关键词： 低压差稳压器   极限环振荡   自适应粗细调节   电路设计  

摘要： 低压差稳压器在片上系统中扮演着重要角色。随着芯片工艺的不断更新，闪存存储器、图像传感器等电子设备需要低输出电压的低压差稳压器来提供稳定电压，以实现更高的能效和续航。与模拟低压差稳压器相比，数字低压差稳压器具有低压工作能力、对温度不敏感及所占芯片面积少等特性，因此设计出具有较好性能的数字低压差稳压器成了研究的热点。　　针对数字低压差稳压器中普遍存在的极限环振荡问题，本文首先采用相位分析法对极限环振荡做了详细的理论分析。通过引入适当的相位延迟或超前来改变系统的相位特性，以此来抑制极限环振荡，对传统和带数字前馈补偿的数字低压差稳压器在不同的极限环振荡模和不同频率下的相位滞后进行了对比分析，当相位在一定范围内变化时，其输出不发生改变，由此得出极限环振荡模的边界条件。其次对不同负载电容下和不同极限环振荡模下的纹波大小进行了对比分析，从而得出纹波幅值和振荡模在特定负载电容下发生跳变的结论。　　为了提高瞬态响应，本文基于前面对极限环振荡的分析，提出了一种自适应粗细调节的低功耗数字低压差稳压器，进而增强了系统的响应速度并缩短了恢复时间。其电路主要包括动态比较器、双向移位寄存器、开关阵列、信号检测电路和时钟信号转换电路。当负载发生较大的瞬态变化时，传统数字低压差稳压器存在恢复时间较长的问题，因此，本文设计了一种信号检测电路和时钟信号电路来实现自适应调节时钟信号，从而实现电路的粗细调节。信号检测电路通过动态比较器的输出判断出有连续的信号，将此信号传输给时钟信号转换电路，其自适应地产生一个双上升沿的时钟信号以此来增加反馈增益，从而去控制移位寄存器周期内打开开关阵列中PMOS管的数量。此时电路进入粗调模式加快了瞬态响应，因此可使电路在短时间内快速恢复到稳定状态，然后电路进入细调模式。此外，该电路设计避免了双向移位寄存器的饱和问题，同时提升了恢复速度，进而提高瞬态响应，使其在各种电子设备中具有更广泛的适用性。　　本文基于SMIC180 nmCMOS工艺，采用Cadence Virtuoso平台完成了本论文电路的各个模块以及整体电路性能的设计与仿真验证，并完成了电路版图设计及后仿真。在输入电压VIN为0.9 V，参考电压VREF为0.85 V的情况下，负载电流在5 ns的时间内从300 μA到600 μA进行跳变时，输出电压欠冲幅度为52 mV，恢复时间为1.9 μs，输出电压过冲幅度为26 mV，恢复时间为2.28 μs。电压差是50 mV，线性调整率为8.89 mV/V，负载调整率为1.56 mV/mA，最大电流效率可达到99.8%，电路面积233 μm×146 μm，整体电路性能较好。

关键词： 低功耗广域网   CoAP   拥塞控制   NB-IoT  

摘要： 低功耗广域网(Low-Power Wide-Area Network,LPWAN)是一种专门为物联网应用而设计的无线通信网络。它采用低功耗的通信技术,具备广域覆盖、低功耗、低成本和大容量等特点,适用于分布在广阔区域的大量物联网设备。受限应用协议(Constrained Application Protocol,CoAP)是一种专门为物联网和嵌入式设备设计的应用层协议,其具有低功耗、灵活性高等特点,适用于受限的网络和设备环境。LPWAN和CoAP协议结合使用可以为物联网设备提供低功耗、灵活性高的通信方案,适用于广泛的物联网应用场景。目前CoAP协议已广泛应用于各大终端和云平台,但CoAP协议的拥塞控制机制较为简单,难以适应复杂网络环境的变化;并且在数据收发方面还存在一定的优化空间,能够进一步降低其在数据收发方面的功耗。因此,迫切需要对CoAP协议存在的问题进行研究并优化,从而与LPWAN结合更好地应用于低功耗、低带宽的物联网应用场景。 本文在深入研究LPWAN技术特点与CoAP协议存在问题的基础上,根据LPWAN应用场景,结合LPWAN技术对原有CoAP协议进行了优化,提出CoAP-New拥塞控制机制,进一步降低了终端设备在运行CoAP协议时的数据收发方面功耗,主要两个创新点如下: 针对CoAP协议拥塞控制机制较为简单,难以动态适应网络变化的问题,CoAP-New基于往返时间(Round-Trip Time,RTT)来获取动态重传超时时间(Retransmission Time Out,RTO),并通过重传计数标志准确计算RTT。除此之外,通过发送间隔来调控客户端的发送速率,从而缓解网络拥塞问题。 在数据收发方面,CoAP-New使用确认报文(Confirmable,CON)和非确认报文(NonConfirmable,NON)的混合传输,并通过可变滑动窗口缓存最近发送的数据,在保证传输可靠性的前提下降低了终端设备数据收发的相关功耗。 除此之外,本文还通过软件模拟网络仿真分析CoAP-New与CoAP和Co Co A在不同条件下的性能表现,验证CoAP-New机制的有效性。实验结果表明,随着网络负载的增加,CoAP-New在吞吐量、请求成功率,数据上报功耗和确认操作功耗方面显著优于其他两者。

关键词： Flash   时钟树   Skew   时序收敛   低功耗  

摘要： 并口NOR Flash是一种非易失性内存,具有电子可编程、可擦除、低功耗、高速度的特性,广泛运用于嵌入式系统。然而进入到5G和人工智能时代,人们对数据处理能力和超长待机能力的需求不断增加,当前并口NOR Flash芯片难以满足市场需求。因此,制造一款具有大容量、快速访问、低功耗的并口NOR Flash芯片显得十分重要。本研究旨在探究并口NOR Flash芯片的物理设计实现,结合高性能和低功耗设计的研究,探讨了如何在物理设计过程中对时序和功耗进行优化,最终满足了时序和功耗的设计要求。研究内容如下: (1)芯片高性能的设计方面,主要包括布图规划和时钟树综合两个阶段。在布图规划阶段,根据芯片内核结构和数据传输流程,提出两种布图规划方案进行优化,在此基础上,对时序路径长线采取定制化处理,实现更高质量的性能目标。在时钟树综合阶段,针对芯片IP(Intellectual Property)地址线时钟偏斜(Skew)较大的问题,提出一种定制IP地址线时钟树综合的方法,有效减小了Skew。此外,针对签核标准(Signoff)设置时钟树参数而出现时钟树延迟(Latency)过大的问题,采取调整时钟树综合参数和定制时钟树长线的方法优化时序。最终解决了物理设计时序难以收敛的问题。 (2)芯片低功耗的设计方面,首先理清芯片的电源结构,并对顶层和模块的电源规划给出了详细的设计方案。接着分析了电源规划后存在的功耗和电压降(IR＿Drop)的问题。最后结合其他物理设计关于低功耗实现的方法,通过多阈值电压技术降低芯片的功耗和通过添加POWERMOS的方法解决IR＿Drop问题。最终功耗和IR＿Drop满足芯片的设计要求。 通过对高性能和低功耗的研究,芯片具体物理设计工作全部完成,包括时序收敛、功耗和IR＿Drop检查、设计规则检查。在均满足性能指标的要求下,交付制造厂流片。本研究对于芯片物理设计和实现的研究具有重要意义,在实际生产中对提高芯片的性能和产品质量具有非常重要的指导意义。

关键词： 线形道路   交通物联网   蓝牙5.0   低功耗   线形传输  

摘要： 我国具有庞大的公路网络,近年来国家大力发展交通强国战略,加快交通智慧基础设施建设,建设数字交通体系,其中多参数、高密度、高覆盖、长距离的交通感知层建设是智慧化升级重要前提。目前传统的交通感知网络感知节点分布稀疏固化,而道路呈线形分布,沿道路方向基础设施分布众多且分布距离极长,然而道路断面方向节点分布距离较近数量较少,普遍的平面式网络架构不适于道路物联网。同时,现阶段面向道路感知网络的研究多只采用单一通信架构,这与面向未来车路协同、无人驾驶等,需要具有灵活的网络链路,开放、安全的网络架构相矛盾。本文稿研究面向线形道路的分布式感知网络关键技术,解决长距离线形道路下大规模感知节点的可靠接入、低功耗、灵活扩展的数据采集和传输需求。本文通过对目前感知网络和低功耗技术的研究现状分析,确定了局域网和广域网结合的网络拓扑结构,同时对比了不同通信技术特点,选择了蓝牙5.0和NB-IoT技术作为网络通信方式。形成由底层星形局域网、中层线性局域网、上层广域网组成的混合拓扑网络结构。 针对底层感知节点网络,本文采用蓝牙技术实现了底层感知网络的蓝牙通信,对于底层感知网络进行了节点通信MAC地址比对算法优化,通过提升通信效率来提高节点的接入数量。对底层感知网络进行了低功耗设计,包括信道通信优化和采用时间帧同步法进行节点同步性优化设计。对于信道优化提出了逐步开启广播信道的方法,并且针对主信道的选择,采用了根据丢包率动态调整主信道的选择,从而降低节点广播态的功耗,最后基于NRF52840芯片,进行了建模分析,同时对于底层感知网络本文给出了通用广播包协议。 针对中层线形网络,本文通过蓝牙Mesh组网技术,采用跳传的方式实现网络的线形通信,并且提升了线形网络的鲁棒性,同时给出了预警广播包和非预警广播包的通用协议包,中层线形网络加入了数据预处理功能,减轻了数据传输的压力。 针对上层网络,本文采用NB-IoT技术实现了广域网络的数据传输,并且平台层通过下发MAC地址的方式,实现对局域网节点的增加和删除,实现了对局域网的控制。 最后本文对于低功耗设计进行了实验计算和分析,并且结合硬件设备,对整个感知网络的通信进行了测试,包括底层感知网络在不同距离不同节点数量下的丢包率,中层线形网络在节点距离不同时的丢包率,结合物联网平台,测试了广域网通信以及通过平台下发MAC地址对局域网进行控制。

关键词： 微能量   低功耗   复合储能   反激式开关电源   模糊加权控制  

摘要： 随着物联网技术和智能感知技术的发展,越来越多的低功耗设备被应用于农业、水利、气象等野外场合进行数据采集与监测,传统的电池供电方式难以为设备提供持续不间断的工作电源。然而,野外环境中蕴藏着丰富的绿色微能量,微能量采集装置将其转换为波动性较强的微弱电能后,通过储能器件将微弱电能进行存储管理,进而变换输出多规格高质量电能为设备提供稳定可靠的工作电源。这不仅有助于促进野外低功耗设备的规模化部署,而且对促进可再生能源的发展具有一定意义。 本文首先分析了野外环境中常见的温差能、射频能、太阳能等微能量的转换原理及输出功率大小,结合农业、环保、水利监测等野外场合常见低功耗设备的供电需求,设计了超低电压转换升压模块,将微能量采集装置输出的波动性较强的交/直流微弱电能统一转换为5.4V直流电能,供储能装置充电。然后分析了超级电容器等器件的储能特性,设计了三组由超级电容和磷酸铁锂电池复合而成的微能量存储装置,三组装置分别实现“供电”、“充电”、“备用”功能,既避免了同组储能器件同时充放电的问题,又可以确保为用电设备提供稳定不间断的电源。此外,为各组储能器件设计了充放电管理和保护电路,提高供电装置的安全性,延长供电装置使用寿命。同时,设计了复合储能控制策略,提高微能量的存储效率。针对野外不同低功耗设备的电源需求不尽相同,深入研究了多输出反激开关电源的工作原理及控制方式,基于UC2845芯片设计了一款三输出反激开关电源装置,将储能装置存储的电能变换为12V/0.1A、5V/0.5A和3.3V/0.5A三种类型的电能输出。随后分析了造成反激开关电源各输出回路电压不稳定的因素,设计了一种模糊控制算法结合加权电压反馈控制方法的多输出反激变换器电压调节算法,当各路输出电压发生偏移时,迅速做出相应调节使电压稳定于设定值。最后,设计了野外农田农作物状态感知终端,通过供电装置为该终端供电,测试了本文设计的微能量供电装置的供电性能。 仿真和测试结果表明,本文设计的野外低功耗设备供电装置能将低至0.8V的微弱电能高效存储到8.4V锂电池组;多输出反激开关电源各回路输出电压纹波均较小,各输出回路由空载到满载的供电过程中,输出电压都较稳定;当为总功耗0.62W的野外农田农作物感知终端供电时,单组锂电池组的连续供电时长达11.5小时。

关键词： Raspberry Pi   传感器   多线程   通信   识别  

摘要： 光伏发电是未来的新能源发展趋势,光伏电池片的制备需要使用三氯氧磷。在工业生产过程中,三氯氧磷参与反应时,对环境温度有相应要求,还会生成有毒性和腐蚀性气体。国内部分厂商没有一套完善的实时环境监控系统来监控生产环境信息,预防生产事故。因此,本文旨在设计一套基于Raspberry Pi的磷源供料监控系统。系统能够实时收集生产过程中的温度、气体信息,对液罐液位实时监控,以上信息超出正常值报警并启动应急处理设备。系统通过Raspberry Pi连接传感器对环境数据进行监测,摄像头对恒温箱内液罐液位监测,并使用深度学习算法对当前恒温箱内部液位状况进行识别,以上内容在显示屏上显示。通过与Raspberry Pi连接的蜂鸣器、风扇、制动开关等控制器实现了通过报警模块对当前情况进行提醒和即时处理。系统能够实时监控环境信息,Raspberry Pi自动处理信息,自动向工人发送提醒。工人还可以通过与Raspberry Pi连接的显示屏手动操作控制器,处理危险状况;通过对采集到的数据进行存储,还能够为企业提供更好的生产计划和应急设备规划。系统解决了部分使用三氯氧磷进行生产的厂商,在生产过程中需要手动收集数据和目视测量液位,导致的数据缺失和危险情况响应不及时的问题。系统基本达到了提高生产效率,保障了工人的人身安全和原材料的正常生产的目的。

关键词： 煤矸石   温度监测   温差发电   窄带物联网   低功耗  

摘要： 随着社会经济水平的不断发展,我国对于煤炭资源的利用量也在快速增长,使得煤矸石的产生量逐年增加,堆积成的煤矸石山也逐年增多。这些煤矸石山在长时间的堆砌以及内部的氧化作用下容易使得内部温度急剧升高导致自燃,并且煤矸石山在自燃的过程中由于不完全燃烧,会产生大量的SO、HS、CO等有害气体,严重污染矿区周围的空气、土壤以及饮用水源,并且对企业的安全生产和人员生命健康也造成了巨大的威胁。基于以上背景,本文设计了一种基于温差发电的煤矸石山温度监测系统,选用PDMS硅橡胶和液态金属Galinstan等柔性材料并结合温差发电片制备具有良好的共形能力的温差供电模块,可安装于煤矸石山重力热管的复杂表面上,通过收集煤矸石山地底的多余热量,为温度监测系统提供电能,同时采用NB-IoT技术实现对煤矸石山温度数据的采集、传输和显示。本文的主要研究内容如下:(1)分析煤矸石山温度监测系统的功能需求,结合煤矸石山矿区的工作环境,对比分析常用的物联网无线通信技术,确定采用窄带物联网(NB-IoT)作为煤矸石山温度监测系统采集终端与云平台之间的无线传输方式。以NB-IoT技术为核心对煤矸石山温度监测系统的总体方案进行设计,将系统分为温差供电模块、数据采集模块、数据传输模块、主控模块和可视化显示界面等部分,对其中用到的温差发电技术、NB-IoT技术、MQTT技术等进行详细分析。(2)设计温差供电模块。分析温差发电原理和热电转换模型,通过Solid Works三维建模软件设计温差供电模块的结构,将温差供电模块分为微凸起表面、温差发电片、聚热层和基底层四部分。选用柔性硅橡胶Ecoflex和液态金属Galinstan的混合材料制备微凸起表面,确定选用型号为TEC1-04901的温差发电片进行热电转换,选用柔性硅橡胶PDMS制备基底层和聚热层。通过Comsol有限元仿真软件对温差供电模块中的微凸起散热结构进行结构设计和仿真分析,设计了半椭圆体、金字塔、圆柱体3种不同的微凸起表面结构,通过仿真对比得到半椭圆体微凸起结构的散热性能最佳,探究不同高度(H)与间距((35)l)对热量传递效率的影响,确定H=3 mm、间距(35)l=1 mm作为半椭圆体微凸起散热结构的特征参数,通过激光打标技术与3D打印技术制备铜模板和树脂模板,应用模板法制备温差供电模块的各个部分并组装成整体。(3)对煤矸石山温度监测系统的软硬件进行设计。通过查阅相应资料确定系统的主控芯片STM32F103C8T6、NB-IoT模块MN316以及温度传感器热电偶WRNK-191。通过应用Cadence软件对系统的硬件电路进行设计,绘制相应的PCB图并制备硬件实物,通过应用Keil-MDK5软件对系统的软件程序进行设计,其中主程序部分完成了系统初始化、主函数运行和各个功能模块调用的设计,传感器模块部分完成了基于温度-阻值公式的温度值计算程序设计和SPI通信接口的数据传输程序设计,NB-IoT通信模块完成了串口指令发送、MQTT服务器连接以及温度数据上传的程序设计。(4)搭建实验测试平台,通过串口助手软件验证温度监测系统的传感器数据采集功能和NB-IoT的数据传输功能正常,使用UTP1306S直流稳压电源测试得到温度监测在运行状态下的功耗为141.9 mW,同时测试分析温差供电模块的输出特性,得到温度供电模块的在温差为20℃时的输出功率为180 mW,可以在较低温差情况下满足系统的电能需求。

关键词： JAVA语言  

ISBN: (纸本)9787302637929

摘要： 本书全面、系统地介绍了Java多线程相关的核心知识点，把官方多线程的核心知识点用链路的方式讲解清楚。读者在学习的过程中需要循序渐进，核心知识点的理解是很重要的。由核心知识点扩展开来就可以形成万物。学习和创造希望读者在此过程中能拥有自已的成长和思维。全书共分为10章。第1~3章介绍了线程的核心知识点，第4章讲解线程局部变量，第5章介绍Lock锁，第6章讲解原子包，第7章介绍阻塞队列，第8章介绍线程池，第9章讲解线程同步器，第10章是AQS源代码分析.

关键词： 物联网技术   唤醒接收机   蓝牙低功耗   蓝牙反向散射通信  

摘要： 随着物联网技术的不断发展,越来越多的设备和物品可以互相连接并实现智能化操作,但是物联网技术随着物联网节点的日益增加仍然存在着新的挑战。比如物联网设备需要大量的能源来运行和传输数据,这限制了其使用寿命和可用性。反向散射技术通过射频信号与标签之间的反向散射来进行通信,能够让标签在不需要电池的情况下进行通信,从而实现低功耗和长寿命。由于反向散射技术依赖于反射信号的回传,因此反向散射通信距离相对较短,且在强烈的干扰环境下易受到影响。蓝牙反向散射技术的出现,使得通信距离进一步增加,成本也大大降低,人们可以在更远的距离上进行通信。另外为了进一步降低功耗,可以将唤醒接收机与蓝牙反向散射系统相结合,使得蓝牙反向散射系统在需要时被唤醒,不需要时就进行休眠,这样为物联网节点降低功耗提供了又一个解决方案。本文则是在以上构想中搭建了一个低功耗的可唤醒的蓝牙反向散射系统,并且为低功耗形成了一套有效的解决方案。 首先,为了降低物联网设备的功耗,延长电池寿命,本文进行了关于唤醒接收机的有关研究。本文在设计中采用的方案是使用包络检波器来接收射频信号,其中包络检波器器是基于肖特基二极管的无源器件,这样在一定程度上降低了系统功耗,包络检波器在2.48GHz的接收频率下,灵敏度为-45d Bm,为了增加灵敏度,本文在设计上加入了低功耗低频放大器,同时为了更加准确的恢复出原信号,在低频放大器后面又加入了比较器,为了使唤醒的序列更加简单,本文使用了唤醒芯片,使用直接频率检测的方式进行唤醒。得到的唤醒接收机消耗功耗仅为25.31W,灵敏度为-60d Bm。 其次,为了实时传输温度信息,本文进行了蓝牙反向散射系统的研究。应用蓝牙反向散射技术来传输温度信息,并且能够在手机等终端设备上搜索到蓝牙名称以及温度信息。在本文设计中,使用单片机产生蓝牙包比特序列来对振荡器振荡频率进行切换,其中蓝牙包持续时间为176s,振荡器为可产生两个频率振荡的低功耗反馈振荡器,其产生的振荡波形用来切换射频开关来对入射载波信号进行调制,从整体看像是完成了对载波信号的混频作用。设计的蓝牙反向散射系统在20d Bm载波的照射下通信距离可达10米,消耗功耗为1261.7W,单位比特功耗只有1.94n J/bit。 然后,为了完成各模块的供电,本文还进行了自供电模块的设计。在整个系统中,唤醒接收机是能量的主要消耗者。其中自供电模块为两路供电,唤醒接收机的整体供电电压为2V,蓝牙反向散射系统的整体供电电压为2.4V。 最后,总结了本文设计中的问题并且指出了未来可以改进的方向。

关键词： 可穿戴式医疗设备   逐次逼近型模数转换器   低功耗   集成电路设计  

摘要： 在社会快速发展的今天,人们对于物质生活的需求不断得到满足,使得大家对于健康和医疗问题的关注度也大幅提升。人们想要监测自身的健康情况,只能通过医院临床上的医疗监测设备来实现。而传统医疗监测设备的体积和功耗大,制造成本也高,不利于实现长期的、实时的健康监测。此时可穿戴式医疗设备应时而生,由于较短的续航能力减缓了其发展速度。本文旨在提出一种长期实时监测人体健康状况的应对方案。与传统的医疗设备相比,可穿戴式医疗设备可以在不影响人们基本生活状态的情况下对人体生理状况进行长期、实时的监测。可穿戴式医疗设备的本质是发展低功耗、低成本的微型集成电路系统。模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)作为可穿戴式医疗设备中主要的能耗电路之一,减小其功耗可以大幅度提升可穿戴式医疗设备的续航能力。在本论文中,逐次逼近(Successive Approximation Register,SAR)型模数转换器凭借结构简单、高能效的特点被用作进行高性能低功耗模数转换器的设计,主要工作内容如下:(1)首先阐述了选择逐次逼近型模数转换器作为可穿戴式医疗设备重要组成模块的原因。然后介绍了传统逐次逼近型模数转换器的基本工作原理和较其它模数转换器结构独有的优势,最后给出本设计中逐次逼近型模数转换器的整体架构。(2)详细分析了逐次逼近型模数转换器中各组成模块的基本电路结构。根据高性能和低功耗的原则对每个模块进行了结构和参数的优化。研究了常用采样开关的结构特点以及影响精度和速度的因素,在自举采样开关的基础上进行了结构改进,比传统自举采样开关的SFDR提高了20 d B以上。通过计算常规电容阵列数模转换器(Digital to Analog Converter,DAC)的开关电平切换的能耗,总结出高性能低功耗DAC的结构特征以及电容控制开关方案,选用了分段且逐位分裂的DAC电容阵列结构。比较器选择了有两种工作状态的动态比较器,采用前置预差分放大器和锁存比较级的结构,根据动态锁存比较器和双尾流比较器的特点,设计出适用于低电压且低功耗的动态比较器,并且通过输出失调存储技术减小比较器电路中的误差。(3)针对传统的SAR同步时序控制逻辑电路,本文采用异步时序控制逻辑电路。根据比较器输出结果的特点,进行逻辑比较产生时钟信号,以此作为逐次逼近模块的时钟信号。这可以有效的保证DAC电容阵列的极板电压在比较完成后才进行电容极板电平的切换,避免出现对比较器输出结果误判的情况。本论文采用SMIC 0.18μm CMOS 1P5M工艺进行电路仿真和版图设计。对电路进行寄生参数提取后的仿真结果显示,在电源电压为0.8 V,电路采样率为200KS/s时,设计的电路性能可达到有效位数为11.35位,功耗为3.45μW,品质因数为5.7f J/con-step,其整体电路版图面积为650μm×370μm,该ADC结构适合用于高性能低功耗可穿戴式医疗设备中。