关键词： 无线传感器网络   环境监控   实时操作系统   串行通信协议   低功耗  

摘要： 目前,政府与相关企业对资料的预防性保护日渐重视,纸质材料作为档案资料的主要存储介质,虽然具有质轻、成本低和贮运方便等优点,但当库房的温度、湿度、光照等环境条件不佳时,其损坏速度会大大加快。为了降低不利环境对档案材料存储的影响,本文研究了一套基于无线传感器网络的库房环境监控系统。系统可使管理人员能够实时的获知当前档案馆库房的状态;自动的环境管理模式可以大幅提高库房环境的稳定性;同时现场和远程的人工控制模式对自动控制策略进行补充,提高系统的安全性。对于档案馆库房的环境管理,本课题具有重要的实际意义。本系统主要由数据采集节点、库房网关节点和服务器构成,数据采集节点负责监测库房内不同区域的各项环境参数;库房网关节点则负责对所在库房的环境进行管理;服务器负责对所有库房历史环境数据的存储与分析,并为管理人员提供远程交互功能。本文首先研究了目前国内外智能化档案馆的发展现状,考虑到某档案馆布线工程难度大、周期长,且可能影响库房建筑安全,进一步对无线传感器网络技术进行了详细的研究,重点比较了目前应用广泛的NB-IOT、LoRa和ZigBee三种技术。然后根据某档案馆的实际情况及档案馆建设标准,确定了环境监控各个功能模块的基本需求,然后根据库房内部面积和与监控室的距离,设计了相应的无线通信方案。接着基于Modbus、ZigBee、LoRaWAN等通信协议,设计了数据采集节点、库房网关节点以及服务器之间的通信协议。最后是对硬件部分的相关电路与软件进行了设计与测试。为了保障数据采集节点在资源受限情况下的实时性,本文利用FreeRTOS的协程机制减少传感器的阻塞时长,并根据其低功耗需求,设计了睡眠/唤醒机制。为了提高环境调节设备的稳定性,本文设计了缓冲让渡以及模式管理等机制避免设备管理混乱问题。根据后期的维护需求,研究了基于在线编程技术的远程升级设计。经在某档案馆实地测试,本文设计的环境监控系统具有良好的实用性,可在铺设少量通信线缆情况下,大幅降低不利环境对档案材料的影响程度。

关键词： 忆阻器   低功耗   神经突触仿生   人工神经网络   光电突触   ZnO  

摘要： 随着人工智能的飞速发展,构建人工神经网络成为人们的迫切需求。忆阻器作为一种新兴的电子元件由于具有与神经突触相似的非线性传输特性,在神经突触仿生领域有着潜在的应用前景。氧化物是构筑忆阻器的重要材料体系,其中ZnO由于具有化学稳定性高、材料储量丰富、环境友好等优点成为构筑忆阻器的基础材料。然而,一方面由于ZnO本身存在大量本征缺陷(如O空位),导致薄膜载流子浓度高,在ZnO基忆阻器运行时需要能耗较高,不能满足类脑突触仿生的需求,因此低能耗的ZnO基忆阻器件亟待开发;另一方面开发具有光电学习能力的突触器件是未来构建高效类脑神经网络的重要分支,而ZnO材料良好的光电性质,为开发光电突触器件提供了良好平台。本论文基于以上需求开展研究,具体研究内容如下:***基超低能耗忆阻器件研究:我们采用磁控溅射制备基于N掺杂ZnO薄膜的Au/ZnO:N/TiN/PET器件,利用N掺杂的自补偿效应,降低薄膜载流子浓度及器件运行电流,从而实现超低运行功耗。通过调节制备过程中的N分压,优化薄膜中的N/Zn比,获得了稳定运行的ZnO基低能耗忆阻器,单次运行功耗仅为60 f J,与生物突触可比拟(<100 f J)。进一步,具有温度依赖的离子扩散过程表明器件阻变的物理机制来源于氧离子迁移和扩散。同时,在电学特性测试中,通过改变刺激器件的电脉冲幅值、宽度、数量、频率等参数,实现了对兴奋突触后电流、对脉冲刺激异化、脉冲时序依赖可塑性和经验依赖可塑性等神经突触学习功能的模拟。***基光电忆阻器件研究:我们使用磁控溅射技术制备具有HfO/ZnO异质结的Au/HfO/ZnO/ITO光电忆阻突触器件。电学特性和吸收测试结果表明,器件能够在波长为390 nm的光脉冲刺激后产生持续性光电导现象。进一步,通过对器件的光电忆阻特性测试分析得知,器件产生的持续性光电导是源于磁控溅射制备非晶HfO薄膜中缺陷捕获位点对为ZnO中光生空穴和电子的捕获/解吸作用。利用这种持续光电导现象,我们通过调节光脉冲强度、时间、频率等参数,实现了短期/长期可塑性、经验式学习行为等光电突触学习功能的模拟。另外,利用光脉冲和电脉冲的协同刺激作用在器件上实现了生物学习中光增强和电抑制行为。

关键词： 空间辐射环境   便携式剂量仪   能谱仪   硅(Si)探测器   低功耗  

摘要： 空间辐射环境是宇宙空间探索和载人航天飞行面临的最主要风险因素之一。空间粒子探测对保障航天活动的正常进展和宇航员的生命安全,减少或消除带电粒子对航天器材料和宇航员的危害以及开展其他科学研究是至关重要的。目前,卫星搭载的空间粒子探测器载荷体积都比较大,难以满足宇航员随身携带的需求,并且应用于宇航员关键器官的剂量监测较少。为了解决这一问题,本文以近地轨道(Low Earth Orbit,LEO)空间的带电粒子为监测目标,设计了基于硅(Si)半导体探测器的便携式低噪声低功耗辐射剂量仪和多通道脉冲测量能谱仪。本文主要完成工作如下:首先,本文分析了 LEO空间的带电粒子能量和通量;对比了几种常见的探测器,选择了 Si作为探测带电粒子的传感器。本文通过Geant4模拟了质子和电子在Si中的沉积能量,确定了 Si探测器探测带电粒子的沉积能量范围为100KeV-6MeV。同时,针对Si和探测的沉积能量范围,本文设计了与之相匹配的辐射检测系统。其次,为了宇航员能够随身携带并实时测量,本文提出了一种低功耗低噪声的便携式剂量仪设计方案,该方案以低功耗MSP430FR6989单片机为核心控制器,结合放大电路、粒子能量甄别电路和偏压电路等实现了对带电粒子的测量。其中,本文设计了一种变压器,搭配倍压整流电路为Si提供30V的偏置电压;为了测量带电粒子在Si探测器中的沉积能量,本文设计了一种低噪声低功耗的电荷灵敏放大电路(Charge Sensitive Amplifier,CSA)和滤波成形电路,通过仿真验证了放大电路设计的准确性;为了提高剂量仪的能量分辨力和测量精度,本文设计了一种粒子能量甄别电路,设置可编程的比较阈值电压,通过测量脉冲信号的宽度以代替传统脉冲信号的幅度,大大降低了系统功耗。最后,根据所测脉冲信号宽度推算出带电粒子在Si探测器中的沉积能量,并计算得到剂量、剂量率、累计剂量率等信息。再次,为了探测空间中宇航员关键器官的辐射剂量,本文设计了一种多通道脉冲测量能谱仪。其中,Si探测器及其偏置电压和前端读出放大电路结构与剂量仪的保持一致。此外,本文在能谱仪中设计了基于LTC2295的ADC转换电路和基于XC7K325TFFG900核心板的FPGA外围电路等。ADC转换电路对放大后的脉冲信号进行采集,FPGA实现对脉冲信号峰值的提取、数据存储、计数和能谱成形等功能。本文设计了一款上位机软件—FPGA粒子探测,实现上位机与FPGA的指令控制和数据传输。最后,为了验证剂量仪和能谱仪设计的有效性和准确性,本文搭建了测试空间粒子辐射探测系统的实验平台。首先,测试了 Si探测器的暗电流和能量分辨率等参数;然后,采用函数信号发生器和放射源241Am(5486 KeV)、239Pu(5155 KeV)对剂量仪、能谱仪进行了测试。实验结果表明,本文设计的便携式剂量仪整机运行总功耗约为2.16 mW,线性拟合度高达99.5%,241Am能量分辨率约为2.63%;能谱仪通过多通道ADC采集脉冲信号的幅度值,并由FPGA中的峰值提取算法得到脉冲信号的峰值,最终将数据上传至FPGA粒子探测软件进行解析处理。

关键词： 实例分割   多目标跟踪   Jetson   注意力模块   多线程  

摘要： 基于行人的多目标跟踪算法在视频分析、智能安防中有着广泛的应用。但跟踪算法只能提供跟踪目标的边界框表示,而在行人姿态识别、视频编辑等更复杂的任务中,往往不能满足于边界框表示,还需要分割算法分割出精确的目标边缘,从而对跟踪目标做更精细的处理。现有的联合实例分割与多目标跟踪的算法较少,且计算量较大,部署困难。因此本文立足于算法的落地部署,采用轻量型网络结构将目标检测、实例分割和多目标跟踪三个任务集成于单个模型中。同时将分割特征做为一种注意力特征融合进其他任务的预测分支中,以增强对前景区域的注意力。本文采用一系列优化措施来增强模型的学习能力,主要包括以下几点:(1)在 YOLACT(You Only Look At CoefficienTs)算法和 FCOS(Fully Convolutional One-Stage Object Detection)算法的正负例样本划分方式里,容易出现多个目标的正样本区域互相重叠,而重叠区域的训练方向不唯一,容易导致分割结果不稳定。因此本文改进正负例样本划分方式,减少了优化方向不唯一的情形,使分割结果更加稳定。同时采用多种注意力模块,自适应调整特征权重,有效提升算法精度。(2)实例分割分支基于YOLACT结构,只需为每个目标生成一组组合系数即可与原型掩膜组合生成高分辨率的实例分割结果。同时加入边缘损失和ACNet(Asymmetric Convolution)进行训练,在不增加测试计算量的前提下提升分割性能;(3)跟踪分支基于JDE(Joint Detection and Embedding)结构,但跟踪任务和检测中的分类任务优化方向不一致,分类任务注重类间差异,而跟踪任务注重类内差异。因此采用两个分支分别处理检测任务和跟踪任务,降低优化难度。(4)分割分支的原型掩膜具有部分分割特征。因此本文在预测分支的ASFF模块中融合原型掩膜特征。原型掩膜特征不仅能提供精细的前景区域帮助跟踪分支对词向量进行编码,同时提升了检测性能和组合系数的质量。当模型训练完成后,由TensorRT加速模型的推理速度,同时采用多线程提升运行速度。最终将本文算法应用于Jetson设备上。通过实验验证,本文算法在精度和速度上均高于JDE、YOLACT等算法,且在单个模型中融合了实例分割方法与多目标跟踪方法,对设备的算力要求低、容易部署,具有实际的应用价值。

关键词： 关键词识别   低信噪比   帧内计算   多位宽乘法器   可重构  

摘要： 语音关键词识别是人机交互中重要的一环,一个好的语音关键词识别系统要求实时性、高精度、低功耗和高鲁棒性。而目前对语音关键词识别的研究几乎都是建立在无噪声或者高信噪比情况下的。因此本文从算法到硬件,对低信噪比环境下的关键词识别系统方案进行了研究和设计,并最终设计了一套低信噪比下具有高识别率低功耗的关键词识别系统。在算法上,本文实现了卷积循环神经网络的语音关键词识别算法。首先针对低信噪比的语音关键词识别,结合硬件设计了一套轻量级混合神经网络。然后采用定点化量化方法进行训练,将权重量化为10bit,数据直接定点化为16bit。最后得到的网络模型在在信噪比为-5d B的情况下,4个关键词的识别准确度可达86.4%,在无噪声环境下准确率可达到97%以上。在硬件上,本文实现了上述网络的电路优化设计。首先本文针对实时语音识别提出了帧内计算方案,将集中的神经网络计算分散到不同的时间段,实时识别延时降低了80%。然后设计了可重构计算阵列,集中实现卷积、循环网络和全连接运算来充分利用计算资源,计算电路面积节省60%。最后作为补充,本文将计算阵列中的乘法器替换为多位宽乘法器,为分层量化提供了可能。本文电路设计采用TSMC 22nm工艺,进行布局布线后的面积为0.76mm。当工作频率为250KHz可以实现对语音的实时处理,功耗约为6.89μW。比通常的KWS系统在-5d B噪声下准确率提升5～10%。

关键词： 非易失性主存储器   磨损计数器   内存空间   多线程环境   磨损速度  

摘要： 近年来，随着信息技术的快速发展与应用，人们在日常生活和工作中不断产生海量的数据，如何处理和存储这些海量数据对当前的计算机存储系统是一个巨大的挑战。怎样提高数据在计算机系统中的访问效率和存储效率是一个亟需解决的问题。非易失性主存储器（Non-volatileMainMemory，NVMM）作为新一代持久化存储器，它具有低成本、按字节寻址、非易失性和近似DRAM的数据存取速度等特性。这些特性使得它在学术界与工业界都非常受欢迎。现在有很多针对于非易失性主存储器而设计的分配器，这些分配器利用了非易失性主存储器的特性，与传统分配器对比而言性能有一定的提升。然而非常不幸，非易失性主存储器存在一定的写入耐久性限制。如何平衡单线程和多线程场景下的分配性能和磨损均衡效果，仍然是NVMM分配器的一个开放性问题。内存分配器作为内存管理的基本数据结构，是应用程序的重要组成部分，可以有效降低NVMM的磨损速度。　　基于以上挑战，本文研究提出了一种在多线程环境下用于管理非易失性主存储器的内存空间的分配器Tnvmalloc，Tnvmalloc将非易失性内存空间划分多个管理粒度Bucket，每个Bucket对应一个磨损计数器;并采用高效的管理结构Area，用于管理存储Bucket。为了减少线程间的竞争并提高在多线程环境下的性能，Tnvmalloc为线程提供了公共分配区域和私有分配区域。Tnvmalloc收到应用程序的分配请求后，通过最少使用先出（LeastUseFirstOut）算法选择具有合适的空间大小和磨损计数最小的存储Bucket用于满足分配请求。通过使用这样的分配策略和磨损均衡策略，Tnvmalloc可以将多线程的分配请求均匀的分布到非易失性存储器空间上，使得延长非易失性存储器的使用寿命。　　本文在Linux系统中实现了Tnvmalloc，并将Tnvmalloc与Glibcmalloc，NVMalloc和nvm_malloc在相同实验环境配置下进行实验对比。从实验结果可以知道，对比磨损均衡效果方面，在多线程环境下，本文提出的Tnvmalloc与Glibcmalloc、NVMalloc和nvm_malloc相比，磨损均衡效果显著提升。对比分配性能方面，在单线程与多线程运行环境下，Tnvmalloc与NVMalloc相比，它在分配大内存block时可以提升3倍以上的性能。

关键词： 无线传感器网络   低功耗   分簇   多基站   路由算法  

摘要： 无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）是一种融合了通信、传感器和嵌入式系统的多学科交叉技术,其将信息采集、处理与传输的功能全部整合到价格低廉的由电池供电的低功耗传感器节点上,形成自组织的无线网络。WSN路由的设计通常需根据其所在应用场景进行定制和优化,以达到使传输过程高效且节能的目的,从而最大化延长传感器网络的服务时长。在多基站部署于网络外部的环境下,网络边缘的节点与基站通信所需的能耗相比其他节点更少,但它们与大部分节点距离较远,不适合当簇头。传统LEACH算法每轮簇头数量波动较大且分布不合理。针对上述问题本文提出适用于多基站部署于网络外环境下带有中转节点的分簇路由协议,包括分布式控制的MSCRR协议和集中控制的MSCRR-C协议。协议在优先选择靠近簇内质心且能量较高的节点作为簇头的同时,利用靠近基站的普通节点做中转,以此减轻簇头的能耗负担。MSCRR协议改进了分布式的簇头选举方法来保证每轮的簇头数相同,进一步减少不必要的能耗。MSCRR-C发挥集中式控制算法的优势可得到比MSCRR协议更合理的分簇结果。经OMNeT++仿真测试,本文提出的路由算法相比其它对比算法能够让节点的能耗更加均衡,并且有效地延长了网络的使用寿命。

关键词： 相变存储器   SbTe   AlSc   B   低密度变化   高速   低功耗  

摘要： 相变存储器(Phase Change Random Access Memory,简称PCRAM)具有集成度高、速度快、与CMOS工艺兼容等优点,成为公认的最具潜力的新型非易失性存储器之一。PCRAM已替代部分FLASH存储芯片实现应用,然而要想替代DRAM则依然需要继续发展。基于传统的GeSbTe(GST)作为存储介质的PCRAM在保持力、操作速度、功耗等方面不能满足更高的发展需求。相比于GST,Sb-Te二元材料具有高速相变的特点受到科研人员的关注,其中,SbTe和SbTe是研究得最多的材料。但是,Sb-Te材料存在结晶温度低、热稳定性差等缺点,本论文提出并研究了几种基于SbTe和SbTe母体材料的新型相变存储材料,利用磁控溅射制备了相变薄膜,利用半导体工艺制备了基于新型相变材料的存储器件,并对其材料特性和器件性能进行研究,取得的结果如下:1.高速、低功耗Al Sc-SbTe新型相变材料与器件。对Al Sc掺杂的Al Sc-SbTe材料进行了系统研究,在掺杂铝钪原子比为1:1的Al Sc合金后,增强了SbTe的性能,包括热稳定性,密度变化和相变速度。通过Al Sc合金的掺杂,避免了纯Sc掺杂后易氧化的特点,也提升了热稳定性,降低密度变化以及提高相变速度。Al Sc-SbTe具有更好的10年数据保持温度(146℃)和更高的结晶温度(221℃),这反映了Al Sc-SbTe优异的非晶态热稳定性。X射线反射结果表明,Al Sc-SbTe材料的密度变化率(2.6%)远小于传统GST的密度变化率(6.5%)。此外,基于Al Sc-SbTe的器件具有6.78×10J的极低功耗,相变速度最快达6 ns,循环操作次数达1.5×10次,并且Al Sc-SbTe器件的电阻漂移小。因此Al Sc-SbTe是一种具有应用潜力的高速低功耗相变材料。*** Sc-SbTe新型相变材料与器件研究。传统的SbTe母体材料的结晶温度较低,常温下可自发结晶。提出并制备了Al Sc掺杂SbTe的Al Sc-SbTe新型相变材料,制备出基于Al Sc-SbTe材料的存储器件。实验结果表明,随着Al Sc合金掺杂含量的增加,Al Sc-SbTe薄膜材料的高低阻明显增加,并将材料的十年数据保持温度提升至133.8℃。Al Sc-SbTe材料比掺杂前的材料拥有更好的热稳定性。X射线衍射的结果说明Al Sc合金的掺入,抑制了SbTe的结晶,提高了热稳定性,细化了晶粒尺寸。基于Al Sc-SbTe的器件在10 ns的脉冲宽度下能实现可逆相变。此时电阻比约为10,相变操作循环达2×10次。3.提出非金属单质元素硼(B)掺杂的B-SbTe(BST)新型相变材料。在掺杂B元素的薄膜中,随着B元素比例的增加,薄膜材料的高低阻增加的同时高低电阻比也趋于增大;B元素的掺入抑制了SbTe的结晶,提高了热稳定性;当脉冲宽度为6 ns时,两者的电阻比值超过两个数量级,功耗为2.53×10J。实验结果显示B掺杂的SbTe材料是一种有潜力的新型PCRAM材料。

关键词： 目标检测硬件系统   低功耗   异步设计方法   异步计算模块  

摘要： 随着机器学习的快速发展,采用深度卷积神经网络方法的目标检测技术已经得到了广泛的应用,但由于应用场景的复杂多样性,以及对目标检测硬件设备越来越高的要求,低功耗和小型化已经成为该领域的重要研究方向。在过去的几十年中,同步电路一直是数字电路设计领域的主流方向,而近年来,基于事件驱动的异步电路设计方法凭借其功耗低、适应性强以及较强的抗电子干扰能力等天然优势重新进入人们的视野,迎来了重大发展契机。本论文主要利用异步电路功耗低、适应性强的优势,对基于异步设计方法的目标检测硬件系统设计进行研究,并完成了相应的FPGA实现。首先,本文简要介绍了异步电路的特点,并根据对设计要求以及硬件平台资源的分析提出了目标检测硬件系统的总体研究方案。其次,根据总体研究方案的规划,对Mobile NetYOLOv3目标检测算法进行了模型修改和计算优化。之后,设计了基于异步电路的目标检测系统的硬件架构,划分模块并逐个实现。最后,对系统各模块在Xilinx提供的Vivado平台进行了仿真验证,对集成在Viretex-7 VX485T FPGA上的目标检测硬件系统进行了功能验证并对其功耗及性能进行分析和对比。结果表明本论文设计的基于异步设计方法的目标检测硬件系统在性能和能耗比上均有优异的表现,尤其是其中的异步计算模块,较同等条件下的同步电路实现在功耗方面有显著的降低,证明了异步设计方法实现低功耗目标检测硬件系统的可行性和有效性。

关键词： 低功耗语音压缩器   线性预测编码   矢量量化   自适应法  

摘要： 语音是人类进行信息交流的重要方式。随着信息化社会的发展，语音信号处理技术广泛地应用于多媒体通信、人机交互、视频会议、语音通话等通信领域中，因而语音信号能否有效地进行传输或存储变得十分重要。随着集成电路技术的发展，功耗成为芯片设计中越来越重要的因素，尤其是在可穿戴的便携式设备中，功耗决定了设备的使用时间。本文研究一款低功耗语音压缩器，分析了语音压缩器的功耗来源，分别从算法层面、架构层面、逻辑层面和电路层面去降低系统功耗，本文的主要研究成果如下:　　(1)提出一种低复杂度线性预测编码算法。线性预测分析是一种强大的语音分析技术，它可以有效地提取语音信号的短时频谱包络信息，且已广泛应用于语音识别、语音合成和语音压缩系统中。由于线谱对频率具有量化精度高和光谱灵敏度低等优点，因此其通常作为LPC参数的替代形式。针对线谱对参数计算量大的问题，本文提出一种基于Bairstow迭代算法的线谱对计算算法。采用Bairstow算法求解多项式的根，并结合语音信号的短时平稳特性，设计了一种自适应的初始值赋值方法，该方法能加快迭代算法的收敛速度。最后完成了算法的仿真验证和性能分析。仿真结果表明，在相同的计算精度下，所提算法的计算时间与Tschimhaus transform算法、Modified Ferrari算法、Original Ferrari算法、Chen and Wu算法、Soong and Juang算法、全搜索算法相比，分别缩短了17倍、23倍、47倍、47.4倍、152倍和201倍。　　(2)提出一种低复杂度矢量量化算法。矢量量化是数据压缩系统中一种重要的技术，由于其编码简单且压缩比高，该技术已经成功地应用于语音、图像、视频等数字信号压缩系统中。本文针对矢量量化算法在码字搜索过程计算量大、搜索次数多的问题，提出了一种快速的码字搜索算法。该方法把输入快速定位到相应的子空间中，运用统计分析方法，通过大量的语音集训练生成每一子空间的失真误差查找表，并结合了TIE算法的特性，进一步排除不可能的候选码字。该方法通过减少候选码字的个数来减少码字搜索次数。最后完成了算法的性能验证和分析。仿真结果表明，在相同的量化精度下，与全搜索算法、TIE算法、ITIE算法相比，所提算法的搜索次数分别降低了85％、76％和63％;与全搜索算法相比，所提算法的乘法器数目降低了90％。　　(3)提出一种低功耗语音压缩器结构。本文利用时钟门控、并行与流水线技术、帧地址控制结构、Memory类型和容量的适当选择、非线性复杂逻辑函数的化简等技术，对语音压缩器的线性预测编码分析、开环基音分析、自适应码本搜索、固定码本搜索和非线性逻辑函数等核心模块进行硬件优化。并对语音压缩器的模块进行合理划分和架构设计，从算法层面、架构层面和电路层面去降低系统功耗。　　(4)基于上述提出的低功耗语音压缩器结构，本文采用SMIC55nm CMOS工艺设计了一款低功耗语音压缩器，并完成了语音压缩器的设计、仿真、FPGA原型验证、投片实测等工作。实测结果表明，语音压缩器的指标达到了预期指标。