关键词： 数据竞争   多线程   动态检测   程序切片   约束求解  

摘要： 数据竞争,是多线程程序中最重要的并发异常之一。由于多线程程序复杂的上下文切换,通常难以理解并调试数据竞争的原因,对数据竞争开展相关研究具有重要意义。通过将竞争检测形式化为约束求解问题来检测数据竞争,现有基于约束求解的数据竞争检测技术提高了检测精度。但由于缺乏考虑程序的隐式控制流信息,易于产生大量数据竞争误报。另外,对于给定的数据竞争,容易产生大量复杂的线程调度来表征一个数据竞争,这使程序员对数据竞争的分析调试变得异常困难。因此,现有基于约束求解的数据竞争检测技术在帮助程序员分析理解数据竞争存在较大技术挑战。通过分析程序的数据流图,提出了基于程序切片的数据竞争调试器DFT,其可以检测出误报的数据竞争,并对每个数据竞争生成具有最小上下文切换次数的线程调度,进而辅助程序员理解和修复数据竞争问题。具体而言,通过符号分析来确定程序中的可能产生竞争的访问的依赖点和影响点,依赖点即前面产生此次访问所依赖的数据的操作,影响点即后续此次访问所影响的操作,接着跟踪依赖点和影响点之间的数据流关系,进而确定是否存在数据竞争。同时,通过对上下文切换次数进行有效的范围限定,最终产生具有最小线程上下文切换次数的线程调度,减少对错误竞争调度分析的开销,降低数据竞争的调试难度。通过在多种不同复杂实际应用上进行测试。结果表明,与当前典型基于约束求解的数据竞争检测技术相比,在不误删除任何真正数据竞争的情况下,DFT提出的的方法误报率降低了68%,每个数据竞争产生的竞争调度线程切换次数降低了99.3%,验证了提出方法的有效性和高效性。

关键词： 快速充电技术   USB Type-C接口   低功耗   宽压域   兼容性  

摘要： 随着人类社会逐渐走向智能化时代,智能设备愈发普及,使得人们对电子设备的便携化以及低功耗特性要求越来越高,同时对性能强劲芯片的需求量也越来越大。然而性能越高的芯片势必会消耗更多的功耗,这也就对电池以及电池控制技术提出了更高的要求。常见的改善办法为通过增大电池的容量增强续航能力,或者提高设备的充电速度使其能在短时间内获得足够电量。然而时至今日,锂电池技术已陷入了研发瓶颈,若是一直以增大电池体积来获取大容量,只会让设备更加笨重,这与便携化的理念存在极大的冲突。因此,在电池技术没有取得突破性进展的情况下,提高智能设备的充电速度成为了更加有效的解决途径。快充技术应运而生并取得了快速的发展。快速充电的主要原理是提高充电电流与电压,从而达到增大充电功率的目的。目前市面上不同的公司制定了不同的快充协议方案。针对这一现象,本文设计了一款基于USB Type-C接口的低功耗、宽压域快充协议芯片,兼容USB Power Delivery(USB PD)、QC2.0/QC3.0等多种通信协议。该芯片可以划分为四部分:CCCV环路及其内部补偿电路、物理协议层识别与自适应控制电路、高压MOSFET驱动电路、以及支撑电路(LDO、Bandgap、OSC等电路)。同时,芯片中还加入了过压保护、欠压保护、以及过温保护电路等,以保证系统能够正常稳定的工作。具体研究内容如下:首先,详细分析了快充协议接口芯片及其关键技术,重点研究了USB Type-C接口的技术特点及电源配置,并分析了快充协议接口的副边控制调节器及其技术原理;在此基础上,提出了芯片的系统级设计方案,确定了主要的设计指标及系统框图,对电路中的关键模块进行了研究,推导分析了工作原理;最后,基于TSMC 90nm BCD工艺,采用Cadence Spectre软件完成了整体电路的设计与验证,并对其物理版图进行了整体布局。仿真结果验证了设计的正确性和可行性。其中,带隙基准电路不但可以为其他模块提供低温度系数的基准电压,还具备了良好的电源抑制特性;振荡器电路为整个系统提供了频率稳定的时钟信号;电荷泵模块在有效抬升输入电压的同时,驱动了外置NMOS电路;PD、QC物理层能够实现快充通信协议的识别。综上,该快充协议芯片具备良好的性能,能够兼容USB PD、QC2.0/QC3.0等多种充电协议,以及USB Type-C接口协议的识别。

关键词： 城市综合管廊   消防物联网系统   自供电   低功耗   通信路径规划  

摘要： 城市综合管廊作为现代化城市的基础设施,实现了对电力、供水、天然气以及通信光缆等的集成化,在智慧城市的建设方面起着重要的作用。但由于其内部线路密集,集成多种管道,内部温度较高,也带来了一定的消防隐患,往往需要投入大量的人力物力来进行监测。随着物联网技术的发展,为城市综合管廊内的消防安全监控提供了新思路。本文基于传感技术、能量收集、无线通信技术等进行面向城市综合管廊的低功耗消防物联网系统的研究,具有重要的学术研究价值与工程应用意义。论文的主要研究内容如下:(1)针对传统消防系统的不足之处,结合城市综合管廊的特点,分析了对于智慧消防系统以及低功耗物联网的研究现状,研究了环境能量收集技术,复杂环境下的无线通信方式以及路径规划算法,提出本论文的研究方案。(2)基于消防系统的需求设计了低功耗传感节点,实现了数据采集、上传等功能。利用管廊内部温度高于外界的特点,基于Seebeck效应进行环境中热电能量收集的研究,并设计了电源管理模块,为传感节点进行供电,解决了物联网传感节点使用寿命受电池容量限制的问题。(3)针对综合管廊所处地下的复杂环境,设计了基于Lo Ra与NB-Io T结合的通信网络,研究了最短路径算法在通信链路选择中的应用,并对通信网络整体功耗进行仿真测试,与原本的通信功耗进行对比,结果表明本文所提出的基于Viterbi算法的路径规划可以降低整个无线网络的25%左右的功耗。(4)基于前后端分离架构设计了一套功能相对完善的智慧消防系统,包含数据存储与管理等功能,通过web界面实现了数据的可视化,更方便的实现对传感节点数据的查看以及报警信息的推送。测试结果表明系统运行稳定,可以满足后续现场实际部署的需求。本文中设计的面向城市综合管廊的低功耗消防物联网系统,利用物联网等技术解决了传统手段的一些不足之处,降低了无线传感节点与数据传输中的功耗,延长节点使用寿命,并成功与重庆某消防设备公司进行合作测试,为之后实际场景中消防物联网系统的部署应用奠定了基础。

关键词： 微机电系统   半导体金属氧化物气体传感器   梁式结构   低功耗   多通道  

摘要： 气体传感器在工业生产、航天航空、环境监测、食品安全和健康医疗领域有着诸多运用。随着物联网技术的逐渐发展,气体传感器的应用逐渐走进了民用消费领域,尤其是在可穿戴式设备和消费电子等的智能化应用,大大拓展了其使用场景。伴随着人工智能的深入发展,其在嗅觉实现上也给了人们更多的想象空间。因此研究和开发出更小、更低功耗和更高集成的气体传感器以实现在便携式设备和气味识别等领域的应用具有十分重要的意义。微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)金属氧化物(Metal oxide,MO)气体传感器具有小尺寸、低功耗、高灵敏度、便于集成制造和易于IC电路兼容等优势,在智能化设备中具有巨大的应用潜力。本论文基于MEMS技术设计制造了新颖的梁式结构的低功耗MO气体传感器。提出了一种便于批量化制造的低功耗翘曲单悬梁式气体传感器,并在此基础上实现了一种T形结构的多通道梁式气体传感器阵列,其在超低的功耗下一定程度上实现了三种气体的区分,具体的研究内容如下:设计和制造了一种具有低功耗的翘曲单悬梁式气体传感器。传感器的主体由硅衬底和一根细长的悬臂梁组成,悬梁上仅有一根无绕线的金属铂加热丝和一对铂检测电极,传感材料位于悬梁的自由端,区域大小仅为2μm×2μm。悬梁结构利用材料应力不同的氮化硅和氧化硅制作而成,通过控制它们的厚度比例最终实现悬梁的翘曲结构,使得气敏材料能够批量的加载在有源区。整体制造过程采用标准的MEMS工艺,12个传感器被制造在1mm2的芯片面积内,性能测试显示了传感器在5 mW下能达到400℃的工作温度,加热器的热响应时间仅为300μs,且对0-350ppm乙醇的有着良好的线性响应。该传感器最终实现了极低的功耗、较高的集成和能与MEMS工艺兼容的批量化加载气敏材料的优异性能。基于单悬梁结构提出了一种三端固连的T形悬梁式气体传感器阵列。单根直线形加热丝位于横梁上,并利用其上的温度梯度分布,在梁上设置了对称的四个检测端口,从而实现了一个具有多通道实时检测能力的集成式传感器阵列。它不仅利用了悬梁结构的温度梯度分布降低了传感器的平均功耗,还利用气体传感器响应的温度敏感性,实现了一定的气体区分。使用有限元分析软件分析出了检测端口的合理放置位置,利用标准的MEMS工艺制作了微热平台,并通过磁控溅射工艺实现了气敏材料的兼容性制造。性能测试显示传感器不仅可以在3.43 mW的平均功耗下实现四通道的NH、NO、CO的实时监测,并且可以通过输入电压的改变,实现上述三种气体的区分,这无疑为实现气体识别提供了一个新的思路。

关键词： 物联网   快速开发   即插即用   低功耗  

摘要： 近年来,物联网发展规模迅速扩大,并且已经被列为国家级新兴战略产业。同时,物联网终端应用难以快速开发、传感器难以即插即用以及终端功耗问题成为研究热点,这些问题极大阻碍了物联网大规模部署和应用。物联网终端难以快速开发的本质原因在于控制集中在终端,开发终端应用需围绕微控制器付出大量人力时间成本,此外,微控制器的存在也导致终端设计臃肿、功耗过高,进一步牵制了物联网终端的低功耗、大规模部署。为了解决上述难题,本文基于芯联网和反向散射通信技术,通过将终端控制上浮网关,去除了终端微控制器,实现了可支持物联网终端快速开发、传感器即插即用的系统,且系统终端具有低功耗的特性。在本系统中,网关负责对传感器的识别和控制,实现终端与传感器的解耦。系统去除了微控制器的开发,开发者只需要使用本文设计的统一传感器描述语言便可专注于传感器实现应用逻辑。基于此系统,更换终端传感器时不再需要修改终端软硬件,实现即插即用。本文的主要挑战如下。第一,实现网关对多样化的传感器的识别和控制。首先在传感器外围电路添加了ID存储部件。此外,设计了统一传感器描述语言,以支持开发者在通用网关平台对不同传感器快速表达应用逻辑,免去复杂的微控制器编程,实现快速开发。第二,实现无处理器情况下网关直接访问终端传感器以及对热插拔事件的探测。本文首先通过芯联网技术实现射频-总线信号转换,生成对传感器的控制信号。然后设计一套网关-终端通信协议以及终端状态机解决传感数据交互以及热插拔探测的问题,实现了终端与传感器解耦,控制上浮网关,并为传感器的即插即用提供终端侧支持。第三,多终端数据上行传输碰撞问题。数据上行传输分为任务传输和随机事件传输。首先,设计了独立的信道别用于传输由网关调度的任务数据和随机产生的（如热插拔）事件数据。然后设计了防碰撞逻辑协同多终端的随机事件上传。本文实现了原型系统。经过实验分析,系统可实现基本的传感功能,将开发代码量相比于传统平台降低了55.4%到90.2%,平均40分钟可编写传感器控制逻辑脚本并实现终端应用。在网关具备传感器控制脚本时,可在0.11秒内实现传感器插入识别,即实现即插即用。系统将终端的功耗控制在了微瓦级别。

关键词： Sigma-Delta ADC   动态放大器   低功耗   开关电容积分器  

摘要： 随着现代医疗数字化和智能化的快速发展,生物信号的采集需求越来越大,对生物信号采集和处理水平的要求也越来越高。由于生物信号频率较低、幅度较小的特点,在生物信号采集系统中,一般采用低速高精度的模数转换器(ADC)进行采样和量化。另外,生物信号采集系统对便携性要求较高,因此对功耗和体积也有严苛的要求。低速、低功耗、高精度的模数转换器是实现生物信号采集系统最关键的单元之一,其性能对系统功能具有重要影响。Sigma-Delta ADC因其精度高、信噪比性能优异的特点逐渐成为生物信号等低速应用的首选,受到国内外学术界和工业界的广泛关注。为了保证生物信号采集系统的续航能力,低功耗设计,尤其是模数转换器的低功耗设计是另一个关键技术。针对生物信号采集应用,本文对其中的高精度、低功耗Sigma-Delta ADC设计展开了研究。首先,基于充分的基础理论研究,论文研究了Sigma-Delta ADC的系统结构设计,选取了离散时间、四阶单环、积分器链前馈架构(CIFF)、单比特量化的调制器结构和级联梳状滤波器、补偿滤波器、半带滤波器三级级联的数字滤波器,并基于Simulink软件进行了建模与分析。其次,论文分析了时钟抖动、开关非线性、运放有限增益、有限带宽和摆率、积分器模块的噪声等非理想因素对调制器的影响,从而给电路设计提供了相应的约束,如放大器的增益、带宽和噪声等。再次,论文采用了鲁棒性良好的浮空反相器型动态放大器,通过级联或自偏置cascode结构提高其增益,消除了静态电流,大幅降低了调制器功耗。最后,论文提出了一种动态的开关电容(SC)积分器,通过使能信号控制动态放大器,把积分结果存储在了额外的电容上,以隔断放大器漏电对积分的影响。该使能信号的脉冲时间受工艺和温度影响与动态放大器的工作速度一致,优化了调制器的工艺和温度特性。此外,第一级积分器利用斩波调制技术消除了低频噪声。本文设计的调制器采用TSMC 65nm CMOS工艺,版图总体面积为660μm×650μm,核心电路面积为350μm×340μm,电源电压1.5V,工作温度为-45至85℃。对所设计的基于动态放大器的低功耗Sigma-Delta调制器进行后仿真验证,仿真结果表明,实现的信号带宽为300Hz,有效位数(ENOB)为16.91位,功耗为2.4μW,FOM值为184.4d B,FOM值为32.5f J/Step。此外,在不同的温度和工艺角下,设计的调制器有效位数最低为16.22位,功耗最高为2.7μW。

关键词： 温度传感芯片   结构设计   亚阈值电流   种动态偏置补偿   多点修调   动态斜率补偿   温度场重构  

摘要： 温度对于集成电路至关重要，高性能的处理器及片上系统(System on Chip，SoC)等芯片通常采用热管理技术控制芯片温度来保证其性能及可靠性。热管理技术利用片上集成温度传感器获得芯片温度信息，然后通过调整芯片工作频率、电源电压等方式将芯片的温度控制在合适的范围内。为了更准确地实现控温，热管理需要得到芯片的全局温度场。但是高性能的处理器及SoC等芯片的温度分布非常复杂，如果直接以温度传感器测量数据组成芯片温度场，将需要数量众多的传感器。结合温度传感芯片与温度场重构技术的新型温度感知策略是获得全局温度场的有效解决方案。这种策略利用有限数量传感器的测量数据以及重构算法能够实时重构芯片全局温度场。对于片上温度传感器，易集成、小面积(＜ 0.005mm2)、低功耗（小于几个μW）、高精度（误差不大于±1℃）是其未来发展方向。对于温度场重构技术，以更少数量的传感器实现更高的温度场重构精度是其追求的目标。本论文针对适用于高性能的处理器及SoC等芯片热管理应用的低功耗CMOS温度传感芯片设计技术以及温度场重构算法开展研究，论文的主要内容及创新性成果如下:　　(1)针对MOSFET多种漏电流成分导致基于亚阈值电流感温精度降低的问题，本文首次分析了MOSFET亚阈值电流感温机理及相关变量对感温精度的影响，在此基础上提出了一种基于MOSFET亚阈值电流感温的紧凑型低功耗温度传感器，提升了传感器的测温精度。同时，提出了一种动态偏置补偿技术，降低了传感器的电源电压敏感度。基于0.18μm CMOS工艺完成电路及版图设计，核心电路面积仅为3744μm2。仿真结果表明，经过两点修调及系统误差消除后，该传感器在-40～120℃范围的的测温精度能够达到±0.25℃，同时功耗仅为0.1μW。该电路在面积、功耗和精度方面具有明显优势。　　(2)针对MOS类温度传感器通常需要多点修调的问题，提出了一种基于亚阈值电流比感温的低功耗温度传感器，利用两个亚阈值电流源比值消除部分工艺参数对感温线性关系斜率的影响，实现了单点修调。同时，提出了一种动态斜率补偿技术，降低了传感器的电源电压敏感度。基于0.18μm CMOS工艺完成电路及版图设计，仿真结果表明，传感器单点修调后，-20～120℃温度范围的感温精度为±0.8℃，核心电路面积和功耗分别为4400μm2和0.4μW。该电路的优势在于只需要单点修调，同时也保持了小面积、低功耗和较高精度的特点。　　(3)针对热管理对不同温度范围要求的温度场重构精度不同的问题，提出了基于加权字典学习的温度场重构策略，该方法以最小加权均方误差作为评价函数，能够在保证全局温度场重构精度的同时，提高报警阈值附近温度点的监测精度，可以有效降低动态热管理的误报率，相比现有研究成果的方法，误报率至少降低了25.2％。针对温度场表征模型包含信息较少的问题，提出了基于稀疏字典学习的温度场重构策略，该方法使用更高维度的模型表征温度场的分布特征，减少模型训练时的信息损失，可以提高温度场重构精度，相对于现有研究成果的方法，平均温度场重构精度至少提升了7％。

关键词： Internet of Things   Smart Home   Smart Remote Control   Door Lock   Infrared Remote  

摘要： The rapid growth of modern communication systems is leading to changes in our lifestyles and work;however,mobile technology is available for *** the advent of 5G era,the Internet of Things(IoT)technology has developed rapidly and different levels capabilities offered by the 5G mobile technology will create new user experiences and link new ***,it is crucial to understand how and where the business may use 5G''s advantages such as smart cities,smart home,***,relevant research also deepens as an essential part of the smart *** this study,we implement two projects Smart Door Lock System and Smart Remote *** to of the high power consumption of existing smart door locks and the need for WiFi and other devices to cooperate with the network,we designed and implemented a smart door lock system based on STM32LO and *** system uses a low-power microprocessor STM32L053R8 combined with a fingerprint module,Bluetooth module,and motor module to realize the functions of door lock fingerprint unlocking and Bluetooth unlocking;at the same time,the NB-IoT communication module is used for data interaction,and the door can be opened without external network *** information such as lock power and unlock records are uploaded to the cloud server for processing and display on the mobile *** testing,the smart door lock system runs stably and has practical application value.　　Another Project is Smart Remote Control,as we know the remote control is a device used to control another device remotely,usually *** critical issue related of using separated remote control is that we buy home appliances every once in a while,and every device at home has its own remote *** solve this issue,we implement another project to control all home devices via the internet and eliminate the need for multiple remote ***,we propose a smart remote controller that can control all home devices and operate them

关键词： 接触式数字温度传感器   结构设计   误差消除   失调控制  

摘要： 对温度的监测和控制需求普遍存在于生产生活中的方方面面，而温度传感器是进行温度测量的关键设备，分立式温度传感器的成本高、应用复杂、体积庞大，而使用集成电路工艺将感温前端、读出电路、数字处理单元等一同制作同一硅片上的CMOS温度传感器，可直接输出温度的数字信号供外部控制器使用，极大地降低了测温应用的电路规模，同时还具有低成本、应用简单等突出优势，广泛应用于物联网领域。　　本文以使用低成本CMOS工艺制作的接触式数字温度传感器为研究方向，主要研究其中的模拟模块部分，包括基于BJT的感温前端、读出电路等。感温前端将产生两路与温度敏感的电学信号供读出电路量化，为了消除感温元件与前端电路在信号中引入的各种误差源，使用了多种误差消除技术，主要包括斩波技术、动态元件匹配、有限电流增益补偿以及曲率补偿技术。所构建的感温前端在-55℃至150℃范围内，经30℃下经过单点修调后，可达到+0.2/-0.1℃的测温误差。　　读出电路将量化前端提供的两路温度敏感信号的比值，采用一阶zoom-ADC进行实现，其综合了SAR-ADC的速度优势与Σ△-ADC的精度优势，相较于传统的量化电路，有着更快的转换速度和更高的能效。同时，为了克服读出电路积分器中存在的运放失调以及电荷注入引起的失调，本文采用了全差分斩波自调零积分器，从而将失调降低到了可以忽略的量级。　　为了尽可能减少自发热对测温精度的影响，本文设计了低功耗的外围电路，以提供稳定的电源电压以及时钟信号供关键电路模块使用。　　感温前端以及读出电路进行联合后仿真显示:该温度传感器可在-55℃至150℃范围内，单点修调后，达到+0.3℃/-0.2℃的测温精度，一次温度转换消耗的时间为8.272ms，温度分辨率为±0.05℃，总体功耗为30.8μW。

关键词： IGBT   关断损耗   动态电场调制   EMI噪声   低功耗  

摘要： 绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)凭借其高输入阻抗、低导通压降、低驱动功率等优势,广泛应用于轨道交通、家用电器、智能电网、新能源汽车等领域。由于IGBT的工作机理,其导通压降(V)和关断损耗(E)之间存在折中关系。为降低器件整体功耗,优化IGBT的V和E之间的折中关系一直是研究热点之一。为降低器件的开启功耗(E),往往希望IGBT有更快的开启速度,但过快的开启会导致器件的电磁干扰(EMI)问题显著,因此优化E和续流二极管两端d V/dt之间的折中关系具有重要意义。本文以低功耗为重点,研究了IGBT动态电场调制关断机理,提出了动态电场调制IGBT新结构和具有双空穴阻挡层的IGBT新结构。1.研究动态电场调制关断机理并提出动态电场调制IGBT新结构。目前现有的IGBT结构和技术大多是通过优化IGBT导通时的载流子分布来优化E。但这一方式不可避免地会导致器件V的上升,不利于V和E之间折中关系的进一步优化。本文从动态电场分布的角度出发,研究了动态电场调制关断机理,结合半导体物理方程推导了IGBT关断过程中的电压、电流理论模型。根据该模型给出的关断损耗优化方向,提出了动态电场调制IGBT新结构(DEM-IGBT)。该结构具有P型漂移区,在关断过程中加快了动态电场的建立,减少了储存的过剩载流子,减小了关断时间(t)。与传统具有载流子存储层的沟槽栅IGBT(Carrier Stored Trench-Gate Bipolar Transistor,CSTBT)相比,DEM-IGBT的t降低了46%。相同V下,DEM-IGBT的E比CSTBT降低了60%,有效优化了V和E之间的折中关系。同时,DEM-IGBT具有更优的E和开启电流峰值(I)之间的折中关系。2.提出具有双空穴阻挡层的IGBT新结构(DHB-IGBT)。该结构具有发射极侧的半超结(Emitter Semi-superjunction,ESJ)结构和载流子存储(Carrier Stored,CS)层。在DHB-IGBT开启时,ESJ引入了横向电场调制,有效缓解了空穴在栅氧化层底部和浮空P区的积累,CS层起到第二层空穴势垒的作用,两者形成的双空穴阻挡层减小了器件开启过程中的位移电流。在相同的E下,DHB-IGBT的d V/dt较具有空穴通道的IGBT(HP-IGBT)和具有鳍式P阱区的IGBT(Fin-P IGBT)分别降低了62%和52%,有效优化了器件的EMI特性。DHB-IGBT也具有更优的V和E之间的折中关系。