范围,结合试验对比和误差数据分析,确定了测速雷达对于速度获取的精确程度,保证了控制系统速度信息输入的准确性。开展了田间随速施肥试验,静止状态系统响应试验结果表明了系统响应性能较优,以600kg/hm2和1.5m/s作业速度作为参数输入,系统于2.8s实现上线,4.4s实现稳态控制,超调量6.3%,均优于传统PID算法;恒定作业速度试验表明,系统能完成较为准确速度跟随,单公顷施肥误差于4.150%～8.552%之间;动态作业速度试验下,单公顷施肥量误差于10%以下;通过三种试验结果可以看出随油菜直播机随速施肥控制系统具有良好适应性和作业性能,可实现油菜施肥的随速作业,为后续的控制系统改进和集成化研究提供了参考。

关键词： 水声应答器   功能模块   电路优化   调度管理  

摘要： 长基线水声定位系统利用水下声信号往返时延测距进行距离交会定位，具有定位精度高、作用范围广和实时性好等特点，广泛应用于海洋科学研究和海洋工程。水声应答器作为长基线系统的重要组成部分，通过应答水声信号实现测距和通信功能，主要的性能评估指标有发射声源级、定时精度和系统功耗等。安装在水下基站或无人平台上的应答器具有长期值守且难以替换的特点，致使应答器功耗优化方案设计成为当前亟需解决的关键问题。　　针对以单片机为核心的水声应答器待机时间短、系统冗余等局限性，本文设计并实现了一种以模拟值守电路为主体，功耗优化管理为辅助的低功耗水声应答器。应答器结构组成包括模拟接收预处理模块、低功耗值守模块、数字信号处理器模块、信号发射模块和电源管理模块。为降低水声应答器的系统功耗，论文主要从电路优化和调度管理两个方面进行改进。　　(1)针对传统以单片机进行值守与控制的水声应答器信号质量差和待机功耗高的问题，论文在电路设计上首先采用多级放大和带通滤波抑制接收噪声，提高信号质量，提升水声定位系统的测距精度;其次，采用双T滤波电路实现唤醒信号的精确筛选，降低误唤醒率，同时利用逻辑开关电路替代单片机进行值守与控制，简化唤醒信号检测流程，完成水声应答器从值守到应答模式的切换，有效延长水声应答器的待机时长，提高水声定位系统的可靠性;最后，采用低功耗元器件实现滤波、检波、比较和判断功能，尽可能降低系统功耗，增强水声定位系统的稳定性。　　(2)针对水声应答器电源利用率低的问题，论文设计基于逻辑开关电路的电源调度方案，控制电源管理模块下发指令唤醒或关闭数字信号处理器(DSP),节省应答器待机功耗;采用MOSFET使能电路进行功耗优化管理，控制模拟接收预处理模块和信号发射模块电源的通断，在接收或发射模式下，DSP下发高电平驱动MOSFET对地导通，激活模拟接收预处理模块和信号发射模块工作状态，通过不同功能模块之间相互调度降低应答功耗，提高水声定位系统的可靠性与续航时长。　　本文对设计的应答器进行综合测试，结果表明:水声应答器接收机等效输入噪声小于2μV,在其工作频带内发射声源级可达186dB;仿真计算作用距离为5000m;值守模式下的静态电流为5mA,理论水下待机时间长达1年;在2600mAh锂电池供电条件下，定位模式下的平均功耗为2.2W,计算表明最大功率下能保证连续10万次应答。综上所述，本文对水声应答器的电路设计和调度管理进行改进，实现了应答和值守功能，增强了信号质量，降低了系统功耗，且相关技术指标满足设计要求。

关键词： JPEG编解码   熵编码   多线程   SIMD   指令级并行  

摘要： 联合图像专家组(Joint Photographic Experts Group,JPEG)编码标准目前已经成为了最为常用的图像编码标准之一。2018年,谷歌发起了开源项目Brunsli,该项目对基于JPEG编码的图片进行了二次无损压缩。经过二次压缩后得到的brn文件相比原始的JPEG文件节约了22%左右的存储空间,通过二次压缩可以有效的降低JPEG文件的存储成本与传播成本。然而,由于目前Brunsli项目存在着二次压缩后解码速度过慢的问题,使得其在面向实际应用特别是移动终端等低算力场景时,面临较大的挑战。在二次压缩的解码过程中,主要包含非对称系统(Asymmetric Numeral System,ANS)解码与熵编码两个环节,本文针对其中的熵编码环节进行了并行化研究。本文从线程并行化、数据并行化以及指令并行化三个层面对熵编码算法进行并行化优化,实现了不同程度的解码速度的提升。本文的主要的优化内容包括:(1)提出了一种解码器中的多线程并行化熵编码方案,通过引入“哈夫曼标记词”,在二次压缩的编码环节提取解码环节所需的参数信息,实现了多线程熵编码过程中的子图均衡分割与非字节对齐数据的写入。实验结果显示,使用两个线程熵编码速度为单线程熵编码的1.6倍以上,编码速度明显提升。(2)在X86与ARM架构下,本文分别设计并实现了相应的单指令多数据(Single Instruction Multi Data,SIMD)数据并行化熵编码方案。通过使用SSE2指令集与ARM NEON intrinsic指令集,分别完成了相应架构下对熵编码算法代码的数据并行化重构,完成了对熵编码的数据并行化优化。对比试验的结果显示,在X86架构与ARM架构下SIMD指令对于熵编码速度的提升幅度分别在55%与40%左右。(3)研究使用指令并行(Instruction Level Parallelism,ILP)进行熵编码算法的加速设计,充分利用现代CPU内部乱序执行(Out-Of-Order Exection,OOOE)与超标量(Super Scalar,SS)架构的硬件特点。通过对编码算法的改造使得熵编码过程中指令并行化的概率得到提升,最终实现了熵编码速度的提升。对比实验显示,经过指令并化改造后的算法相较于原有的算法的编码速度提升了10%左右。本文通过研究利用线程并行化、数据并行化以及指令并行化等三个层面的技术,结合熵编码算法进行了针对性的设计,探索了不同并行技术对熵编码模块运行性能的优化表现。不同层面的优化方案可以进行组合使用,以满足不同应用场景下的编码并行化需求。最后,通过对比试验验证了上述改进方案在不同CPU架构下,对不同JPEG模式下编码速度提升的幅度,为该技术用于实际应用提供了参考依据。

关键词： 无线   无电池   鼠标   低功耗   超外差接收机   温差发电  

摘要： 鼠标作为我们日常办公用品,与我们的工作和生活密切相关。但是有线鼠标每次使用都要连线插电,而无线鼠标需要用户定期更换干电池或者进行充电。为了降低鼠标功耗,延长干电池的使用寿命,一方面可以采用更低功耗的无线通信模块,但是目前市场成熟的无线通信模块功耗仍然处于较高水平。另一方面可以采用反向散射通信技术,但是传统无源反向散射标签的通信距离非常受限,而且环境中的微波能量源存在不稳定的现象;而传统的有源反向散射标签存在自干扰的问题和数据速率低的问题。因此针对以上问题,本文提出了一种新型的超低功耗无线无电池鼠标系统,其具体内容如下: (1)新型低功耗传感信息发射模块:针对现有鼠标无线通信模块功耗高的问题,本文使用隧道二极管制作鼠标的无线通信模块。隧道二极管制作的无线通信模块在230m V供电电压下,功耗仅为198μW,而其输出功率能够达到-11d Bm。同时本文设计的分压、稳压电路,能将单片机输出的基带信号进行分压和跟随,实现无线发射模块在高达1Mbps的OOK调制速率下输出功率达到-14d Bm以上。该新型低功耗传感信息发射模块功耗低、输出高。 (2)新型无线无电池鼠标实现架构:针对反向散射技术存在的自干扰问题,本文设计照射源频点与无线鼠标发射端频点分开。本文设计照射源在鼠标接收端,由电脑供电。本文设计的微波能量收集电路可以收集840MHz频段的微波能量,并且在输入功率为-10d Bm时的最佳能量转换效率为32%,在输入功率为5d Bm时的最佳转换效率为52%。 (3)温差发电模块设计:该模块实现采集人手心的温度能量并转换为电能存储和供电功能。该模块采用TEG温差发电片采集人手心温度并通过LTC3108芯片将温差发电片输出的低电压升压至后端电路所需电压并为后端电路供电,同时对多余的能量进行存储。经测试,在10℃温差、负载200Ω条件下,该模块能够稳定的输出50μW功率。 (4)鼠标接收与解调模块:接收端采用超外差接收机接收并利用单片机解调,本文设计的超外差接收机在500Hz调制速率下灵敏度达到-92d Bm,在200kbps调制速率下鼠标通信距离达到3米。 本文设计的无线无电池鼠标系统具有脉冲宽度调制功能且调制速率能够达到1Mbps。在调制速率为1Mbps,每100ms发送一个数据包的条件下,发射系统整体功耗仅为19μW。在调制速率为200kbps,每100ms发送一个数据包的条件下,发射系统平均功耗55μW。而提高鼠标的发送频率至10ms一个数据包,在1Mbps调制速率下,系统平均功耗152μW,处于领先水平。在微波能量供电条件下通信距离能够达到3米,且误码率不到千分之一;在TEG温差发电模块供电条件下,通信距离能够达到2米,且误码率不到千分之一。