关键词： NB-IoT   无线传感网   节点部署   遗传算法   云平台  

摘要： 随着我国通信技术的发展,传统的油田开发模式正逐渐向数字油田转变。数字油田采用多跳技术扩展网络规模,产生的数据依赖于大规模无线网络传输,然而多跳通信会造成网络能耗分配不均和节点过早死亡的缺陷。为提升数字油田网络寿命,本文在部分原有无线传感网节点上扩展了一个NB-IoT模块,使其共同构成混合节点,通过窄带物联网和无线传感网的异构使节点尽可能少的转发其他节点的数据,从根本上降低节点能耗。并基于此设计了一套工厂内、外均可访问的工业监测系统,使远程工业仪表采集的数据可靠、稳定的上传到阿里云平台的管理软件中,实现随时随地对仪表数据的统一管理与分析。本文的主要研究内容包括:（1）详细分析了数字油田现场工业监测系统的功能需求和非功能需求。设计了包含感知层、通信层、服务层和用户层的系统框架结构。（2）针对感知层加入的混合节点,设计了混合节点内部传输规则,并基于串行通信机制实现了混合节点的内部数据传输。同时,针对感知层混合节点部署方案,从部署成本和传感网生存时间两个角度分析,提出了基于遗传算法的混合节点部署算法。从遗传进化角度通过多目标优化混合节点部署位置,从而使整个网络生存时间最大化。仿真实验表明该算法的传感网节点-混合节点通信模式有效克服了传统通信模式下算法性能随网络规模衰减的问题,保证了算法在传感网节点大规模部署中的性能。（3）针对感知层异构组网方案,设计了组网传输规则,通过为传感网节点分配时隙,使传感网节点在规定信道内与混合节点同步进行收发数据,从而避免因干扰问题重传数据的能量浪费。（4）通信层根据工业监测系统上层应用需求,选择NB-IoT技术结合阿里云物联网平台,实现NB-IoT设备基于MQTT协议接入云平台,进行Topic远程通信。（5）根据系统用户对管理软件的功能需求,设计了规则引擎数据流转规则,实现了云No SQL数据库的实时存储功能。通过物联网工作室和人机交互物联网应用的开发,完成了上层管理软件的功能界面设计。通过系统功能测试,系统功能良好,通信稳定可靠,满足设计要求。本文设计的工业监测系统所采用的NB-IoT技术于2020年9月正式演进为5G标准之一,通过窄带物联网与工业传感器网络的融合对促进工业智能化的发展具有重要意义。

关键词： 龙芯   运动控制内核   工业以太网   EtherCAT   主站  

摘要： 在工业自动化控制领域中,运动控制内核是其核心的设备,其关系着生产过程中的精准化控制和智能化制造,所以发展高性能的运动控制内核可以提高工业制造的水平和实力。另外在工业制造中,传感器的数目越来越多,对通信时延要求越来越高,对链路结构灵活开放,使用实时以太网EtherCAT协议来代替传统的现场总线也是当前的发展趋势。在国家提倡工业制造自主创新的背景下,面对工业自动化控制应用场景下的智能化制造以及多设备实时通信等多种要求,本文提出以国产处理器龙芯3A4000为硬件基础,以EtherCAT协议为通信基础的开放式运动控制内核。该研究也为我国运动控制内核的自主创新提供一个案例。本文的主要研究内容如下:首先,详细分析Linux实时操作系统各种改造方案,确定了以RT-Preempt实时补丁为基础的改造方案,其社区活跃并支持MIPS架构处理器。最后按照补丁提供的构建步骤对Linux系统进行改造。其次,分析了各种EtherCAT主站构建方案,最后选择Ig H EtherCAT Master主站方案。分析了Ig H主站在native网卡驱动工作模式下不支持龙芯的网卡,确定了将Ig H的主站代码进行修改使其工作在用户态,对于经过网卡驱动的数据包通过PACKET＿MMAP和原始套接字捕获机制,将数据包映射到用户态EtherCAT主站的方案并进行实现。设计了EtherCAT主从站状态机。然后,实现了用户态中运动控制模块的实时线程与EtherCAT主站模块实时线程的同步机制,设计了运动控制内核加载配置文件机制,开发了应用层多种伺服控制应用。最后,搭建实验平台,对运动控制内核中断响应以及上下文切换等实时性进行测试,对EtherCAT主站实时性进行测试,对PACKET＿MMAP和原始套接字捕获数据包功能进行测试,对多种伺服控制应用进行测试。实验结果表明,本文研究的运动控制内核具有良好的实时性和扩展性。

关键词： 无线传感器网络   路由协议   低功耗   安全   服务质量  

摘要： 由于无线传感器网络受到节点分布、能量、环境的影响,WSN高性能路由协议的设计是当今的热门话题。为均衡传感器节点能耗,提高网络的安全性与服务质量,本文提出了三种针对能耗、安全以及服务质量的大规模WSN路由协议。主要工作如下:(1)提出了一种基于双层分簇的WSN高能效路由协议DKBDCERP。该协议在第一层采用改进的DPC-MND算法,对WSN中的普通节点分簇,根据能量、距离等因素选举一级簇头。然后以所有一级簇头作为第二层,采用K-Means分簇,依据能量、距离选举二级簇头。最后,综合考虑能量、距离、偏转角等因素,构造二级簇头的路径权重。在迪杰斯特拉算法上引入免疫算法理论并改进,求得全局最优路径,动态规划一种簇间多跳路由。(2)分析了WSN中存在的各类安全问题,在DKBDCERP协议的基础上,提出一种基于信任评估的低能耗WSN安全路由协议FOESBT。为节省能耗,FOESBT在疑似有恶意节点发动攻击时再启动信任评估。同时,构建新的节点综合信任度计算模型,提升识别恶意节点的能力,解决高信任节点作为中继节点转发时能量不足的问题。对于正常节点因意外情况被识别为嫌疑节点,利用时间滑动窗口加权平均求出嫌疑节点的综合信任评分,结合OCSVM进一步判断节点恶意与否。(3)在前两个路由协议的基础上,提出了一种基于多路径片段利用的Qo S保障WSN路由协议MRQBF,综合多路径各种不同的使用方法提出了多路径片段利用。该协议中,通过基站的预先计算选出多条备用路径,然后沿着这些路径发送探测包至基站,基站根据相关信息挑选多条可用备用路径。最后源节点沿着最优的一条可用备用路径发送数据,期间发送失败则寻找周围最近的可用备用路径上的节点,下一跳改为该节点,然后沿着该节点所在路径继续发送数据。

关键词： 点对点通信   低功耗   链式接力传输   驱动优化  

摘要： 传统保护区采用护林员巡逻方式进行自然防护及动物寻踪,但往往效率较低,且人力物力消耗较大。通过部署保护区通信系统,可以较好的改善信息闭塞的现状,一方面,可提高信息(文本、图像、视频等)的传输灵活性;另一方面,能降低护林员定期维护巡回的频次。不同环境及需求的保护区,可因地制宜地采取网络架设方案:对有配套供电、线缆及机房条件的保护区,可部署有线视频传输系统;对仅有供电条件的保护区,可部署嵌入式无线传感器系统。进一步地,本文基于无公用网络、无常规供电条件、且需要建立无线数据传输系统的保护区业务场景,对能承载点对点链式接力传输,且具有低功耗特性的无线传输设备开展了研究与设计,并最终提供了一套行之有效的硬件解决方案。具体工作由以下两部分构成:1.实现硬件电路。本文设计的点对点低功耗无线传输设备,作为射频子节点接入保护区链式接力传输网络。该设备以EZR32WG330F256R69芯片为核心,采用ARM Cortex-M4内核架构,配备双供电模块、多时钟模块、接口交互模块、及射频收发模块,可实现在434MHz的ISM工作频段下最高16d Bm的发射功率,对应55m A的发射功耗、26m A的接收功耗、及4m A量级的待机功耗,支持最高500Kbps的空中速率和-133d Bm的接收灵敏度,能够满足系统的无线及功耗性能指标。整板电路面积控制在24cm,在确保轻量化的同时散热能力良好。2.配置驱动程序。本文在完成链式接力传输的网络需求的基础上,结合高效率、低功耗、易部署的特点,对设备进行了驱动程序优化设计。驱动程序提供了丰富的通信接口进行数据传输,实现了完整的射频状态机以承载无线协议,并加装了灵活的交互界面便于调试控制。其中,上位机可通过发送预置命令直接对设备的无线传输参数(如:收发工作频率、功放增益,空中速率等)进行设定,在确保设备功能完备的同时降低了控制复杂度。

关键词： 测试向量种子重排序   LFSR重播种技术   测试向量生成   低功耗  

摘要： 芯片内部电路的规模和复杂度不断提高,芯片的功能也变得更加强大,但是这会给芯片的测试带来严重的问题。芯片在测试模式下内部功耗远高于正常工作模式,特别是在芯片内建自测试的过程中,过高的功耗会对被测电路造成损坏导致芯片失效。低功耗测试向量生成技术则是通过对测试向量集的预处理来降低测试功耗,但是该技术因为对测试向量集的修改,导致在测试的过程中故障覆盖率降低。LFSR重播种技术作为芯片内建自测试中常用测试向量生成方法,通过不断加载测试向量种子到线性反馈移位寄存器中生成测试向量,提高测试故障覆盖率。然而在提高故障覆盖率的同时,该技术会在被测电路内部产生过高的测试功耗。在芯片可测性设计中通过LFSR重播种技术与低功耗测试向量生成技术相结合生成低功耗测试向量对被测电路进行故障检测成为研究的热点。针对芯片内建自测试中测试向量导致功耗过高的问题,本文提出基于LFSR重播种的低功耗测试向量生成方法。在研究测试向量对动态测试功耗影响的基础上,深入分析测试向量种子与测试向量的线性相关特性,提出基于海明距离排序测试向量种子优化动态测试功耗的模型,实现低功耗测试向量种子生成算法设计。结合LFSR重播种技术,设计基于测试向量种子排序的低功耗测试向量生成器。选取国际基准电路ISCAS85和ISCAS89部分电路进行测试向量生成器仿真设计,通过实验分析可知本文所提的方法测试向量种子存储总位数平均降低64.39%,平均故障覆盖率为97.42%,电路平均面积开销为4.32%,动态测试功耗平均降低44.21%达到低功耗测试向量生成的要求。通过比较文献可知相比与其它LFSR重播种方法本文所提的方法在减少测试向量种子存储位数、降低测试向量生成器电路面积开销,降低动态测试功耗具有一定的优势。

关键词： 射频能量收集   整流电路   能量管理电路   低功耗   传感节点  

摘要： 随着“制造强国”战略的提出以及5G技术的广泛应用,与之相关的物联网技术得到了快速发展。然而,由于受到了电池寿命及更换电池困难等因素的影响,如何实现物联网各类传感节点的自供电已逐渐成为工业界和学术界广泛关注的热点话题。事实上,日常环境中存在丰富的射频能量信号源,大部分射频能量的发射具有全向性和全时段特性,会造成大量能量的浪费。因此,本文设计了一种基于射频能量收集的低功耗传感节点,可为传感节点的自供电提供一种行之有效的解决方案。本文工作主要包括接收天线、整流电路、能量管理电路以及低功耗节点的设计,具体详述如下:首先,设计了一种用于收集环境中射频信号频段在2.4 GHz的微带贴片天线,并且采用嵌入式的设计,使得天线的输出阻抗为50(?),避免了因增加匹配电路而使接收天线的尺寸增大。其次,完成了整流电路的设计,通过ADS对型号为SMS7630＿006LF的肖特基二极管进行建模,并且将其与其他的二极管在同一整流拓扑结构但不同输入功率下进行仿真分析,确立了其更适用于在低输入功率条件下工作。再通过查阅文献以单阶全波整流拓扑结构为基础设计了整流电路,采用单枝节匹配结构进行匹配使得在2.45 GHz时,整流电路能够实现输入功率为-15 d Bm,负载为4000(?)时,能够输出直流电压为0.37 V,并且整流效率达到33.5%。然后,设计了基于bq25504的能量管理电路,用于对来自于整流电路的低输入电压进行升压并将能量储存在超级电容中,通过外围电路的设计,该电路能够在低至80 m V的输入电压持续工作,输出3.5～4.3 V的电压,并采用MCP33设计稳压电路输出3.3 V稳定的电压。接着,设计了以MSP430F149为MCU的低功耗传感节点,并对有多个传感器条件下的供电方案的提出了建议。最后,通过搭建实验平台,直接利用设计的微带贴片天线收集环境中WIFI信号为低功耗传感节点供电,将环境中的温度采集,并通过n RF2401无线数据传输模块将其发送到距离5米外的数据接收设备。

关键词： 自旋转移矩磁随机存储器   低功耗   灵敏放大器   最后一级缓存   高精度  

摘要： 随着工艺的发展,传统存储器正面临着物理极限的挑战。在此背景下,新型存储器的研究发展应运而生。自旋转移矩磁随机存储器被认为是最有希望的新一代存储器之一。本文在首先介绍了磁随机存储器的背景及发展历程,分析了其优势及劣势。同时在分析了磁随机存储器的器件特性基础上,对其翻转电压及翻转电流的临界点进行了计算。并以此作为动态模型搭建的基础,通过Verilog-A进行建模。搭建出适用于电路级仿真的参考模型。同时在调研了优秀工作的基础上,对不同读取电路进行了理论与仿真分析,采用电荷域的设计方法,设计了无直流通路的灵敏放大器,有效的实现了低功耗读取。同时在阵列设计上提出了阵列嵌入式参考单元,以及混合电阻参考单元,有效的减小了参考单元和存储单元的寄生偏差,增大了读取裕度,提高了读取精度。同时在同等工艺下对比随机存储器的各项指标制定了适用于最后一级缓存的目标指标。最后采用TSMC16nm Fin Fet工艺在Cadence工具中进行仿真验证。功耗方面,在不考虑位线寄生的基础上,实现了36.232f J/bit的低功耗读取。速度方面,设计了6ns的读取周期,小于6ns的读取速度。良率方面,在考虑MTJ偏差3sigma的基础上实现了Monte仿真200个点全部正确的良率。磁随机存储器凭借其非易失性,读写速度快,在CMOS工艺上集成简单,同时可以实现高密度的堆叠的特性,是未来低功耗电子产品的重要组成部分。

关键词： 毫米波发射机   CORDIC   Outphasing调制器   数字集成电路   串行外设  

摘要： 随着5G通信的飞速发展,毫米波频段的应用变得越来越广泛。毫米波功率放大器的效率提升技术也引起了越来越广泛的研究,Outphasing技术是最受关注的技术之一。本文主要提出了一种高吞吐量,高精度,低功耗和低成本的Outphasing调制器芯片设计方案,该方案尤其适用于毫米波发射机。该Outphasing调制器完全基于并行的基二坐标旋转数字计算机(CORDIC)算法。本文提出的Outphasing调制器可同时适用于基于矢量调制和相位调制架构的Outphasing发射机。在本文提出的Outphasing算法中,异相角是通过单CORDIC和双CORDIC算法的混合计算得出的,相比传统算法,大大减少了关键路径延迟。由于架构和CORDIC算法的优势,其误差性能,采样率,功率效率和片上面积效率得到了提高。根据FPGA的实际测试结果,新的CORDIC架构使12比特Outphasing调制器能够实现0.062%的误差矢量幅度(EVM),同时保证0.74 GSample/s的峰值采样率。该芯片设计在65nm CMOS工艺下进行了版图级的后仿真。根据应用场景的不同,本文提出了两种不同的芯片实现版本——高通量版本和低功耗版本。高通量版本在1V电源下的峰值吞吐量为1.85 GSample/s。低功耗版本将片上面积开销减少到仅0.088 mm,该版本在0.8V的电源电压下可达到0.78 GSample/s的采样率,同时消耗28.1 pJ/Sample的能量。本文所提出的具有最小面积的高吞吐量Outphasing调制器和创新性的CORDIC算法有望进一步开拓低功耗低成本毫米波发射机的应用领域。为了配合毫米波Outphasing发射机的外部信号控制,本文还提出了一种具有高速串行外设接口(SPI)的低功耗数字控制电路。该电路可实现对多通道相控阵的快速、灵活配置。其中可寻址数字控制电路可实现对于毫米波发射机的信号增益、相位和其他控制寄存器的配置。SPI支持主机和从机之间的全双工,一对多的高速通信。此外,如果发生控制信号传输错误,则内部的错误机制会检测到并向主机报告该错误。本文提出的电路已经在40nm CMOS上进行了流片和测试。测试结果表明,该数字电路可以在100 MHz的外部时钟频率下稳定工作,功耗仅为0.1 mW,芯片面积开销为0.036 mm。该高速低功耗数字电路有望在未来的集成多通道相控阵设计中得到广泛使用。本文还提出了一种基于CORDIC的数字波束形成测角模块设计,再一次证明CORDIC在毫米波收发机应用中的高性能、低功耗、低成本优势。

关键词： 动态随机存储器   低功耗   失调电压   灵敏放大器  

摘要： DRAM由于单元尺寸小、容量大、耐久度高等优点,被广泛应用于移动设备、服务器、PC等领域。其市场规模超过600亿美金,占全球集成电路市场十分之一以上。在工艺不断进步的过程中,DRAM电容大小不断降低,为SA识别位线间的电压差带来巨大挑战。受随机掺杂波动的影响,SA的失调电压逐渐增大,因此对DRAM低失调灵敏放大器的研究非常有意义。本文首先对DRAM结构和原理进行介绍,然后分析了SA失调电压产生原因,以及两种低失调SA原理和优缺点。通过对现有结构的分析,本文提出了一种电容偏移补偿灵敏放大器。一方面本方案增加电容进行偏移补偿,并通过传输管将位线与灵敏放大器进行隔离,使得失调补偿与位线预充互不影响。可以实现偏移补偿和预充电同时进行,从而提高灵敏放大器的速度。另一方面该电路由于利用的是小电容进行失调补偿,而不是位线电容这样的大电容,所以相较于其它方案降低了功耗。基于65nm工艺节点,在电源电压1.2V、位线电容100f F、TT工艺角下,提出的SA与OCSA相比失调电压降低了38%,功耗降低50.17%,速度提升16.5%;且在FF工艺角-25℃、SS工艺角85℃、FS工艺角25℃、SF工艺角50℃进行仿真,失调电压降低21.7%-41.4%;另外,由于本设计灵敏放大器采用独立的电容作为偏移电压存储单元,避免因位线电容不同对灵敏放大器性能造成影响,在不同位线电容下,与OCSA相比功耗下降46%-55.6%,速度提升13.3%-26.2%。同样,电源电压1.2V、位线电容100f F、TT工艺角下,提出的SA与OMCSA相比失调电压降低了27.5%,功耗降低29.1%,进一步验证了本文设计的有效性。

关键词： 波浪信号处理   MEMS传感器   低功耗   波浪浮标   实验验证  

摘要： 随着人类对海洋的不断开发利用,海洋环境监测变得尤为重要,海洋波浪作为海洋环境监测的关键要素更是重中之重。在众多测波手段中,波浪测量浮标是国内外公认的最直接且准确的测量设备,但是,传统波浪浮标普遍具有体积大、使用周期有限的缺点。特别是国产波浪浮标,从测量准确度、使用周期到制作工艺都落后于海外先进设备,因此,设计测量精度高、使用周期长、体积小的国产波浪浮标意义重大。基于上述原因,本文重点研究以浮标为载体的遥测波浪设备,设计并研发了一种基于MEMS传感器的遥测波浪系统。从波浪测量的测量精度和使用周期入手,提出了波浪信号分析处理和低功耗两项关键技术,并结合MEMS传感器精度高、功耗低、体积小、可靠性高的特点,对国内传统波浪测量浮标系统进行优化。本文从测量原理、系统硬件、波浪信号分析处理以及系统软件四个方面展开研究。首先,研究波高、波向、波周期的测量原理,并通过对比分析确定利用傅里叶级数展开法进行波浪方向谱分析;其次,设计系统硬件,包括电源电路,主控电路以及数据采集传输电路,在硬件设计过程中利用单片机低功耗运行模式与电源管理设计解决浮标功耗问题;最后,对波浪原始数据进行姿态解算、转换、滤波、积分及后处理,得出波高、波周期、波浪方向谱以及主波向分析并编写系统软件。在理论分析、算法研究和软硬件设计的基础上,对基于MEMS传感器的遥测波浪系统进行了实验室测试和海上对比实验,对系统的可靠性和精确性进行了验证。实验结果表明,此系统工作稳定,波浪测量的准确度以及系统功耗均符合预期标准。本文设计的遥测波浪系统,为其它测波设备的研发提供了理论基础和技术支持,推动了MEMS传感器在波浪测量领域的实际应用。