关键词： 多agent系统   数据分发服务   蚁群算法   路径寻优  

摘要： 智能体(agent)广泛应用于人类难以到达的领域,如地形探索、恶劣环境搜救等,这些复杂任务对agent路径寻优提出挑战。单agent难以完成复杂路径寻优任务,学者开始对多agent路径寻优展开研究,基于显式通信进行精准计算的精确算法虽然可以求得最优结果,但只有给出严格数学依据才能得出最优解,算法时间复杂度随问题规模和agent数量增长,只适用于整体复杂度较低且路线较少的情况;启发式算法虽然能够在可接受时间内求出可行解,但通信媒介能传达的信息有限,可行解与最优解间偏离程度无法预计,agent易陷入异常状态,同样制约了多agent路径寻优能力。本文主要研究将多agent路径寻优引入混合通信方式,agent通过数据分发服务直接通信,以蚁群算法作为路径寻优动力,提高路径寻优求解质量和收敛速度,增强agent在复杂环境下的适应性。首先,分析agent采用数据分发服务通信的优势,针对当前数据分发服务存在慢订阅者和慢连接问题进行改进,采用多线程技术,基于actor模型消息传递思想,借鉴其强隔离性,引入多线程worker实现订阅者并行接收数据,改进订阅者无状态消息返回发布者可能引起的慢连接问题,建立基于多线程worker的高可靠数据分发服务模型,有效降低数据传输丢包率,不仅通过与零消息队列进行对比实验,表明该模型在接收不同长度报文情况下,能有效降低丢包率,而且通过对模型进行压力测试,验证其降低agent直接通信丢包率的有效性。然后,针对蚁群算法收敛质量,提出适应变化的挥发因子并改进信息素更新策略,在寻优不同阶段采用不同参数配置,增大全局搜索范围,避免过早陷入局部最优,削弱较差路径对寻优质量的影响。通过仿真实验,将改进蚁群算法与AC和MMAS算法进行对比,证明改进蚁群算法提高收敛质量的有效性。最后,设计并实现基于多线程DDS的多agent路径寻优系统,基于多线程worker的数据分发模型设计通信模块,基于改进蚁群算法设计路径寻优模块,通过冲突避让模块和陷阱回退模块解决多agent死锁问题,通过实验验证该系统能提高多agent路径寻优质量和收敛速度,增强系统面对复杂环境的适应性。

关键词： 逐次逼近寄存器型模数转换器   失调电压   低压   低功耗  

摘要： 各类便携式设备已成为人们日常生活中不可缺少的一部分,随着便携式设备的应用场景愈加广泛,人们对生物医学应用的无线传感器设备的兴趣日益浓厚,这些传感器设备通常用于生物信号的长时间监测,如心电图(ECG)、脑电图(EEG)、肌电图(EMG)。因此,应用于生物信号监测系统中电路的功耗成为了重点关注的方向。模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)作为模拟信号与数字信号的桥梁,是生物信号监测系统中的关键模块。因此应用于生物信号系统中模数转换器的低功耗与高能效成为一个有价值的探索方向。大多数生物信号变化速度缓慢且幅值较低,对于其中的模数转换器通常需要中等精度(8-12bit)和低采样率(1-1000k S/s)。在ADC中失调是一个不可忽视的问题,失调会使得ADC的传输曲线产生向上或向下的平移,导致ADC的高输出码字或低输出码字发生丢失从而降低ADC的量化范围。对于输入信号幅值本身就很小的低压ADC而言,更需要关注失调带来的影响。针对生物信号采集系统的应用,本文设计了一款用于生物电信号量化的低压ADC。整体采用异步逻辑进行实现,针对低压ADC的漏电问题,采用了一种两级带负压关断功能的自举采样电路,大大降低了ADC保持阶段的漏电流。针对输入信号高共模的特征,为电容阵列加入了电平移位功能。并考虑到前端放大器的驱动能力,通过电平复位的方式减缓了对放大器驱动电流的要求。应用于生物信号系统中的ADC不仅需要考虑功耗的问题还需要考虑其在系统中的前后级模块。在生物电信号系统中,ADC位于放大器与数字信号处理模块的中间。根据这样的特点,本文提出一种基于DAC的失调电压测量方案,将测量得到的失调量在数字信号处理模块中进行消除。ADC电路在CMOS 180nm的工艺节点下进行实现,电源电压为0.6V,采样率为200kS/s,无杂散动态范围为72.91dB,低频信号输入下有效位数为9.13bit。

关键词： 低压差线性稳压器   无片外电容   CMOS基准电压源   低功耗   摆率增强  

摘要： 片上系统（SoC）中的电源管理模块不仅需要输出稳定的电源电压,还要降低系统的静态功耗,延长电池使用时间。低压差线性稳压器（LDO）作为电源管理模块的重要组成部分,凭借其简单的结构、稳定的输出电压和良好的噪声抑制能力而被广泛应用于SoC中。由于无片外电容的LDO稳压器有利于片上集成,版图面积小,成本低,因此成为当前LDO领域热门的研究方向。本文针对传统LDO稳压器的带隙基准电压源静态功耗高、基准电压易受电源纹波噪声影响,以及无片外电容LDO稳压器环路稳定性差、瞬态响应性能不足等问题进行了深入研究,设计了一款采用亚阈值CMOS基准电压源的低功耗高稳定性无片外电容LDO稳压器。全文的主要工作和创新如下:（1）研究和设计了一款高电源抑制比亚阈值CMOS基准电压源。通过加入预调节电路和输出端低通滤波器,使电压源在很宽的频率范围内仍能保持较高的电源抑制比。同时,采用MOS管衬底电压驱动技术设计修调电路,减少了不同工艺角下基准电压的偏差。电路基于SMIC 110nm CMOS工艺设计,仿真结果表明:在1.5V电源电压,TT工艺角下,基准电压为542.63m V,上电启动时间为1ms。在-30～80℃温度范围内,基准电压的温度系数为37.7ppm/℃。电路的电源抑制比在1k Hz时为-102.41d B。（2）研究和设计了一款低功耗高稳定性无片外电容LDO稳压器。通过采用密勒电容倍增补偿和零点-极点跟踪补偿技术,使LDO稳压器在全负载范围内均具有良好的环路稳定性。同时,利用摆率增强电路动态调节功率管的栅极电压,改善了LDO稳压器的瞬态响应特性。电路基于SMIC 110nm CMOS工艺设计,仿真结果表明:在1.5V电源电压,TT工艺角下,LDO的输出电压为1.21V,静态电流为35.67μA,全负载范围内的最小相位裕度为85.19°。当负载电流以1μs的时间在1～50m A之间跃变时,输出电压的下冲幅度为96.69m V,过冲幅度为102.35 m V,最大调整时间为6.3μs。本次设计的无片外电容LDO稳压器具有静态功耗低、片上面积小以及稳定性高等优点,可为数据转换器和振荡器等电路提供稳定的电源电压,具有一定的应用前景。

关键词： 低功耗   C波段   射频功率放大器  

摘要： 随着半导体技术的不断发展,射频功率放大器已经可以集成于雷达测距芯片中。雷达测距芯片包含收发天线、射频收发机前端、数字信号处理等模块。对于雷达测距芯片而言,收发天线和射频收发机前端工作在厘米波或毫米波波段,是雷达芯片的核心组件,而射频功率放大器作为整个收发前端的核心模块,常是设计时的一大难点。射频功率放大器承担着将雷达芯片内部锁相环产生的微波信号放大后传输给天线的任务,是整个收发芯片中最耗能的模块,也是非线性最强的模块。在雷达测距芯片中,性能好且面积小的功率放大器电路是符合市场需求的产品。通常来说,射频功率放大器的性能和成本与制造工艺息息相关,不同工艺对功率放大器来说具有不同的特点。消费电子产品类的成本是设计以及量产首要考虑的因素。近年来,随着CMOS工艺水平的提高,特征尺寸不断减小,截止频率不断提高,完全满足射频集成电路设计的要求,并且易与高集成密度、低功耗的数字和模拟系统进行一体化集成,使得系统具有成本低廉、集成度高、应用范围广的优势。本文设计了基于SMIC 0.13μm CMOS标准工艺的射频功率放大器模块,该放大器采用AB类工作模式工作于C波段（5725MHz-5875MHz）,并集成于调频连续波雷达的收发前端系统中。由于调频连续波雷达发射信号包络恒定,因此对功率放大器的线性度没有太高的要求,功率放大器无需工作在功率回退区。整个功率放大器模块主要包括驱动级电路、偏置电路、功率放大器核心电路及片上巴伦等。采用自偏置的驱动级电路减小芯片的面积并降低功耗,输出级电路采用共源共栅差分结构以提升晶体管的耐压能力及相比共源级更高的反向隔离度,再由片上巴伦将差分射频信号转换为单端输出信号传输到天线接收端,同时巴伦还承担了功率合成以及一定的输出阻抗变换作用。在Cadence软件环境下对射频功率放大器进行了前仿真、版图设计和后仿真,并最终在中芯国际集成电路制造有限公司进行了流片,功率放大器模块芯片面积为0.4*0.26mm2。后仿真结果表明:驱动级电路工作于1.2V电源电压下,输出级电路工作于2.5V电源电压下,RF输出信号频率范围5725MHz-5875MHz,增益10d B,输出功率在-10d Bm-5d Bm范围内可调,最大发射功率下消耗电流11m A,发射信号谐波抑制大于47d Bc。流片后测试结果符合指标要求。

关键词： 低功耗蓝牙   高斯频移键控   数字基带   抗噪声干扰   采样判决  

摘要： 低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy,BLE)设备凭借其低复杂度、低功耗、低成本的特性在物联网市场拥有了较高的市场占有率。然而BLE设备工作环境复杂,在大噪声干扰环境下常存在解调误码率高的问题。因此深入研究BLE接收机中运用的GFSK(Gaussian Frequency Shift Keying,高斯频移键控)解调算法,对设计灵敏性高的GFSK基带接收电路有重要意义。论文从BLE GFSK解调面临的诸多挑战入手,根据改进的GFSK解调算法设计了一套高灵敏GFSK解调方案。该方案以低中频接收架构为基础,在数字下变频、相位差分运算、功能联接以及判决采样算法等部分进行了设计优化。论文提出使用范围循环计数器控制三轮迭代判决算法,辅以信号滤波,码元抗干扰实现GFSK解调的高灵敏性能,并利用Matlab对各关键模块仿真建模,给出了相应模块的解调结果。论文进一步设计了GFSK基带接收电路,并针对抗镜像干扰实现复杂、正余弦波的精确度低、存储占用空间较大等问题优化了电路设计,以平衡解调性能高与实现复杂度低两方面的需求。论文基于高灵敏GFSK基带接收电路设计搭建了FPGA验证平台,对解调性能与硬件资源两方面进行验证分析。验证结果表明,在8MHz的系统时钟下,数字接收机中的高灵敏GFSK解调模块能够正确解调SNR为8.9d B的BLE非编码型数据包,误码率为0.1%,达到了设计要求。

关键词： 唤醒接收机   峰值检测   不定中频   低功耗  

摘要： 随着物联网设备数量的快速增长,低功耗、低成本、低延迟、高集成度的无线通信技术逐渐成为研究热点,为兼顾低功耗和短通信延迟,唤醒接收机应运而生,设计一款低功耗、高灵敏度的唤醒接收机具有重要的科研价值与工程意义。本文设计了一款应用于低功耗蓝牙的低功耗无线唤醒接收机,采用低电源电压设计以实现低功耗。为兼顾低功耗和高灵敏度,采用不定中频结构,采用二进制开关键控调制方式,为提高转换增益的同时保证低功耗,混频器采用单平衡的无源混频器结构;跨阻放大器采用跨导提升结构和折叠式共源共栅结构以满足低电源电压要求,实现低输入阻抗;针对传统包络检波器中参考电压值难以确定的问题,提出了一种基于偏移的峰值检测电路,动态提取参考电压,实现包络检波;为抵抗工艺、电压、温度(Process,Voltage,Temperature,PVT)变化引起的频率偏移,设计了一种粗调和细调相结合的自动频率校准方案,快速锁定目标频点。本文设计采用TSMC 28nm CMOS工艺,完成了无线唤醒接收机原理图和版图的设计及仿真验证。仿真结果表明,在0.6V低电源电压下,工作频率为2.4GHz,唤醒接收机的整体功耗为49μW,灵敏度为-90 d Bm,数据传输速率为100kbps,版图面积为171μm×210μm,满足了低功耗和高灵敏度的设计指标要求。

关键词： LoRa   自适应数据速率   叠加信号   干扰消除   扩频信道  

摘要： 随着信息技术的不断进步,为了满足在不同应用场景对通信设备功耗、通信速率和通信距离的需求,低功耗广域网(Low Power Wide Area Network,LPWAN)技术应运而生。LoRa技术凭借低功耗、远距离、低成本、易组网的特点受到了广泛关注,但LoRa物理层的技术标准没有公开、LoRa通信系统数据的吞吐量有限以及传输时容易发生包碰撞。因此,本文着重于LoRa物理层的研究和LoRa通信资源的优化设计,主要工作及创新如下:1.设计了LoRa通信系统的测试平台,为了进一步深入研究LoRa物理层提供了LoRa节点的无线射频数据,对LoRa相同扩频信道干扰理论和仿真结果进行实测验证。2.结合罗德仪表的LoRa调制参数配置接口及LoRa物理层的文献资料,完善了物理层通信链路流程;从罗德仪表空口采集LoRa调制数据,对文献提出的LoRa调制解调算法进行验证;提出了一种LoRa空口数据的同步算法,实现了对罗德仪表及LoRa节点采集空口数据的同步和解调;并对LoRa通信系统进行了干扰仿真分析。3.针对LoRa相同扩频信道之间干扰,分析了LoRa通信系统产生这种干扰的主要原因,对现有LoRa WAN(Long Range Wide Area Network)协议的自适应数据速率(Adaptive Data Rate,ADR)算法的扩频信道资源分配进行优化,降低了相同扩频信道的冲突,并在LoRa星型组网中仿真验证了优化的ADR算法比基础的ADR算法的最大数据吞吐量提升了45%。4.为了提高LoRa技术的传输速率,提出了一种新的LoRa同步叠加信号的解调算法,该算法的使用场景和复杂度与LoRa技术原有解调算法的基本相同,仿真验证了新算法不会增加LoRa原有解调算法的误比特率;在新算法的使用场景中,当扩频因子为12时,新算法与LoRa技术的原有解调算法相比,LoRa数据包的有效信息比特能耗降低了20.16%及传输速率提高了83.24%。5.针对LoRa不同扩频信道之间的干扰,提出了一种干扰消除算法,该算法可以使该扩频信道的抗噪声性能提高2d B左右;对现有LoRa调制解调算法进行了扩展性分析,理论推导了LoRa技术的扩频因子可以为非整数,仿真分析出LoRa技术新增扩频信道要求相邻扩频信道的码片数为大于等于128的偶数;并仿真验证了4条典型新增扩频信道的抗噪声性能,计算出该新增信道能使LoRa通信系统节点的可接入量提高36.94%。

关键词： 混合昆虫机器人   蓝牙通讯   图像音频采集   低功耗  

摘要： 昆虫经过亿万年的进化,展现出卓越的运动能力。但是由于对昆虫运动学的研究不足以及电子控制技术的限制,现阶段的昆虫仿生机器人在各方面的运动性能上均远落后于真实昆虫。昆虫-电子混合机器人,是一种将昆虫载体与微型电子装置的融合。这类机器人的运动由昆虫载体而不是人工驱动器产生,因此较传统机器人具有能耗低,运动稳定和满足恶劣环境应用等优良特点。环境传感是昆虫-电子混合机器人的一种潜在应用。携带无线传感系统的昆虫机器人可以受控的部署于人类无法到达的狭窄或危险的区域,作为移动的传感平台收集环境信息。本论文选用甲虫作为昆虫载体进行行为控制研究,同时开发了一套无线图像声音传感及昆虫行为控制系统,包括无线从机端电子背包、无线主机端基站和PC端上位机。最终目标是可通过上位机实时显示电子背包收集的图像、声音信息,同时远程控制昆虫的飞行行为。论文的主要工作可以概况为以下几个方面:研究了甲虫飞行行为控制相关的生物学机理及肌肉电刺激方法。分析了与甲虫飞行运动相关的神经及肌肉的结构和功能特性;结合昆虫解剖学,对甲虫胸腔肌肉进行解剖,确定目标飞行肌肉的空间分布及电极的植入方式;针对电刺激控制甲虫飞行行为的研究目标,本文提出了控制甲虫飞行停止、飞行调制以及飞行转向行为的电刺激方法。设计了无线图像声音传感及昆虫行为控制系统的硬件电路。分析了多种低成本无线通讯方案,并选择基于NRF52840微控制器搭建蓝牙5.0无线通讯网络;对比了多款商用图像传感器及声音传感器,并选择基于HM01B0搭建电子背包系统的图像传感单元,同时选择基于模拟麦克风ICS-40310及超低功耗运放MCP6141搭建电子背包系统的声音传感单元;设计了用于昆虫行为控制的电刺激器以及背包的供电系统;设计了主机端基站数据无线及有线传输的电路及对应的供电系统;最后设计了微型电子背包的焊接工艺及防水封装工艺。设计了无线图像声音传感及昆虫行为控制系统的程序算法。搭建了蓝牙5.0通讯网络;设计了图像传感器主时钟脉冲的产生算法、寄存器配置的程序算法及数据读取的程序算法;设计了声音传感器数据采集的算法;设计了电子背包控制指令无线接收及传感器数据无线发送的程序算法;设计了昆虫电刺激器的程序算法以及电子背包系统的总体低功耗算法;最后,我们设计了主机端基站蓝牙无线通讯及USB有线通讯的程序算法。设计了无线图像声音传感及昆虫行为控制系统的人机交互上位机。针对便捷配置昆虫刺激参数及传感器参数的使用需求,设计了控制参数配置模块;针对传感器数据高速有线传输的使用需求,设计了USB通信模块;针对传感器数据实时复原保存及传输速度测量的使用需求,依次设计了数据拆分模块、图像显示及保存模块、图像帧率测量控件以及音频播放保存模块。完成了无线图像声音传感及昆虫行为控制系统的性能测试。测试了电子背包的图像声音采集性能、无线通讯性能、功耗性能。并在多种测试条件下进行了甲虫飞行停止控制实验,飞行调制控制实验、飞行转向控制实验;无线系统测试结果表明,电子背包捕捉到的图像没有因昆虫的运动而出现明显失真,电子背包能够以多种传输模式传输QQVGA分辨率的图像及清晰的环境音频信息,电子背包可靠通信距离为160m,在以1fps速度传输图像时,续航时间可达9小时;昆虫行为控制实验结果表明,使用3.5V,50Hz,50%占空比,持续时间为1s的刺激脉冲进行背纵肌-背腹肌组合刺激,可以有效的控制甲虫停止飞行;而使用峰峰值2V,100Hz,10%占空比的正负脉冲进行背纵肌-背腹肌刺激,可以增加甲虫的振翅频率;使用3V,100Hz,20%占空比的正脉冲刺激甲虫的基底肌,可以控制甲虫的对侧转向飞行。实验结果证明了操控甲虫飞行行为以及将其作为移动传感平台的可行性。

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： 软件化雷达   距离走动   多普勒扩展   相参积累   多线程   内存池  

摘要： 传统的雷达系统使用DSP、FPGA等专有硬件架构开发,这种开发模式研发周期长,扩展性低,可重构性差,因此可以通过将射频硬件与可编程软件重构来实现多用途的软件化雷达开发平台。由于软件平台的高度灵活性,研发人员可以通过软件编程来对各种雷达信号处理模块进行验证测试。传统雷达只能用于特定的任务,而软件化雷达的硬件具有可重用的特点,并且它可以加快研制周期以及降低生产成本。本文首先建立了高速机动目标回波模型,并对其回波特性进行分析,同时分别研究了机动目标速度和加速度对匹配滤波的影响。针对高速机动目标的距离走动问题分别采用Key Stone变换补偿、频域相位补偿、RFT变换补偿将目标回波信号校正在同一距离单元上,并比较了三者在工程实现中的优劣及计算复杂度。针对高速机动目标的多普勒扩展问题分别采用Dechirp方法、FRFT方法、延迟补偿法对目标信号进行加速度补偿,以使其相参积累得到的能量最大。其次,本文在通用平台刀片服务器上搭建了强实时性的高速机动目标信号处理平台,设计了多路数据并行、流水线并行、线程池并行的雷达信号处理框架,可以根据实际需求制定处理框架。对于系统数据采集前端,本系统开发了基于FPGA的PCIe信号数据采集板卡和上位机驱动程序模块,通过光纤和PCIe总线将雷达回波数据送入服务器内存中进行处理。对于系统后端,本文将高速机动目标信号处理的算法解耦成多个独立的模块,并分别进行了验证和实时性测试优化。同时本文设计了基于OpenMP的脉冲压缩组件;提出了一种利用多线程并行分段搜索目标速度的方法,以减少系统计算延时;对各补偿算法模块优化计算流程,减少了内存分配资源;提出了一种预排序结合哈希表的点迹凝聚方法。整个系统通过规划合理的数据流,对多线程进行适当的任务划分,构建各个信号处理模块以满足实际项目需求,且能够根据各种雷达应用需求进行信号处理方案的更改和升级,大大提高了系统的可扩展性。最后,本文对基于刀片服务器平台所搭建的软件雷达系统进行了实时性优化,在软件代码层面进行了规范设计,方便后续开发人员的维护升级;检测了程序的性能瓶颈以优化程序性能;通过对多核CPU的性能进行分析,对线程调度进行了优化;设计了内存池以减少内存碎片,同时加快了内存分配速度,进而降低了系统的计算延时;对系统运行环境嵌入了实时补丁以增强系统的实时性能。本文在多核CPU平台搭建了整个软件化信号处理流程,从数据流入到生成点迹信息都进行了合理的设计与优化,充分利用了多个CPU来满足项目的实时性需求。