关键词： 城市地下管网   实时监测   多跳路由转发   低功耗   远程更新  

摘要： 城市地下管网是保障城市正常运行的重要基础设施和“生命线”,负责提供能量与信息流,但随着城市化进程的不断加快,使得城市地下管网的维护难度日益增加,维护工作不及时导致地下管网事故频发。近年来,物联网技术发展逐渐成熟,运用物联网技术推动智慧城市建设是新的发展方向。本文基于管网监测系统的研究现状,设计并实现了具备稳定性、低功耗和可维护性的管网数据监测系统。主要研究内容如下。(1)搭建管网监测系统的软硬件平台。由于管网内通信限制,将通信方式分为低功耗蓝牙(BLE)和窄带物联网(NB-IoT),根据系统的性能需求进行硬件选型,并设计硬件平台。根据构件化思想设计I2C、RS485和ADC等应用构件,并进行终端多功能任务划分,同时设计终端多跳路由转发算法保证数据自组网传输。以Web网页作为人机交互软件,对终端数据进行可视化,并提供监测预警和设备管理等功能。(2)对管网监测系统进行低功耗设计。针对锂电池供电容量有限的问题,通过电量计芯片DS2781进行电池电量的计量,并将电量信息传输至云端,以便及时进行电池的更换。在终端软件方面,设计终端低功耗策略,在保证终端正常应用的前提下降低功耗开销,延长锂电池续航时长,使其适用于供电容量有限的场景。(3)对管网监测系统进行可维护性设计。针对终端程序后期维护难的问题,提出了一种基于Flash空间存储优化的远程更新方案,划分更新预留区和标志区。该方案通过远程更新软件解析并传输更新程序,应用数据帧应答机制、更新超时机制保证数据的稳定传输,在终端内设计更新覆盖机制以保证程序的可靠替换。本文设计并实现了城市地下管网数据监测系统,实验结果表明该系统能够准确监测管网状况,具有良好的运行性能。本方案为运用物联网技术来管理地下管网提供了一种新思路,具有一定的社会意义及应用前景。

关键词： 相位量化ADC   线性度   映射关系   线性回归方程  

摘要： 现代电子系统对于模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)的功耗、精度以及速度要求越来越高,相比电压域ADC,相位量化ADC对相位进行量化,而不受电压摆幅的限制和影响,因而成为当前的研究热点。本文进行低功耗相位量化ADC的架构研究与设计。首先,研究分析了现有相位量化ADC架构的不足,分析发现现有低功耗架构中,比较电平由输入相位θ和参考相位θ关联比较得到,不管是利用tan函数还是cos函数,都具有参考电平线性度差导致转换精度低的问题。因此本文提出了利用建立相位映射关系和采用线性回归曲线技术来提升比较电平的线性,设计实现高精度相位量化ADC。然后,本文设计实现了一种6位10MS/s电荷重分配的高线性相位量化ADC。在电路设计之前,先进行该相位量化ADC架构的系统级建模,验证方案的可行性;接着,进一步进行关键电路设计,主要创新表现为:(1)在建立的线性回归方程上再进行传统二分法取值实现电荷重分配,带来的优势有:第一,参考电平的取值为线性取值,大大降低了电路设计的复杂度;第二,比较电平的数量相对于以往减少了一半,使得参考电平生成模块中的电路总量可以减少一半,大大降低了功耗;(2)在电荷重分配的DAC结构中引入Monotonic开关切换方式和共模电压稳定电路的组合,将被加权的基准电压提升至电源电压,避免了额外的基准电压产生电路,降低了电路的面积与功耗。最后,基于55 nm CMOS工艺进行全芯片仿真,结果表明,在全工艺角条件下,有效位数达5.6位以上,FOM值达24.38 f J/c-s,满足设计要求。

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： 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： CMOS图像传感器   低功耗   SSADC   比较器  

摘要： 无透镜细胞成像系统利用CMOS图像传感器完成成像,为满足户外救援、远程医疗等场景下的应用,要求其具备便携式和较好的续航能力,所以必须降低CMOS图像传感器的功耗。而列级ADC是CMOS图像传感器中最主要的功耗来源,因此降低其功耗变得非常重要。基于列级SS ADC结构,从比较器结构和ADC量化方式两个角度出发进行低功耗研研。首先,设计了一款低功耗比较器,在预放大电路级联锁存器结构的基础上引入了两条反馈机制,减小了预放大电路和比较器整体电路的工作时间,从而减小比较器的功耗,结果表明比较器的功耗明显降低,并保持较高精度,后仿真失调电压为396μV。其次,在对传统SSADC进行功耗分析后,提出了一种低功耗量化方案,将10-bit的ADC分为高6位和低4位,并采用双频率时钟进行量化,从而达到降低ADC功耗的目的,仿真结果表明,与传统单频率量化方式相比ADC功耗降低了 68%以上。最后,设计了一款可自校准的积分型斜坡发生器,在每次斜坡产生完成后会对斜坡终值进行采样并与预设的终值对比作差,然后通过反馈改变积分电流的大小以达到校准斜坡的目的,仿真结果表明,该斜坡发生器可以实现对斜坡斜率的校准,使斜率不受工艺变化影响。ADC基于UMC 180nm 1P6M CMOS 工艺设计实现,电源电压为1.8V,使用Cadence Spectre-Virtuoso工具完成了原理图及版图设计,并完成了仿真验证。后仿真结果表明:DNL 为-0.2LSB/+0.4LSB,INL 为-0.2 LSB/+0.3LSB,SFDR 为 75.7dB,THD 为-65.9dB,SNR为59-3dB,SNDR为58.5 dB,ENOB为9.4-bit,ADC列电路总功耗最低为9.9μW,最高为26.6μW。

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。

关键词： 可穿戴设备   智能手表   FreeRTOS   低功耗蓝牙   生理信号测量  

摘要： 智能可穿戴设备的研发是近年来最热门的软硬件开发技术的研究课题之一。可穿戴设备是依托于万物互联,具备健康监测、实时发送数据、紧急报警等功能,可提高人们健康防护水平与生活品质,具有广阔的市场前景。目前市场上可穿戴设备技术并不成熟,检测精度远低于医用级的水平,稳定性不好,各类设备功能单一,同质化严重。可穿戴设备可研发功能强大,集医用级别的健康监测、运动检测、可定位导航、具有强大的数据分析等功能于一身的智能可穿戴设备是市场的未来发展趋势,也是市场的迫切需求。论文基于低功耗蓝牙5.0协议,利用Free RTOS操作系统设计出一款可穿戴设备—智能手表,论文主要研究内容包括:(1)充分调研国内外关于可穿戴设备发展现状,概述可穿戴设备功能及分类,分析可穿戴设备的功能模块以及每个模块的原理及方法。研究Free RTOS操作系统以及蓝牙5.0协议在可穿戴设备的应用,验证了使用Free RTOS操作系统进行功能调度及通过低功耗蓝牙5.0协议进行通信在可穿戴设备中应用的可行性。(2)首先对系统整体进行了设计,对Free RTOS操作系统的框架、函数及功能、移植过程、任务的设计及调度方法进行研究;其次介绍低功耗的蓝牙系统架构;最后阐述心率、血氧、血压等生理信号的监测原理和方法。(3)对实验平台进行搭建,选用瑞昱公司的RTL8762D低功耗蓝牙芯片,还包括Wi-Fi、按键、触摸屏、扬声器、振动马达等模块。绘制智能手表硬件部分的总体原理图及各个模块的电路原理图,确保手表各个模块的硬件实现。(4)对人体行走时三轴加速度数据变化数据进行分析,对运动计步算法进行设计并建立计算模型;其次将人体PPG信号进行滤波处理,随后设计出心率、血氧和血压的检测模型,通过实测数据集对测量模型进行拟合,并对各个功能进行实际的测试,测试结果表明所设计智能手表在生理信号的测量精度方面符合国家标准的要求;最后利用界面开发平台GUI Guider对系统UI进行设计,结合LVGL源码和功能代码进行移植,将手表的硬软件设计完毕,功能测试正常。(5)对论文进行总结,分析设计中的不足之处并对今后的工作以及可穿戴设备的发展做了展望。图 [60] 表 [11] 参 [81]

关键词： 便携式   低功耗   嵌入式Linux   谱仪算法   双探头  

摘要： 便携式γ辐射仪具有便携、快速、实时分析等特点,广泛应用于核电站日常检修、野外探测、生活环境等区域的监测。本文通过分析国内外便携式设备的现状和发展趋势,采用Linux操作系统与高性能嵌入式相结合的方式搭建Qt应用平台,以处理双探头为基础测量的核数据,解决了常见的便携式设备人机交互不足、单任务工作、外携微型电脑进行数据处理的问题,以推动国内相关产品的发展。本硕士论文课题来源于国家重点研发计划项目（项目编号:2017YFCO602101）和四川省重大科技专项（课题编号:2020ZDZX0007）,主要研究内容与成果如下: （1）设计了CZT和PIPS双探头辐射测量电路用于监测γ射线。CZT电路完成对能谱数据的采集,最高通过率可达100kcps,PIPS电路完成对计数的测量,单道最高计数率不低于500kcps,两个探头均能独立工作,适用于能谱采集失效的高剂量辐射检测场景。针对PIPS探测器,在某防化部队刻度室进行了9.52μGy/h～1Gy/h的刻度实验,得到了计数率到剂量率的转换曲线,两者呈分段线性关系。双探头的电路设计弥补了便携式谱仪单任务工作的不足。 （2）设计了嵌入式系统电路与应用软件。嵌入式系统电路由***6ULL处理器与外围电路构成,能够搭载嵌入式Linux操作系统,并通过对该系统的裁剪、移植、驱动编写,可以支持串口、网口、USB接口与显示设备等;编写基于C++框架的Qt跨平台应用程序,经交叉编译后能运行在Linux系统上,该应用程序用于数据通信与算法处理,并通过UI界面展示能谱与核素识别结果等信息。两者的配合应用解决了需要外带便携式PC进行数据处理与人机交互差的问题。 （3）设计了谱仪算法。采用最小二乘法进行数据滤波、对称零面积法进行寻峰、改进SNIP算法对本底进行扣除、传统核素识别法对核素进行鉴别,但在便携式设备上不能完全沿用PC端的设计思路,需要根据自身的硬件设备进行代码优化。该算法解决了在复杂运算的情况下系统流畅性与实时性不足的问题。 在实验阶段使用60Co、241Am、137Cs三种放射源进行测试,测量电路功耗为1.4W,嵌入式系统电路功耗为0.684W,使用2-3节锂电池对其供电能够长时间稳定运行。对谱数据处理后的本底扣除率与净峰保留率最高可达99%,测试137Cs能量分辨率为2.65%（FWHM@662ke V）,能够1秒1次识别混合核素。研制的便携式测量系统符合低功耗、体积小、实时性好的要求。

关键词： 有机场效应晶体管   大面积晶态薄膜   溶液法   低功耗   光子突触晶体管  

摘要： 有机单晶半导体材料具有结构可设计、无晶界、少杂质和低的缺陷态密度等优势,在有机场效应晶体管器件中表现出优异的载流子传输和光电响应特性。为了进一步推进有机半导体材料在电子皮肤、可穿戴设备等新兴电子领域的发展,获得大面积有机半导体晶态薄膜具有重要的意义。本论文主要聚焦大面积有机晶体薄膜的制备及其优化基于大面积有机晶体薄膜器件的电学性能,并拓宽其在新型光电器件的应用,主要内容如下:1、基于良好结晶能力的液晶分子,采用溶液剪切法制备了大面积高质量有机半导体晶态薄膜,进而优化电极-半导体接触界面的电荷注入效率,制备高性能的场效应晶体管器件,其中空穴迁移率高达13.89 cmVs,界面接触电阻低至889Ωcm。随后,我们进一步构筑了高性能的紫外光晶体管,在365 nm光照射下器件表现出优异的光响应性能,这为其进一步应用光子突触领域奠定了基础。2、基于小分子半导体-聚合物驻极体共混溶液,使用溶液剪切技术一步引入了电荷捕获功能层和超薄有机单晶沟道层,发展了栅极调控驻极体电荷捕获能力的新策略。超薄有机单晶薄膜结合了良好的电栅和光栅调控能力,进一步结合驻极体功能层在不同栅压下电荷捕获能力的不同,构筑了具有多种工作模式的有机光电功能器件,实现了光响应和光突触工作模式之间的切换,这为简化电路设计、实现多功能应用以及开发新型光电器件提供了借鉴。3、采用溶液剪切法在高介电常数氧化铝衬底上制备了大面积晶态薄膜,构筑了低功耗柔性光电晶体管阵列。其中,发展的低功耗柔性光晶体管阵列在-5V下展现了可达2.95×10 Jones的D~*值。此外,我们进一步构筑了光子突触功能器件,模拟了人类视觉系统的信息感知、存储和处理行为。器件在-0.1 m V源漏电压下就可以实现有效工作,一次突触事件的最低能耗仅为0.021 f J,远低于人脑功耗(1-10 f J),表明了该器件在神经形态电子领域的光明前景。