关键词： RPL协议   P2P通信   分布式策略   COOJA仿真器   FuIPv6协议栈  

摘要： RPL(Routing Protocol for Low-power and Lossy Networks)是一种专门设计用于低功耗和有损网络(Low-Power and Lossy Networks,LLN)的路由协议,以针对解决LLN存在的低功耗与低连接问题。RPL网络协议被应用于数据流集中向某点汇聚场景的LLN,但在大多数应用LLN的场景中,非汇聚节点之间的点对点(Point-to-Point,P2P)通信同样重要,当前RPL网络虽然支持平行节点之间的P2P通信,但存在效率低下、丢包率大等问题,不能满足高频次P2P通信环境中对通信质量的要求。为解决上述问题,本文研究了如下内容: 首先,提出了一种基于RPL网络的分布式最优路由发现的P2P通信策略,用于对现有RPL协议提供在P2P通信方面的完整补充协议,称为FRPL。该协议在现有RPL网络基础上,通过设计路由度量以及新的路由发现控制信息,并规定其路由规则,从而捕获从源节点到目的节点可能的链路信息,然后发现出最优P2P路由,同时设计了路由维护机制以适应网络动态变化。 其次,立足于实际实验需求和优化实验平台,为延长网络通信可靠性和通信距离,设计硬件实验平台。并且为考虑实际情况中,软件代码和硬件平台的适配性以及适应无线传输稳定性和距离要求,首先设计了基于LoRa技术作为底层驱动且上层支持FRPL的无线通信协议栈FuIPv6,然后对设计的FuIPv6协议栈和轻量级操作系统Contiki-OS进行了适配性移植,以奠定在硬件平台上对FRPL的实现基础。 最后,通过Contiki操作系统内置COOJA仿真器对所提出的FRPL进行了实现,并通过大量仿真,说明了在仿真环境中,本论文所提出的FRPL路由协议相较于传统RPL路由协议在非根节点之间的P2P通信环境下的通信延时、数据接收率以及能耗方面,均得到了极高的提升。并且在实际环境中,搭建了实验场地,通过足够的实际实验,再次检验了FRPL路由协议在P2P通信方面的优越能力。

关键词： 带隙基准   低压差线性稳压器   低功耗   频率补偿   稳定性  

摘要： 随着以电池为供给器件的便携式电子产品的普遍应用,其续航能力和体积受到市场用户的重视。影响续航和体积的因素除了电池的材料和结构外,还有电源管理电路。电源管理电路通过减小能量损耗和防止电池过度放电来提高供电电池的寿命。低压差线性稳压器(LDO)作为电源管理芯片中的线性调制IC,以其在噪声、功耗、响应速度、易于集成等诸多方面的优势在电源管理芯片的市场中占据着重要地位。为进一步改善以电池为供给器件产品的续航能力,本文针对便携式产品对能耗的需求设计了一款低功耗低压差线性稳压器。本文的低功耗低压差线性稳压器的主要研究内容有:(1)针对低功耗设计需求,基准电路采用阈值电压差值和热电压系数补偿的方式以获得基准电压,通过将MOS管工作在亚阈值区,使整个基准电路具有极小静态电流,良好温度系数、低输出噪声和高电源电压抑制比;(2)设计了套筒式共源共栅放大器和共源放大器级联而成的两级运放结构,在保证误差放大器高增益的同时兼顾了电路的噪声、速度和功耗等多方面指标;(3)为克服两级运放结构和功率级组成的三级运放带来的多极点稳定性问题,本文引入米勒补偿来改进电路稳定性。通过多级频率补偿结构开环传递函数的分析,证明了电路系统具有良好的稳定性。本文在CSMC 0.18μm BCD工艺下设计出LDO的有效输入电压范围为1.68～3V,稳定输出1.62V电压,最小静态电流为10.8μA,漏失电压为59.8m V,线性调整率为9.8m V/V,负载调整率为17m V/A,表现出良好的输出精度,系统的相位裕度为60.19°,在1k Hz以下的低频范围内,电源电压抑制比为67.63d B,基本达到设计需求。

关键词： NB-IoT智能传感器   能量管理电路   软件策略   低功耗  

摘要： 近年来,物联网技术发展迅速,NB-IoT已成为物联网技术中增长最快的技术之一。对于如智慧矿山的长距离无线通信应用场景,NB-IoT智能传感器节点的功耗问题也一直是热点话题。目前NB-IoT智能传感器节点主要是电池供电,电池的能量有限,由于节点数量多,电池更换艰难,在电池容量有限的前提下,为了提高节点的使用寿命,降低节点的功耗尤为重要。NB-IoT智能传感器主要由:敏感器件、信号调理电路、MCU电路、NB-IoT电路和电源电路等组成。这些电路在静态和动态情况下都会产生能量的损耗。低功耗电路设计和软件控制策略对延长传感器的使用工作寿命十分重要。本文通过设计低功耗能量管理电路和低功耗软件策略,来实现NB-IoT智能传感器节点低功耗的功能。本文具体研究内容如下:首先,本文研究了NB-IoT智能传感器的能耗特点,通过设计低功耗能量管理电路,实现对负载工作状态的检测,通过对能量变换器输出能量的控制,进而降低了NB-IoT智能传感器的静态能耗。使得电池能量的利用率大大提高,增加了传感器电池的使用寿命。其次,本文研究了NB-IoT智能传感器的数据传输特点,通过全连接神经网络建立传感器数据与能量的映射关系。传感器的数据作为全连接神经网络的输入层,通过中间层的计算,在输出层得到能量控制的结果,实现了NB-IoT智能传感器数据对能量的控制。通过低功耗软件策略,提高了电池能量的利用率,增加了传感器电池的使用寿命。最后,本文对低功耗能量管理电路和低功耗软件策略进行了仿真实验。通过对低功耗能量管理电路的仿真可以发现,该电路进一步减小了NB-IoT智能传感器的静态电流。同时低功耗软件策略的实验表明,全连接神经网络的决定系数达到了0.99,实现了传感器数据对能量的控制。通过低功耗能量管理电路和低功耗软件策略的联合仿真与分析,实现了NB-IoT智能传感器硬件和软件的低功耗,进一步提高了电池能量的利用率,增加了传感器电池的使用寿命。

关键词： 功耗   时钟门控   DVFS   UPF  

摘要： 随着半导体产业的发展以及电子设备的普及,在提高性能以满足用户需求的同时,如何降低设备的功耗逐渐成为一大难点。本文的研究对象是采用TSMC28nm工艺的GPU芯片,对其进行低功耗方案的可行性研究和论证。在本文研究内容中,由于芯片的时钟信号数量庞大且分布广泛,因此采用时钟门控技术以减少时钟信号的翻转次数,从而达到降低动态功耗的目的。同时,本文提出了一种自适应动态调压频率缩放方案,有效地将电源门控技术、多电源技术和DVFS技术结合起来,以达到对子系统工作负载的监控,实现对动态功耗和静态功耗的优化。 在本文的研究工作中,根据芯片的架构将其划分为六个电源域,各个电源域的供电电源支持独立可编程控制,并对各个电源域进行隔离单元和电平转换单元等策略的研究与规划。根据UPF2.0标准,实现对电源域、电源集、电源状态表、隔离单元、电平转换单元等策略的建模,以实现多电源技术和电源门控技术。在此基础上,设计具有带宽监测功能的axi＿monitor模块,实现对各个子系统工作负载的监控和判断,联合PLL调频模块,实现对相应子系统的电源电压的调节和工作频率的调整,同时联合PMU模块,实现对隔离单元的有效控制。利用VCS、Verdi、Spy Glass、VC LP和DC Compiler等工具,实现对UPF设计文件和RTL设计文件的仿真、验证和综合,最终得到可靠的UPF设计文件和RTL设计文件。 在0.81 V工作电压、800 MHz基础频率下,成功对设计进行综合。得到时钟门控单元覆盖率高达99.63%的良好结果,并得到芯片采用低功耗方案和未采用低功耗方案的功耗数据。应用低功耗方案后,芯片的总功耗降低了38.2429%,其中短路功耗降低了7.7009%,开关功耗降低了44.3394%,静态功耗降低了42.3934%。事实证明,本文所采用的低功耗方案是切实可行的。

关键词： STT-MRAM   近阈值   读取功耗   写终止   自旋逻辑器件  

摘要： 自旋转移矩磁随机存储器(STT-MRAM)作为一种新兴的存储器,凭借其非易失性、零静态功耗、近乎于无限的可擦写次数、较高的集成度和与CMOS工艺兼容等优势,使其成为下一代片上缓存和通用存储器的候选存储器之一。本论文围绕STT-MRAM的读写功耗问题和可靠性问题,从读写电路级和存储架构级展开探索与研究。首先针对读电路中最重要的灵敏放大器部分,设计一种工作在近阈值电压附近的灵敏放大器(SA),能够极大地降低读取功耗,并能消除泄露电流的影响;然后针对写电路,提出一种双端叠加抗噪声电阻监测写终止电路,在感测裕度、读错误率、保持良率、终止良率、回跳良率、写终止信号延时、功耗延时积等相关性能参数相比传统写终止方案有较大提升;随后,基于目前自旋转移矩驱动的垂直磁各向异性磁隧道结模型以及65 nm工艺CMOS模型,评估所设计的读写电路在存储器阵列和片上缓存上的性能;最后,为探索低功耗读写电路在存内逻辑运算中的应用,提出一种基于自旋逻辑器件的低功耗存内逻辑计算架构。本文的主要创新成果归纳如下:(1)用于深亚微米级STT-MRAM的漏电流消除电流采样灵敏放大器。在非易失性存储器的设计中,由于高频读取操作,灵敏放大器(SA)贡献了大部分存储器功耗。因此提出了一种漏电流消除电流采样检测放大器,其通过在近阈值电压区域工作来抑制读取功耗。所设计的LCCS-SA采用失调电压消除技术和单端差分电路结构来补偿泄漏电流的影响。在近阈值电压区域,该方案有效抑制了位线泄漏电流引起的读取失败。蒙特卡洛仿真表明,所提出的LCCS-SA可以在0.4 V的电源电压下工作并极大地降低每比特读取功耗。(2)用于STT-MRAM中可靠写入操作的双端叠加抗噪电阻监测写入终止方案。尽管STT-MRAM的电阻监测写终止方案可以减少写功耗,但由于低隧道磁阻比和随工艺变化的噪声干扰导致读取裕度下降,恶化了写终止操作的稳定性。因此提出一种双端叠加抗干扰电阻监测写终止方案(DSA-WT),其中BL和SL上的电压变化可以叠加,以提高读取裕度。采用施密特触发器来代替传统写终止方案中的反相器,进一步提高了写终止电路的稳定性。基于65 nm的CMOS工艺仿真,所设计的DSA-WT方案在各种PVT条件下读取裕度、读取误码率、写完成延迟和功耗延迟积性能都有明显改善。(3)基于自旋逻辑器件的低功耗存内逻辑计算架构。基于一种具有电控磁化开关的可编程自旋逻辑器件,提出了一种低功耗存内逻辑计算架构。该自旋器件基于Pt/Co/Al Ox结构,利用非对称双边栅极电压可以实现自旋器件无场垂直磁化翻转和可控翻转极性。此外,结合电压控制磁各向异性效应调节临界SOT电流的能力,自旋逻辑器件表现出更多样化的可编程能力。实验验证了该自旋逻辑器件的五种布尔逻辑函数以及半加法器函数。通过将低功耗读写电路与自旋逻辑器件相结合实现了存内逻辑计算架构。

关键词： 片上网络   路由器架构   功率门控   高性能   低功耗   能量效率  

摘要： 随着集成电路技术和计算机体系结构设计的进步,越来越多的核心可以被集成到一个芯片中。单个处理器上集成的核心数量及其并行化程度成为了衡量处理器性能的重要指标。面对不断增加的核心数量,核心之间的互连结构逐渐成为了影响芯片整体能效的主要因素之一。相较于总线结构,片上网络具有更好的可扩展性,更低的传输延迟和更高的吞吐量,成为了大规模多核和众核系统的主要互连架构。然而,随着系统集成的核心数量进一步增加,片上网络也变得更加复杂,对系统的整体性能和功耗约束也更高。面对日益增长的通信需求,设计更高能效的片上网络至关重要,这也是当前和未来大规模多核和众核系统设计必须解决的重要问题。 路由器是片上网络的核心组件,其能效直接影响片上网络的整体能效。本文围绕片上网络的高能效路由器架构设计,主要在以下四个方面进行了探索性研究: (1)提出了双通道路由器架构设计。流水线深度和网络拥塞是影响片上网络能效的关键因素。该设计通过结合前瞻路由和低负载旁路技术实现了单周期路由器流水线,从而缩短了流水线深度。此外,该设计还设计了双通道结构和级联交叉开关来优化路由器内部数据路径,从而减少了因数据包竞争而产生的网络拥塞。基于PARSEC基准应用和综合流量的评估,结果表明,该设计降低了44.8%的延迟,提高了37.8%的吞吐量和30%的能效。基于65纳米工艺的综合结果表明,该设计还能够将路由器时钟频率最高提升18%,从而进一步提升网络性能。 (2)提出了面向虚通道的功率门控方案。在功率门控的片上网络中,唤醒延迟和网络断开问题是影响网络能效的关键因素。该方案利用网络接口中的弹出队列构建了功率门控旁路,允许数据包通过旁路绕过功率门控路由器,从而消除了网络断开问题并降低了唤醒延迟。此外,该方案还设计了一种基于信令的流控机制,能够动态地替换信令计数,从而消除了微片暂停问题。基于PARSEC基准应用和综合流量的评估,结果表明,与基准设计相比,该方案的静态功耗降低最高可达82.5%,能效平均提升8.7%。基于45纳米工艺的综合结果表明,该方案的实现开销仅增加了6.48%。 (3)提出了带宽扩展的多片上网络架构。在多片上网络中,高序列化延迟是影响网络能效的关键因素。该架构重新设计了输入端口,交叉开关分配器和网络接口,允许路由器通过利用其他路由器的空闲物理链路来扩展带宽,从而减少性能损失。其他路由器则获得了更长的休眠周期,从而节省了更多的能量。基于PARSEC基准应用和综合流量的评估,结果表明,与最先进的设计相比,该架构降低了19.3%的延迟,减少了23.2%的静态功耗,提升了46.2%的能效。基于65纳米工艺的综合结果表明,该架构仅增加了1.4%的实现开销。 (4)提出了一体化的片上网络快速仿真工具。软硬件仿真工具多、技术跨度大是当前片上网络仿真成本高、效率低的主要原因。该平台是一款高度参数化的片上网络模拟器,增加了新的性能和功率模型,以及对跟踪驱动方法的支持。此外,该平台还设计了一款片上网络生成器,能够根据配置文件和单元库快速构建片上网络寄存器传输级模型。评估结果表明,该平台能够在系统设计的初期阶段快速地评估新设计的性能、功耗和面积开销,从而降低仿真成本,提高效率。

关键词： VCSEL   光纤光栅   低功耗   TDLAS技术   气体检测   延长光程  

摘要： 垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)目前是光纤通信领域短距离传输中至关重要的新型光源,VCSEL激光器的研究也随着纳微激光技术的发展日趋成熟,并越来越多地用于传感器领域。光纤式传感器由于其具有的体积小、传输距离长、测量精度高、抗电磁能力强、耐高温和耐腐蚀等独特的优势被广泛应用于恶劣复杂环境的工程中。因此,对于VCSEL激光器在光纤传感检测方向的研究有很大的意义。本文基于VCSEL激光器设计了低功耗光纤光栅解调系统和激光甲烷传感器系统,涉及到的主要工作内容如下:通过对VCSEL激光器光谱特性的分析,设计了一套低功耗光纤光栅解调系统。详细的介绍了本解调系统设计的基本思路和主要组成部分。其中基本思路是利用甲烷吸收峰波长作为参考波长来测量计算光纤光栅的波长变化,根据待测物理量与波长的对应关系,计算出相应的物理量参数。系统的主要组成部分包括电流驱动模块、光电转换模块、数据采集模块和上位机模块,并对其相关的硬件电路设计进行了说明。并在温度监测方面进行了相关的实验验证,实验结果表明,在10～40℃的测量范围内,解调精度为3pm,有效解调范围为3.5nm,功耗小于100m W。基于TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectrometry)技术基本原理和直接吸收光谱法,设计了一种VCSEL激光器的甲烷传感器检测系统。研究了检测系统的整体组成,包括信号发生模块、气体吸收模块和信号接收模块。从简化系统结构和节约成本的角度上,提出了一种延长光程的方案来提升优化系统的性能。设计了相关的实验验证了该方案的可行性和可靠稳定性。

关键词： 蓝牙接收机   模拟基带   复数跨阻滤波器   模数转换器   低功耗  

摘要： 随着短距离无线通信技术的发展,低功耗、低成本无线收发芯片的需求日益增加,低功耗蓝牙技术凭借着低成本、低功耗、低延时及高安全性等优势得到了广泛的应用。本文面向低功耗蓝牙系统中的镜像抑制接收机,采用无源混频后级跨阻放大器与滤波器融合、并与逐次逼近寄存器型(SAR)ADC直接级联的方案,设计了其中的低功耗模拟基带电路。本文设计的复数滤波跨阻放大器采用双二阶Tow-Thomas架构,利用差分特性和开关电阻实现增益可调,并通过I、Q路径之间的耦合实现复数滤波以有效抑制镜像信号和直流失调。所用的全差分运算放大器采用低电压设计以适应0.9 V的电源电压。本文设计的SARADC通过调节采样电容的容值实现额外的链路增益,缓解了前级跨阻滤波的增益和输出摆幅压力。在动态比较器的设计中,增加辅助锁存级以降低发生亚稳态的概率;电容阵列DAC采用裂电容的开关策略,降低了电容阵列的动态功耗并缓解了对共模电压缓冲器的功耗需求;采用异步逻辑以适应10 bit精度和32MS/s采样率的设计目标。本文基于SMIC40nm CMOS工艺,在0.9V电源电压下完成了上述模拟基带电路的原理图设计、版图设计及后仿真。本文设计的模拟基带芯片核心面积仅0.1 mm2,总功耗低于1.1mW,其中复数滤波器、ADC的功耗分别为818μW和250μW。本文设计的复数滤波器的中心频率可实现500kHz/1MHz/2MHz三挡可选,带内输出IP3为10.20dBm,通带跨阻增益高达300kΩ。整个模拟基带电路的带内输出IP3达到8.2dBm,各项指标都符合低功耗蓝牙接收机的要求。

关键词： 可见光动态视觉传感器   红外动态视觉传感器   低功耗   伪电阻开关电路   尖峰扫描仲裁器   地址-事件表示  

摘要： 生物视觉系统所具有的感知、学习和适应的能力,为现代仿生学科工程的研究和实现提供了最现实的参考范式。其在认知理解过程中表现出异步独立工作、大规模并行、事件驱动、超稀疏表示和高速高效等特点。受此视觉机制的启发,动态视觉传感器通过对视网膜杆状细胞、视神经和视觉中枢三层结构的模拟还原,模拟人眼视觉系统高时空分辨率的感知能力。动态视觉传感器与传统CMOS图像传感器相比,具有大动态范围、低功耗、低数据量和快速响应等优点。但是,在一些特殊应用场景下,例如黑夜、雨雾天气等,本就缺乏细节成像信息的动态视觉传感器性能将大打折扣。而红外成像,则具有全天候工作、灵敏度高、抗干扰能力强等优势,能够弥补动态视觉传感器这一不足。 基于此,本文设计了一款红外动态视觉传感器。红外动态视觉传感器由像素电路阵列、线或电路、二叉树仲裁电路、基于地址-事件表示的尖峰扫描仲裁电路、编码电路、电源电路、低功耗控制电路和红外焦平面阵列组成。红外焦平面阵列接收光强产生光电流,由像素电路阵列进行电流-电压转换、放大和比较,最后通过线或电路、仲裁电路和编码电路实现数据有序读出。本文首先对课题组先前的研究成果可见光动态视觉传感器进行了测试板设计和芯片测试验证,发现泄漏电流噪声、读出速度和工作温度对可见光动态视觉传感器成像质量具有较大影响;然后根据红外成像特性和可见光动态视觉传感器存在的问题提出红外动态视觉传感器设计方案。本文设计的红外动态视觉传感器芯片具有如下几个特点:(1)具有自适应低功耗控制模式,有效降低像素电路功耗;(2)采用基于伪电阻开关电路的开关电容放大器,消除泄露电流造成的假事件;(3)采用基于地址-事件表示的尖峰扫描仲裁器,提高芯片的数据吞吐量;(4)优化像素电路设计,使其最小检测电流低至10f A,满足像素电路光电流-电压转换的需要。 本文采用0.18μm CMOS图像传感器工艺对红外动态视觉传感器芯片的子模块电路及整体电路进行了仿真验证,并设计了芯片版图。仿真结果表明,本芯片的动态范围为120d B,数据吞吐量为50Meps,具有低功耗工作模式,单个像素平均静态功耗为1.47μW。

关键词： 全双工   低功耗   正交内积   模拟域自干扰消除   数字域自干扰消除  

摘要： 随着无线网络的大规模普及,可用频谱资源不断短缺的问题日益突出。为了缓解频谱资源紧张,具有双频谱利用率、更高的速率和吞吐量等显著特点的带内全双工技术成为通信研究热点之一。虽然全双工技术的优势是显而易见的,但是仍然存在着诸多挑战需要解决,例如严重的自干扰影响。由于全双工收发机收发链路之间的距离极短,发射信号强烈地耦合到同一位置的接收链,此部分信号与在相同频带和时隙中接收到的远程基站的期望信号相互重叠,从而使得期望信号淹没在自干扰信号中而无法解调。因此本文对全双工无线通信系统自干扰消除问题展开研究。首先,针对现有模拟域自干扰消除电路功耗高的问题,本文通过设计一款无源的模拟域自干扰消除电路。该电路使用迪克森电荷泵进行设计,通过电荷泵电路的交直流转换,将自干扰中的主要能量转换为直流能量,从而实现了自干扰的主能量消除。其次,针对现有数字域自干扰消除方法需要信道估计,而估计误差降低自干扰消除性能问题,本文设计了一个不需要信道估计的数字域正交内积置零方法。该方法通过构造与自干扰的视距路径相互正交的辅助信号,使其与残余自干扰进行点乘运算,实现残余自干扰视距路径分量消除。此外,本文利用多径信号数据样本的相关性,采用二次辅助函数构建的方法消除残余自干扰中的非视距路径分量。再次,本文对所提出方法进行深入的理论分析,分别讨论所提出的模拟域和数字域自干扰消除能力的上下界。同时,通过使用ADS与Matlab仿真软件来检验上述自干扰消除性能分析的有效性。最后,本文对所提出的模拟域与数字域两步自干扰消除方法进行实验验证。通过使用模拟域消除电路和USRP N210软件无线电平台进行实验测试,实验结果表明,本文所提方法可以实现约85 dB的自干扰消除性能,并且可以解调出期望信号。在信噪比为25 dB时,误码率在10以下。