关键词： 反向散射   码分复用   无源通信   大规模物联网  

摘要： 反向散射通信（Backscatter）是一种不需要电源的低功耗通信技术,以环境中常见的电磁波作为载波传输发送信号,例如WiFi、ZigBee、蓝牙信号,可以实现随时随地的通信,在物联网领域被广泛应用。但现有的反射通信系统大都节点规模较小,不适用于普通的室内办公场景,且节点的维护成本也比较高。为了解决这些问题,本文针对室内场景设计了一种基于反向散射通信的无源物联网通信系统,该系统由发送端、多个通信节点（Tag）、接收端组成。基于现有的光信号获能模块,为Tag设计了高频信号获能模块,使Tag无需安装电池,降低了节点的维护成本,且相较于其他无源通信系统,本文设计的通信协议中,采用了基于反向散射通信的OOK调制和CDMA编码相结合的信号处理方法,增大了系统中的节点容量。该通信系统的主要创新点在于（1）在光信号获能的基础上设计了一种射频信号获能模块,该模块可以收集射频信号能量并对Tag进行持续供压,保证Tag可以无源工作;（2）改进了针对高频信号的阻抗匹配网络值计算方法,降低了高频信号进入数字电路的损耗;（3）在反向散射通信的基础上结合了 OOK调制和CDMA编码,增加了系统中的Tag数量。在实际环境中,Tag可以安装传感器并通过传感器采集环境信息,以无源被动通信的方式将环境信息发送出去,信号发送过程的能量从环境电磁波中获取。作为一种可持续发展的低功耗通信系统,它可以适用于智能家居、智能办公等多种物联网通信场景。

关键词： 振动能收集   最大功率点追踪   事件驱动   低功耗  

摘要： 随着如今对便携式产品的技术要求及设备数量的需求越来越高,物联网技术得到了快速的发展,其中以电池为主的供电系统由于其体积大、成本高且需要定期更换而无法满足用户需求,故可集成且低功耗的能量收集系统逐渐显示了其必要性。振动能作为一种普遍存在于环境中的典型能量,利用能量收集技术对其进行收集利用具有广阔的市场前景。本文针对振动能进行了能量收集系统的研究及设计,所设计的系统采用了BUCK-BOOST变换器作为功率级以适应大的输入能量源范围,其具有优化的连续最大功率点追踪功能。传统最大功率点追踪模块为每隔几个周期或固定时间工作一次以检测追踪最大功率点,这种方法无法紧密跟随输入的变化,当输入能量源长时间稳定时会产生较大的功耗。本文提出了一种事件驱动机制,只有在输入能量源状态发生变化时才会触发最大功率点追踪模块去重新追踪最大功率点,可以连续且实时的跟随输入源的变化,大大节省了功耗提高了效率。传统的开路电压法需每隔一段时间断开一次输入源与功率级之间的连接以进行开路电压采样,造成了开关损耗及开关断开期间的能量流失,且无法及时响应输入源的变化。本文采用了针对于BUCK-BOOST变换器的纹波关联相关控制方案代替传统开路电压法并设计实现了具体电路,无需间歇性断开开关,避免了功率损失并加快了响应速度。本文所研究设计的振动能收集系统整体围绕低功耗进行电路实现,故最大功率点追踪模块、主体拓扑电路结构及其他子模块电路如整流接口电路、微分器、运算放大器、比较器、过流模块、基准模块及事件驱动电路等皆采用低压低功耗结构设计改进,以减小系统自身功耗,提高能量收集效率。本文利用Spectre仿真工具进行整体拓扑设计搭建,并基于180nm BCD工艺进行系统细节设计及子模块搭建,最后对子模块及整体振动能收集系统进行了仿真验证,仿真结果表明,本系统实现了一种可实时自适应的最大功率点追踪技术,追踪时间约为30ms,最大功率点平均追踪精度高达87.0%,系统的传输效率为84.2%,且验证了MPPT模块仅在输入源变化时才进行工作的设计理念,真正实现了低功耗高效率的振动能量收集系统。

关键词： 蓝牙验电   内置增益调节   可穿戴   低功耗  

摘要： 验电是保障电力作业安全的重要操作,目前对验电设备的研究分为接触式验电和非接触式验电。随着带电设备电压等级的提高,非接触式验电技术因其安全性高得到了广泛研究和推广。在当前的非接触式验电研究中,一方面,验电设备不能适用于不同电压等级的验电操作,通用性差;另一方面,通过建立蓝牙连接完成通信需要提前知道设备的MAC地址,灵活性低且不易拓展。此外,只有一个电压测量点的设计还存在有漏判的风险,且未考虑低功耗的设计。为改善上述问题,本文设计并实现了一种用于非接触式验电测量的蓝牙验电系统,利用感应探头在带电设备周围产生的电场中感应出来的电压反映作业人员所处的位置是否在安全范围内。为解决设备通用性差的问题,本文设计了内置的增益调节模块。增益调节模块完全由软件控制,在验电过程中可自动切换测量的量程,满足对不同电压等级的验电测量需求。同时本文还针对性地设计了数字低通滤波器,使得对感应电压的测量结果可以保持稳定。为解决电压测量点数量不足和建立蓝牙连接存在的灵活性低且难拓展的问题,本文采用蓝牙广播的方式进行通信。蓝牙广播的方式无需提前知道设备的MAC地址,可方便地拓展到多个感应探头的联合测量。同时本文对蓝牙设备标识符进行设计,实现对不同蓝牙验电设备的区分,配合移动应用程序对多模数据进行获取和分析,并做出相应的报警动作。此外,本文将遵循低功耗的设计原则,对系统的休眠与唤醒进行设计,以此来降低系统的功耗。经过实验室测试,本文所设计的蓝牙验电系统在休眠模式下,系统总电流不超过5μA,满足低功耗的设计原则。同时感应探头可以实现对感应电压的稳定测量,配合移动应用程序可以对不同的感应探头进行区分。感应探头由于具有体积小且可穿戴的特点,可在与作业服相结合形成刚需的同时提供多个感应电压测量点。本文面向电力作业安全的场景需求设计了蓝牙验电系统,并针对当前验电设备存在的通用性差、灵活性低、难以拓展等问题提出改进设计。测试的结果表明,蓝牙验电系统达到设计的预期,可以实现近电报警功能。目前本文所设计的蓝牙验电系统已经在南方电网初步投入使用,在未来有望在电力检修作业中全面铺开使用。

关键词： MWMT   DMA   AXI   多模式推断  

摘要： 在21世纪,得益于科技和先进工艺的不断发展,智能芯片的成本越来越低,越来越多的人可以用得起智能设备,原来匮乏的原始数据也不再或缺,新的应用场景应运而生。新的应用场景要求芯片的神经网络推理准确率更高,随之而来芯片内部的网络模型也越来越复杂,究其根本原因是特征参数量与计算量呈指数式地增长。然而,基于万物互联的大数据背景,现有的人工智能芯片在智能家居、车载等实时应用场景中,实现起来困难重重。新的实际使用场景给芯片发展带来了新的瓶颈问题,总结起来主要是芯片能效比低下、资源利用率不高的问题。为了解决该瓶颈,近年来学术界和工业界提出了种类繁多的ASIC(专用人工智能处理器架构)。然而,现有架构通过提高运行频率与增加计算存储单元阵列来提升算力,其已经面临诸如计算单元利用率低下,实现成本高,通讯带宽受限,可扩展性差,功耗高等问题。针对以上问题,研究团队在前期工作中提出MWMT(多权重多线程)执行模型的智能计算体系架构。本文针对定制化设计MWMT执行模型的ASIC芯片进行不同层面的优化。首先,基于卷积神经网络中权重和数据在神经网络中重复调度的特性,本文提出了引导从属协同阵列的结构,重点提高在计算过程中的控制信号分时传递复用,侧面也提高了数据和权重的复用性,减少了数据调度。在保证芯片功能不缩减的前提下,实现面积7%的缩减,降低了芯片的流片成本。另外,本文研究了计算内核与外部存储设备的数据调度,发现由于专用接口协议的限制,数据交互的控制冗余,纷乱复杂。经过调研,针对本文中的定制化芯片,本文设计了DMA(直接内存访问)模块,用于内核计算单元直接访问外部DDR(双倍速率同步动态随机存储器)存储,将已有Xilinx(赛灵思)的专用接口协议更改为业内应用更为广泛的AXI(高速扩展接口)协议,利用状态机实现,提高了数据交互的效率,系统总体延时减少了8%。最后,本文分析了不同神经网络中对于卷积、池化、全连的数据调度,兼容外部存储DDR接口协议带宽的要求,并结合批处理的设计,创新提出了多模式推断的设计,针对本文中的ASIC芯片,结合重组批处理,将原有带宽利用率的18.75%提高到了93.75%,进一步提高了系统的效率。本文的工作从团队前期的MWMT执行模型ASIC芯片出发,内容涵盖数据流的分析,神经网络结构的研究分析,总线带宽的利用率分析,优化后结构的代码实现,后端综合的优化,FPGA(现场可编程门阵列)的验证。本文创新的提出了引导从属协同计算阵列的架构,并分析神经网络结构,创新提出了多模式推断机制,极大地提高了系统的效率,对未来人工智能领域、算法、架构等设计具有重要的参考价值。

关键词： 环境数据采集系统   6LowPan   cc2538   低功耗  

摘要： 本文简要分析了环境数据采集系统的设计流程,分析了数据通过传感器最终传到PC机Web界面的过程,进行了系统实现所需的传感器模块、单片机模块以及网络模块等主要器件的选型分析,最后给出了环境数据采集系统在现实生活中的应用场景与构想.

关键词： 同步采集   数字锁相环   时钟驯服   低功耗   Lo Ra通信  

摘要： 我国是世界上地质资源储备量较大的国家之一,但在资源利用率上却优势不大,主要是由于资源能源的勘察工作难度大,技术及设备要求高。目前主流的数据勘测节点主要采用分布式地震勘探数据同步采集技术,可以实现复杂地形的大范围地质数据采集。国内的分布式数据采集系统仍以有线分布式采集为主,部署难度大,成本高。随着无线通信技术的发展,无线分布式数据采集系统的优势越发突显,其部署简单、传输距离远。无线分布式采集系统的难点是数据采集的同步性以及数据传输的实时性,同步算法的性能决定了采集系统的准确性,还直接影响系统功耗指标,也决定了系统的可用性。为此本论文对分布式多节点的同步采集技术提出了新的时钟驯服电路,并在此基础上,对两种设计方案进行了优化,优化后的电路具有同步精度高,低功耗的特点,可适用于地震勘探同步采集系统。本文首先对时钟同步技术进行理论分析并得出两种优化的时钟同步设计方案:一种是基于PID数字锁相环驯服恒温压控振荡器,从而使恒温晶体振荡器输出稳定的高精度时钟,该设计采用TDC技术对本地时钟与GPS秒脉冲进行相位误差的检测,通过最小二乘拟合进行频率误差估算,然后将频率误差信号通过PID控制算法转换为恒温晶体振荡器的控制信号,从而实现时钟的同步。第二种是基于FPGA锁相环驯服时钟的高精度同步时钟方案,该方案利用动态重配置技术,使数字锁相环具有自洽的闭环功能,改进了环路滤波器与压控振荡器的结构模型,运用比例积分控制型滤波器配合压控振荡器的动态配置策略,提升了振荡信号的质量和锁相环的锁定速度。该设计产生的时钟信号不仅具有较小的累计误差和随机误差,同时在GPS信号断开或丢失的情况下可以根据历史数据动态配置振荡器的控制字,输出稳定的高精度时钟,极大地减少GPS持续工作时间。在具体实现上,本设计采用STM32L4系列低功耗MCU作为主控芯片,对电路进行低功耗优化设计,并根据系统配置情况进行软件的动态低功耗适配。在同步采集方面,将驯服的高精度时钟信号作为控制器外部参考信号,通过软件同步方式控制数据同步采集。在通信部分采用了窄带加宽带的通信模式,可实现采集的数据实时回传,又考虑兼顾了系统的低功耗特性。在长距离节点通信方面,采用基于Lo Ra通信机制,在数据实时性方面,采用4G/5G通信进行数据传输。在系统稳定性上,进行电源管理电路设计,实现对电源噪声的抗干扰以及电路的保护,保证系统平稳运行。最后搭建实物样机模型,对系统同步时间误差及稳定性,以及系统采集精度进行了验证。结果表明,各项技术指标均满足要求。

关键词： 低压差线性稳压器   自偏置共源共栅   动态偏置   快速瞬态响应  

摘要： 集成电路的飞速发展促使电子产品技术不断革新。在集成电路中,电路模块都需要电源管理系统提供一个稳定的电压,其中LDO、DC/DC转换器、AC/DC转换器、电荷泵等都在电源管理系统中扮演着重要角色。LDO作为电源模块的一种,因具有结构简便、成本低、电路性能优越等优势,使其在电源管理系统中占有重要地位。在实际LDO电路中,很多的问题影响着LDO的性能。通过设计一些性能增强电路,解决LDO电路中存在的功耗高、噪声大、瞬态响应慢等问题,对于LDO电路的发展有着重要的意义。针对LDO功耗高的问题,本文采用对称式误差放大器结构,在减小系统功耗同时,增加系统单位增益带宽,提高系统瞬态响应速度。通过对比分析三极管和MOS管的构成及在电路中的工作状态,采用PMOS管作为功率管,可以减小系统中静态电流,实现低功耗。针对LDO瞬态响应慢的问题,采用动态偏置补偿技术,当LDO系统输出电压发生抖动,动态偏置电路能够为功率管提供电流,减小输出电压稳定时间,从而提高系统瞬态响应。在深入研究LDO电路稳定性基础上,采用ESR零点补偿、前馈补偿、米勒补偿技术,将系统次极点消除,提高系统稳定性。为给系统提供一个零温度系数的参考电压,采用自偏置共源共栅结构设计一个带隙基准电路,该电路在抑制MOS管器件沟道长度调制效应的同时,降低基准电路中噪声,提高系统稳定性。本文基于SMIC 0.13μm CMOS工艺,进行LDO电路仿真。仿真结果显示:LDO在2V-5V内正常工作,电路输出额定电压为1.81V,电路在轻载工作时,系统消耗静态电流为18.2μA,该系统开环增益达到77.2d B,相位裕度为85°,当负载电流在短时间内从10μA变化到30m A时,产生的欠冲电压为294m V,瞬态响应时间为2.7μs,过冲电压为213m V,瞬态响应时间为3.7μs。电路整体噪声为5.448μF/sqrt(Hz),低频时电源抑制比为-70.68d B,1KHz时为-56d B,1MHz时为-23d B。仿真结果表明,本文设计的LDO满足低功耗、快速瞬态要求。

关键词： IoT门锁   国产芯片   MIPS架构   中断管理控制器   嵌入式软件开发  

摘要： 门锁承载了保障人身安全和财产安全的守护重任,伴随着以物联网及智能化为核心的创新驱动,逐步显现出服务于“安心、放心、便捷”智能化生活的趋势。而基于物联网技术的门锁,在智能化生活中充当着极其重要的角色。随着公租房建设规模不断扩大、房源数量持续增加、租住人数日益增多,其管理日趋复杂、碎片化且难度加大,急需能准确及时监管流动人口集中地域出租房的设备,而IoT门锁正是解决此难点问题的有效途径。IoT门锁是保障安全与隐私的基础,应杜绝外来芯片及软件的威胁,但实际情况却并不如意,现如今所面临的复杂国际形势,诸如中兴、华为事件,更是给国人敲响一个警钟。为了实现门锁智能化及国产软硬件的自主可控,本文结合公租房等应用场景,采用国产芯片——龙芯1C101作为主控芯片,在裸机无嵌入式操作系统的条件下,根据该场景下的用户需求,进行了IoT门锁嵌入式软件开发。但是,在进行基于龙芯微控制器的IoT门锁嵌入式软件开发时,存在以下问题:(1)龙芯1C101是龙芯中科在MIPS架构基础上研发的首片MCU,其技术参考资料匮乏,难以见到可作借鉴的应用开发样例,一切均需要从零开始摸索,对于嵌入式系统应用开发极具挑战性;(2)为确保软件的自主可控和资源的最大化利用,更好地实现软硬件的最佳耦合,在研发过程中,采用了无嵌入式操作系统的裸机开发,虽然MIPS架构本身有中断,但是,为充分发挥流水线设计思想,其中断优先级平等、无中断嵌套,而龙芯MCU本身也缺少硬件中断管理,这将会导致嵌入式系统在各种实时任务管理和执行方面存在较大的不足。针对上述问题,本文结合ARM架构的嵌入式应用开发经验,进行基于龙芯微控制器的IoT门锁嵌入式软件开发,弥补了龙芯1C101应用开发过程中的不足。此外,用软件方式创新定义了基于MIPS架构的中断管理控制器,进而设计研发出以国产芯片为主体、自主软件为根本的IoT门锁,形成了本文特色和独有优势。本文的研究内容及相关工作如下:(1)对应用于公租房等场景的IoT门锁进行了需求分析,包括功能需求分析和非功能需求分析。采取模块化设计方法进行了相关方案设计,其中包括IoT门锁的架构设计、硬件方案设计和软件方案设计,基于软硬件结合的架构设计进行嵌入式软件开发。(2)在嵌入式裸机开发过程中,立足于“国产芯片”和“中断管理机制”,本文借鉴ARM和RISC-V架构的相关研究,针对MIPS架构有中断但优先级平等,无中断嵌套且龙芯MCU无硬件中断管理机制的情况,根据IoT门锁的需求来构建中断优先级;根据预先构建的中断优先级来进行紧急事件对CPU的抢占,从而实现软件定义中断嵌套;通过利用本文中自定义的影子数组,嵌入式软件定义了“咬尾中断”,保证了低优先级中断不被随意丢弃且顺利执行;软件定义了一个具有完整中断管理机制的中断管理控制器,从而提高嵌入式软件的稳定性。(3)本文基于龙芯1C101嵌入式微控制器片上资源驱动及应用开发,再结合IoT门锁的具体应用特征,进一步延伸到本文中的其他国产组件,如指纹模块、刷卡芯片、NB模组等,对门锁的各个功能模块进行功能需求实现及应用开发,以裸机开发的方式,形成具有完全自主知识产权的嵌入式应用程序,研发出龙芯首片MCU的IoT门锁嵌入式软件。(4)完成了IoT智能门锁的嵌入式软件开发,将软硬件结合进行联调。结合串口调试助手软件,对本文软件定义的中断管理控制器进行了相关的测试验证。同时,在PCB板和外围功能模块等相关硬件共同搭建的实验平台上,实现了对IoT智能门锁基本功能的测试验证,证明了基于龙芯微控制器IoT门锁的可行性及实用性。

关键词： 存内计算   静态随机存储器   6管存储单元   乘法运算   低功耗  

摘要： 随着机器学习、图像识别、物联网等新兴领域的发展,在处理像基于大数据的计算任务时,传统计算架构已经越来越不能满足快速发展的应用对处理器速度和能量效率的要求。存内计算不同于传统的计算架构,它将系统的存储模块和计算模块相结合,使系统对数据的处理步骤可以直接在内存中完成,实现了存储和计算一体化。存内计算节省了数据从存储模块到计算模块之间的传输,不但大大地节省了能量消耗,也进一步提升了数据的处理速度。静态随机存储器(Static Random Access Memory,SRAM)由于具有高速、低功耗等优点一直是学者们研究存内计算的重点对象。本文提出了一种基于传统6T SRAM的内存内乘法计算电路,主要工作如下:本文首先介绍了传统冯·诺依曼计算架构及其瓶颈,分析了现有的几种解决冯·诺依曼瓶颈的方法。通过比较突出了存内计算架构的优点和重要意义。介绍了SRAM电路的组成结构、工作原理以及几种基于SRAM的存内计算电路设计。基于上述分析,本文提出了一种基于传统6T SRAM的存内乘法计算方法。电路主要具有两种工作模式:传统SRAM工作模式和存内乘法计算模式。当电路工作在传统SRAM模式时,电路可以对数据进行读写操作。当电路工作在存内乘法计算模式时,电路可以根据需要将两个乘数以二进制形式存入存储阵列,通过在存储阵列的位线上挂载的大小不同的电容,改变位线对存储单元的放电速度,使位线在本行字线开启后对每个存储单元进行不同程度的放电,放电结束后位线放电总量即是乘法运算的结果。文章的最后对设计的电路进行了功能性仿真,功耗计算。功耗方面,由于直接在存储内进行运算,同等阵列大小下相比于传统的计算模式节省了约60多倍的能量,说明了该电路具有高稳定性和低功耗等优点。