关键词： 忆阻器   BiFeO3   Mn掺杂   低功耗   氧空位   导电丝  

摘要： 忆阻器作为新型非易失性存储技术之一,具有低功耗、高速度与集成密度高等优点,并且能够突破摩尔定律的限制与冯诺依曼瓶颈,实现存算一体的存内计算技术,在阻变存储器与高效神经网络方面都有非常良好的应用前景。BiFeO(BFO)是目前室温下罕见的单相多铁性材料且具有阻变行为,它在忆阻器领域也被广泛研究。然而BFO薄膜作为忆阻器件时漏电流较大、阻变不够稳定且功耗不够低,相比其他阻变材料没有明显优势。元素掺杂是改进BFO薄膜微结构与电、磁性能的一种有效途径,它可以降低BFO薄膜中的氧空位与漏电流,已有研究发现Mn掺杂降低BiFeO的漏电流并提高其多铁性能,但对于Mn掺杂提升BiFeO薄膜阻变特性的研究还有待挖掘。本文采用磁控溅射技术制备了一系列不同Mn掺杂量的BiFeMnO(BFMO,x=0,0.05,0.1,0.15,0.2)薄膜并借助XRD、SEM、AFM、XPS等微观分析手段进行形貌表征,研究了Mn掺杂对BFO薄膜的相结构、表面粗糙度、晶粒尺寸与Fe/Mn元素价态的影响规律。在此基础之上制备了一系列不同Mn掺杂量的Si/SiO/TiN/BFMO/Pt忆阻器件单元,采用B1500半导体特性分析仪测量了BMFO器件单元的电学性能,包括I-V特性、数据保持特性、抗疲劳特性、多阻态特性与长期突触可塑性测试等,研究了不同Mn掺杂浓度下BFO基器件的功耗、高低阻态、窗口、保持能力等阻变特性的变化及其阻变机制。研究结果表明,10 at%Mn掺杂获得了晶粒细小、分布均匀与表面平整的BFO薄膜,并且可以稳定BFO薄膜中Fe的价态,大幅度减少薄膜中氧空位的数量与降低漏电流。制备的BiFeMnO忆阻器件可自限流,循环稳定性好,直流操作电压仅为-0.7 V～0.8 V,高、低阻分别为1 MΩ与25 kΩ,脉冲擦写次数达10次,单次Reset功耗仅0.67 pJ,开关速度小于20 ns;高Mn掺杂量的BiFeMnO与BiFeMnO忆阻器件中Mn掺杂溢出形成导电性很差的MnO,导致氧空位形成导电丝后难以聚集,易呈现出多值特性和长期突触可塑性。论文研究结果可为制备高性能BFO忆阻器提供重要参考,对于开发新型阻变存储材料也具有重要的意义。

关键词： 水污染监测   低功耗   NB-IoT   云平台   无线通信技术  

摘要： 随着工业化的急速发展,工业污水和居民生活污水的随意排放,水污染相关的事件也频频出现,不但影响了自然环境,同时降低了人们饮用水的品质,人类的健康也受到了极大的挑战。因此,如何合理利用保护水资源以及如何在源头上对水污染进行监测是急需解决的重大问题。我国水污染监测经历了漫长的发展,经历了从人工采集数据分析到尚未普及的水污染监测系统。虽然水污染监测系统监测相比于人工采集数据分析减少了人力,且更加方便快捷,但是观测期很长,而且整套系统设备成本很贵,并不适合大范围的检测和普及。针对水环境监测的以上问题,本文设计了一种基于NB-IoT技术的低功耗低成本的水污染监控系统,NB-IoT技术作为一种远距离的,低功耗、低成本的无线通讯技术。此项技术很好的解决了成本过高,节点能耗的问题。本次研究主要从以下几个方面进行:1.构建了水污染监测的系统架构,主要将系统分为六个模块,分别是电源模块、嵌入式控制模块,传感器监测模块、NB-IoT模块及云平台和上位机模块。通过传感器监测模块对数据进行监测,再通过嵌入式控制模块对数据进行处理,处理过的数据再通过NB-IoT模块上传到云平台,在上位机上显示,这样就构成了一个完整的水污染监测系统。2.系统各模块软硬件的设计,主控模块的设计作为根本,再逐步对主控制器的外围电路模块、电源模块、NB-IoT通信模块、传感器模块等模块进行设计。同时也对系统进行了低功耗和稳定性的程序设计,保证了系统高效稳定的运行,同时搭建了云平台,构建了上位机监控中心,实现了人机交互。使用户更叫便捷的查看水污染情况的信息。3.在对系统各模块进行软硬件设计之后,对通信模块进行了测试,同时也对传感器终端模块的性能做了对比实验检测,实验结果也表明本次系统终端监测模块测量的准确度符合设计的要求,因此本次设计的系统较好的理论意义和实际应用价值。图[50]表[10]参[62]

关键词： 模数转换器   低功耗   流水线式模数转换器   开环放大器  

摘要： 物理世界中,我们能接触到信号都是模拟的。模拟信号作为易于理解的连续信号,当需要在电子设备中进行存储和传输时,必须要转换为二进制的数字信号。因此我们可以说模数转换器是连接物理世界和虚拟电子世界的桥梁。由于模数转换器结构复杂,模块众多,所以在集成电路设计中常常成为设计者的重心之一。近年来,随着5G通信技术的普及,人们对于高带宽、高码率的需求愈发强烈。然而在便携式设备（如智能手机、平板电脑）的电池技术没有大幅度提升的前提下,如何在更低的功耗下实现更高的信号处理和传输速率成为了工业界和学术界研究和开发的热点话题。两步式Pipelined-SAR ADC是现今运用广泛的高速低功耗模数转换器解决方案,它很好地结合了SAR ADC数字化程度高和功耗低,以及Pipelined ADC易于达到较高的带宽的优点,是一种典型的混合架构ADC。本文针对传统的PipelinedSAR ADC,分析它的系统功耗中还可以继续优化之处,指出从残差放大器的结构和时序上入手,可以进一步降低系统功耗。基于这个想法,本文设计了一款基于高线性度低功耗的开环放大器的两步式Pipelined-SAR ADC,通过基于MATLAB的系统行为级建模和基于Cadence Virtuoso的电路设计仿真,验证了提出想法的可行性。本设计基于28nm的CMOS工艺,在0.9V电源电压下实现了500MS/s采样率和12位精度。在对系统输入奈奎斯特频率的满幅度信号时,系统实现的SINAD是63.88d B,SNR是64.63d B,SFDR是75.40d B,通过计算得到有效位数为10.32位。

摘要： 安森美半导体的RSL10 Mesh平台具有开发和部署网状网络所需的所有基本要素,赋能家庭/楼宇自动化、智能零售等多个领域蓝牙低功耗网状网络应用,并帮助迅速走向全面部署,推进在范围、灵活性和功率预算的性能极限。RSL10SIP具有领先行业的超低功耗,以最大化电池使用寿命。RSL10 Mesh平台配以多种环境传感器,包括温度传感器(N34TS108)、环境光传感器(LV0104CS)和磁性传感器,使用LED驱动器(NCP5623B)调光和调色,

关键词： PYQT   水压致裂   可视化   多线程  

摘要： 近些年,随着水压致裂技术在地应力测量方面的广泛应用,我们对相应的测量软件也提出了更高的要求。但是目前现有的水压致裂地应力测量软件仅能支持数据采集、数值显示和文本存储,已经不能满足实际使用中的需求。本文针对这种情况,设计实现了一种基于PyQt的功能更加完备的水压致裂地应力测量软件。本文通过对水压致裂地应力测量技术的研究和技术使用中的实际需求进行了软件设计。研究与使用PYTHON语言和PyQt开发工具使得软件具有了良好的跨平台特性,利用Qt Designer进行了界面设计;软件采用模块化的设计思想,提高了整个系统的健壮性;针对软件需要与硬件传感器进行通讯的实际需求,设计并实现了串口调试功能模块,这大大减少了我们在调试传感器通讯方面的工作量;利用modbus协议完成了数据采集与处理;在实际使用中,现有软件显示的当前时刻的数据已经不能满足实际使用中的要求,本文在数据可视化模块的设计不仅能显示当前时刻的数据,还加入了原始通讯数据显示,并且利用PyQt Graph模块实现了数据随时间变化的折线图显示;在数据存储模块,本文在文本格式和EXCEl格式存储的基础上,第一次加入了MongoDB数据库进行数据存储,利用多线程和环形数据缓冲技术来解决数据同时向多个文件写入时速度较慢和数据可能被污染的问题。对于所保存下来的数据可能需要再次进行分析与研究的实际需求,本文创新性的设计并实现了数据回放功能模块,此模块支持文本格式和EXCEL格式的数据进行数据回放,方便我们对数据进行细致的观察与分析。本文围绕软件的核心功能并且从实际需求出发,对软件进行了全方位的测试,测试结果表明了本软件在水压致裂的测量过程中完整实现了设计时的多种功能,完全达到了最初的设计要求,满足当前使用中的实际需求。

关键词： 车位监测   低功耗   雷达传感器   紫蜂   网络调度  

摘要： 车位监测系统成本过高是制约传统停车场智能化改造的最大因素。本文通过分析市面上现有车位监测系统,研究出基于无线通信链路的车位监测系统,相比有线通信链路的车位监测系统具有更低的成本。为了提高车位监测系统的整体性价比,本文通过相关技术对比,最终确定以微波雷达传感器作为本系统的车位监测传感器,以ZigBee协议为本系统的网络通信协议,并根据停车场应用场景完成了车位监测传感器和ZigBee网络的系统参数设计。为了降低车位监测传感器成本、增加监测稳定性和降低传感器功耗,本系统设计了基于FMCW体制的雷达传感器,完成了基于FMCW雷达的车位监测方法研究,并采用基于能量重心法的FFT算法降低频谱泄露和采用恒虚警率检测算法(CFAR)完成目标检测。研制的车位监测传感器在测试中性能表现良好,满足用户需求分析中对传感器的测距范围和精度,以及对低功耗和稳定性的要求。为了降低车位监测节点的功耗,本文分别从硬件层面和网络层面完成了车位监测节点的低功耗设计,在硬件控制层面通过采用带使能功能的电源管理芯片和开发ZigBee低功耗模式完成了设计;在网络层面本文提出了周期性唤醒、变速率采集和事件驱动机制的数据传输方法。功耗测试表明,两个层面的低功耗设计相结合大大降低了节点的功耗,提高了节点的续航时间。最后本文详细阐述了用于停车场车位监测系统的实验测试,包括雷达传感器车位监测测试、车位监测节点功耗测试和车位监测网络功能测试,最终通过各部分的测试结果,详细分析了车位监测节点的电池寿命。测试结果表明,车位监测节点测距范围和精度满足停车场车位监测需求,车位监测网络通信稳定,能可靠的实现停车场车位实时监测。车位监测节点功耗极低,满足用户对停车场车位监测系统的续航需求。

关键词： 储能系统   非耗散型均衡   动态重构   开关电容  

摘要： 目前在电化学储能中广泛使用的电池和超级电容,均存在单体电压较低的特征,在实际应用中通常需要将多个单体串联成组。在串联型拓扑中,单体之间普遍存在的电压不均衡现象会影响整个储能系统的有效容量和使用寿命。本文旨在减小储能系统中存在的单体电压差异,研究快速低功耗均衡拓扑。开关电容均衡电路是广泛使用的均衡技术之一,其目前的研究重点在于提升均衡速度和减小均衡损耗。针对传统单飞渡和多飞渡电容式均衡电路存在的均衡速度和损耗问题,本文利用重构电路的可重新配置能力,分别设计了新型均衡电路,通过增加均衡路径提高了均衡速度和电能效率。主要研究内容如下:(1)传统单飞渡电容式均衡电路可以实现任意储能单体之间能量的直接传递,但在同一时刻只能有一个单体被充电或放电,难以适用于有多个单体需要均衡的情况。本文针对单飞渡电容式均衡结构设计了重构电路,实现了多个等量单体之间的均衡,克服了在同一时刻只能有一个单体被充电或放电的限制,在提升了均衡速度的同时,保证了均衡速度与均衡目标的间隔距离无关。(2)传统多飞渡电容式均衡电路虽然可以实现多个单体之间的同时均衡,但该电路结构只能实现能量在相邻单体之间的直接传输,均衡速度受串联单体数量影响较大。本文针对多飞渡电容式均衡结构设计了重构电路,实现了三种能量传递形式,分别为单体对单体均衡、等量多单体均衡和非等量均衡,消除了能量只能在相邻单体之间直接传递的限制,从而提升了均衡速度,降低了均衡损耗。针对上述两种电路,本文分别建立了等效电路模型,对均衡过程进行了详细的分析,从理论上验证了新拓扑的可行性。同时,通过搭建MATLAB仿真模型和实验样机,对本文所提出的均衡方案进行验证。仿真和实验结果表明,提出的新型均衡电路与传统均衡电路相比在速度方面均有不同程度的提升,同时在损耗方面也有一定程度的减小。

关键词： 心电图   数字信号压缩   超大规模集成电路   小波变换   QRS波检测  

摘要： 全球医疗保健支出的迅速增长，激发了人们开发个人医疗保健系统的兴趣。主要原因在于，受制于医疗设备的成本和体积，主流监测方案无法实时检测患者的生理状况变化，对突发病情仍不能做到及时有效的防治。近年来，可穿戴健康追踪设备(WFTDs)因具有小型化，实时性高，低功耗等特点，逐渐得到广泛应用。在物联网相关技术赋能的智慧医疗系统中，WFTDs作为数据采集终端实时检测人体生理状况，可帮助医疗机构尽早发现病人的异常体征，并能根据过往大数据提供个性化生活方式建议。心电图(ECG)是WFTDs中最常见的监测项之一，心电监测一般需要连续记录患者的心电数据，再以无线传输方式上传至云端。然而，无线传输是WFTDs中最耗费能量的部分。为了缓解WFTDs中的存储和续航压力，一种行之有效的方法是在WFTDs种引入实时心电图压缩技术。　　从信号失真的角度来看，主流的心电图压缩技术可以分为两类:可用于临床诊断的无损压缩，压缩信号可以完美地重建，但压缩率较低;而有损压缩能获得更高的压缩率的同时还带来了更高的信号失真，适用于对存储、续航和传输带宽等资源有限的场景。两者都有其独特的优越性。　　本文面向低功耗WFTDs，设计了一种有损-无损可调精度的实时ECG压缩ASIC，支持阈值输入的方式修改压缩精度。算法框架包含三部分，首先是差分脉冲编码调制阶段去除原始心电信号的直流分量，以大幅减小信号的幅值;然后提出量化指标，选定三级Bior1.3提升小波变换提供实时整数到整数系数变换;最重要的，本文提出了行波嵌入式零树小波编码及其VLSI实现，用于低功耗场景下的渐进式编码运算。本文在MIT-BIH心率不齐数据库下测试，所得最大无损压缩率为2.81，最大有损压缩率为11.49，对应的失真度仅为0.62％，单位压缩率下的失真度低于已知的所有心电压缩ASIC设计。同时，QRS波检测的实验结果证明本文算法框架在各精度下重构的信号均能保持一致的检测准确性。　　硬件实现方面，本文在SMIC130-nm工艺下完成了标准ASIC设计流程验证，并使用PTPX工具完成功耗分析，得出心电压缩ASIC平均功耗为273nW，核心面积0.033mm2，等效3.25K逻辑门数，满足了超低功耗和低复杂度的设计要求。与现有的有损-无损可配置精度心电压缩ASIC相比，本文拥有最低的逻辑门数，较好地平衡了功耗、面积、压缩效率以及功能等方面的设计矛盾。

关键词： 逐次逼近型模数转换器   超低功耗   集成电路设计   可穿戴医疗设备   生物医学应用  

摘要： 传统医疗设备的体积大、功耗大、成本高,不便于实现长期、实时的病情监测。可穿戴医疗设备应运而生,但较差的续航能力成为限制其发展的主要障碍。模数转换器（Analog to Digital Converter,ADC）作为可穿戴医疗设备中主要的能量消耗电路之一,降低其功耗将显著提升可穿戴医疗设备的使用时长,因此ADC的低功耗设计意义重大。论文选取了能量利用率较高的逐次逼近（Successive Approximation Register,SAR）型ADC进行低功耗设计。主要做了如下工作:根据调研和应用需求确定了设计指标。对电路进行了0.5 V的低电源电压设计,使电路中的金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOS）处于亚阈值区,由此产生的极低的电流对整体功耗的降低起了关键作用。根据常见的人体生理电信号的低频特点,特别地设置了2 k S/s的采样率,在保证采样到信号特征的前提下,尽可能地通过降低采样率来达到低功耗需求。参考国内外相关低功耗SAR ADC设计制定了10位的精度。完成了各模块的设计,尤其对主要耗电模块进行了低功耗设计。推导了几种典型的电容阵列式数模转换器（Digital to Analog Converter,DAC）的能耗公式,分析出低功耗DAC的结构特点以及开关策略,选用了只需两种电位即可实现较低功耗的5-5分段且逐位分裂的DAC电容阵列结构,相比于传统结构节省了约98.6%的能耗。比较器和SAR逻辑电路的选择侧重于无静态电流的动态比较器以及动态SAR逻辑电路。此外,设计了可实现高线性采样的自举采样开关。针对传统自震荡时序中存在的由于时序处理不当而产生的比较器误判的问题,提出了一种具有控制状态检测功能的高能效控制电路。通过将控制状态检测信号作用于SAR逻辑电路中,将其作为比较器时序产生的条件之一,来产生正确的比较器时序。经过仿真验证,达到了预期的效果。此外,该控制电路模块可以控制4个电容的下极板电位,提高控制效率的同时也降低了功耗。基于SMIC 0.18μm CMOS工艺进行了版图设计,版图核心面积为840μm×140μm。对含有寄生参数的版图进行了后仿真。结果表明,在0.5 V电源电压、2 k S/s采样率下,电路可达到的有效位数为9.68位,功耗为15.45 n W,品质因数为9.42 f J/conv-step。设计达到了国内外同期相关报道的水平。

关键词： 多线程  

摘要： 每当听到有人抱怨怀才不遇、在单位得不到提拔和重用时,我的脑海里就会浮现出表姐的身影。十二年前,表姐研究生毕业后,不听家人考入体制内工作的劝说,只身一人去了广东。原来,在她毕业前夕,广东一家民营设备研发企业到校园招聘,在和这家企业的总经理进行一番交谈后,表姐被他先进的企业管理理念和对行业理性清晰的判断所吸引,当时便决定加入这家公司。不过,在去广东前,表姐还有一些事情没有给家人说。她不想让家人知道,自己即将入职的这家公司刚成立不久,没有固定的办公地点,