关键词： 物联网   LoRa   低功耗   分簇组网   时钟校准   广域覆盖  

摘要： 无线传感网络(Wireless Sensor Networks,WSN)设计和实施的主要挑战之一是在复杂环境中高效运行的能力。这些环境的特征包括高干扰、极端温度、恶劣地形和电源访问受限等因素,没有外部电源供电难以实现长期运行。本研究致力于优化无线传输的低功耗要求,实现数据的可靠传输,并最终提升整个系统的性能。为了提高无线通信的质量,降低无线传输的损耗,本文从负载均衡与时钟同步两个角度,分析了固定簇网络的不足,以及ClassA模式下在分簇网络的劣势,分别提出了 LoRa-CE组网方案,以及一种传递型时钟同步方法(PTCC),在分簇组网的基础上,实现了 LoRa网络应用的优化。 针对能量均衡问题分析分簇网络的不足,对分簇网络进行优化,所提出的基于随机信道的LoRa-CE(LoRa-Cluster&Energy)网络分簇方法,并通过NS3对其进行仿真。LoRa-CE协议的第一例死亡节点相较于Cluster协议滞后了 188%,在两个协议的终端死亡占比50%处,LoRa-CE协议比Cluster协议滞后了 43%,对网络的整体寿命有着显著的优化。 基于LoRa-CE协议组网方案,研究该网络的时钟同步问题,针对分簇的自组织网络特性,分析原有的时钟同步方案,根据其存在的不足,提出PTCC时钟同步方法,在仿真实验中,使用PTCC协议的误差数据,在前四轮便迅速收敛至0.3个单位时间,相较于ClassA模式下1.5个单位时间的时钟误差,展现了巨大的优势,有效提高了网络时钟同步效果,也进一步地提高了网络组网效率。 在文章的第四部分,详细介绍了基于上述方法实现的LoRa-CE软硬件系统,实现了 LoRa的通信、组网等功能,并在文章的第五部分对该系统作了详细的测试与分析,包括节点之间的通信性能,以及分析各种参数,所设计终端节点在户外环境中在长距离与自然遮挡下仍能高效工作。Cluster组网在测试中验证了组网的全部流程,并且在多轮组网测试下验证了其分簇的效果与时钟同步的能力。所搭建的功耗测试,从理论与实验两个角度验证了终端节点的续航能力,可以适应户外复杂工况下的长时间运行的要求。

关键词： 低功耗   最小生成树   GPU模块   时钟树  

摘要： 早期的电路设计,尺寸小,工作频率较低,功耗并不明显,随着半导体工艺节点的降低和系统设计复杂度的不断提高,功耗在集成电路设计方面的重要性不断凸显,低功耗物理设计在工程领域具有重要的实用价值和研究意义,引起了半导体从业者的广泛关注。本论文的研究是基于晶晨半导体(西安)有限公司实际项目的需求,使用TSMC 6nm工艺,在低功耗布局方面,采用多电源多电压域和电源门控技术,在低功耗时钟树方面采用时钟门控技术,在低功耗标准单元方面采用多阈值电压单元等常用的低功耗优化手段,对本论文使用的GPU模块进行低功耗物理设计。然后通过分析GPU模块的时钟树的性能和结构,在保证GPU性能的前提下,通过将时钟网络中的触发器进行集群来尝试更进一步地降低GPU模块的动态功耗。将时钟树上的触发器进行集群是依据最小生成树算法,以降低时钟树互连线的线长为标准,通过阈值距离和阈值电容来约束触发器群的规模,并为触发器群分配缓冲器来完成时钟树综合,最后完成GPU模块的绕线。相较于使用常用低功耗优化手段的GPU模块,进行集群的GPU模块的时钟树,插入的缓冲器数量减少了40%,时钟树的动态功耗降低了5%,其中开关功耗降低了8%。在时序方面,进行集群的GPU模块的总负时序余量也有明显降低。本论文采用的触发器集群的算法是在不改变触发器原始物理位置的前提下,通过就近分组的原则来进行集群的,算法采用TCL语言,可以集成进本论文所使用的EDA工具,实用性强,实现了通过对触发器进行集群来优化GPU模块动态功耗的目的。

关键词： 物联网   分布式控制   RPL协议   低功耗有损网络   网络拥塞  

摘要： 物联网(Internet of Things,IoT)在过去十年中得到了广泛的普及，随着连接设备数量的增加，物联网越来越多样化，以物联网为核心的产业现在已无处不在，低功耗有损网络(Low Power and Lossy Networks,LLN)也已成为物联网中的重要技术之一。RPL协议(Routing Protocol for LLN,RPL)作为低功耗有损网络的一种开放标准路由协议，已广泛应用于物联网领域。然而，随着网络流量的增加,RPL协议在物联网应用上面临着网络拥塞问题，仅使用修改目标函数等网络层改进手段难以有效解决这一问题。针对上述问题，本文基于RPL协议提出了一种分布式控制方案，旨在提高其在物联网应用中的性能表现。主要工作包括以下两个方面:　　(1)本文提出了一种基于RPL协议的分布式控制方案Distributed-RPL。该方案通过节点之间的数据同步降低大量不必要的上下行链路开销，从而有效解决RPL协议在物联网应用中因网络流量增加而面临的网络拥塞问题。实验表明，在不同网络拓扑下，Distributed-RPL能有效提升端到端时延、数据包交付率、能耗、负载均衡性四种性能指标，具有很好的应用潜力。　　(2)为了让Distributed-RPL能够顺利地运用于实际项目，本文针对该方法进行了工程化，增添了节点注册机制、节点活跃度机制、和更广义的数据同步概念，这些能够更好地帮助Distributed-RPL在工程实践中落地。基于工程化的Distributed-RPL、WEB 技术和嵌入式开发技术,本文设计并实现了一种物联网系统DRPL-IoT,该系统通过LLN服务器与LLN网关节点的通信，实现了环境数据采集、智能环境监测与控制等功能。通过对系统进行功能测试和性能测试，发现系统功能运行正常,同时具有良好的可用性。

关键词： 温差发电   DC-DC   升压   低功耗   线性稳压器  

摘要： 当今便携可穿戴设备在医疗和健康领域应用广泛,其中设备供电常为自充能储能器件电路架构和储能器件供电电路架构两种,而自充能储能器件电路架构相比于储能器件供电电路架构来说具备更小体积、更长使用寿命和极低替换频率等诸多优点。自充能储能器件电路的充能能量来源常有太阳能、震动能、热能和射频等环境能量,通过内部的能量管理电路将这些环境能量转化为电能,为微型设备的储能器件充电和电路供电,极大降低了设备内储能器件体积,并增强了设备的续航时间。本文研究的应用方向是人体周边便携可穿戴设备,而温差热能是最容易从人体上得到的环境能量,因此本文重点研究了用于温差发电的能量提取和管理电路,着眼于能量提取、转换和管理电路的超高转化效率和极低待机功耗等特性。基于以上需求,本文设计了一款用于温差发电能量提取和管理的集成电路,通过工作在断续模式下的DC-DC升压结构,提取和管理温差发电器件所产生的能量。本文首先基于温差发电器件(TEG)的器件特性建立其等效电路模型,然后分析目前已有的TEG器件能量管理架构,提出初步系统架构,在详细分析各类DC-DC升压转换器的工作原理和优缺点的基础上,结合低功耗设计技术,设计并实现了一款用于温差发电器件最大功率提取和能量管理的电路。该电路包括两个部分,前级是基于功率电感的DC-DC升压转换器,提供较大电压转换比,将电压抬升到1.2V左右,可为储能器件充电和数字模块供电,后级是低压线性稳压器(LDO)输出0.8V,提供低纹波电压,可为低功耗电路和模拟模块供电。内部主要电路模块包括:低压迟滞启动电路、最大功率转换电路(MPPT)、过零检测比较器电路(ZCD)、输出反馈电路和CMOS低功耗基准源电路,以及低压LDO电路。电路通过低压迟滞启动电路检测TEG器件电压,在高于启动阈值时开始工作,低于最低阈值电压时关闭电路大部分模块,降低设备功耗,通过MPPT电路从TEG器件提取最大功率和确定导通时间,通过ZCD电路确定关断时间,最后通过输出反馈比较电路限制最大输出电压,保护电路不会被过压损坏。本电路设计是基于0.18μm的CMOS工艺实现,版图后仿真数据显示,迟滞电路的电压迟滞范围为20mV～60mV,工作电流为308.8nA@27℃,因此能量管理电路可在温差发电器件电压大于60mV时启动,低于20mV时关闭电路,降低工作损耗。CMOS基准源的基准电压经过Monte-Carlo仿真显示基准电压均值为589.901mV,500个样本基本都在±3 σ的范围以内,基准电压较为稳定,在温度从-40℃到120℃范围内的温度系数为31.4ppm/℃。其中基准源电路包括基准电压电路、基准电流电路和宽摆幅电流镜电路,整体工作电流为655nA@25℃。低压差线性稳压器电路的效率为66.2%@VDD=1.2V,DC-DC升压转换器的效率为65.2%@VIN=50mV,整体电路在待机时工作电流为1.31μA,版图的整体面积为0.2746mm2。因此本文设计的用于温差发电能量提取的片上能量管理电路适用于便携可穿戴设备中。

关键词： 温度变送器   低功耗   HART   嵌入式  

摘要： 温度是工业生产中至关重要的物理量,温度的监测直接关系到工业生产效率和产品质量。温度变送器作为一种工业测温仪器广泛应用于化工、医药以及石油等工业领域。目前,国内高精度HART温度变送器市场被国外仪表公司所垄断,价格昂贵,国产HART温度变送器普遍存在精度不高、可靠性差以及智能化水平低等问题。在此背景下,受企业委托,本文设计了一款隔离型HART温度变送器,有助于实现高精度HART温度变送器的国产化替代。 本设计性能指标优异,通过比率式配置和恒流源斩波降低激励电流失配和失配漂移;通过自适应滑动均值滤波算法降低信号中的干扰;再通过线性插值算法和分段非线性拟合算法计算出温度值,从而实现高精度测量。在不同分度号传感器输入下,本设计整体测量精度均优于±0.05%F.S,达到了0.1级,在PT100四线制输入下,0～100℃量程范围内测温误差不超过0.02℃。 本设计支持PT100和PT1000热电阻,K型、N型、E型、J型、T型、S型、R型以及B型热电偶等多种分度号传感器输入;支持两线制、三线制以及四线制等多种接入模式;并支持双传感器输入,可实现温度平均、两点测量以及温差测量等功能。 硬件部分,本设计支持12V～36V的宽范围电压供电,以24位高精度AD7124芯片为核心设计信号处理电路采集传感器信号,该电路通过变压器与ADUM1441隔离芯片实现电气隔离。主控芯片STM32接收采集到的数据并进行数据处理,通过控制16位AD5421芯片输出4～20m A电流。再分别以SD2057芯片和HT1621B芯片为核心搭建HART通信电路和液晶显示电路。整体的原理图和PCB绘制通过PADS软件完成。 软件部分,使用C语言设计了HART通信程序、信号输入程序、数据处理程序以及信号输出程序等;同时设计了上位机软件以实现对变送器信息的读取和配置。 经过对本设计比较全面的测试,测试结果达到甚至优于了设计指标。

关键词： 无线传感   超低功耗   唤醒接收机   栅极偏置   多级包络检波器   偏移抑制  

摘要： 近年来,无线传感技术被广泛应用于日常生产生活的各个领域。为了增强无线传感系统的稳定性,设计过程中必须要考虑优化传感器节点使用寿命的问题,通常采用降低节点功耗的方式进行。先前的报道中,多采用基于睡眠定时器的技术,通过控制接收机的占空比来实现较低功耗,但苛刻的精度要求导致的高通信时延限制了其应用。后来,基于超低功耗唤醒接收机的技术有力地克服了这一缺陷。该技术通过在睡眠状态的无线电设备中添加持续工作的唤醒接收机,使得传感器节点能够准确并及时地响应通信请求。在唤醒接收机设计过程中,要严格控制功率消耗的问题。近几年的相关研究中,常采用包络检波器前置的接收机架构,实现了仅n W级的超低功耗,但其接收灵敏度易受系统热噪声的影响。并且,目前研究中的这类唤醒接收机在434MHz无线通用频段下灵敏度性能不尽人意。为此,本文提出一种应用于无线传感网络中的超低功耗唤醒接收机。首先,针对当前包络检波器设计存在的问题,提出一种栅极偏置的多级包络检波器,通过改善包络检波器的输出信噪比,从而提高唤醒接收机的灵敏度;此外,在基带电路中设置了具有低通滤波作用的压控延迟线,通过优化基带噪声,进一步提高了唤醒接收机的灵敏度;最后,为了保证系统稳定性,还添加了偏移校准环路。本文的工作安排和内容如下:（1）提出了一种栅极偏置的多级包络检波器,通过调节其偏置电压,能够在维持包络检波器转换增益恒定的条件下对其输入电阻进行调节。这种结构能有效改善包络检波器的输出信噪比,从而提高唤醒接收机的灵敏度。为了优化采样前信号的噪声性能,在接收机的比较器前端添加了具有低通特性的压控延迟线,在进行电压域-时间域信号转换的同时滤除基带电路中的高频噪声,相比传统RC滤波器,该结构能有效节省芯片面积。并在压控延迟线的输出端添加了延迟单元保证比较器电路的准确工作。由于在基带电路中会产生直流偏移,在系统中添加了偏移校准环路,当电路中产生偏移时,校准环路会通过周期性工作来消除偏移电压,从而保证系统的稳定性。（2）基于所提出的包络检波器,采用65nm CMOS工艺设计了唤醒接收机电路,采用通断键控（On-Off Keying,OOK）的调制方式对434MHz载波进行调制来发送唤醒指令,并以100bps的速率进行数据传输。通过Cadence软件进行仿真测试,仿真结果表明,当唤醒接收机收到唤醒指令后,能够准确发送唤醒信号。在0.4V电源电压下,整个唤醒接收机的功耗为15.6n W,并在漏检率低于10,误报率低于1/h的条件下,实现了-71d Bm的灵敏度。

关键词： 宽带电力线载波通信   线路驱动器   电流反馈型运放   失配消除   低功耗  

摘要： 宽带电力线载波通信（Broadband Power Line Communication,BPLC）技术的不断发展推动了智能电网的建设。但我国低压电力线信道环境与国外存在巨大差异,导致国外的通信标准产品不能很好地适应国内需求。为了引导我国电力线通信产业健康发展,国家电网公司结合我国电力线信道特点和技术积累制定了低压高速电力线载波通信（High-speed Power Line Communication,HPLC）标准,并开始推动符合标准的相关通信产品研发。在整个BPLC物理层架构的局端设备中,线路驱动器相对于数字信号处理（Digital Signal Processing,DSP）器和模拟前端（Analog Front End,AFE）主芯片而言,承担了大电流的电力线驱动任务,消耗了电源系统中的绝大部分功率以保障传输信号的高质量接收。其自身的线性度和带宽分别决定了通信误码率（Symbol Error Rate,SER）和传输率,静态功耗则影响了电能利用率,但现有国产芯片和结构在这些关键性能上均受到了限制。为满足国内BPLC进一步发展的应用需要,本文研究并设计了一款高线性度宽带线路驱动器芯片,主要工作内容和创新如下:（1）针对芯片在工艺制造中产生的失配而引起的线性度恶化,基于电流反馈型运放（Current Feedback Operational Amplifier,CFOA）的基础电路结构提出了一种失配消除方案。匹配通道之间的失配会增加电路的偶次谐波失真,且不可避免,而现有的驱动器结构专注于从电路本身提高线性度,忽略了外在工艺失配的影响。为研究通道失配对芯片谐波失真的具体影响,根据谐波的生成机制,构建了放大通道的失配模型。为降低通道失配产生的影响,设计了一种交叉电流桥（Cross-Current Bridge,CCB）结构来综合两个通道的误差电流,达到了失配消除的效果。经过模型推导和仿真验证,该结构对偶次谐波失真的改善可以达到9.5d B。测试结果表明,在12MHz频率和8Vpp输出幅度下,设计的线路驱动器芯片驱动50Ω负载的二次谐波失真为-64d Bc,频段内衰减率为1.2d B/MHz,相比传统结构,整体线性度提升了3倍。（2）针对传统输出级对线路驱动器芯片带宽（Band-Width,BW）的限制,提出了一种单位增益放大器的输出级方案。通过对传统锥形输出级的研究,总结了其在应用中存在的三个缺点:多级结构会引入额外的极点;跟随器结构对负载变化敏感;功率驱动管的推挽（Push-Pull）结构会引入交越失真。设计的输出级利用闭环结构减少极点数量,扩展了芯片带宽,并且利用负反馈的特性降低输出阻抗和由功率管引入的失真,提升了带宽稳定性和线性度。测试结果表明,相比传统结构,设计的线路驱动器芯片带宽扩展了2倍,带宽稳定性的提升了10倍,在50Ω和100Ω负载电阻下的带宽分别为112MHz和120MHz。（3）针对线路驱动器芯片中过温保护（Over-Temperature Protection,OTP）模块的静态功耗问题,提出了一种适用于双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor,BJT）工艺的低功耗OTP方案。OTP模块的静态功耗直接影响了线路驱动器芯片的功率效率,由于BJT和互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS）工艺的导电特性差别,传统内置比较器的OTP结构在应用于BJT工艺时拥有高静态功耗,但BJT工艺又是保证线路驱动器芯片基础性能的最优选择。设计的OTP结构采用一种带正反馈的电流分配结构切换电路状态,无需内置比较器或设置参考电压,降低了静态电流和晶体管数量,提高了模块的工艺稳定性和电压稳定性。测试结果表明,相比传统结构,设计的OTP电路模块静态电流小于100μA,功耗节省率达到了97%。本文设计的BPLC线路驱动器芯片采用30V耐压的绝缘体上硅（Silicon-on-Insulator,SOI）-互补双极型（Complementary Bipolar Junction Transistor,C BJ T）工艺流片实现,芯片的最大输出线路功率为35.5d Bm,为后续BPLC芯片的国产化打下了基础。

关键词： 脑电信号处理   情绪识别   快速傅里叶变换   支持向量机   FPGA  

摘要： 情绪在人们的日常生活中扮演着重要角色,并且严重影响大家的日常工作,所以,正确的进行情绪识别极为重要,这也引起了研究人员的广泛关注。随着脑机接口技术的发展,可以通过采集人的脑电信号进行有效特征成分分析,实现大脑与外界的交互行为,完成脑电信号情绪分类。为了实现脑电情绪识别系统的可穿戴性,本文设计了一种基于硬件实现的脑电信号处理与监测的情绪识别系统,该系统可以对脑电信号进行处理并提取特征信息,通过支持向量机(SVM)可以实现特征信息消极、中立和积极三种情绪的分类,并且本文在硬件电路上进行了设计和优化,使系统在硬件实现上更加轻量化。 本文所设计的脑电信号情绪分类识别系统主要由脑电信号处理模块和情绪识别模块组成。在脑电信号处理模块中,本文采用快速傅里叶变换算法(FFT)对脑电信号进行处理,将采集到的脑电信号从时域变换为频域,所设计的FFT为512点流水线硬件结构,可以对512个采样点进行处理,在脑电信号变换为频域信号后,通过特征提取模块可以算出频谱能量值作为分类器的特征向量。所设计的情绪识别模块采用SVM算法进行分类识别,通过Matlab进行线下数据集的训练,对比不同数据采集通道组合后,选用识别性能较好的六通道组合,通过线下训练数据集得到模型参数,完成三分类SVM硬件设计实现了线上三种情绪的分类。为了降低硬件电路的功耗和面积,减少延时,针对SVM算法里需要用到的立方运算,本文采用PWL算法设计了一种约值立方运算电路。PWL算法通过分段线性拟合可以实现复杂函数的简单化,使得立方运算通过简单的移位和加减运算即可实现。为了进一步降低功耗,本文采用约值加法器(LOA)代替低位的加法运算,经过综合后,通过对比几种立方运算电路面积和延时,本文设计的立方约值运算电路具有一定优势。 最后,本文通过FPGA在Vivado平台上对系统进行测试验证。结果表明,本文设计的脑电信号情绪分类识别系统识别准确率为78.11%,与Matlab仿真结果平均误差率在2%左右。通过Design Compiler对系统进行综合,计算得到系统能量效率为1.96/(87)(6,实现了低功耗设计的目标。对比了几种脑电情绪识别系统的硬件资源消耗与识别准确率,本文设计的系统在硬件资源消耗与识别准确率上具有一定优势,说明本设计具有一定的可行性和研究价值。

摘要： 安森美（onsemi）推出采用蓝牙低功耗联接的超低功耗车规级无线微控制器。随着传感器数量和车载通信的增加，汽车制造商越来越倾向于使用无线连接技术，以减少布线成本和重量，NCV-RSL15是其理想选择。另一方面，传感器部署数量上升可能会导致网络攻击次数随之增加，加剧安全问题。使用这款新型微控制器可解决这类安全隐患。虽然胎压监测系统（TMS）和其他感知应用中的传感器和一般功能清单不断增长，但功耗预算却没有增加。