关键词： 直升机   轨迹规划   上位机控制   多线程  

摘要： 随着工业、军事、计算机技术等领域的飞速发展,越来越多的企业加大了对自动化设备的需求。军用和民用直升机目前在市场上均得到了广泛的使用,因此直升机飞行模拟的自动化设备研究也尤为重要,它既可以不受天气、环境等因素的影响在室内使用,又可以提高实际飞行中的安全性、减小成本,并且由软件进行控制使操作更加便捷。本文研究一种能够在室内模拟直升机起飞、降落等运动的直升机位置模拟器,主要研究该模拟器的运动轨迹规划和上位机控制系统,实现对运动轨迹的平滑处理以及系统软件的设计,具体研究内容为:根据设计指标分析直升机模拟器的运行原理,并由其运行原理对模拟器的结构、控制及驱动方案进行总体设计。分析了上位机控制系统软件的需求,并依据需求设计软件的操作流程方案。通过D-H法进行直升机模拟器的正逆运动学分析,并根据分析结果采用蒙特卡洛法求取了模拟器的工作空间。研究模拟器给定位置点插值算法,分别采用三次多项式和五次多项式曲线进行拟合,获得速度、加速度连续且不超过约束条件的模拟器运动轨迹。考虑模拟器在运动过程中的受力对模拟器进行动力学分析,验证了所选电机在实际运动过程中的合理性。设计了基于Visual Studio的直升机模拟器上位机控制系统软件。采用多线程的网络通信实现了上位机与运动控制器、中控计算机指令数据的传输,基于TeeChart控件完成了实验数据和参数的曲线显示,利用SQL Server数据库的ADO技术完成了直升机模拟器数据管理模块的存储、查询等操作。此外,还设计了上位机控制系统各部分的软件界面。搭建直升机模拟器实验平台,对系统环境功能和系统软件功能进行测试,验证模拟器上位机控制系统软件的可行性。确保了上位机控制系统软件的设计能够满足用户需求。

关键词： 机器视觉   内螺纹   缺陷检测   多线程   圆拟合   极坐标转换  

摘要： 端口块的内螺纹检测由于缺陷具有位置隐蔽、种类繁多、人工漏检率高、标准未统一等特点,本论文通过提出单圆周分角度、高低组合打光方式、上位机程序多线程处理、控制系统顺序控制等结合的基于视觉的机电控制系统,来代替人工解决这类产品的检测问题。论文研究了上料及传动部分的结构搭建、检测缺陷特征的关键方法、视觉系统的检测流程判断以及自动筛选结果等内容。论文通过搭建图像采集模块、振动送料模块、机械传动分料模块及电气控制模块组成整个系统的硬件框架。根据系统的具体功能要求和端口块生产现场的环境,对系统硬件做出选型,并设计了一种端口块定位夹持机构,使工件能在整个系统检测过程中稳定移动并判断缺陷结果,解决了因工件晃动而导致的误检率升高的问题。(1)针对部分缺陷位置的隐蔽性导致的图像采集困难的问题,本文提出一种基于内窥镜头的分角度组合打光倾斜多向拍照处理方案,采用倾斜相机镜头的三台相机每台只负责120°的分角度打光拍照,实现了端口块缺陷的完整裸露图像采集,使得检测内容清晰化。(2)考虑到三台相机检测和工步设计的时长问题,本文提出一种FIFO队列多线程处理分次进给的视觉和电气控制方案,在保障了系统流程稳定运行的同时,也提高了上料速度。(3)针对螺纹缺陷位置的随机性问题,本文通过使用曲线圆拟合、曲线极坐标转换、直线自适应分段单侧处理和全域距离检测等方法,将整圈螺纹单独分选并转换成可视数据,极大的便利了检测标准的确定。本检测系统的视觉部分配合由可编程逻辑控制器PLC、气缸、精密电缸定位模组和光源控制器等元件组成的控制部分,将检测标准和流程清晰化,完成了系统测试等阶段性验证,解决了该类工件同时检测的难题。在完成系统搭建后的实际使用测试中,论文设计方案得到有效验证。最终多种缺陷共同检测处理后,测试结果均优于系统所需标准,实现了快速准确分拣的项目要求,极大的提高了生产效率。

关键词： CMOS图像传感器   二值卷积神经网络   传感器内计算   常开智能感知  

摘要： 在物联网(Internet of Things,IOT)时代,智能视觉感知设备将会无处不在,实现用户与物理世界的无缝对接;随着近年来人工智能(Artificial Intelligence,AI)算法的迅速发展,视觉设备对图像进行识别和处理的速度和精度已经有了极大的提升。为了减轻数据中心的负担,视觉感知设备的处理功能已经从云端转移到了边缘端,设计人员希望能够将智能视觉算法部署在终端设备上,使其具备在本地进行数据处理和识别的能力;并且为了避免错过任何关键事件,一些面向智能视觉应用的设备需要工作在常开模式下,这种持续感知需求带来的巨大的能耗开销,对于大多数电池驱动的智能识别设备非常不利。因此目前对边缘端智能视觉感知设备提出了新的要求,即低功耗、高精度、小面积、高能效和算法灵活可配置等。针对上述问题,本文中面向智能视觉感知系统中的高能效集成电路,提出了新型的“传感-计算”融合架构,并基于此架构实现了一款智能视觉感知图像传感器芯片。该芯片计算功耗成功降至μW量级,能够有效解决常开视觉感知设备的续航问题。本文的主要工作和创新点如下:(1)设计了“传感-计算”融合架构。通过将神经网络中的一部分计算任务搬移到传感器内部,并使用模拟电路进行实现,以此来消除模数转换器中将模拟图像转换为数字图像向后级传输带来的高额功耗和数据带宽的代价。(2)设计了基于直接光电流计算模式的关键电路单元。直接利用光电转换产生的模拟电流进行计算;并且结合传统图像传感器的有源像素单元,进一步构成了具有双分辨率的像素组。并以此实现可配置卷积核大小的二值神经网络第一层卷积特征图的计算。(3)实现了基于上述技术的智能图像传感器芯片。以双分辨率像素组为基本像素单元,设计连接方式和外围电路构成整个图像传感器芯片;设计了两种不同的卷积核滑动方式(单核平铺和多核平铺),能够高效获得整张卷积特征图。并且结合算法对其功能的正确性进行仿真和验证,最终基于TSMC65nm CMOS工艺实现流片验证。(4)搭建智能视觉感知芯片测试系统。围绕流片完成的图像传感器芯片,搭建了一套完整的功能测试和演示系统。实现了98.3%的MNIST数据集分类准确率,计算功耗实现2.52μW量级,且能效达到10.8TOPs/W,与现有典型传感器内计算工作相比提升了12倍。

关键词： 逐次逼近型模数转换器   比较器失调校准   冗余   数字校准  

摘要： 在生物医疗系统、可穿戴设备领域中需要将检测到的人体状态参数通过模数转换器(ADC)转换成数字信号进行处理。作为系统的关键模块,通常需要ADC达到较高的精度,并尽可能降低功耗。在众多类型的模数转换器当中,逐次逼近型(SAR)模数转换器因独特的架构优势可以满足设备对精度和功耗的需求,因此设计一款低功耗高精度SAR ADC具有研究意义和实用价值。论文综述了低功耗高精度SAR ADC的国内外研究现状,总结了主要的低功耗高精度技术,在此基础上进行了系统级、电路级以及版图的设计。分析比较了适用于高精度设计的数模转换器(DAC)的优劣,推导并仿真验证了器件失配、寄生电容对DAC增益和线性度的影响,提出了一种整数型非二进制电容阵列,通过冗余技术放宽了每一位电容的建立精度,提升了CDAC的建立速度;针对电容失配问题,提出了一种基于伪随机码注入的数字校准方案,通过最小均方根算法(LMS)进行迭代,求解得到电容的实际权重值,在保证采样率的同时避免了引入过多硬件、功耗开销。此外,基于输出失调存储技术(OOS)对级联比较器的失调电压进行校准,并优化了电流的分配来满足低功耗的设计需求。基于SMIC 180nm 1.8V标准CMOS工艺,设计了电路与版图,ADC内核面积约为0.455mm,整体面积为1mm,在1.8V的电源电压、500k S/s的采样率下进行了后仿真验证。输入为近奈奎斯特频率信号时,其信噪失真比(SNDR)为89.4d B,有效位数(ENOB)为14.56bit,无杂散动态(SFDR)为98.2d Bc,功耗为0.83m W(不包括校准电路功耗),品质因数(FOM)为171d B,基本上满足了设计的指标要求。

关键词： NB-IoT   低功耗   高并发   远程抄表系统   Netty  

摘要： 天燃气具有安全清洁、价格实惠等优点,现在更多的家庭开始使用天然气进行发电,通常使用燃气表对天燃气的数据进行采集。随着物联网科技的迅速发展,传统的人工抄表已经不满足社会的需求,NB-IoT作为一种新兴的物联网技术已经被广泛的应用到无线远程抄表方式中。随着我国燃气表行业的不断发展,燃气表的使用数量呈指数增加,数据通讯频繁,普通的服务器系统无法满足高并发燃气表数据的上下通信,服务器的性能就成为了抄表系统的瓶颈。针对于上述的现状,本文设计了一套NB-IoT燃气表的高并发数据处理平台,以降低燃气表的功耗和成本,提高后台服务器的数据处理能力。本系统通过NB-IoT通信模块将燃气表的数据上传给服务器,服务器对数据进行解析之后,在浏览器端进行展示。本文的主要研究内容如下:(1)本系统的硬件部分是在已有的燃气表的基础上增加一个NB-IoT通信模块。该模块采用STM32L071KBTx作为主控芯片,HT7333作为电源模块,WH-NB73作为NB模块。通过UART与燃气表通行,NB模块将燃气表的数据上传到服务器端。(2)在服务器I/O模型选型上,首先分析了Linux系统中传统I/O技术特点以及Java NIO的工作原理,通过对不同I/O技术和Netty网络框架进行效率仿真比较,选取了采用Reactor模型的Netty网络通信框架,作为服务端的通信模块,保证服务端的高并发性能。(3)使用Spting Boot+Mybatis Plus框架完成了抄表系统的开发,使用Mysql数据库用来存储燃气表的数据,抄表系统中服务端使用Java语言进行实现,前端页面使用Javs Script进行实现。整个系统功能包括用户登录注册、数据查询、抄表失败用户展示、用户管理等。服务端需要将NB-IoT模块上传的燃气表数据成功接收并且正确解析出来,保存在数据库中,在前端页面进行展示。(4)对整个系统进行测试,包括硬件部分NB-IoT通信模块测试、抄表系统中功能测试,最后使用Jmeter压测工具对服务器性能进行压测,从平均相应时间和TPS两个性能指标对系统性能进行分析,测试结果表明基于Netty设计的服务器在TPS最高可以达到2500,同时平均响应时间稳定在300 ms,异常率保持为0,符合预期目标。

关键词： Buck变换器   宽输入范围   高效   LDO  

摘要： 随着消费类电子、汽车、通讯、工业系统的发展,开关电源的体积不断减小,集成度不断提升,功耗不断降低。在开关电源的应用过程中,其输入电压往往会在一些特定状态下超出常规电压范围,比如通讯领域的不同电压规范;新能源汽车领域太阳能电池和燃料电池的电压幅度波动;或是解决输入电压的瞬态电压过低或者过高,比如汽车不同状态时所提供给开关电源的不同输入电压,在启停状态下超低压,在抛负载状态下的高尖峰等。因此,研究宽输入低功耗开关电源,具有实际的应用价值。在开关电源中,Buck变换器作为重要分支,具有较多的应用场景。针对以上问题,本文在对Buck变换器的基本原理、发展现状、Buck主要损耗等了解和分析的基础上,结合实际需求,设计了一款基于峰值电流模式(Peak Current Mode,PCM)的宽输入低功耗同步整流Buck变换器。宽输入范围的DC-DC开关电源可以用更少的成本适应更多的应用场景,而低功耗是节能时代下的基本要求。本文设计Buck变换器在标准输出5V的应用中输入范围可达5.5～65V。在对本文设计的高效Buck整体架构分析后,强调了应对Buck主要损耗的低功耗设计,随后对部分关键模块单元电路详细介绍并仿真验证。其中包括低功耗,高精度基准模块,为Buck提供次级电源和基准电源;考虑到Buck需要额外的驱动单元与控制逻辑去完成更多的能量节省,这些电路都需要可靠稳定的内部电源来维持正常工作,所以在Buck变换器中嵌入一个低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator,LDO)并详细介绍该内嵌LDO的设计,该LDO具有高电源抑制比(Power Supply Rejection,PSR)和双供电支路,高PSR为了在输入波动较大时也能产生稳定内部电源,而双供电支路可以在Buck输入输出较大时采用Buck输出作为LDO输入的工作模式,从而节省能源消耗。在系统的可靠性方面设计有外围保护电路,在系统出现异常时保护转换器,并且可以通过标志位警示芯片工作异常。最后采用0.25um BCD工艺搭配SPECTRE仿真环境对设计进行验证,Buck在经典输入12V,输出5V,负载2.5A应用中,效率可以达到95%及以上,在输入12V,输出5V,负载0～3A范围内效率可以达到85%以上。

关键词： 无源芯片   能量采集   阻抗   自适应   低功耗   低压  

摘要： 近年来,随着通信技术的快速发展,无源通信终端成为当前和未来主要研究方向。本文针对无源通信系统中自供电物联网节点芯片能量采集问题,基于无源标签天线与射频电路协同设计原理,在高灵敏度能量采集系统的技术基础上,优化并设计了一款自适应阻抗调节的低功耗无源标签芯片,达到了高灵敏度能量获取,提高了射频前端与天线之间射频阻抗的良好匹配,有益于更多的射频能量转换为可用能量。首先,本文针对无源标签阻抗匹配进行了详细阐述,射频阻抗受实际应用环境波动和产品加工离散性影响,当前主流通过阻抗网络或协同匹配的阻抗匹配工程方法难以达到最佳的匹配效果,影响了产品的应用范围以及灵敏度的一致性。本文提出了一种低插损、低复杂度、高适用性、超低功耗的自适应阻抗匹配方案,能够在射频场内自动调整芯片射频阻抗,使得芯片内整流输出电压可接近最佳阻抗匹配时的峰值。其次,本文设计了高灵敏度能量采集系统,其中包括主流协同设计部分以及引入的开关电容阵列,在主流协同设计的基础上,通过引入开关电容阵列,完成对射频前端阻抗自适应调节,既达到高灵敏的能量采集效果,也避免了阻抗失配造成的能量损失。此外,本文根据阻抗反馈调节需求,设计了针对无源标签的自适应阻抗调节算法和具体控制电路。其主要包括n A级低启动电压时钟电路、低功耗钟控采样比较电路以及其他控制电路。并联合射频前端和电容阵列进行系统仿真,结果表明,设计的自适应调节系统可在0.35V低电压下启动,整体系统平均功耗仅3.7n W,完成了针对阻抗失配的自适应调节功能。本文针对无源通信系统中能量采集问题,设计并最终实现了一款具有自适应阻抗调节功能的无源芯片。本文的自适应阻抗匹配调节单元以及引入的开关电容阵列全部在芯片内集成实现,并于射频前端进行协同设计,给出了具体电路实现,最终在TSMC0.18μm CMOS工艺下进行流片生产并完成测试工作。芯片最终测试结果的整体功耗为7.4n W,最低启动电压为320m V,最小调整步长电容阵列容值为2.5f F,最大能量采集灵敏度可优化5d Bm,调整的范围和调整方向可依据整体位数灵活配置而定,降低了载波偏移等环境因素和产品阻抗离散性对芯片灵敏度的一致性影响,尤其是扩大了有益于提升灵敏度的高Q匹配的容差范围,为增强灵敏度的高Q匹配工程实现提供解决方法。

关键词： CMOS温度传感器   低功耗   频域   高精度   低电源灵敏度  

摘要： 随着科学技术的进步和当今社会发展水平的不断提高,高度集成化、超低功耗、小尺寸设计和尽可能的低成本成为传感器领域研究的重中之重。而在医疗健康、环境监控、食品安全以及各类电子设备系统等温度管理领域更是如此。基于上述指标的严苛要求,CMOS温度传感器,因其微型化、低功耗、小尺寸和低成本等优势集于一身,大受学术界和工业界的青睐,并在各领域得以广泛应用。同时,在不同的应用领域,对CMOS温度传感器的设计提出了不同的性能上的挑战。如医疗健康中对人体温度的监测,主要关注的是温度传感器的高精度,而对感温范围只在一个小区间内;但在某些工业控制方面,感温范围则有固定的宽量程指标,对精度要求却相对较低;在一些可穿戴消费类电子领域,聚焦的指标则在于小尺寸和超低功耗。本文综合当前应用领域对温度传感器的需求,设计出一款nW级低功耗片上集成CMOS温度传感器。整体由感温模块、电流-频率转换模块和计数器模块组成,感温模块中亚阈值区电流具有良好的指数关系进行比值感温,实现低功耗和高精度的设计;电流-频率转换模块中采取倒比管设计的反相器和延时链结合的张弛振荡器,实现小尺寸和低功耗的设计;计数器模块采取10-17bits的可编程控制设计,可实现温度分辨率可调。此外,得益于结合比值感温机理与针对MOSFET二级效应的创新改进,克服了传统频域温度传感器精度差、且随电源扰动明显的缺点,实现了高精度、低电源灵敏度的设计。基于180nm CMOS工艺,对本文提出的温度传感器进行流片,芯片整体面积为0.055mm,整体功耗为20nW。额定工作电压为1V,在0-100℃的感温范围内,两点校准后的误差为+1.22/-1.09℃,经过系统误差去除后仅为+0.36/-0.42℃。当电源电压为0.8-1.6V,电源灵敏度为0.85℃/V。该温度传感器各项指标均达到预期指标要求,并具有一定优势。

关键词： 光通信   时钟数据恢复电路   高速率   低抖动   低功耗  

摘要： 随着人工智能的兴起,大数据时代的来临,有线通信的数据传输速率越来越高,其数据率更是达到了每十年翻两倍的增长率。随着数据传输速率的增长,同轴电缆在高速传输过程中出现了高损耗、大体积和高功耗等缺点。与金属相比,光纤具有较低的损耗和较小的体积,因此光纤通信有很大可能成为解决高速通信瓶颈的重要方式。光通信系统主要包括电光发射机和光电接收机两部分。其中光电接收机由光电二极管,跨阻放大器,限幅放大器,时钟数据恢复(Clock and Data Recovery,CDR)电路和输出驱动器组成。CDR电路是光电接收机的核心电路,其电路性能决定了整个接收机的性能,是系统中不可替代的模块。它在系统中的作用在于从输入的信号中恢复出正确的采样时钟,并对数据进行重新采样以获得高质量的数据。随着数据传输速率的提升,CDR电路的工作速率也在不断地提高。高速率的时钟信号需要较强驱动能力的驱动电路来保证时钟的质量,从而减少时钟和数据的抖动,但这同时也产生了巨大的功耗。如何在保证数据质量的同时做到较低的功耗是CDR电路的研究热点。针对低抖动和低功耗这两点需求,本文围绕CDR电路的电路架构,输入数据的调制码类型和采样方式做了调查和分析,在45nm SOI CMOS工艺下设计并实现了一款数据速率为56Gb/s的波特率采样的高速CDR电路芯片。该芯片在实现了高数据速率的同时还具有较低的功耗,其整体面积为1200um*770um,恢复数据的峰峰值抖动为3.12ps,恢复时钟的峰峰值抖动为2.22ps,功耗为201m W。论文工作有:(1)采用连续时间线性均衡电路对输入的信号进行均衡,补偿了信号的高频损耗,提高了信号的完整性;采用串联和并联电感峰化技术,将模拟前端模块的带宽扩展至35.3GHz,满足56Gb/s数据率的传输要求。(2)采用四分之一速率的鉴相结构,降低了时钟逻辑链路的工作频率,降低了时钟驱动电路和时钟逻辑电路的功耗;采用波特率采样的采样方式,并用积分的方式去实现采样电路。对比过采样,波特率采样减少了一半的时钟相位需求,在保证采样正确的同时,降低了CDR电路的面积和功耗。(3)根据设计的相位插值型CDR电路建立相应z域数学模型,并在Matlab软件上对数学模型进行环路特性仿真。通过仿真得到不同环路参数下的CDR环路指标,根据需求选取合适的环路参数。(4)根据设计需求,对整体CDR电路进行布局规划,定义CDR电路中的每个模块的指标和接口。完成每个模块的原理图和版图设计并完善CDR电路的整体版图,增加测试辅助电路。设计芯片焊盘布局和芯片整体电源线布局,并于2021年11月进行流片。

关键词： Δ-Σ ADC   可编程增益   低功耗   开关电容电路   斩波技术  

摘要： 为了充分利用数字电路处理信号的优点,必须通过ADC将模拟信号转换成数字信号之后再处理。采用了过采样技术和量化噪声整形技术的Δ-ΣADC由于其对电路性能的容忍度较强且精度较高,被广泛应用于缓慢信号检测电路当中。在对Δ-ΣADC的研究现状进行调研之后,并基于对Δ-Σ调制器的基本原理的介绍和分析,最终本次设计决定采用过采样比为128、单位量化的四阶前馈结构调制器。通过采用高阶调制器结构,减小了过采样率,并使用前馈结构抑制了调制器的非线性,进一步降低了放大器的性能要求,在保证精度的同时减小了功耗。并决定采用五级CIC滤波器对调制器的输出结果进行抽样和滤波。在对非理想特性进行分析之后,建立Δ-ΣADC的系统级模型并对其稳定性和性能进行仿真。最终在此基础上设计了由参考电压源、振荡器、Δ-Σ调制器、数字电压源和数字抽取滤波器组成的具有可编程增益的24位低功耗Δ-ΣADC,可以实现1/3、1/2、1、2、4或8倍的增益。基于0.18μm CMOS工艺对完整的Δ-ΣADC芯片进行设计,其中,参考电压源通过级联的方式实现,并使用class AB类放大器来实现高驱动低功耗缓冲器;振荡器输出时钟频率可调且时钟抖动很小;Δ-Σ调制器由积分器、加法器和量化器等模块组成,通过开关电容电路实现,并在第一级积分器的放大器中加入斩波技术来减小闪烁噪声和失配带来的影响;数字电压源为开环结构,具有极低的静态功耗和较大的负载能力;数字抽取滤波器采用CIC滤波器,并通过截断的方式来减少硬件消耗和功耗。对搭建完成的Δ-ΣADC进行仿真,在电源电压5V时,模拟部分电路在输出速率为1000Hz的全速模式下消耗电流315μA,信噪失真比108.97d B,有效位数17.81bit。同时完成完整版图的绘制,包含IO的ADC整体面积为1310μm×1792μm,在信号输出频率1000Hz时,后仿真的信噪失真比为108.8d B,有效位数17.79bit,功耗小于1.75m W。