关键词： 脉冲神经网络   低功耗   磁性隧道结   真随机   脉冲时间依赖可塑性  

摘要： 随着智能化和万物互联浪潮到来,对神经网络芯片需求呈现指数型增长。近年来,由于脉冲神经网络(Spiking Neuron Network,SNN)贴近于脑神经元的行为机制,能够很好地利用外部输入事件的时空信息,在数字化类脑神经形态系统上有着广泛的应用。然而,当前SNN计算架构在数字电路实现方案上仍存在着诸多问题,例如:资源消耗大、集成度低等。为解决SNN在数字实现方案中资源消耗与集成度等方面的问题,满足学术与工业界中对高速并行计算、片上学习等方面的应用需求。本文设计方案以及创新点主要如下:本文结合新型自旋电子器件,具有低功耗纳米级的磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ),首次提出了一种基于MTJ随机初始化突触电路。基于此突触电路,提出了一种具有高集成度、高速并行处理能力的SNN计算架构系统。在所提出的SNN计算架构系统中,包含有100个神经元以及1.96万个突触。此外,本文还对系统的输入编码模块、神经元模块、突触模块、控制模块与输出模块均进行了相应的优化设计,使得该系统具有真随机初始化能力并支持在线的脉冲时间依赖可塑性学习。最后,本文对所提出系统进行了FPGA原型验证。通过系统综合工具验证,最终结果表明,系统整体的动态功耗为50m W,逻辑资源占用率在15%以下,存储资源占用率在29%以下。此外,相较基于线性反馈移位寄存器实现突触随机初始化的方案,本文所提出的基于MTJ实现的突触随机初始化在产生单个随机数功耗上降低了一个数量级(仅需要0.018m W)。同时,在性能方面,本文所提出的系统对手写数字数据集MNIST的识别率为84%左右,比传统方案提升了2-3%。

关键词： SAR ADC   高精度   低功耗   采样失真消除电路  

摘要： 在各类ADC中,逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)具有面积小、能效高的结构特点,且对先进CMOS工艺表现出了优于其它架构的适应性,受到广泛关注。以现代数字医疗成像为代表的数据采集系统对ADC的转换精度提出了更高要求,如何提高SAR ADC的转换精度并保持低功耗优势是该领域的研究热点。论文以16位1 MSPS高精度低功耗SAR ADC为研究对象,首先调研了高精度和低功耗SAR ADC的研究现状,然后分析了SAR ADC的转换原理和误差。采用3段式电容阵列完成16位高分辨率量化,保持了SAR ADC无动态功耗的优势。最后,对16位1 MSPS SAR ADC的采样电路、高精度比较器、电容阵列DAC和逻辑控制电路进行了设计。针对采样开关导通电阻造成的信号失真,在采样电路中提出了一种新型的采样失真消除电路,使用辅助路径抵消采样路径上的误差电荷,使用双板采样实现对输入信号的无源放大,避免了输入信号幅值衰减导致的同等噪声条件下信噪比降低。电容阵列DAC采用3段的分段式结构,通过多个单位电容先串联、再并联的方式实现了非整数容值的桥接电容,避免了不同分段之间产生增益误差,并使采样电容所占百分比最大化以抑制k T/C噪声。论文基于SMIC 55 nm CMOS工艺,使用1.2 V的电源电压,完成了16位1MSPS高精度低功耗SAR ADC的电路设计和仿真。仿真结果表明:ADC在高频输入信号下的ENOB为14.95位,SFDR为97.10 d B,核心电路功耗为0.972 m W,品质因数为29.66 f J/conversion-step;在中频输入信号下的ENOB为15.65位,SFDR为106.17 d B;在低频输入信号下的ENOB为15.88位,SFDR为106.17 dB。

关键词： 高压电缆   接地环流   低功耗   NB-IOT   MQTT  

摘要： 近年来,我国的电力使用量持续地上升,2021年限电事件频发都在预示着安全、高效、节能是当今电力行业研究的重点,实现高压电缆的故障在线监测是关键,可以有效降低电力电缆的检修与维护成本。本文对国内外在线监测装置与电缆故障诊断方法的发展现状进行了系统的分析,使用太阳能电池板配合蓄电池为设备供电,通过软硬件实现低功耗,研究了一款基于接地环流监测方法的低功耗高压电缆在线监测装置。通过对传统监测装置的分析与测试,发现其主要功耗来源为通信模块与主控模块块,故选用了低功耗与高性能兼顾的STM32L486单片机搭建了监测装置的主控模块,并用低功耗广覆盖的NB-IOT通信模块作为无线通信框架的核心,结合多种运行模式和软件设计调控监测装置的数据发送与工作周期,并将监测装置的分为了正常工作模式、间歇工作模式和掉电工作模式;使用MQTT协议配合NB-IOT模块,开发了监测装置的通信框架,实现了低功耗数据通信方案,并对采样数据进行有效值计算与无效数据剔除,优化了传输数据量,降低了丢包率与模块功耗。通过上诉设计,研制出了在50W太阳能电池板配合150AH蓄电池的供电模式下,在极端天气条件时能够稳定运行63天的低功耗高压电缆在线监测装置。

关键词： 智能数字助听器   芯片算法   啸叫抑制   现场可编程门阵列   加权叠接相加滤波器  

摘要： 随着我国社会老龄化加剧，未来对助听器的需求将大幅提高。但是目前中、高端助听器被国外品牌垄断，国产助听器采用国外芯片二次开发，缺乏竞争力。国内针对数字助听器的研究基本停留在算法层面，目前为止，研制成功的数字助听器芯片不超过3款，且未形成销售规模。目前的国产数字助听器芯片均采用DSP内核作为主控制器，因其可编程的特点，灵活性较高，但同时功耗也比较高。此外，国产助听器均未集成智能场景识别功能。因此，本文将开展数字助听器芯片的算法和低功耗硬件实现研究，采用全硬件架构、参数可配置的设计，在保证灵活性的同时，降低主控制器的功耗。同时将展开智能场景识别的算法和低功耗硬件实现研究，从而实现智能数字助听器芯片的设计。　　本文首先对数字助听器的关键算法展开研究，主要包括加权叠接相加(WOLA)滤波器组、宽动态压缩(WDRC)、多子带谱减(MBSS)和对数最小均方误差(Log-MMSE)等算法，并以低功耗设计为目的，对算法进行实现与优化;接着对算法进行低功耗硬件实现，采用有限状态机(FSM)作为主控制器，实现了一款全硬件可配置的数字助听器芯片;然后，对基于声学场景分类的低功耗智能场景识别算法进行研究，包括采样率转换、音频特征提取和神经网络等算法，并进行低功耗硬件实现;分别对全硬件可配置数字助听器芯片和智能场景识模块进行了验证，并对智能数字助听器芯片进行了联合验证。　　本文的创新点主要有:　　1)针对WDRC算法声压级(SPL)校准计算复杂的问题，提出了一种简单快速、准确的SPL校准方法，通过在麦克风施加某单频信号，并输出该频段SPL的计算值，计算两者之差得到系统的SPL偏移值，该方法可快速将SPL的计算值校准到准确值。　　2)提出了针对MBSS算法和Log-MMSE算法的优化方法。针对MBSS算法在解决音乐噪声时引入额外噪声的问题，对掩蔽音乐噪声的方法提出了改进;为实现低功耗设计，将改进的引导判决法引入基于统计模型语言活动检测(VAD)的噪声估计器，提高噪声估计的准确性，并复用Log-MMSE算法中的变量，大大减小了噪声估计器的计算量，从而降低了硬件的功耗;针对基于统计模型VAD噪声估计算法在硬件工作中会偶尔失效的问题，分析了算法中几个参数对跟踪非平稳噪声能力的影响，并提出了解决方案。　　3)针对现有国产数字助听器芯片均采用DSP进行设计，功耗较高，提出了一种基于状态机的全硬件可配置数字助听器芯片架构，大大降低了系统的复杂度，满足低功耗设计的目的;在硬件实现过程中，在一种基于最高非零位查找表方法计算特殊函数的基础上，针对其组合逻辑过长影响系统最高工作频率的问题，对其组合逻辑延时进行了优化，提高了系统的速度。　　4)提出了一种低功耗声学场景分类算法。为减小特征的量化位宽，采用特殊归一化数据预处理方法处理音频特征，在保证准确率的前提下减小了硬件计算资源;为减小网络参数的量化位宽，采用一种动态增益量化方式，减小了神经网络权重参数存储资源开销;为滤除LSTM网络在硬件下实时输出包含的噪声，采用一种对识别结果的滤波方法，使识别结果在实时硬件系统中更加稳定和准确。　　5)为降低啸叫抑制算法功耗，提出了一种基于智能场景识别的超低功耗啸叫抑制方案。通过引入啸叫场景，在检测到啸叫后对音频施加负增益，在保证抑制大音量啸叫的同时，大大降低了设计的功耗，有利于系统的低功耗设计。　　本文设计的全硬件可配置数字助听器芯片在SMIC0.13μm混合信号工艺下进行了流片。芯片的面积为8.11mm2，芯片在TT工艺角下的后仿功耗为783.1μW，小于大部分同类产品，其中作为主控制器的状态机功耗仅30.0μW，非常适合低功耗应用。基于FPGA的智能场景识别算法模块在UrbanSound8K数据集下取得84.77％的识别准确率，在助听器应用场景数据集下取得92.11％的识别准确率，基于智能场景识别的啸叫抑制模块对啸叫施加了-9.28dB的衰减，初步证明了其有效性;智能场景识别算法模块版图面积为2.65mm2，后仿功耗为386μW，相比于其它同类ASIC成果具有一定的优势。

关键词： 泄漏检测   无线传输   LoRa   低功耗   时间同步  

摘要： 管道泄漏每年会给国家和人民带来巨大的水资源浪费,因此管道泄漏检测工作是节水省水工作中的重要一环。相较于传统人工漏水检测技术,基于无线通信技术的漏水检测系统在实时性、精确性和可靠性上更胜一筹。本文尝试研制一套基于低功耗远距离无线组网的供水管网泄漏检测系统,并针对系统组网中关键的低功耗与时间同步问题展开研究。论文的主要工作如下:(1)基于分析的漏水检测系统的功能和需求,设计了一套供水管网泄漏检测系统,整体架构分为采集端、控制端和交互端三部分。(2)设计了检测泄漏信号的无线传感节点。该节点由信号调理单元、射频芯片、主控芯片和电源模块组成,其中射频器件采用semtech公司开发的LoRa通信芯片sx1262。基于所设计的传感节点搭建了一个无线传感网络,实现了泄漏信号采集、无线组网和数据传输任务。(3)进行了周期性休眠和变功率算法等低功耗设计,并对传感节点在不同工作模式的功耗进行了测试。实验测试和估算结果表明,系统的低功耗设计可降低系统功耗90%以上,有效延长了系统的使用寿命。(4)基于RBS算法设计了系统内无线传感网络的时间同步算法,探究了算法在系统实际应用中误差的产生原因并进行了改进。进行了时间同步实验,证明改进后的时间同步算法可将同步误差控制在1ms以内,可以基本完成时间同步功能。(5)对研制的无线组网管道泄漏检测系统进行了整体性测试,验证了系统泄漏检测定位的有效性。结果表明所设计的系统能够有效检测出漏水点位置,误差范围满足要求。

关键词： STEP标准   速度优化   多线程   拓扑缺陷  

摘要： 三维几何引擎是三维计算机辅助设计(Computer Aided Design,简称CAD)软件的内核和基础组成部分。它是三维几何建模的基础,用户可以利用其提供的应用开发工具以及接口进行二次开发。数据交换功能是几何引擎中最基础的功能之一,在CAD系统之间进行数据交换时,因不同CAD系统数据结构不一致等原因往往会产生数据不兼容、数据丢失等问题。为解决以上问题,各国陆续开发了多种数据交换标准。其中,产品数据交换标准(Standard for the exchange of product model data,简称 STEP 标准)因其模型信息表示完整、独立于任何CAD系统等优势而广受欢迎,目前大多数CAD软件均已实现STEP标准。本文主要解决了 STEP标准实现过程中的两个问题。一是现有的STEP中性文件读取算法存在文件读取速度较慢的问题。本文从两方面对其读取速度进行了改进。一方面优化文件读取方式,将文件数据一次性读入内存,然后根据读取算法要求对数据进行预处理,并将数据结果存入数组。另一主要方面是优化数据转换方式,将基于单线程的串行转换改为基于多线程的并行转换,并根据文件数据特点提出了体并行、体+面并行以及分层并行三种并行转换优化算法。.本文以原有读取算法以及OpenCASCADE为对照实验,对这三种并行算法的运行效果进行了实验。实验结果表明,三种并行优化算法都提升了文件的读取速度,且效率上相差无几。并行程序运行速度相比串行转换程序运行速度提升至原来的2倍左右,比OpenCASCADE运行速度提升至原来的9倍左右。二是读入的模型存在拓扑缺陷问题。针对目前出现的两种拓扑错误,本文分别提出了相应的检测算法。一个是环边方向的一致性检测算法,检测模型中组成环的有向边的方向是否保持一致。算法主要包含三步,首先根据现有的数据信息以及有向边、边曲线、几何曲线之间的关系计算出有向边的起始点和终止点,然后根据相邻有向边是否首尾相连对有向边进行分组,最终输出数量较小的分组中的有向边信息。第二个是关于面法向量的方向一致性检测算法,检测模型中所有拓扑面的法向量是否统一朝向模型外部。算法的主要思想为求解几何面上位于边界范围内(非边界上)的一点的法向量的朝向,进而通过几何面和拓扑面的关系得到拓扑面在该点处的法向量的朝向,如果法向量朝内,则说明当前拓扑面的法向量方向出现错误,输出当前拓扑面的相关信息。本文工作内容主要集中在三个方面:一是提出三种并行转换算法对读取算法进行优化;二是提出环边方向的一致性检测算法;三是提出面法向量的方向一致性检测算法,特别是对拓扑面上一点的求解,根据不同几何类型给出了不同的解决方法以及验证方法。

关键词： 氡个人剂量计   静电收集法   电场仿真   低功耗   氡气测量  

摘要： 氡气是一种天然的放射性气体,在我们的生活环境中广泛存在,氡气的浓度高于一定水平会对人体的健康产生危害。在铀矿山等一些特定工作场所中氡气浓度水平较高,相关从业人员有必要进行氡气的个人剂量监测。现有的氡个人剂量计大多采用的是径迹蚀刻法,收集时间需要几天或几个月不等,测量效率较低,因此研制低功耗、可随身佩戴的氡个人剂量计具有重要的意义。本研究得到四川省重大科技专项（项目编号:2020ZDZX0007）的资助。 本文中设计的氡个人剂量计通过在微型测量腔内部施加高压电场,将收集到的氡及其衰变子体吸附到探测器之上。在研究中利用COMSOL Multiphysics仿真软件模拟了这一过程,文中设计了三种不同几何结构的微型测量腔腔体,对其内部电场分布和粒子运动轨迹进行了仿真和优化,并计算了带电粒子在微型测量腔腔体内部的收集效率。通过仿真对比实验得出在+170V电压下,六面体结构微型测量腔的粒子收集效率可达到83.56%,完成收集的时间约20μs。 氡个人剂量计的设计需要低功耗、方便携带并且能够稳定运行。针对仪器的使用需求,完成了低功耗硬件系统的方案设计。探测器选用硅PIN光电二极管,模拟电路部分完成了电荷灵敏前置放大电路、脉冲成形电路、脉冲甄别电路等设计,并对其中涉及的工作原理进行了详细的介绍。设计了可持续稳定运行的电源系统,并对其性能进行了实验测试,经测试后得出电源系统可稳定运行,高压电源的精度在±2V以内,误差不超过1%,探测器偏置电压的纹波系数小于0.2‰。 选用超低功耗的STM32L1单片机为系统内核控制器,实现了数据的处理、采集和实时显示等功能。选用无线蓝牙通信技术进行数据的传送,配置了单片机的待机唤醒功能实现系统的低功耗控制。氡个人剂量计利用程序控制能够实现快速响应,最大功耗不高于140m W,低功耗测量模式功耗不高于20.7m W。 最后搭建了实验的测试环境,对仪器的整体性能进行了测试。利用241Am测试了模拟电路的工作性能,信号在滤波成形之后有效值约112m V。完成了氡个人剂量计的实物制作和仪器的装配,并在氡室中完成了标定,确定了仪器的刻度系数。对仪器的精确度等性能进行了实验测试,氡个人剂量计重复性小于15%。 通过各项测试结果,总结出氡个人剂量计具有可稳定工作、运行功耗低、体积小、操作简单等优点。

关键词： 低功耗蓝牙5.2   链路层控制器   低功耗设计  

摘要： 低功耗蓝牙技术在医疗保健、运动健身、安防、家庭娱乐和物联网领域得到非常广泛的应用。低功耗蓝牙5.2协议是蓝牙技术联盟推出的新一代通信规范,其中链路层控制器是蓝牙通信过程中时序控制的核心,它决定各种模式数据传输的流程。该部分功耗占低功耗蓝牙协议栈总功耗的绝大部分,因此该模块的低功耗设计对于提升蓝牙芯片能效具有重要意义。本文面向一款低功耗蓝牙芯片MS2010的低能耗需求,设计并验证了其中的链路层电路。首先在时钟网络管理调度策略方面,根据链路层工作时序优化了时钟管理以降低工作状态功耗;在通信模式切换方面,设计了活动模式与深度休眠模式以降低空闲状态功耗,并使用多模式切换时钟精度控制算法确保通信的稳定性;在状态机优化策略方面,应用了状态机分解和编码以降低状态机功耗。最后,本文完成了链路层控制器中时钟网络管理模块、模式切换模块、事件调度模块、事件控制模块和数据包控制器等模块的RTL电路设计,并将其挂载至芯片MS2010中验证了功能。本文设计的链路层模块实现了低功耗蓝牙5.2协议中的通信功能,并在40nm工艺、8M时钟频率和1V工作电压的条件下,DC综合出的动态功耗为0.25m W。与对标论文相比,本文实现的低功耗蓝牙链路层控制器具有功能丰富、功耗较低的特点。

关键词： 智能家居   无线传感网   微型化   低功耗   自供电  

摘要： 近年来随着人们对生活品质的追求不断提高,智能家居相关产业飞速发展。无线传感网因其无需线缆即可建立网络并进行数据和指令交互的特点被广泛应用在智能家居领域。微型化的无线传感网节点由于其隐蔽性,可有效降低其对室内布局的影响,因此,具有很强的实用性。但另一方面,微型化也使得可以携带的储能器件尺寸受到极大限制,从而极大降低了节点的使用寿命。针对以上问题,本课题以智能家居室内温度监测为应用背景,提出了无线传感网节点微型化方案,通过光能收集实现无线传感网节点的自供电功能的同时,利用节能策略降低节点功耗,增强了节点在无光照情况下的生存能力。具体研究内容如下:一、为缩小节点尺寸,将节点各功能模块分别布局在三块独立电路板上,并采用双面布线后多层印制电路板堆叠的方案进行连接。针对传统连接接口尺寸大和引脚密度高等问题,利用印制电路板设计专用连接层,并通过对节点不同层的电路结构进行协同布局,使不同层的器件埋设在挖空的连接层内部,这使得节点尺寸缩小至16×14×8.7 mm。二、对于微型化下电池能量受限导致的供给不足引起的节点寿命较短的问题,一方面利用小尺寸光电二极管进行光能收集,并通过调整能量收集电路的最大功率点比例以尽可能提升对环境光能的收集效率,另一方面通过更改操作系统的电源管理策略,并根据当前储能和环境能量情况,智能化调控节点的性能参数,从而保证节点持续运行。节点在每分钟采集并发送一组数据的平均电流消耗约为3.6μA,且在光照强度为500 Lux时即可实现近乎零消耗的任务执行。最终的测试结果表明所设计的智能家居温度监测无线传感网节点可在室内环境下实现基于Zig Bee协议的温度采集及数据发送功能,组网通信距离约为11 m,并在日常光照强度下即可实现自供电功能。

关键词： Delta-Sigma调制器   低功耗   全前馈   多bit量化   DWA  

摘要： 模数转换器作为模拟信号和数字信号之间转换的桥梁,其性能直接决定了被处理信号的质量。随着便携化电子设备的出现,物联网的发展,精密测量仪器,生物信号采集、高品质音频设备,传感接口等领域的应用,高精度和低功耗成为了模数转换器的主要发展方向。但是Delta-Sigma ADC的速度、精度和功耗是相互制约的,单纯讨论其中一种指标不具有参考意义,通常使用Schreier优值(Fo M)这一指标来衡量其整体性能,即在保证ADC精度、速度的同时尽量减小功耗,提升优值。本文针对Delta-Sigma ADC中的模拟部分Delta-Sigma调制器从系统层面和电路层面研究其低功耗技术,基于Cadence平台,使用0.18μm CMOS工艺设计一款高精度、低功耗Delta-Sigma调制器,以期望达到较高的Schreier优值,即能效。首先根据系统分析及设计指标选择低功耗的全前馈3阶4bit量化器架构,基于MATLAB/SIMULINK进行行为级建模仿真,考虑系统的非理想因素,使用DWA(Data Weighted Averaging)技术改善多位反馈DAC带来的非线性问题,得到系统和电路模块的主要设计参数。之后在电路层面分析选择低功耗技术,针对系统的特殊时序,提出一种自带前馈求和的4 bit SAR(Successive-Approximation Registor)量化器,无源求和不消耗静态功耗,对电路各模块和调制器整体进行仿真验证。最后对调制器中各子模块进行版图设计与验证并给出了系统整体版图设计。信号带宽为8k,采样频率为1.024M,电源电压为3.3V,前仿真结果显示本设计实现了106.95d B的信噪失真比,动态范围达到了120d B,功耗为2.3m W,Schreier优值为172.36d B,满足设计指标。