关键词： 土壤水分   监测技术   低功耗   LoRa   网络技术  

摘要： 灌溉是保证旱区农作物健康生长的关键措施。我国灌溉面积大,农业用水效率不高,及时准确获得农田中的水分信息,对提高灌溉用水使用效率具有重要意义。传统的土壤水分测量一般用取样烘干法,费时费力,对土壤扰动大,不便于长期定点监测土壤水分的动态变化情况。为了解决大面积土壤水分定点实时监测问题,本文初步设计开发了一种低成本、精度较高的数字式土壤水分传感器,并设计了低功耗的信息采集传输终端,用LoRa技术组网构建了一种土壤水分温度实时监测系统。该系统主要由土壤水分传感器和温度传感器、低功耗信息采集传输终端、基于LoRa(Long Range)的远程传输网络和开发的农田土壤水分温度实时监测网站组成。论文的主要研究工作与结果如下:(1)在分析土壤介电特性与土壤水分及其理化特性关系的基础上,确定了基于并联谐振频差法的传感器研制思路,得出土壤体积含水率与测量频率差值的关系,并用ANSYS软件对传感器探头极板的等效电容和电场分布进行模拟仿真,分析了电极形状与关键参数的选择范围,设计了相应的电路,初步开发了一种基于频差的数字式土壤水分传感器。试验标定结果表明传感器输出值与实测值呈现良好的线性关系,决定系数R在0.98以上,为土壤水分的测量提供了关键的设备,并在水分传感器内部添加了一个DS18B20温度传感器,实现水分与温度一起测量。(2)在对田间水分、温度信息监测需求分析的基础上,重点研究了信息采集传输终端的功耗,远程传输性能,用户应用方便性,开发便捷性等问题,确定了一种基于双AVR单片机结构和LoRa传输技术的低功耗采集传输终端研制思路,用ATmega128和ATtiny25分别作为主控芯片和电源管理芯片,设计了一种低功耗的土壤水分温度采集传输终端,并利用Bascom语言开发了相应的测量控制程序,实现了土壤水分温度的多点、多层、低功耗采集,以及数据编码后与LoRa网关之间的传输,整个系统待机时平均电流为500μA,水分监测时的平均电流为250 m A,由于田间水分采集可以有较长的时间间隔,且每次采集时间短,所以用锂电池作为终端供电电源,就可以实现长期监测。(3)通过计算机对LoRa设备LG220与LG206分别进行网络设置,搭建了LoRa传输网络。以阿里云服务器为基础,构建了土壤水分温度实时监测与发布网站,采用Python语言开发了土壤水分和温度后台监听程序,利用HTML、CSS、Java Script等语言开发了网站前端程序。网站具有实时监测、用户下载、图形展示等功能。通过试验测试表明,研制的水分传感器测量精度达到要求、采集传输终端有功耗低,工作时间长等特点。系统监测的土壤含水量平均绝对误差在2%以内,温度误差在0.5℃以内,可为田间多点的土壤水分、温度采集提供一种高效远程采集设备。由于土壤理化性质复杂多变,本研究所开发的传感器的稳定性仍需通过更多类型土壤测试校准。同时研究工作中涉及电子技术、传感器技术、网络技术等多门学科的综合应用,系统整体稳定性仍需在实践中进一步检验改进。

关键词： 集成电路   微控制器   低功耗设计   功耗估计  

摘要： 在后摩尔时代的今天,MCU带来的高速度低成本优势已经走进千家万户。随着物联网时代的来临,普通用户对于速度的需求已经得到较好的满足。用户开始追求万物互联的物联网技术所带来的便利,而物联网终端的核心技术之一便是低功耗技术。由于各类小微型物联网终端的能量供应只能来自电池或能量收集等有限来源,限制了终端的功率水平。因此,在电池技术取得突破之前,有必要在物联网终端所使用的各类芯片中,尤其是作为核心控制器的MCU上进行功耗优化,尽可能延长终端使用时间,提升用户体验。本论文的主要工作是对一款基于40nm工艺的MCU微控制器芯片进行低功耗设计。论文首先对MCU芯片内部动态功耗和静态功耗进行了详细分析,据此得出影响MCU功耗水平的参数,并研究了MCU功耗评估的方法。在此基础上,论文详细研究了几类MCU低功耗设计技术的原理及应用方法,包括多电压域技术、电源门控技术、门控时钟技术、低功耗时钟树综合技术及开关电源的应用。最后,将上述方法在MCU芯片设计中进行了应用。设计首先对MCU进行了电压域和电源域的划分,根据功能和性能的需求划分了六个电压域和四个电源域。接下来进行了MCU总体功耗分析,根据Voltus工具报告的功耗报告找出产生冗余功耗的模块并对其进行时钟门控,基本消除冗余功耗。针对SRAM进行块的划分,并对未被读写的块利用地址信号进行门控,SRAM相关功耗降低了约46.22%。进入后端设计阶段,在时钟树综合时采用时钟树协同优化技术代替传统时钟树综合流程,并适当放松转换时间约束和时钟偏斜,MCU内的时钟树功耗得到了近8.18%的降低。采用开关电源后,MCU的供电变为开关电源与LDO稳压器串联供电的方式,得益于开关电源近84%的能量转换效率,MCU总功耗得到了近33%的降低。最后对布局布线阶段产生大驱动单元和长走线的问题进行了优化,得到了总功耗约6%的功耗优化效果。仿真结果表明,本论文的低功耗设计方法可有效降低MCU总体功耗水平,具有一定的工程实践意义。

关键词： 8T存储单元   高速低功耗   漏电功耗   阵列分块  

摘要： 随着集成电路产业的飞速发展,SOC芯片上的处理器的性能也日新月异地提高,但是集成在SOC上的SRAM存储器发展速度明显落后于处理器的发展,其工作性能已逐渐成为制约SOC芯片发展的短板。同时随着工艺节点的缩小,SRAM存储器的漏电流问题也日益突出,静态功耗所占比例日益变大。本文针对上述问题设计了一款容量为320x128bit的高速低功耗SRAM存储器。本文通过对比4T2R、6T和8T存储单元的读写速度、功耗以及必需外围电路的面积消耗,最终选定了面积略大但可读写分离从而不存在读破坏问题的8T存储单元作为本次设计的SRAM的基本存储单元。接下来对比了两种双端口的SRAM结构的面积开支以及工作速度后,选择了面积开销明显更小、工作速度相仿佛的一端读一端写的two port SRAM结构。基本存储单元与SRAM大体结构确定后,本文结合了SRAM的自时序机制和复制位线技术,设计了时延可调的复制位线电路结构。为了解决SRAM的漏电功耗问题,本文针对三大漏电严重的外围电路模块设计了可通过数据保持信号DH控制的门控地址译码器与时钟信号发生器和低漏电字线驱动器,以及基于晶体管级联技术的位线堆叠结构。此外,还根据本次设计的SRAM容量对其存储阵列进行了分块,进而对字线进行了分级,并设计了对应的地址译码电路和数据输出驱动电路,提高了SRAM的工作效率,节省了功耗开销。电路结构设计完成后,本文绘画完成了SRAM的整体版图,对其整体功能和时延可调的复制位线电路功能进行了仿真并成功达到预期功能,而后使用版图后提取的网表文件进行了EMIR分析,分析结果为整体EM比率达到了80%以上,达到了业界的国际标准,可以通过功耗验收,验证了本次设计的SRAM的功能正确性以及版图可实现性。本次设计的SRAM基于TSMC的7nm工艺实现,最终实现的工作电压范围为0.6～1V电压,工作频率范围为1.5～3GHz,工作温度为-40到125℃,版图面积为4887.2um。与商业软件自动生成的同容量的SRAM相比,其面积增加了15%,工作速度提高了22%,其静态功耗降低了37.3%。

关键词： 低功耗   仪表放大器   模数转换器   有效位数  

摘要： 随着电子信息产业的迅速发展,可穿戴医疗保健设备逐渐融入到人们的日常生活当中。为了给人们带来更好的使用体验,可穿戴医疗保健设备正在朝着小尺寸、低功耗和高准确度等多个方向发展,但同时也为其中的生物电信号采集系统的设计带来了巨大挑战。仪表放大器和模数转换器是生物电信号采集系统中的重要部分,其性能的好坏将对系统性能产生直接影响。本论文主要针对低功耗高性能仪表放大器和模数转换器进行研究,分别介绍了仪表放大器和模数转换器的具体设计方案和仿真结果。在仪表放大器的设计中,考虑到仪表放大器处于系统的最前端,容易受到外界的干扰,因此本设计采用了共模复制技术,显著地提升了共模输入阻抗和共模抑制比。通过这种方式,使仪表放大器具备了较强的抗干扰能力。为了达到更高的共模复制精度,采用浮动偏置电路实现了对运放输入管的共模寄生电容屏蔽。第二级放大器采用了斩波技术,进一步提升了仪表放大器的共模抑制比。整体电路在标准CMOS 180 nm工艺下实现,具备46～64 d B的可调增益,8～200 Hz频带内共模抑制比高于140 d B,1 Hz～7.6 k Hz频带内输入均方根噪声电压为4.44μV。在1.8 V的电源电压下,消耗电流1.86μA,功耗为3.35μW。在模数转换器的设计中,考虑到功耗开销,采用了逐次逼近寄存器结构的模数转换器。电容阵列基于分裂电容翻转方式设计,并加入了电平移位功能,能够将差模信号从高共模电平转移到低共模电平上,在低电源电压下完成输入信号的量化工作,从而节省了大量功耗。通过恰当调整时序,实现了一种适用于检测生物电信号的电容阵列复位方式,有效地降低了模数转换器对驱动电流的需求。比较器采用了三级结构设计,进一步降低了比较器噪声。整体电路在标准CMOS 180 nm工艺下实现,采样频率为10 k Hz,电源电压为0.6 V,功耗为79.4 n W,有效位数为10.02bits。

关键词： 离散时间Sigma-Delta调制器   多位量化器   低功耗   DWA算法  

摘要： 在高端通用模拟芯片的家族中,高性能ADC由于其对电路匹配性、失真、噪声等要求严苛,一直是研究的难点和热点。为了获得高品质的音效,16位甚至更高分辨率的音频ADC被越来越广泛地应用在如蓝牙、Hi-Fi播放器中。Sigma-Delta ADC由于高分辨率、高集成度、对元器件匹配度要求较低等优点受到越来越多的关注。然而,由于在Sigma-Delta ADC的核心模块Sigma-Delta调制器（SDM）中使用过采样技术,较高的采样频率将会导致较高的功耗。因此,设计实现高性能、低功耗的SDM成为目前的研究热点。本论文针对传统的单比特调制器所能达到的信噪比有限、高阶系统不稳定问题,采用二阶积分器、四位量化器和128倍的过采样率达到较高的信噪比,及实现较好的SDM稳定性。针对传统结构SDM功耗较高问题,本论文采用前馈结构、使用两组相同的采样电容分别采样反馈DAC与输入信号减小运放输出摆幅,及采用无静态功耗的SCCMFB作为运放的共模反馈电路等策略降低SDM系统功耗。针对采用多位量化器的调制器的非线性问题,本论文采用带有失调消除结构的比较器降低量化器的增益误差,及采用DWA电路降低反馈DAC的非线性。本论文在MATLAB中delsig工具箱中设计并优化了SDM系统传递函数,分析系统稳定性,进行系统级仿真以验证系统的性能。使用MATLAB中SIMSIDES工具箱的非理想模型,仿真得出了系统对积分器、量化器、反馈DAC等的性能要求。基于UMC0.18μm CMOS工艺,设计了功耗较低、增益带宽积较高、压摆率较大的运放,线性度较好的全差分Flash ADC和失调误差较小的高速比较器等模块电路,并利用这些模块电路,设计了性能较高、功耗较低的SDM。本设计仿真结果表明:芯片总的功耗约为1.194m W,在测试信号为20k Hz的正弦信号、采样时钟信号为5.12MHz时,其信噪比为101.3dB,换算成分辨率约为16.5bits。

关键词： 无线网络   包接收性能   物理层参数   信号碰撞   标准体系  

摘要： 当前，物联网系统已经被广泛部署在楼宇，校园，农场等场景中。然而，这样的系统要求有一个低功耗且覆盖范围广的无线网络，可以连接几个区域的物联网设备。近几年，一种名为低功耗广域网络（Low Power Wide Area Network,LPWAN）的新型通信技术被提出，专门用于解决远程低功耗物联网应用的需求。LoRa技术是当今最热门的LPWAN技术之一。目前，LoRa设备已经广泛应用于各种现实场景中，开发人员可以通过调整物理层参数使LoRa的包接收性能满足需求。然而，由于LoRa物理层参数与包接收性能之间关系的重要细节尚不清楚。因此，对于如何选择合适的参数配置来满足该场景的要求依旧是一个挑战。而且，随着应用场景的增加，对能耗的要求也越来越高。当前现有的工作仅仅考虑采用敏感高的物理层参数配置来保证可靠性，但是却加大了通信的时延和能耗。因此，如何优化物理层参数配置以在保持高数据速率的同时最大限度地提高能源效率也是一个挑战。另外，随着部署在各种场景中的LoRa设备的增多，多个信号可能发生碰撞冲突的概率也会越来越大，尤其是并发传输的场景更为明显。信号发生碰撞冲突会大幅降低LoRa通信的可靠性，导致数据包损坏或者丢失，这也意味着数据包成功传输需要更多次的重传，最终增大了通信的时延和能耗，也降低了网络的吞吐量。　　针对以上问题，本论文将从三个方面来考虑物理层参数配置问题和信号间的碰撞冲突问题，并探讨如何提升LoRa的包接收性能，从而降低时延和能耗，提高吞吐量。具体来说，　　(1)为了优化物理层参数配置，本论文对LoRa在负信噪比条件下的通信能力进行了复杂的评估实验，研究了物理层参数与包接收性能之间关系的重要细节。而且，还通过理论分析和实验研究了数据包长度对LoRa包接收性能的影响。实验结果表明，在需要传输大量数据时，选择长数据包比选择短数据包更好。　　(2)为了降低时延和能耗，本论文综合考虑物理层参数和数据包长度对LoRa包接收性能的影响，并结合重传机制和自适应数据速率算法，探索最优参数组合，从而提出一种在可靠性、时延和能耗之间达到平衡的传输方案。与优化前的传输方案相比，本论文提出的传输方案成功通信所需要的时间大约缩短了50％，能耗降低了42％左右。　　(3)为了解决多包碰撞冲突问题，本论文提出了一个新的多包接收机制，并基于USRP开发了并发传输多包解码系统(CT-Lo Ra)。核心是利用LoRa调制的物理特性和信号强度的差异来分离多包信号，从而恢复多个数据包信息，而且还利用改进的算法解决了符号定时偏移(Symbol Timing Offset，STO)和载波频率偏移（Carrier Frequency Offset，CFO）问题以实现信号的同步。本论文在仿真、室内和室外三种场景下进行了广泛的实验，全面评估了CT-LoRa的性能。实验结果表明，和商用LoRa节点(SX1276)相比，CT-LoRa的吞吐量提高了大约6倍。

关键词： 无线传感器网络   超低功耗唤醒接收机   包络检波器   V-T转换   直流失调校准   误报率   漏检率  

摘要： 近年来,随着传感器技术与无线通信技术的发展,无线传感器网络(WSN)已成为学术界与工业界的一个研究热点。实现低功耗集成化节点是目前WSN的主要发展趋势之一。由于在现有WSN节点上用于通信的功耗占总功耗比重较大,因此实现低功耗WSN节点的一个有效方法就是降低节点上的通信功耗。采用唤醒接收机来实现休眠/唤醒通信是一种目前被广泛研究的WSN节点低功耗通信方案。在该方案中,没有数据通信时主收发机会处于休眠状态,而唤醒接收机负责在数据通信开始前将其激活。由于唤醒接收机要一直处于工作状态以监测来自其他节点的数据通信请求信号,因此如何实现一个具有超低功耗的唤醒接收机是凸显该方案优势的关键。在研究上述休眠/唤醒通信方案的基础上,本文提出了一种将包络检波器作为射频前端的第一级并在基带电路中采用过采样电压比较器来恢复数据信号的集成唤醒接收机,其具有超低功耗、灵敏度高和实现面积小的优势。为了抑制电源噪声以及共模噪声对信号处理的影响,所提出的唤醒接收机采用了差分形式的基带接收通路。对于具体的电路实现,首先,为了提升唤醒接收机的灵敏度,本文设计了一种单端转差分无源包络检波器,与传统单端无源包络检波器相比,其不仅可以在输出端获得差分的包络信号,而且还可以在不增加输出信号上升时间的前提下获得2倍的转换增益和输出信噪比。其次,论文提出了一种基于电压域-时间域(V-T)转换的差分输入电压比较器,其可在完成电压比较的同时在转换过程中附加低通滤波的特性,与传统结构中使用无源RC低通滤波器级联电压比较器相比,大大地减小了芯片实现的面积。另外,为了消除差分基带接收通路的正负信号路径之间的失调,本文根据V-T转换的特征提出了一种基于离散时间锁相环(PLL)的直流失调校准环路,其可在多个采样周期后等效地消除失调,从而提高了唤醒接收机对工艺失配的鲁棒性。最后,为了解决传统基准电流源在低电源电压下不能使用共源共栅结构来提升电源调整率的问题,本文还设计了一种基于电压箝位的改进基准电流源,其可在低电源电压下实现具有高电源抑制(PSR)的基准电流。基于TSMC 65nm LP CMOS工艺,本文完成了所提出的超低功耗唤醒接收机的电路原理图设计和版图实现。所设计的唤醒接收机兼容ISM频段,使用的载波频率为434MHz,调制方式OOK调制,数据传输速率为250bps。仿真结果表明所设计的唤醒接收机可以正常地实现唤醒功能,在误报率(FAR)小于1/h以及漏检率(MDR)小于10的水平下实现了-72d Bm的接收灵敏度,在0.6V电源电压下消耗的功率为17.9n W。版图实现结果表明整个唤醒接收机芯片的面积为0.9mm×0.6mm,其中核心电路占据的面积为0.6mm×0.3mm。

关键词： 毫米波   低功耗   AD9364   变频结构   全向天线  

摘要： 保证通信系统可靠性的前提下,降低系统的体积和重量,提高其便携可用性是便携通信系统的主流发展趋势,也是国内外学者的研究热点。毫米波频段的元器件较小,有利于系统进行小型化的设计且毫米波通信的研究对于未来无线通信具有重要的研究意义,是无线移动通信重要发展方向之一。在此背景下,本文研究实现了工作在38-40GHz频段,用于点对多点通信的便携终端通信机。首先,分析对比各常用收发机结构,给出了其优缺点,确定系统采用超外差式结构。对系统基带与射频部分进行分板设计,通过板板连接器与射频接头进行连接,缩小了整体的尺寸,提高系统的便携性。其次,根据系统的设计指标,对系统的链路预算进行仿真设计,针对关键模块电路进行选型与设计。设计了一种简化的毫米波变频结构,该结构不需要使用放大器与滤波器,与毫米波经典变频结构相比,简化后的变频结构所用器件少,有效地降低了系统功耗,减少了系统尺寸,进而提高了系统的便携性。为对系统变频后产生的镜像频率与本振泄露等杂散等进行抑制,仿真实现了38～40GHz频段的基片集成波导带通滤波器,对信号进行频带的选择。接着,根据要求设计实现了一款基于印刷偶极子在方位面辐射具有全向性的小型全向天线。测试结果表明在38～40GHz频段内,天线的回波损耗均小于-16d B,且38GHz,39GHz,40GHz三个频点的方位面的辐射方向图的不圆度在3d B左右。最后,对所设计的毫米波便携终端通信机进行了实现。实现的系统尺寸为80mm*64mm*24mm,总的质量小于600g,具有便携性。对系统进行测试,整机测试结果显示在38.54GHz频点,符号速率为20Msps的BPSK信号的发射调制EVM为12.62%,邻信道抑制比为29.7d Bc。接收测试显示符号速率为20Msps的BPSK信号的解调EVM为14.75%,系统接收噪声系数为11.83d B。最后对系统测试时出现的现象进行了分析并给出合理的解释。测试结果表明,设计实现的毫米波便携通信系统能满足设计要求。

关键词： 航标控制终端   测控系统   云平台   可视化   低功耗  

摘要： 航标灯控制系统应用于航道管理,是航道安全的重要保障。现有的的航标控制系统存在数据可视化困难、系统能耗较大等问题。本文运用物联网技术,结合云平台,以提高航道科学管理水平,改善通航环境,确保航行安全,实现对航道航标的远程动态监控,实时了解掌握航标状态,并进行远程维护,提出了一种基于4G的航标灯控制系统。本文设计的航标灯控制系统由微处理器、4G通信模块、定位模块、数据采集模块、电源模块、硬件看门狗模块以及RS485通信模块组成。控制终端以低功耗的STM32L476为微处理器,用以降低整个系统的能耗;采用太阳能+电池的供电方案,保证系统的长时间工作,以延长系统的工作时间;应用RS485模块进行微处理器与航标灯灯板进行信息交互;以EC20 4G模块与后端服务器云平台的信息交互,最后,在云平台上进行航标灯数据的处理,实现对航标灯的采集结果的显示与控制。本文在硬件设计中,通过航标终端的功能需求,选择相适应的系统设计方案,其中包括:微处理器选择、电源控制模块选择、4G通信模块选择、定位模块选择、RS485模块选择和看门狗模块选择,完成了系统的设计、器件选型、原理图设计到PCB制作、焊接和功能测试,并达到了系统设计的参数要求。本文在软件设计中,首先对于服务端云平台的使用以及航标灯终端与云平台之间的MQTT通信协议及接入操作做了一个简单的说明,然后定义了航标灯灯板与终端之间的485通信协议,划分功能模块之间的关系,最后设计了相应的程序流程并实现了航标灯系统低功耗运行、数据上报和数据可视化以及对于错误数据的及时反馈的功能。本文的主要特点:1.使用云平台进行航标灯数据处理,并完成对航标灯数据的可视化,克服了现有航标灯控制系统数据可视化弱的缺陷,提高了对于错误数据的处理速度;2.完成控制终端开发,实现整个系统的低能耗运行,用以应对不利环境下的长时间工作。本设计适应一般的测控环境,基本实现对于航标灯系统的可视化需求,为航标灯数据处理提供了一个解决方案。

关键词： 光电式测量   轮换瞬时驱动   低功耗   MSP430单片机  

摘要： 准确的流量测量是医疗、能源、石油化工等许多领域的重要前提。涡轮流量计具有精度高、重现性好、稳定性好等优点,已成为流量测量仪器的重要组成部分。随着单片机技术的发展,超低功耗单片机技术与传统涡轮流量计相结合,使得新型涡轮流量计在满足高精度测量的前提下,可以实现极低的功耗,满足电池供电情况下长期使用的要求。本文以速度式涡轮流量测量原理为基础,提出了一种新颖的光电反射式传感测量方法,通过对双发光二极管进行轮换瞬时驱动的方式,在满足用光电脉冲进行流量计量的同时,相对传统光电测量方法,极大降低对功耗的需求。具体研究内容如下:首先,在介绍了速度式流量计测量原理的基础上,分析了磁式涡轮流量计存在抗电磁干扰能力差、小流量驱动困难的主要问题,提出了基于轮换瞬时驱动的光电反射式低功耗流量测量方法。设计了总体方案,详述了其工作过程。其次,设计了轮换瞬时驱动流量测量的红外发射、红外接收、信号放大等红外测量模块电路,实现了光电信号的转换和采样,并且对电路中的元器件严格选型,使其在满足测量精度要求的前提下尽可能的实现低功耗。第三,根据光电管的布局和信号驱动方式以及反光转盘的特点,进行了计数逻辑算法软件设计。利用MSP430单片机的多种低功耗模式与定时器中断唤醒的功能,设计相应的程序初始化方案、脉冲计数逻辑及驱动频率切换算法等,满足流量计量并使得测量系统功耗尽可能低。最后,对测量系统进行了实验测试。先对反光转盘到光电管的间距与接收信号强度的关系进行测试,找出了合适的间距点。然后测试了光电脉冲计量涡轮转数的精度,其测量误差在1圈以内,测试结果满足高精度测量的要求。然后测量光电脉冲计数值每变化一次所对应的反光转盘旋转角度,求出最少周期脉冲信号采样点数,以此确定测量系统的量程。通过软件仿真和实验测量出流量测量系统的平均电流,仿真和测量结果表明:64Hz驱动信号时,此光电式流量测量系统的平均功耗小于50μw,满足电池供电的设计需求。