关键词： 关键词识别   特征提取   三值权重网络   可重构   低功耗  

摘要： 随着5G和物联网的大发展,语音关键词识别(Keyword Spotting,KWS)成为了整个语音识别领域的重要发展方向之一,是提高人机交互能力的重要举措。由于语音识别技术主要应用在如智能手机、无线耳机等小型便携式设备中,设计出具有一定抗噪声能力、低功耗、识别精度高的关键词处理器至关重要。基于上述分析,本文设计了基于数字麦克风的面向多噪声场景的低功耗关键词识别可重构处理系统。基于典型的神经网络关键词处理系统,本文从软件算法和硬件电路两个方面进行细致优化,以尽可能降低关键词处理系统的功耗。本文主要的研究工作包括:1)提出了基于梅尔倒谱系数(Mel Frequency Cepstrum Coefficient,MFCC)的精度自适应双模式语音特征提取设计方案,基于场景复杂度的MFCC可以实现在不同信噪比等级下的精度自适应、低延时模式切换,降低特征提取模块的计算成本;2)设计了逐级位宽定制优化的串行流水线FFT处理单元,从电路架构和数据位宽出发,极大的降低了FFT处理单元的访存功耗和计算功耗;3)设计了数据复用、稀疏可控、权值压缩轻量级三值卷积网络硬件架构,实现了可重构的PE计算方式,进一步降低了网络模块的复杂度和计算量,显著的降低了分类识别模块的功耗。本文基于TSMC 22nm CMOS工艺,完成了面向多噪声场景的低功耗关键词可重构架构及电路设计。仿真结果表明:在0.72V电压以及250k Hz主频下,关键词识别系统的最低功耗仅为5.63μW,宏面积仅为0.203mm,在clean场景下关键词识别精度可达91.4%;在5d B混合噪声场景下,识别精度可达84.5%。与VLSI’2019架构相比,在同等的关键词识别精度水平下,本文所提的语音关键词识别系统能降低69.2%的运行功耗。

关键词： RISC-Ⅴ   梅尔频率倒谱系数   支持向量机   声学指纹  

摘要： 变压器作为电力系统的重要设备,其运行状态的实时监控,故障预警对保障电力系统的电能供应质量起着非常关键的作用。基于无线传感器网络技术的智能变压器故障在线检测系统作为泛在电力物联网核心建设平台之一,旨在实现对变压器状态的远程监测、故障的实时预警等功能,无线声纹传感器节点芯片微功耗技术作为故障检测系统中的关键技术之一,直接影响系统应用寿命和维护成本,已成为学术界和产业界的研究热点。本文紧密围绕无线声纹传感器芯片的微功耗技术展开研究,重点从芯片体系结构、工作模式与电路设计等方面分别开展微功耗技术研究,解决传感器低功耗的难题。论文的主要工作包含以下几个部分:通过MATLAB软件建立MFCC-SVM变压器故障音频识别模型,采用了逻辑优化、资源复用等低功耗设计技术,使用Verilog HDL硬件描述语言完成了梅尔频率倒谱系数(MFCC)提取算法的硬件逻辑设计;基于E203内核研究RISC-V架构,针对支持向量机(SVM)分类判决算法设计硬件加速扩展指令,完成了扩展指令的软硬件设计;研究传感器多电压域与多频率域芯片设计实现技术,根据系统工作模式设计实现电源与时钟管理模块,包含可编程多输出线性稳压器(LDO)与锁相环(PLL)的设计;搭建传感器原型验证的软硬件测试平台,包含RISC-VGCC工具链的调试以及FPGA的选型。最后基于测试平台对智能传感器数字逻辑电路进行原型验证,结果表明,该传感器能够有效完成变压器故障的检测,准确率达到98.131%,识别响应时间为0.7562ms。

关键词： 氮化镓   隔离型驱动   调制电路   自适应调制   低功耗  

摘要： 相较于非隔离型的驱动芯片,采用隔离结构的GaN驱动芯片在高频应用中拥有更强的抗干扰能力。隔离型驱动芯片内部需要增加发射电路和接收电路实现信号在隔离介质上的传输,其中发射电路增加了芯片的功耗。功耗的增加会带来散热及电路性能下降等问题。因此,研究隔离型驱动芯片发射部分低功耗调制技术具有重要意义。本文首先分析了光耦隔离、磁隔离和电容隔离三种隔离方式以及相应的调制技术,阐述了电容隔离在GaN隔离驱动芯片高频高压应用方面的优势。然后对电容隔离型驱动芯片调制电路的功耗来源进行研究,发现可通过控制振荡器的工作状态以及改变调制方式来降低功耗,由此提出了一种低功耗调制方案,可根据输入信号的频率自适应地选择合适的调制方案,实现低功耗调制的目的。当输入信号的频率高于判定频率,采用开关键控的调制方式,当输入信号的频率低于判定频率,采用边沿调制的方式,两种调制方式在同一通道上实现,节省了芯片面积且控制振荡器仅在调制过程中开启,避免了因振荡器长时间工作导致功耗增加的问题。本论文设计的隔离型驱动芯片发射部分低功耗调制电路采用CSMC 0.18μm BCD工艺进行电路设计、前仿真和后仿真。后仿真结果表明,在不同工艺角下电路实现了根据输入信号频率自适应地选择不同调制方式的功能,且在最坏情况(即SS工艺角)下,输入信号的频率为500k Hz时,调制电路的工作电流为137.9μA;输入信号的频率为5MHz时,调制电路的工作电流为214.6μA,电路的传输延时为3.5ns,达到设计指标要求。

关键词： CMOS图像传感器   电路设计   运放共享   数字抽取滤波器   低功耗设计  

摘要： 近年来，随着消费电子、自动驾驶和机器视觉等领域的飞速发展，CMOS图像传感器（CMOSImageSensor,CIS）的像素分辨率、帧速率、动态范围、噪声和功耗等指标要求不断提升，给CIS电路设计带来了严峻的挑战。列并行读出电路与相关双采样的联合方案可以在分辨率、帧速率和功耗之间实现较好的折中，是当前的业界主流方向。ΣΔ模拟数字转换器（Analog-to-DigitalConvertor,ADC）以其独特的过采样和噪声整形技术，可实现大规模像素阵列、适中转换速度以及卓越的噪声性能。因此，ΣΔADC成为列并行CIS读出电路中的研究热点之一。本文主要研究应用于CIS的列并行低功耗ΣΔADC关键技术，分别对调制器和数字抽取滤波器进行理论分析、架构创新和流片验证，在保证速度噪声等各项性能的前提下，尽量降低ADC芯片面积和整体功耗，以符合当今节能减排的发展理念。　　本文从CIS的角度出发，分析了常用于CIS的ADC系统架构和性能指标，并对比不同架构ADC的性能差异。相比于单斜坡（SingleSlop,SS）ADC，二阶ΣΔADC即可获得更快的转换速度;相比于逐次逼近型（SuccessiveApproximationRegister,SAR）ADC，也不需要大面积的电容阵列和高要求的元件匹配;相比于需要高增益运放的循环型（Cyclic）ADC，可实现更低的功耗。　　针对CIS中ADC阵列功耗较高的问题，提出了一种基于列间运放共享结构的13位低功耗列并行ΣΔADC。通过运算放大器在相邻两列读出电路间的时分复用，可实现40%以上的功耗降低。在先进工艺节点下，CIS列读出电路宽度通常只有几微米，在这样的宽度限制下，保证差分运放的各项性能是十分困难的，但列间运放共享架构可使运放版图宽度加倍，减少了寄生带来的性能损失。然而，运算放大器有限的直流增益和不可避免的寄生电容导致了相邻通道间的耦合噪声。本文详细分析了开关电容积分器的非理想特性，并在此基础上对耦合噪声进行电路级和系统级建模，分析耦合噪声的来源、特性和抑制方法，最终实现了-53dB的耦合噪声抑制比，将其抑制到远低于像素固有串扰的水平。为进一步降低功耗，二阶ΣΔ调制器中的次级积分器采用了3/10等比例缩放技术。本次设计采用标准40nmCMOS工艺，完成256×256CIS和专用ADC测试芯片的流片验证。CIS和专用ADC测试芯片面积分别为3×3mm2和3×1mm2，其中每列ΣΔADC占据芯片面积仅有4.5×310μm2。在典型50MHz时钟和110过采样率的测试条件下，微分非线性和积分非线性分别为+0.5/-0.6LSB和+6.1/-5.0LSB，ADC有效位数和动态范围分别为11.4位和79.9dB。ADC整体功耗为58.8μW，FoM值为97.2fJ/step。　　此外，本文还提出了一种应用于增量式ΣΔADC的紧凑型数字抽取滤波器。不同于多级滤波器级联，该滤波器仅需要两级数字积分器级联，所需面积和功耗远低于前者。本设计采用了一种新型的前置BWI（Bit-WiseInversion）拓扑结构，将数字相关双采样所需的BWI单元移动到加法器之前，在保证相同的数学函数前提下，每个滤波器可减少6个以上的反相器和多路选择器。其次，本文提出了一种118-T的逐次进位加法器方案来实现13位积分器，进一步减少数字滤波器的逻辑资源占用。然后，在纹波计数器MSB（MostSignificantBit）单元中添加两个MIM（Metal-Insulator-Metal）电容，以保证MSB单元逻辑翻转正确性。最后，本文以MSB单元数量为自变量，对纹波计数器静态和动态功耗进行数学建模，经过多次优化和电路仿真，实现纹波计数器低功耗设计。与传统数字抽取滤波器相比，本设计可减少22%的晶体管数量。该滤波器在0.13μmCMOS工艺下已完成流片验证，芯片面积为4.5×195μm2，实现高达41%的面积缩减。根据不同温度和工艺角的后仿结果显示，该设计的最低工作电压和最高工作频率分别为1.05V和115MHz，在50MHz时钟频率的典型条件下，滤波器总功耗为4.08~6.35μW，归一化功耗为54~83nW/MHz。　　本文提出的列并行ΣΔADC方案具有面积小、功耗低、动态范围广的优点，有望提升列并行ΣΔADC成为下一代CIS主流方案的技术前景。

关键词： 温度传感器   低功耗   模数转换器   时域比较器  

摘要： 随着工艺制造技术的进步,电路集成密度越来越高,功耗快速增大,对温度进行检测监控以防止电路过热已成为电路设计中必不可少的部分。在高精度要求环境中的设备,温度会带来不可忽视的误差,例如高精度的仪表、时钟等。在医疗领域,人体温度测量仪是应用频率极高的医疗仪器。此外,对于功耗高的温度传感器,温度传感器电路自身发热严重,会导致温度检测器件检测到的温度值相较于实际需要检测的温度值有很大偏差。此外,随着人们对便携式和微型化设备需求的增长,对续航能力要求的不断提高,使得低功耗的研究与设计越来越被重视,低功耗CMOS温度传感器的设计也极为重要。基于130nm CMOS工艺,本文设计了一款低功耗CMOS温度传感器,主要包括感温模块和温度量化模块。感温模块采用工作在亚阈值区MOSFET栅极-源极电压V具有负温度系数的温度特性,由于工作在亚阈值区,具有低功耗的优势。本文提出一种感温电路结构,电路结构简单,且可得到一个正温度系数电压和一个负温度系数电压,两个电压的差值作为温度检测电压,相较于单个温度系数电压随温度变化范围增大。温度量化模块采用模拟数字转换器(ADC),感温模块产生具有温度系数的模拟电压信号,通过ADC转换为具有温度系数的数字信号。本文设计了一个10bits全差分逐次逼近型(SAR)ADC,为了减小功耗,在比较器模块,采用基于压控振荡器(VCO)的时域比较器;在电容开关切换时序模块,通过对ADC中电容阵列以及电容阵列开关切换时序分析,提出基于下极板采样的终端电容复用电容开关时序。电源电压为0.6V,参考电压Vref为0.6V,采样频率为50k Hz,对SAR ADC的整体电路进行仿真,得到有效位数(ENOB)为9.94bit,无杂散动态范围(SFDR)为76.80d B,整个ADC的功耗约为0.64μW。最后将感温模块输出模拟电压信号经温度量化模块量化,得到低功耗CMOS温度传感器在温度范围35℃-42℃内温度误差为?0.1℃,总功耗为0.7μW。

关键词： NB-IoT   智能灯杆   实时监测   单灯控制   低功耗  

摘要： 针对传统LED灯杆在远程监控、自动巡检、实时单灯调控、故障路灯定位处理等方面存在的问题,本文提出基于窄带物联网（NB-IoT）技术的智慧路灯灯杆监控系统的研究方案。系统主要从感知层、传输层、平台层、应用层四个方面进行软硬件设计,其中感知层设计了路灯灯杆终端,选用STM32L151单片机作为终端设备的主控芯片,连接多种传感器,实现对路灯信息的采集;传输层主要采用Lw M2M协议将NB-IoT模块与核心网连接,将终端设备采集到的路灯信息通过核心网上发至Lw M2M服务器;平台层选用中移One NET云平台,在平台上进行开发,将终端设备与平台进行对接,实现数据的采集、远距离传输、上报与存储;应用层开发手机移动端,通过HTTP协议将手机端接入One NET云平台,以实现终端设备、平台层、应用层三者之间互联互通。对路灯灯杆监控系统进行低功耗研究时,主要是对系统的工作模式和数据通信过程进行优化,两方面共同控制,大大降低了系统功耗。对系统功耗和数据传输的稳定性进行测试,实验结果显示:所研制的智慧路灯灯杆监控系统可以远程实时监测路灯环境参数、路灯光照度,可以快速、准确地确定故障路灯位置,实现单灯控制,且系统的功耗低,可靠性高,数据传输过程稳定。

关键词： SAR ADC   低功耗   低复杂度   开关切换方案   异步动态逻辑  

摘要： 随着无线通信技术的快速发展,数字集成电路的应用越来越广泛,在电路模块中的作用也越显突出,数模混合成为了当今的一大趋势。因此,作为数字电路和模拟电路之间连接的桥梁,模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)是必不可少的一部分。目前较为常见的ADC类型有SAR ADC、Pipeline ADC、Flash ADC、Sigma-Delta ADC等。随着大量移动终端的使用,对ADC的功耗和面积的要求也越来越高。因此具有低功耗、低复杂度并且在精度和速度等方面也能实现较好折中的SAR ADC被应用于各种移动终端,成为当今研究的热点。本文基于典型的应用,设计了一款中等精度、中等速度的SAR ADC,并且实现了低功耗的要求。设计采用了差分的结构,差分结构的能抑制共模干扰,有效的增大动态输入范围,减少噪声,抵消掉一部分的电荷注入,消除偶次谐波等。DAC电容阵列采用了一种高能效的开关切换方案,能有效的降低功耗,并且节省芯片面积。逐次逼近逻辑电路由动态逻辑单元阵列构成,动态逻辑单元主要由触发电路和锁存电路组成。传统的逻辑电路包括移位寄存器、数据寄存器和输出寄存器等模块,需要使用大量的D触发器。而本文提出的动态逻辑控制单元需要较少的晶体管,并且组成的逻辑控制电路结构简单,能有效地降低SAR ADC的功耗和复杂度,同时能提升逻辑控制电路的转换速度。比较器采用前置预放大的两级结构,有利于降低失调电压,提高比较器的速度和精度,隔离回踢噪声等。栅压自举采样电路,采用电容预充电的方法,为采样开关的栅极提供高电压。数字码并行输出电路将SAR逻辑串行输出的数字码转换为并行输出,主要由与门阵列构成。动态逻辑电路锁存每个转换的数字码,当一个转换周期结束后,EOC结束信号变为高电平,触发并行输出阵列,输出并行的数字码。异步时钟产生电路由门电路、延时电路组成,时钟的脉宽要满足DAC建立时间的要求,可以通过调节延迟单元来控制时钟的脉冲宽度。本文基于55nm CMOS工艺下,实现了一种10位、20MS/s的SAR ADC,有效位数为9.56位,信噪失真比为61.37d B,无杂散动态范围为71.16d B,总谐波失真为-75.04d B;在静态参数方面,微分非线性DNL=-0.41/0.67LSB,积分非线性INL=-0.72/0.84LSB,总的功耗为0.68mW,品质因数FOM为55fJ/Conv。

关键词： Redis Cluster   负载均衡   时间轮   代理   多线程  

摘要： Redis作为高性能的分布式非关系型数据库,在当前互联网应用表现极佳,但是目前的单机Redis易受到内存小、IO效率低等影响,所以越来越多的项目都期望从Redis迁移到Redis Cluster上,从而扩大集群容量,提高项目的并发量。然而,Redis Cluster在带来众多优点的同时也暴露出了一些问题:1)并发量提高使得热点数据带来的集群请求负载不均衡;2)从Redis迁移到Redis Cluster上,工作量大和复杂性高。本文的主要研究工作就是探索一种高性能的具有负载均衡机制的Redis集群代理系统,具体工作如下:首先,针对热点数据导致的Redis集群系统实时负载不均衡问题,提出了一种基于时间轮及二阶差分指数平滑法的分级制Redis集群负载均衡方案,实现对热点Key进行更细粒度的层级划分。方案使用时间轮机制,将不同程度的Key划分为两个层级,其中将第一层级的热点Key推送到Caffeine中进行缓存实现集群外的负载均衡,同时统计出第二层级的Key所在哈希槽和节点的负载情况;利用二阶差分指数平滑法进行节点过载预测,判断是否进行集群内部负载均衡,如果需要内部负载均衡,则利用贪心法迁移策略进行哈希槽的迁移交换,实现集群内部负载均衡。实验通过性能测试工具YCSB进行压测,并模拟热点数据的出现,结果表明该方案在请求数达到2500000的时候比原生的Redis Cluster性能提升11.6%左右。其次,针对原有项目升级改造Redis集群中工作量大和复杂性高等难点问题,本文设计并研发了一种高性能的代理中间件,简化了迁移的工作量和难度。代理主要基于Jedis Cluster实现原理,通过Netty多线程模型并结合Disruptor生产者-消费者模型进行系统优化,完成Jedis客户端向Redis Cluster的请求转发解析操作并集成了Redis集群的负载均衡操作。通过代理层屏蔽底层Redis Cluster的连接细节,并提供统一调用的接口,向原有项目的Redis客户端提供服务。实验表明,在多线程模型和负载均衡机制共同作用下,当热点数据出现明显请求数达到2500000时,读写性能相比Codis提升了24.9%。最后,在上述两个功能的实现基础上,利用前后端技术搭建了Redis集群管理与监控平台,不仅能对负载均衡算法中的热点进行实时显示,对代理做权限控制,还能对整个Redis集群做系统运维,相关性能指标做监控报警。

摘要： Nordic Semiconductor宣布物联网(IoT)解决方案企业深圳核芯物联科技有限公司(CoreAIoT)已选择Nordic nRF52833蓝牙5.2/低功耗蓝牙通用多协议系统级芯片(SoC)为其"CL-GA25-P2AoA定位基站"提供核心处理能力和无线连接。该公司声称这款定位基站面向广泛的市场和室内/室外环境,可以实现精准(0.1～1m范围内)的第三方设备定位。

关键词： 视频监控   STM32   微波雷达   低功耗   无人环境  

摘要： 随着各行业对安防的日益重视,视频监控技术得到了广泛的应用和研究,各种功能的视频监控系统层出不穷,视频监控系统在针对国防、安保和商业等领域不同需求的功能划分也越来越明确。在边防、农牧场、野外等无人环境中往往存在无电网供电,无有线网络接入的情况,出现的可疑移动对象往往具有低频率的特点。传统视频监控二十四小时不间断监控获得的有效信息和消耗的资源不成正比。针对这种应用场景下的视频监控系统,本课题设计了一种基于STM32的无人环境视频监控系统,主要完成了硬件平台搭建和软件层面设计两个方面的工作。论文工作的硬件平台采用了 STM32F4开发板,通过微波雷达实现对移动目标的侦测,采用待机模式节省无移动目标情况下的功耗;采用了光伏供电作为设备的供电源,不需电网供电即可连续工作;选择了摄像头OV2640来获取图像数据;加入了感光照明电路,在光线不足的情况下补充光源;使用4G无线路由模块来传输监控终端采集到的图像数据,在有基站信号覆盖的情况下可以实现数据的无线传输。该系统的软件设计在监控终端使用了μC/OS嵌入式实时操作系统,在嵌入式系统的基础上完成了各个驱动程序的开发。软件系统通过TCP/IP网络协议建立起监控终端、服务器和安卓APP之间的网络通信来传输数据和控制指令;服务器采用了 Flask框架,基于HTTP协议以传输MJPEG流的形式实现监控视频在安卓APP端上的显示;结合应用场景的需求,系统会先抓拍传输一帧图像在安卓APP上显示,经过判断后再决定是否开启视频流,以增加前置条件的方式来减少对网络流量资源的消耗。对该监控系统的功能测试和性能测试表明,该系统能够在上述应用场景下实现有效的监控,有一定的实用价值。