关键词： 雷达显控系统   OsgEarth   可视化显示   多线程  

摘要： 雷达显控系统是整个雷达系统中的重要组成部分。将显控系统连接架设在道路场景中的交通雷达,可实现对道路场景的监视。显控系统的基本需求包括:对交通车辆数据进行解析处理、统计分析、可视化显示存储以及对雷达的工作模式进行控制。对于复杂的道路交通场景,如何在场景中实现更好的数据可视化效果是显控系统开发的一个难点。为解决以上难点,本文设计了一款毫米波交通雷达显控系统,可在较为复杂的交通场景中进行综合性数据处理,且具有较强的可视化能力。本文的主要工作内容如下: (1)从毫米波交通雷达显控系统的特点和需求出发,制定整个显控系统的功能需求和结构组成。制定显控系统与雷达系统的通信协议,实现雷达系统参数调整以及目标数据接收的功能。 (2)使用日志文件和MySQL数据库对系统中的不同数据进行分类存储。可通过读取文件以及查询数据库的方式实现数据读取;可查询数据库中的历史交通参数信息生成各时间段的数据报表。使用事件过滤器和双缓冲绘图的方式实现显示界面图形绘制,可随着显示界面的切换在不同的显示窗口绘制图形,绘制的图元类型包括道路场景、车辆目标信息、车辆轨迹等。 (3)内嵌GIS组件搭建地图显示终端,实现雷达数据在三维地图中显示的功能。使用OsgEarth地图引擎构建三维地图,可实现对地图模型中各个数据及场景节点的精确便捷控制。采用分层LOD显示的方法加载离线地图和外部模型,实现交通监控场景的搭建和雷达检测目标的运动和更新,并提高在地图显示终端中对数据模型的加载效率。 本文设计的显控系统综合性高,可视化水平较强。配合毫米波交通雷达使用可在道路场景下对交通车辆信息进行可视化显示与数据分析,有一定的实用意义。

关键词： 蓝牙mesh   低功耗蓝牙   路由优化   智能灯控系统  

摘要： 蓝牙mesh组网技术是蓝牙技术联盟提出的一种以低功耗蓝牙为基础,采用管理型泛洪路由进行消息传输的网状拓扑网络技术。使用蓝牙mesh搭建智能灯控系统,给用户带来更加便捷的使用体验,广泛应用在智能家居和智能楼宇等物联网领域中。本文以蓝牙mesh技术为基础,选择办公楼为应用场景,引入机会路由概念和能耗模型,设计新的路由度量指标用来权衡节点的路径开销和能量消耗,提出一种基于泛洪机会路由算法改进的能耗优化路由算法。通过新的路由度量指标选择网络中合适的候选中继节点,构建候选中继节点集并按照优先级排序,并结合相应的节点间协调机制,减少消息的重复转发,以解决管理型泛洪路由存在的问题,降低系统能耗,提高传输成功率,从而提升网络性能。 本论文首先介绍了研究课题的背景和意义,概述了蓝牙不同版本更新迭代的发展现状以及智能家居系统的研究现状;接着讲述了低功耗蓝牙和无线mesh的相关概念,引出本文重点研究的蓝牙mesh网络技术,对其中常用的路由协议进行概述,并分析它们的优缺点,着重分析在本文应用场景下管理型泛洪路由协议面临的主要问题;然后对管理型泛洪路由算法存在的问题进行优化改进,提出一种能耗优化路由算法,并在NS2网络仿真平台上在相同网络环境下对管理型泛洪路由算法、Ex OR机会路由算法和改进后的算法进行对比,仿真结果表明改进后的能耗优化路由算法相比Ex OR的整体能耗降低了8%、相比管理型泛洪的能耗降低了18%、比管理型泛洪路由的数据包传输成功率提高了14.24%;最后根据本文应用场景设计一种智能灯控系统,先介绍系统的组成部分,再测试网络中节点设备的功能,验证本文提出的灯控系统方案的可行性,然后分别测试改进前和改进后系统的网络性能指标,结果表明,改进后系统相对于改进前的功耗降低了16.4%,数据包传输成功率提高了6.51%,对智能家居应用场景扩展有一定的参考价值。

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。

关键词： 室内外定位   数据传输系统   模块化设计   窄带物联网   远距离无线电  

摘要： 随着当下生产生活环境日趋复杂，在生产安全和人员管理方面出现了许多值得关注的问题。例如学校、大型交通枢纽、矿山、化工厂等场所内的人群，常在室内外场景不断穿梭，人们也不再满足于单一的室外环境或室内环境下的定位服务。本文旨在设计一种低功耗的室内外定位数据传输系统，该系统在硬件设备上由定位信标、定位终端和定位基站组成，将室外卫星定位和室内蓝牙定位相结合，通过LPWAN技术实现定位终端与上层设备的通讯。主要工作内容如下：　　（1）定位数据传输系统总体设计。确认系统需求以及总体的框架结构并分别对系统硬件方案和软件设计进行阐述。　　（2）定位模块设计与实现。基于BLE主动扫描动作，为蓝牙信标设计了一种不影响系统定位精度的、低功耗的广播频率自适应工作模式。设计了具有重发、校验和超时机制的UART消息处理程序，实现终端主控芯片对GNSS模块的AT命令下发和回应接收功能。实现了一种高效的、低功耗的室内外定位方法无缝切换方法，克服室内外场景切换过程中的乒乓效应和卫星定位响应慢问题。　　（3）数据传输模块设计与实现。设计了NB-IoT和LoRa两种技术融合的高效高可靠定位数据传输方案。基于FreeRTOS系统对NB-IoT和LoRa定位终端程序进行开发。基于基站定时发送的同步包，LoRa 终端采用固定时隙的信道划分方法，实现了定位数据的可靠传输。通过级联基站方法，增加同一地点下的上行信道带宽，进而提高 LoRa 终端并发量，并开发了对应的基站同步方法规定LoRa终端通讯对象。　　（4）系统管理模块设计与实现。设计了一系列报警、GNSS 控制和配置命令与对应的处理子模块，拓展本系统的辅助功能。开发了本地数据管理子模块避免重要参数掉电丢失，通过蓝牙模块对参数便捷读取和配置。利用加速度传感器实现了低功耗子模块，大幅缩短终端正常工作时间。根据定位基站需要与服务器端进行网络通讯、维护基站运行稳定性和配置重要参数的额外需求，基于Linux程序设计了对应进程。

关键词： 锁相环   带宽校准   相位噪声   低功耗   车载智能设备  

摘要： 全球智能化应用飞速发展,新能源车的车载智能设备(包括安全系统、娱乐系统、传感器系统等)正逐步实现智能手机的功能,引领了全球智能终端的又一个巨大市场和研究热点。锁相环作为车载智能设备的无线收发机中不可缺少的模块,其性能及功耗在整体电路起关键作用,因此研发低功耗、高性能锁相环电路对推动新能源汽车的智能系统开发与应用具有重要意义。本文基于40nm CMOS量产工艺平台,开展了适用于车载智能设备的2.4GHz频段低功耗锁相环电路研发。论文主要工作及取得成果如下:首先,在分析电荷泵锁相环结构及工作原理的基础上,利用Matlab工具建立了环路的相位噪声模型,并进行了Simulink行为级模型的系统设计与验证。其次,对电荷泵锁相环的子电路模块进行了具体的仿真设计。在压控振荡器的设计中,采用电流复用的互补型振荡器结构和开关电容阵列模块,优化了相位噪声和电流功耗;在电荷泵的设计中,采用电流转向型的可编程电荷泵和高增益的运算放大器,抑制了电荷共享效应,并通过共源共栅的电流源结构增大电荷泵的输出阻抗,提高了电流的匹配精度;在分频器的设计中,采用改进型TSPC分频单元和拓宽分频范围的级联可编程分频器,消除了输出频率与分频范围的设计矛盾,实现了分频比的拓宽以及电流功耗的优化。另外,考虑到环路带宽受频率调谐增益和工艺偏差的影响,本文设计了一种可抑制工艺偏差的带宽校准技术,通过采用反比于滤波器电阻的电荷泵基准电流源,抵消了无源器件的工艺偏差对带宽造成的影响,再根据校准环路所得到的不同频段的频率调谐增益,对电荷泵输出电流进行相应调整,完成环路带宽的校准,保证了系统的稳定性。最后,针对所设计的锁相环电路进行了版图设计及后仿真。基于40nm CMOS工艺平台,该款电路版图面积为416.118um*336.700um(不含数字校准电路),后仿真结果显示,在电源电压为1V的条件下,锁相环的输入参考频率为32MHz,锁定时间为32us,相位噪声为-112.67d Bc/Hz@1MHz,输出频率范围为2.193GHz-2.576GHz,整体电流功耗为1.949m A。电路性能均达到预期的设计指标,且在低功耗方面具有较突出优势。

关键词： 低压差线性稳压器   带隙基准   稳定性   瞬态响应   低功耗  

摘要： 随着5G通信技术的快速发展,物联网系统已经成为一个广受关注的领域。在物联网系统中,各种传感器、智能设备和控制器都需要稳定可靠的电源供电。由于物联网设备本身的工作电流往往比较小,为了提高系统的效率和延长其运行时间,需要采用低静态电流的电源供应器件,从而实现高效稳定的电源转换。而低压差线性稳压器(Low dropout linear regulator,LDO)由于其低噪声、低波纹和低电磁干扰等优点而成为物联网系统中电源转换的主要选择之一。本文以5G物联网系统为背景,旨在设计一种低静态电流瞬态增强型线性稳压器,以保证物联网电源系统的低功耗和稳定性。在研究学习了LDO的基本理论知识后,设计了一款应用于5G物联网系统的低功耗瞬态增强LDO,主要包括基准电压源、误差放大器、功率管反馈级、自适应偏置补偿电路、过温保护和过流保护等模块。为了使系统在全负载范围内保持稳定,本文采用cascode补偿再结合自适应偏置技术环路补偿。为了增强线性稳压器的瞬态响应特性,设计了过冲抑制电路,可以有效防止输入端的过冲电压对后级电路造成的影响。为了减小功耗,采用低静态电流器件和电路结构。最终实现了在轻载时具备较低的静态电流,负载时具备良好的瞬态响应能力。此外,还设计了过温保护和过流保护电路可以有效提高电路可靠性。本文电路基于SMIC 0.18μm CMOS工艺,设计了一款快速启动的带隙基准电压源,在3.5 V电源电压下稳定输出1.2 V零温度系数低温漂的参考电压,上电启动时间在18μs,其温度系数为11.88 ppm/℃。总电路的静态电流消耗为31.75μA,其中带隙基准电路静态电流为6.45μA,保护电路静态电流为4.21μA,LDO模块电路静态电流为20.89μA。输入电压范围在1.65-3.5 V,可以稳定输出1.5V。其负载能力最大为100 m A,从空载到重载的整个负载电流范围内,低频环路增益达到98 d B,最差相位裕度达到87度,线性调整率为0.0875 m V/V,负载调整率为8.49μV/V,瞬态响应中最大输出电压纹波为130 m V,恢复时间在4.3μs内,PSR在1k Hz处为-62 d B,输出负载电容为100 p F,可以直接集成在芯片内部,无需再添加片外电容。

关键词： 龙芯1C   鸿蒙LiteOS-M内核   MIPS架构   构建系统   龙芯1C外设驱动库   CPU性能测试  

摘要： 近年来,随着中国嵌入式软、硬件的不断发展和壮大,嵌入式平台应用领域的需求也随之不断扩大。此外,由于国际形势的变化和国外技术封锁的影响,中国在芯片领域的自主创新和发展面临着一定的困难和挑战。因此,研究开发一款纯国产的嵌入式平台具有非常重要的意义。这款平台不仅可以打破国外对我国芯片的封锁,从而提高我国在嵌入式应用领域的核心竞争力,而且还能确保信息的安全性,保护我国的国家安全利益。基于龙芯平台的嵌入式实时性鸿蒙Lite OS-M系统平台具有高效、安全、稳定的特点,可以提高嵌入式系统的运行效率和稳定性,从而为航天领域的嵌入式应用提供更加可靠和高效的支持。同时,该系统也可以为国内其他领域的嵌入式应用提供有力的支持,促进国内的嵌入式产业的快速发展。龙芯1C硬件平台的体系架构和鸿蒙Lite OS-M轻量级系统的兼容性研究是系统移植成败的重要影响因素。为了实现该目的,本研究详细分析了鸿蒙Lite OS-M内核架构,并设计改造了CPU通用体系架构层,进而封装了龙芯1C外设驱动库。gn和Ninja的组件化构建系统凭借其高效和对多种嵌入式系统的兼容特性,对内核的裁剪、内核的移植方面发挥了重要作用。本文采用gn和Ninja的组件化构建系统完成了基于智龙v2.0开发板的鸿蒙Lite OS-M内核移植,并对移植后的软、硬件适配度进行了测试。具体研究内容如下:(1)通过对鸿蒙Lite OS-M内核进行分析,重新设计了arch目录,使之支持第三方MIPS架构芯片。针对航天领域高实时性的要求,分析了其在实时性方面可能存在的不足。(2)构建了gn和Ninja的组件化构建系统,搭建了交叉编译环境,分析了PMON引导流程;根据实际需要,对内核配置文件target＿config.h进行配置,对内核进行裁剪,得到了移植所需最小内核;通过测试程序完成循环调度延时,测试最小内核可以正常调度以及时钟正常。(3)重新设计并封装龙芯1C外设驱动库,将龙芯1C外设的功能封装成函数,主要包括gpio、i2c、硬件定时器、软件延时器等,通过组件化构建系统导入鸿蒙工程中,完成最小内核移植和板级驱动适配后,通过测试程序测试软、硬件的适配度,并对CPU性能进行了测试。本文主要完成了基于龙芯1C的鸿蒙Lite OS-M最小系统移植和性能测试。通过对鸿蒙Lite OS-M内核进行分析,一方面为系统移植arch层设计做好理论工作,另一方面研究其实时性不足之处和导致其实时性不足的主要因素,目的是在这些分析和研究的基础上对内核进行一定的优化,继而使其能更好的应用在多种场景下。

关键词： 高性能   逐次逼近型模数转换器   低功耗   参考电压驱动  

摘要： 高速发展的片上系统SOC(System On Chip,SOC)技术对逐次逼近型模数转换器(Successive Approximation Analog to Digital Converters,SAR ADC)提出了高性能低功耗的要求。SAR ADC中的电容型数模转换器(Digital to Analog Converters,DAC)会在转换过程中从参考电压上汲取或者馈入电荷,进而引起参考电压的抖动。然而,参考电压作为SAR ADC中量化的“标尺”,其稳定性、精度以及噪声等性能都会直接影响到SAR ADC的性能。在高速的SAR ADC中,较易集成的传统有源参考电压驱动会有很高的功率消耗,这对于低功耗的设计要求是相悖的。此外,通过外接一个大的片外解耦电容,可以来降低传统有源参考电压驱动的功率消耗,但由于开关电容的快速切换,导致参考电压的电荷馈入,造成片内参考电压的震荡。为了使参考电压快速恢复到精度的要求,需要很大片的内解耦电容来吸收电荷,这将会占用很大的片内面积,无法满足集成度的要求。高性能SAR ADC的参考电压驱动技术已成为决定SAR ADC能否实现高性能的关键技术之一。 通过分析现有参考电压驱动技术,总结出参考驱动技术受限原因是SAR ADC中参考电压上的电荷损失,从而导致参考电压的精度不准确。本文所设计的参考电压驱动采用一个独立的解耦电容作为无源参考电压驱动,避免了传统有源参考电压驱动带来的高功耗或大面积的问题,并对电荷损失进行分析和补偿,在补偿DAC驱动作用下,恢复了SAR ADC的线性度,实现一个具有面积小、逻辑简单的优化补偿DAC参考电压驱动的方案。通过Matlab基于10 bit SAR ADC的架构下仿真,采用15倍DAC阵列总电容大小的独立解耦电容作为无源参考电压驱动,并在优化补偿DAC驱动的作用下,实现了SAR ADC性能指标无杂散动态范围与信噪失真比约有20 d B与10 d B的提升,同时降低了补偿电路设计的难度。在电路模拟仿真结果中,SAR ADC的性能表现出与行为级模拟仿真结果相似的提升趋势。此外,将此方案分别拓展到12 bit与13 bit SAR ADC的架构下仿真,无杂散动态范围与信噪失真比分别有约30 d B与20 d B以上的提升,以及补偿DAC所需补偿电容数量有明显的下降。

关键词： 无线传感器网络   复杂林区环境   可靠组网   低功耗   DV-Hop算法  

摘要： 森林火险的及时掌握以及林火的早期探测对于森林火灾的精准防控至关重要。目前森林火灾的防控主要采用地面巡防、瞭望哨驻守、远程视频监控和卫星遥感等方式。尽管取得了一定的效果,但均受制于森林复杂的地理环境及恶劣的气象条件。虽然无线传感器网络技术的发展为森林火灾防控带来了新的契机,但仍然存在节点通信距离短、能耗高及网络拓扑不稳定等问题。因此,亟待研制一种适用于复杂林区环境的无线传感器网络系统,设计林区强遮挡环境下低功耗可靠无线通信组网协议,实现感知信息的远距离、稳定传输。本文提出了混合的介质访问控制协议(Media Access Control protocol,MAC)、改进的分级路由协议以及节点定位算法等一系列低功耗组网协议设计方案,为复杂林区环境无线监测系统的低功耗、稳定可靠监测提供了新的技术思路。论文主要工作如下:(1)对林区环境特征及其对无线通信的影响进行分析,提出了林区环境无线传感器网络的组网需求。通过对多种无线通信技术进行对比,将远距离、低功耗的LoRa技术应用在林区监测上,对现有的MAC协议、路由协议和节点定位算法进行改进,旨在优化网络性能、提高数据传输的可靠性,并适应复杂林区环境中的不确定性和动态性。(2)首先结合基于分配和竞争的MAC协议的优点,提出了一种可根据网络负载情况,自适应调整的混合MAC协议。然后提出一种分级的路由协议,该协议以网关节点为根节点构建一颗树,叶子节点沿着生成树路径传输数据包至根节点,经过树中簇头节点的层层融合处理,大大减少原始数据传输量,降低了能耗。最后,设计了系统中节点的软件和云平台,并对系统的工作流程进行了详细阐述。(3)结合林区环境特征,本文提出了一种新方法,旨在改进传统非测距的距离向量跳数定位算法(Distance Vector Hop Localization Algorithm,DV-Hop),以减少在林区环境中应用该算法时的误差。首先使用多通信半径的思路,修正了DV-Hop算法中的最小跳数计算;随后引入最小二乘准则和加权系数,修正了平均跳距计算。通过仿真分析,改进后的算法在定位精度上面优于传统算法。(4)搭建硬件测试平台,测试多个节点的组网效果以及节点的定位精度,并对系统的生命周期及稳定性进行测试。测试结果表明,所提出的林区无线传感器网络系统方案可实现对复杂林区环境的长时间稳定且可靠的监测。

关键词： 程序安全   模糊测试   多线程程序   并发缺陷  

摘要： 随着超线程与多核技术的发展,编写多线程程序成为了提高软件性能的重要手段。但多线程程序也带来了许多并发缺陷,给软件安全带来了严重威胁。本文结合静态分析和模糊测试,提出了面向多线程并发缺陷的模糊测试方法,主要研究工作与贡献如下:为了提升模糊测试在多线程程序上的效率,本文为模糊测测试增加了新的程序运行衡量指标,包括并发行为窗口和CFG(控制流程图)预测指标。其中的程序运行分析模块利用静态分析技术提取程序源代码中的并发信息,并通过插桩函数来收集程序运行信息,同时将代码覆盖率,并发行为窗口和CFG预测指标作为程序运行衡量指标,增强模糊测试对多线程程序的感知能力。在加入的程序运行衡量指标中,并发行为窗口能够代表程序运行中线程交错的情况,而CFG预测信息则能通过控制流程图信息提供程序未能实际运行部分的预测性信息。本文为模糊测试加入了多目标优化方法,该方法对模糊测试的种子能量分配,种子变异,线程调度策略以充分利用加入的新衡量指标并提升并发模糊测试效率。其中种子能量分配策略将模糊测试过程分为探索阶段和利用阶段。在探索阶段,通过统计分析所有种子文件(有效测试文件)的数据,建立不同指标检测参数之间的关系。在利用阶段,该策略能够根据种子文件在指标上的综合表现调整其参与变异操作次数等能量分配情况,并利用种子文件间的差异施加针对性的变异操作,其中变异操作主要是指模糊测试不断对种子文件进行修改以获取更多不同的程序运行状态。并且为了应对传统模糊测试缺乏线程空间探索能力的问题,本文结合Linux系统的线程管理方法,对线程交错调度模块进行了优化,加强了模糊测试对线程交错的探索能力,能够有效探索多线程程序状态空间,避免遗漏难以触发的并发相关缺陷。最后,本文结合静态分析和模糊测试实现了一个面向多线程并发缺陷的模糊测试原型工具TSAFL。通过在7个广泛应用的开源多线程程序上进行对比测试和评估,该工具能够有效地检测并发缺陷,在并发缺陷检测和多线程程序执行路径探索方面有更好的表现。