关键词： 快速傅里叶变换   串行计算   位串行架构   低功耗设计  

摘要： 随着现代信息量的爆炸式增加,吞吐率的要求的不断提升,尽管快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)的相关技术已经相当成熟,但其硬件实现在需要兼顾高吞吐率和低功耗设计的目标下,仍有不小可以探索的空间,尤其在芯片产业的技术封锁的大背景下,FFT的高吞吐率和低功耗实现在无线通信和光网络上的应用场景之中有着亟待提升的要求。在计算结构上具有高度对称性的FFT实现上,在满足性能需求的同时,既需要高并行度、高硬件效、高系统时钟,又迫切需要更小的面积开销、更低的功耗。由此更低复杂度的FFT实现结构设计,有利于同等或者更低资源开销下达到更高的吞吐率,将对推动未来高速数字信号处理有着较为重要的意义。位串行计算是将数据的运算细化到单个比特级的流水线上,规避掉传统并行计算的进位逻辑长链,因此具有低复杂度的特性。利用位串行的计算架构,FFT中的乘加运算可以得到大大简化,可以提高并行度,增加面积效率。在面积要求较为苛刻的情况下,可以利用基于存储的思路构建出部分并行的结构来压缩面积。如果在面积约束不苛刻且需要更高的吞吐率的需求下,则可以找到一种折衷的办法既利用串行流水来缩短进位链,又部分利用组合逻辑,通过部分短链的流水线,得到更高的面积效率。同时针对5G NR标准,设计出能满足点数为N=2a·3b·5c的混合基DFT的低复杂度结构也具有较大研究意义。本文重点研究串行计算对于高并行度FFT的低复杂实现问题,按照部分并行的位串行计算2a点FFT设计,多比特串行计算的2a点FFT设计,以及串行计算的混合基FFT三个方面展开论文:(1)首先对于2a点FFT,本文此部分在算法上利用Cooley-Tukey分解算法,利用分解后全并行结构的高度重复性及对称性,将位串行的比特级流水线和基于存储的数据处理方案相结合,复用主要模块进行折叠处理设计出部分并行的2048点FFT,仅使用一块前级128点FFT和8块后级16点FFT,计算的中间数据通过存储调度连接,得到部分并行的FFT设计。同时,针对位串行计算架构的复数乘法器进行资源简化,以及折叠处理后可变系数乘法的针对性优化,尽可能多的利用串行计算的特点,并对比SDF架构的传统并行计算FFT,分析其面积功耗的优势。(2)第二部分在位串行计算和传统并行计算之间寻找一个折衷方案,同时兼顾两者的优点,构建出多个比特为一个整体的串行计算方案,本文称多比特串行计算。多比特串行的FFT实现结构用于实现在更高吞吐率的工程要求时,相对多个位串行FFT模块并行工作,有着复杂度更低、面积更小的优势,为串行FFT解决高吞吐率和更低面积功耗提供了另一解决思路。(3)第三部分则将串行计算应用在混合基FFT上,利用小点数WFTA(Wino-grad Fourier Transform Algorithm)在乘法复杂度上仅为O(N)的优势,结合串行计算的特点进行研究,得到更优的混合基FFT结构设计。通过与混合基DFT如基3基5的融合,可以让串行计算可以更加灵活多样地应用于实际的数字信号处理的工程需求。

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： 生物信号采集   共模抑制比   低噪声   低功耗   输入阻抗  

摘要： 新时代发展后人民对于身体健康越来越关注,更方便,更快捷的获取自己身体的生理信息成为了社会上新出现的一个需求,随着而来的是各种便携式智能医疗设备的发展,如何获得高质量的生物电信号便成为了整个智能医疗系统的重中之重。通常来说,在一个生物电信号采集系统中,处于系统最前端的模拟前端,通常是一个仪表放大器形式,主导着整个采集系统能最终获得的信号质量,而优秀的模拟前端必须具有以下特点:高共模抑制比来抑制采集环境中的共模噪声,低噪声与高输入阻抗来防止微弱的生物电信号被淹没,低功耗来保证长时间的采集工作等。本论文的核心研究内容便是生物电信号采集模拟前端中的各种关键电路技术,这些技术的应用能大大提升模拟前端的性能,其中包括了:斩波技术,正反馈环路技术,辅助输入支路技术,信号通路纹波衰减技术,反馈环路直流失调抑制技术,T型电容网络技术,多通道改进型时分复用技术。本论文通过设计并仿真了一款高性能的8通道生物电信号仪表放大器来展示上述关键电路技术的作用,其中,放大器设计采用标准CMOS 180nm工艺,仿真结果显示在1.8V单电源供电下,每个通道消耗电流1.38μA,工作带宽为1-1.75k Hz,通带内增益38d B,输入参考噪声6.4μV,50Hz频率下输入差模阻抗为2GΩ,输入共模阻抗18GΩ,仪表放大器本身固有共模抑制比134d B,引入1MΩ||10n F电极阻抗失配后共模抑制比为97d B,多通道工作模式时,引入同样电极阻抗失配后,共模抑制比仍然为97d B。

关键词： 无线传感器网络   路由协议   能量损耗   时延控制   LEACH协议  

摘要： 随着信息全球化的持续推进，无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)凭借功能强大以及成本低廉等优势，已经被广泛应用于诸多领域。然而，WSNs通常被随机部署在复杂环境中，节点能量有限且二次补给困难在很大程度上限制了网络的生命周期。另外，虽然时分多址(Time Division Multiple Address，TDMA)机制能够降低节点的能量损耗并减少数据碰撞，但无法满足高实时性的要求。因此，如何在最小化能量损耗的前提下设计出高效的路由协议来降低数据传输的时延成为近年来WSNs研究的热点之一。　　在此背景下，本文在LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)协议研究基础上，提出了基于LEACH的低功耗低时延路由协议(LPLL-LEACH)，该协议从多个角度对LEACH协议进行了优化研究，主要内容如下:　　(1)针对LEACH协议簇头数量不均衡的问题，通过分析网络中所有节点每“轮”的能量损耗与簇头数目之间的关系，得到一个以簇头数目为自变量，能量损耗为因变量的函数关系。以最小化能量损耗为目标得到簇头数目的最优解。　　(2)针对LEACH协议中簇头随机选择的问题，综合考虑了能量因子、距离因子以及密度因子等因素。通过为上述因素分配相应的权重并引入到原始阈值公式中，构成一个新的阈值判定公式，从而保证最优的节点当选为簇头。　　(3)针对LEACH协议中分簇不均的问题，引入节点入簇半径Rjoin的概念，在Rjoin内首先记录节点到所有符合条件的簇头节点的距离以及簇头节点到基站的距离。根据此距离决定节点加入哪个簇。此方案使得分簇更加均匀，避免了极大簇、极小簇的出现。　　(4)针对簇头以单跳模式向基站转发数据的问题，引入转发函数为所有簇头分层，建立数据转发路由。基站被视为能量不受限制且层数为0的簇头。簇间路由是从基站开始，遍历所有层数未定的簇头，选择转发函数值最小的簇头作为簇问路由路径的中继节点并将中继节点的层次号设置为1，依此类推，直到为所有簇头设置层次号。反向建立了一条包括所有簇头节点并连接基站的最优路径。　　(5)为了降低WSNs的数据传输时延，采用了自适应数据传输(非坚持性一载波侦听多址访问与时分多址相结合)的方式。当网络处于紧急状态，也就意味着有多个普通节点采集到的数值(Data1)与上一次(Data0)相比波动较大时(|Data1-Data0|≥T)，(T为相邻两次数据传输的最大差值)CSMA机制被用来降低数据传输的时延。一段时间数据趋于稳定后，TDMA机制被用来降低网络中的能量损耗。　　仿真实验表明，与LEACH、LEACH-C、LEACH-VA和IEE-LEACH协议相比，本文设计的协议模型网络生命周期分别延长了103％、36.9％、27.4％和2.9％，并且显著降低了数据传输时延。

关键词： CMOS图像传感器   相关多采样   低噪声   低功耗  

摘要： 低噪声CMOS图像传感器具有低功耗、高集成度、低成本的优点,因此在消费电子、安防监控、军事侦察和机器视觉等领域都有广泛的应用。低照度下像素输出信号的摆幅通常比较小,这个小摆幅信号可能会湮没在图像传感器较大的噪声中,而相关多采样(Correlated Multiple Sampling,CMS)技术可以有效降低随机噪声。因此本文针对低噪声CMOS图像传感器进行噪声理论分析和低噪声读出电路设计,提出了一种基于像素输出摆幅大小自适应工作的低功耗条件模拟相关多采样(Conditional Analog Correlated Multiple Sampling,CACMS)电路。本文首先分析了CMOS图像传感器噪声的来源和信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)的主导因素,研究了自动调零技术、相关双采样技术和CMS技术对噪声的抑制作用。然后提出了新型无源开关电容(Switched Capacitor,SC)CMS结构,该结构允许增加电容器的数量以降低读出时间。此外,根据CMOS图像传感器的SNR在弱光环境下由时间随机噪声主导,在强光环境下由光子散粒噪声主导的理论基础,提出了低功耗CACMS技术,该技术根据像素输出摆幅的大小判断是否执行CMS操作。对弱光下像素的小摆幅输出信号执行CMS操作以降低随机噪声;对强光下像素的大摆幅输出信号关闭CMS操作以降低功耗,并且不影响CMOS图像传感器的噪声性能。最后本文完成了低噪声CMOS图像传感器的关键电路模块和读出电路的设计,包括像素时序驱动电路、偏置电流源和低功耗CACMS读出电路。本文使用0.11μm CMOS工艺对电路进行设计、仿真和版图设计。在多采样数为8的情况下,低功耗CACMS电路使用新型SC CMS结构降低了16.7%的读出时间。仿真结果表明,当前置放大器的闭环增益为8时,低功耗CACMS电路对弱光下像素的小摆幅输出执行多采样数为8的CMS操作,将输入参考随机噪声从155μV降低到66.8μV;对强光下像素的大摆幅输出关闭CMS操作,此时输入参考随机噪声为91.9μV,若强光下等效光子散粒噪声为774μV,那么执行CMS和关闭CMS时输入参考噪声分别为777μV和779μV,所以强光下关闭CMS操作对CMOS图像传感器噪声性能几乎没有影响,且读出电路的功耗降低了28%。

关键词： Boost型DC-DC变换器   低功耗   低压启动   同步整流   转换效率  

摘要： 近几年随着智能可穿戴设备、人体医疗检测等电子产品的兴起,使其对电源的要求更加的苛刻。传统的电池供电制约了电子设备的体积与使用寿命,因此利用温差发电器、光伏电池等能量采集设备从环境中采集能量成为普遍采用的供电方案。由于能量采集设备的输出电压较低,无法直接用于集成电路供电,因此低压启动、低功耗、高转换效率、低纹波的集成Boost型DC-DC变换器成为当前的研究热点。论文首先介绍了用于能量获取的低压启动的Boost型DC-DC变换器的研究现状和关键技术问题。为解决低压启动问题,对电源电压低于MOS管阈值条件的逻辑电路设计方法进行较深入的研究。在对DC-DC变换器的拓扑结构、调制和控制模式进行了较详细的分析及对比的基础上,选择了采用同步整流技术和自适应电流模式PFM控制的设计方案。论文给出了芯片的整体架构及电特性指标需求,并且重点研究了系统中低压启动电路及其它低电压、低功耗电路模块的设计方法。论文给出了一种新颖的低压启动工作模式,系统启动划分为三个阶段,即启动阶段、开环阶段和闭环阶段。论文还介绍了其它重要电路模块的设计方案,包括低压环形振荡器、电荷泵、低压带隙基准电压源、低压条件下的电压检测电路等。这些电路模块均根据系统的要求,采用了合理的且较先进的设计方案。整个设计在Cadence平台下完成,利用Hspice仿真软件对上述电路模块及整体电路进行了仿真验证。论文给出了芯片的版图并通过了DRC、LVS等验证。论文给出的低压启动的Boost型DC-DC变换器基于TSMC 0.18μm工艺设计,仿真结果表明:在环境温度为-40℃～85℃的情况下,最低启动电压为105m V,输入电压范围为105m V～500m V,输出电压范围为1V～1.8V,最大负载电流为1.2m A,峰值转换效率为73%,各项参数满足设计要求。

关键词： 空心阴极   低功耗   低流量   自持机理   超低频振荡  

摘要： 空心阴极是一种高效的电子源,具有长寿命、高电子密度、高可靠性等优点,广泛应用于离子源、焊接、高能物理和航天电推进等领域。而随着微小卫星不断发展,电推进逐渐向小型化发展,也大大增加了百毫安级空心阴极的需求。本文分析了传统空心阴极放电功耗高、自持流量大的原因。通过实验测试,结合理论分析和数值仿真,从热和等离子体等方面研究了小电流空心阴极自持机理。通过变发射体结构进行了优化设计,开发了一款百毫安级低电流、低流量、高可靠的空心阴极,为商业航天广泛采用的百瓦级电推进系统提供了一个选择。通过对传统结构空心阴极的实验和分析,发现空心阴极正常工作时流量在0.5sccm以上,电流在0.5A以上,功耗最低10W。通过机理分析发现,阴极在小电流放电时会出现发射体温度下降导致热发射不足的问题,以及流量下降导致发射体内等离子密度下降,等离子向后扩散损失的问题,这是限制其小电流拓展的关键因素。针对这些问题,提出了加芯、加遮挡和悬空发射体结构。加芯结构更高效地接受等离子体加热,减少散热,可以有效降低自持流量和自持电流,正常工作流量可以降到0.3sccm,最低0.1-0.15sccm,最低流量0.15-0.2A,功耗5-6W,但是存在高温下芯发射体失效的问题。加遮挡结构阻挡了小流量下等离子体向后扩散,可以降低自持流量,对功耗的降低效果不明显。悬空结构减少了散热,可以一定程度降低功耗,对流量降低效果不明显。在小电流拓展中,发现在自持电流的下边界处往往会出现一种超低频振荡现象,振荡周期0.5-2s,幅度接近放电参数,对振荡过程的羽流区等离子体参数和发射体温度进行了测量,发现这种振荡可能是热发射不足导致的发射体温度和电压不断调节变化导致的,这种振荡也是限制空心阴极小电流自持的重要原因之一。最后,对小电流放电综合性能进行了优化,最快热启动时间25-30s,加热启动时点火温度在1340℃,启动冲击可能会在发射体上沉积金属导致逸出功升高,小电流自持变差。启动冲击电流与点火电压和流量有关。隔热结构对小电流自持性能影响很小。进行了4000h稳态放电测试和5000次点火实验,没有出现失效问题。

关键词： 无线传感器网络   路由协议   低功耗   隐私保护   数据切片  

摘要： 随着技术迭代与产业发展,兼顾能效均衡、数据隐私和服务质量的无线传感器网络路由协议设计逐渐成为WSN研究的热点与挑战。为了进一步降低网络能耗、保障网络数据的隐私性与精确度、提升网络服务质量与数据完整性,本文针对性地提出了三种协议。主要工作如下:(1)提出一种基于反向规划的高能效WSN路由协议PTBERP。该协议首先采用基于通信能量密度的改进型DPC-MND算法聚类分簇,并引入基站间距因素解决能量空洞问题;然后综合能量、基站间距和簇内平均通信能量等因素优化簇头选举;最后使用规划树机制按距离基站由近及远反向建立路由,综合剩余能量、全链路能量代价和节点负载构造度量模型选择全局最优路由,以均衡网络能耗。(2)在前一个高能效协议基础上,提出一种基于改进切片的隐私保护WSN路由协议SBP。该协议由基站统一规划运行,通过节点角色划分与簇内规划路由改进数据切片机制,减少额外通信消息数目并优化簇内路由性能,以提高能效与隐私水平;通过超时重传与时间窗口技术保障数据精确度,提高对数据丢包的防御能力;最终实现能效、隐私、精确度三方面的均衡。(3)在前两个协议基础上,提出一种面向Qo S的隐私保护WSN路由协议MQBP。该协议通过节点分区提供了区域级别细粒度的数据聚集,提高了切片协议的适用性;通过优化节点角色划分机制并结合蓝绿聚集路由,进一步提高隐私保护程度;通过构造不相交的蓝绿聚集路由,并结合基站预选取路由与路由质量探测机制保障网络服务质量与数据聚集完整性;通过基站统一规划的路由选取方案,优化网络能效,延长网络生命周期。

关键词： 低功耗   数据   采集   蓝牙   阿里云   电池  

摘要： 智慧工厂、馆藏库房等对温度、湿度、气压等环境参数有全过程监控的迫切需求。通过采用低功耗MEMS温湿度气压传感器、加速度计传感器和低功耗蓝牙微控制器,组成数据采集节点,由单颗纽扣电池供电,在不更换电池的条件下,可持续稳定工作一年以上。数据节点向四周发出带有传感器数据的蓝牙广播,数据节点附近(100 m以内)设置1个树莓派卡片计算机,用来接收附近节点的蓝牙广播数据,并将数据按照一定时间间隔发送至阿里云物联网平台。在数据节点附近,通过手机等移动端APP可同时接收蓝牙广播数据。

关键词： 环境监测   NB-IoT技术   OneNET   低功耗   系统设计  

摘要： 针对传统环境监测系统功耗高、维护成本高、不能实时监测的弊端,研制了一种以单片机为主控制芯片的基于NB-IoT技术的环境温湿度监测系统,并对主控制器的工作流程及通信模块的工作方式进行优化,降低系统功耗。利用NB-IoT通信技术进行数据传输,将温湿度传感器采集的数据信息通过基站和核心网发送给云平台,运用中国移动物联网开放平台(OneNET平台)实现终端设备与应用的相互连接。通过平台的拓展功能实现网页界面及手机应用程序的设计,最终实现对环境参数的远程实时监测,提高使用便捷度。