关键词： 车载CAN FD   高速   可靠性   低功耗  

摘要： 随着人们对汽车功能的要求越来越多样化,越来越多的电子控制单元(ECU)被添加到车载电子系统中,随之而来的是汽车内信息交互越来越频繁,带宽需求越来越大,传统局域控制网(CAN)由于传输带宽限制已经无法满足当代车载网络的需求。带有灵活数据速率的局域控制网(CAN FD)不仅继承了CAN总线的主要特性,在数据传输速度和报文数据长度方面做了优化,故CAN FD总线很有可能成为下一代汽车网络中的主流通信总线。CAN FD总线在国内的应用开发还处于初始阶段,面向车载芯片应用的CAN FD总线研究与设计的工程应用价值和理论意义是十分重大的。本文的研究目标是设计一款面向车载芯片应用的CAN FD总线,在保证功能完备的情况下能够达到高带宽、高可靠性和低功耗的要求。在对CAN FD总线硬件原理和开放式系统互联(OSI)参考模型研究分析后,提出了数据信息和控制信息分层的模块架构,避免了信号穿层问题的出现,使得整体架构层析清晰,实现模块架构的优化。基于多主仲裁失利后发送状态到接收状态跳转的传输情况,采用了一个主状态机的设计方案,使得发送和接收之间的状态跳转可以快速进行,减少了控制信号的数量。通过对控制域的特殊控制位的信息判定,控制主状态机的跳转,实现本文设计对CAN通信模式的兼容。采用双报文接收缓存的设计方式,实现了CAN FD节点接收报文和APB总线搬运上一帧接收报文的并行运行,避免了数据重叠出错,提高了数据的可靠性。设置CAN FD节点使能开关,CAN FD节点可以进入总线屏蔽模式,不仅使得使用本文设计CAN FD总线的芯片可以兼容复杂车载网络,还可以减少非必要的能量消耗。用硬件描述语言(Verilog)实现本文设计方案的行为级描述。根据CAN FD通信环境的特点,设计并实现了车载CAN FD总线功能测试平台。针对不同的功能配置不同仿真激励,通过Verilog编译模拟器(VCS)的编译,观察Verdi中的仿真波形。功能测试结果表明本文的设计支持CAN和CAN FD报文的正确传输、多主仲裁、错误检测、错误通知和总线屏蔽等功能。为了测试真实车载网络中本文设计的可靠性,在现场可编程门阵列(FPGA)测试平台上,测试CAN FD和CAN报文的正确传输。FPGA测试结果表明本文的设计支持CAN报文最高传输速率为1 Mbit/s,CAN FD报文最高传输速率为4 Mbit/s。综上所述,本文设计的车载CAN FD总线达到了高速、高可靠性和低功耗的设计预期。

关键词： 人形识别   IoT   Aizip   Maxim  

摘要： Maxim与专注于物联网(IoT)领域人工智能(AI)技术开发的Aizip公司达成合作,Maxim Integrated的MAX78000神经网络控制器采用Aizip的视觉唤醒词(VWW)模型在图像中检测人形,将每次运算功耗降至0.7mJ。这种功耗水平比传统的软件方案降低100倍,是目前市场上最经济、最高效的IoT人形识别方案。

关键词： 龙芯2K1000   嵌入式Linux   系统移植   设备驱动程序   PCIE  

摘要： 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心器件,主要依赖进口国外芯片,因此推广使用国产芯片势在必行。国产龙芯处理器拥有完全自主知识产权,并且推出自主研发指令集,应用在北斗等关键领域。本课题使用龙芯2K1000处理器,制作可正常工作的完整嵌入式软件系统,并设计设备驱动,对于后续以此为基础使外接所需测试设备构建出完整的总线测试系统具有重要意义。本课题需求是构建可正常工作的嵌入式软件系统,以此为基础实现网络通信和文件传输功能,以及对外接PCIE设备的配置和访问。因此根据处理器特点和嵌入式系统组成,提出嵌入式软件系统各部分的编译移植方法,根据Linux设备驱动开发方法和设备特点,提出网络设备驱动和PCIE设备驱动的设计方案。引导程序、嵌入式Linux内核和根文件系统三部分构成最基本的嵌入式软件系统。本文根据龙芯2K1000的架构选择PMON作为引导程序,研究PMON的启动流程和编译移植方法,按照课题实际需求裁剪并编译出精简的Linux内核,根据处理器参数修改根文件系统配置,使用Buildroot工具制作根文件系统。网络设备驱动开发过程中,首先研究龙芯2K1000的网络系统硬件结构,分析Linux系统网络协议层次和网络设备驱动开发的关键数据结构,根据处理器参数修改设备树中网络控制器参数,设计出能够控制网络设备和实现网络通信功能的网络设备驱动。PCIE设备驱动开发过程中,首先研究PCIE总线协议和设备自身特点,根据Linux字符设备驱动框架,使用相关的数据结构和底层函数,设计出可以对PCIE设备进行配置与IO读写的设备驱动。最后本文对移植后的软件系统和开发的设备驱动进行测试。测试PMON自身功能和源代码中参数修改是否生效,以及PMON能否成功引导Linux内核。测试嵌入式Linux内核各子系统功能。测试网络设备驱动的加载和网络连接功能,使用板卡和虚拟机之间的双向文件传输测试网络传输功能,使用iperf工具通过TCP、UDP传输来测试网络性能。编写测试程序调用PCIE设备驱动对PCIE设备的配置空间和IO空间进行读写功能测试。测试结果表明,软件系统和设备驱动预期的功能都能够正常实现,满足设计需求。

关键词： 低功耗MCU设计   UPF   门控时钟   多电压设计   门控电源  

摘要： 近年来,随着集成电路产业工艺技术的不断推进,芯片的电路规模日益扩大,内部复杂度逐渐提高,与之带来的功耗问题成为了芯片设计人员不可忽视的重要因素。而在各类便携式智能医疗设备中,考虑到其日常使用场景和性能指标,如何有效控制内部控制芯片功耗也是当前研发人员首要考虑问题。因此,在保证芯片的可靠稳定和性能需求基础上,实现低功耗的设计目标,具有重要的实现意义。本文研究对象为某款针对医疗市场研发的血红细胞检测芯片,并在该芯片第一版设计的基础上提出低功耗改进策略,设计方法上使用基于UPF标准的低功耗设计流程展开低功耗设计。主要工作和成果如下:1.文章通过分析CMOS电路的功耗来源及当前业界通用的基于UPF的低功耗设计流程,在其基础上设计了与本芯片应用场景和市场定位相匹配的多种工作模式,包括睡眠模式、停止模式、待机模式、关断模式以及运行模式共五种具有不同功耗性能的工作模式。2.采用多电压设计方法和门控电源关断技术,将系统划分为多个电压域,在不同工作模式下对不同的电压域采取不同的供电策略,通过关断电源的方式降低系统功耗;采用门控时钟技术,在低功耗模式下可对部分功能外设模块时钟及系统主时钟软件配置门控或强制门控实现降低因时钟引起的功耗。并对本芯片中负责低功耗策略实现的两大核心模块,功耗管理模块(PMU)及时钟复位管理模块(RCC),展开具体设计分析阐述。3.针对本芯片的低功耗策略完成符合UPF标准的功耗意图描述文件,实现带UPF文件的功能仿真,逻辑综合实现以及系统功耗验证工作,通过EDA相关工具得出最终功耗分析结果,论证本文提出的低功耗策略在系统最高工作频率和最低功耗关断模式下芯片总功耗相较于芯片第一版得到了显著降低,分别达到小于等于20m W和10u W的设计要求。作为血红细胞检测芯片的低功耗改进版设计,本文提出的低功耗方案实现了多电压域的设计,采用RTL加UPF的前端设计流程,实现了系统相关的低功耗验证和综合,同时加速了验证工作的开展和减轻了调试难度,保证了从前端设计,验证到综合,后端的低功耗设计意图的一致性。

关键词： 宽带波束形成   超材料电磁透镜   波束图综合   低功耗  

摘要： 宽带信号以其携带信息量大、抗干扰能力强、雷达分辨力和通信速率高等优点逐渐成为现代雷达和通信系统使用的主要信号形式,宽带波束形成也因此成为研究热点。基于阵列信号处理的常规宽带波束形成技术可以形成精确指向的波束,但具有计算量大、硬件成本高等缺点。超材料电磁透镜具有基于空间角度的能量聚焦特性,与天线阵列相结合可以形成高增益的宽带波束,具有低成本、低功耗、易于工程实现的优点。本文的主要工作内容包括:在研究窄带阵列天线波束形成理论基础上,分析了孔径渡越现象对宽带信号波束成形的影响,研究了宽带波束形成和自适应波束形成的基本方法,探讨了频域和时域两大类的宽带波束形成方法的优缺点。基于广义斯涅尔定律,研究了超材料电磁透镜的设计方法,通过设计超材料表面的相位分布,形成高增益的波束。并利用等效电路法设计了一款超材料电磁透镜,通过改变金属贴片的尺寸和金属栅格的线宽来控制透镜单元的幅频响应特性和相频响应特性,CST仿真数据说明了设计的透镜单元在工作频率内具有良好的幅频响应,可供电磁波近乎无损透射,各尺寸的电磁透镜具有良好的相位梯度特性,这意味着可以通过合理排布电磁透镜单元组成电磁透镜,为下文利用电磁透镜实现宽带波束形成奠定基础。研究了加载超材料电磁透镜的阵列宽带波束形成技术,分析了电磁透镜基于空间角度的能量聚焦的特点,提出了毫米波波段双周期电磁透镜的整体结构设计与参数设置方法。并构建了加载电磁透镜的阵列的数学模型。基于宽带多波束扫描的需求,探讨了实现阵列的波束连续自由扫描机理,提出了一种基于波束图综合的优化方法,主要的优化目标是尽可能地使经加权处理的天线阵列波束图逼近参考波束图,成功实现了加载电磁透镜阵列的多波束形成。为了进一步降低加载电磁透镜的阵列系统的成本与功耗,论文提出了基于权衡因子的多波束优化设计方法,在确保所形成波束精准指向预设的期望方向前提下,可以最大限度地减少天线阵元的使用个数,大大降低了整个加载透镜的天线阵列系统的成本与功耗,仿真验证了所提算法的有效性。

摘要： Maxim宣布与专注于人工智能(AI)边缘计算的Xailient Inc达成合作,Xailient在其Detectum专利神经网络方案中采用Maxim Integrated的MAX78000超低功耗神经网络微控制器,检测并锁定视频、图像中的人脸。与传统嵌入式方案相比,Xailient的神经网络技术方案将功耗降低250倍(仅为280微焦耳),每次检测运算只需12ms,支持网络的实时运行,速率高于当前市场上最高效的边缘计算人脸检测方案。

关键词： 互联网络   智能技术  

ISBN: (纸本)9787571705923

摘要： 本书总结了最新的低功耗物联网传输技术应用理论、方法和实践经验，基于国内、国际最新的联网传输技术标准，为中国联网传输技术设计提供全新的理论架构、设计逻辑和方法、评估模型与实践。

关键词： 基准源   极低功耗   CMOS   压电能量采集器   亚阈值区  

摘要： 在可穿戴设备和无线传感节点等应用中,无源自供能系统相对于电池供电系统而言具有体积小、成本低、使用期限长等优点。无源自供能系统的能量可以来自于太阳能、风能、热能和振动能等环境能源。振动是自然环境中广泛存在的能量来源,基于压电能量采集器的无线传感节点,将环境中的振动能转换为电能为节点供电。由于节点中的能量全部来自压电能量采集器转换的能量,为了达到能量最优利用率,要求节点的能量采集、转换和管理电路具有极低功耗的特点。基准源作为能量采集和管理电路中的基础模块,其功耗要尽可能低。因此研究用于无线传感节点的低功耗基准源有十分重要的应用价值。依托国家相关自然科学基金项目要求,本文深入研究了基于MOS晶体管阈值电压温度特性的极低功耗全CMOS基准源的设计技术,针对功耗、温度系数、线性调整率和电源抑制比等性能指标,设计并实现了两款全CMOS极低功耗基准源电路,并应用于一种压电能量收集和管理集成电路中。本文首先基于MOS晶体管阈值电压的温度特性,详细介绍分析了各种基于阈值电压的全CMOS基准源结构,并讨论了μT2电流产生电路的各种结构,在此基础上,本文对所要设计实现的第一种极低功耗全CMOS基准源的整体拓扑结构进行了详细的分析和介绍,包括μT2电流产生电路、偏置电压产生电路和启动电路等其他辅助电路。该电路使用全CMOS实现,避免使用大的片上电阻,从而减小了芯片面积。该电路采用华虹宏力0.11 μm CMOS工艺实现,并采用数字修调的方法保证电路在各个工艺角下的性能稳定性。版图后仿结果表明（TT工艺角下）:在1.6 V电源电压下,-40℃至100℃范围内,基准电压为673.2mV,温度系数为138.3ppm/℃;在27℃条件下,电源电压1.6 V至4.6 V范围内,线性调整率约为0.2%/V,电源抑制比为-40 dB@1 kHz;该基准源电路在1.6 V的电源电压下功耗为565.2 nW。版图的有效面积为0.035 mm2。该电路经流片后COB封装测试结果表明,基准电压为678.4 mV,温度系数为84.2 ppm/℃,线性调整率为0.5%/V,功耗为900 nW。在第一种基准源的基础上,对其进行改进并设计了第二种极低功耗基准源,主要是采用了温度系数线性度更好的晶体管,从而有效降低基准电压的温度系数。版图后仿结果表明（TT工艺角下）:在1.6 V电源电压下,-40 ℃～100℃的温度范围内,基准电压为687.1 mV,温度系数为4.49ppm/℃;在27℃时,电源电压1.6V～4.6V范围内,线性调整率为45.2 ppm/V,电源抑制比为-75.5 dB@100Hz;在电源电压为1.6 V时电路的最小功耗为157.8 nW;版图的有效面积为0.036 mm2。上述两种极低功耗基准源电路都集成在一种压电能量采集和管理电路中进行了流片验证。本文对相关的测试结果进行了详细的分析和讨论,结果表明,本文实现的低功耗基准源电路可广泛应用在压电能量收集和管理集成电路中。

关键词： RC张弛振荡器   电流模   低温漂   低功耗  

摘要： 作为片上时钟源的RC张弛振荡器被广泛应用于物联网设备等领域的电路中,其在物联网设备中具有为系统提供精准的定时、唤醒系统或者网络同步的作用。随着物联网技术的发展,许多分布式物联网设备需要具有长续航能力和高精度的时钟信号,因此对作为片上时钟源的RC张弛振荡器的功耗和温漂性能提出了更高要求。本文针对在物联网设备的应用,分别设计了一个低温漂RC张弛振荡器和一个低功耗RC张弛振荡器。针对典型电压模RC张弛振荡器中比较器延时导致的温漂问题,本文设计了一个低温漂RC张弛振荡器,该振荡器采用无比较器结构,减少了比较器延时和失调电压等非理想因素的温度变化带来的影响。采用阈值检测电路取代比较器,采用锁存电路使输出波形在开关阈值电压到来之前暂时维持原有的电平状态,采用一阶RC电路完成对电容的充放电,实现电路的持续振荡。通过公式推导,表明了本文无比较器RC振荡器的温度依赖性主要取决于锁存器的开关阈值系数,从而该振荡器具有较高的温度稳定性。针对典型电流模RC张弛振荡器电路结构较复杂以及温度补偿方法欠佳导致的功耗较大的问题,本文设计了一个低功耗电流模RC张弛振荡器,该振荡器通过将参考电压产生电路和自偏置电流产生电路复合使用,简化电路结构,减小供电电压和偏置电流,降低电路的功耗。采用水平级联的CG-CS结构、反相器链以及时钟电压自举电路构成缓冲结构,既降低电路的功耗又减少了温度变化对延时和振荡频率的影响。采用SMIC 130nm CMOS工艺设计了低温漂RC张弛振荡器和低功耗RC张弛振荡器,并基于Cadence Virtuoso平台进行了前仿真和后仿真。版图设计中采用各模块间加保护环相互隔离等方法进行优化。前仿真结果表明,所设计的低温漂RC张弛振荡器在电源电压为2.0 V,温度为27℃下的振荡频率为1.0 MHz,-20℃～80℃范围内的温漂系数为64.8 ppm/℃,与典型电压模RC张弛振荡器相比,温漂系数下降了84.6 ppm/℃,温漂性能显著提升。所设计的低功耗电流模RC张弛振荡器在电源电压为0.6 V,温度为27℃下的振荡频率为1.0 k Hz,功耗为1.732 nW,与典型电流模RC张弛振荡器相比,功耗下降了71.47 nW,功耗性能显著提升。

关键词： 可穿戴式设备   低功耗   无线数据采集   LoRa通信  

摘要： 野外训练是提升部队士兵体能和战斗力的重要方式,对于建立强军强国的部队具有重要意义。计算机辅助训练技术的应用,对军事训练过程中的士兵信息管理、训练方案的实施、士兵运动状态的检测、保障训练过程安全等方面,都有非常实际的意义。计算机辅助训练的关键是训练场所士兵训练的实时数据采集,对运动形态的模式识别。野外训练的地理环境复杂,包括山林、湖泊等;训练时间段不定,白天夜晚都有训练任务;训练场景多样,会放置形状各异的障碍物;参训人员数量较多,人员之间经常互相遮挡。这些因素对于基于图像处理技术的运动形态模式识别、全天候使用存在一定的难度,某种程度上应用受限。野外训练中采用传感器技术采集士兵的各项运动参数,对上述提到的各种复杂情况,是一种有效的实施方法,可以满足野外训练的各种情况。人体装备的传感器不受白天黑夜的影响,周边的障碍物和人员的重叠不会影响传感器的数据。根据野外训练的特殊场合,本文研究的野外训练计算机辅助系统,信息采集和运动模式识别主要基于传感器技术。论文主要做了以下几方面的工作:1)分析系统的功能需求,给出系统设计方案,由用户单元模块、上位机接口和计算机三部分组成系统。用户单元模块是可穿戴式设备,由部位数据采集单元和数据汇总单元组成,采集每一个士兵装备的传感器运动信息并发送出去;上位机接口接收单元模块用于接收和存储多个训练士兵发送的数据,向计算机发送数据;计算机实现对数据的处理。确定用户单元模块内部信息采用无线通信方法、用户单元模块和上位机接口单元模块采用LoRa通信方法、上位机接口单元模块和计算机采用LAN通信方式。2)根据系统设计方案,对加速度传感器、大气压传感器、定位传感器、无线通信模块、PHY芯片和微处理器等选型、确定接口电路。完成原理图设计、PCB布局和硬件电路制作。3)上位机接口部分的软件设计。在嵌入式处理器中通过移植Free RTOS设计一个数据管理存储系统,对上位机接口中的Flash,单元索引为每个用户单元模块保存识别信息以及现场工作数据,对Flash的数据采用FAT管理,单元的运动信息包括GPS位置、高度、步数及运动类型,用结构体的形式保存到单元信息。另外用三个线程分别实现以太网通信、LoRa通信管理和运动数据运算。4)部位数据采集和数据汇总单元的软件设计,对大气压传感器和加速度传感器的实时数据进行分析,根据加速度传感器的数据变化规律,控制传感器的转换速率。检测在设备不使用的情况下,关闭大气压传感器。以满足穿戴设备节能低功耗的需求。微处理器通过串口的RX端口接收北斗定位信息,由于通信数据速率高,USART采用DMA工作模式接收北斗数据。对LoRa模块的协议栈进行移植。LoRa的SPI同样采用DMA通信方式。通过DMA控制,可以大幅降低微处理器的负荷。