关键词： 车牌识别系统   图像预处理   逻辑综合   数字电路后端设计  

摘要： 车牌识别系统是现代广为应用的智慧型交通人工智能系统,多年来伴随群众与时共进的生活质量,对交通通勤系统的智慧程度提出了很高要求。车牌识别系统由于它具备全天候,无人化,识别速度高,识别效率强,识别准确率佳的优势,早已走进人们生活的周边,存在着大量应用场景。为了提高识别的效能,进而增大城市通勤吞吐量,追求更高效率低能耗的车牌识别系统是很有现实意义的。结合我们对已有的前代车牌识别系统的内部结构分析以及算法的认识,本论文中描述了一种新型的车牌识别系统的架构中的重要模块——图像采集预处理单元的架构设计和具体实现,整体划分为三个部分,分别是图像的采集,图像的预处理和图像缓存模块,成功达到了500×500分辨率图像的预处理工作,并将处理后的单bit,大小为32k B的二值化图像采用乒乓操作存入了缓存用的RAM中,并对代码进行了仿真工作以确认实现了对应功能要求。在前端的设计完成代码编写之后,为了进行设计的实现,本论文中使用Design Compiler这一EDA工具对RTL代码进行了逻辑综合。为了引导工具将代码按照设计意图来实现综合,编写了设计的约束文件,约束了整个设计的环境和综合的目标,将设计进行了低功耗的展平式综合,并分析了综合后的电路的功耗、时序性能和面积。在完成电路的逻辑综合之后,本论文对生成的网表文件进行了后端的物理设计,在设定好工具运行的环境和配置文件之后,设计了一个pad限制型的版图布局规划,并构建了内部电压降处于可接受范围内的版图电源网络规划。在此基础上,对物理设计进行了标准单元的摆放,生成了一棵时钟偏移尽量平衡的时钟树使电路保持同步,并在此基础上进行了布线设计,实现了电路的逻辑互联。最后为了使得制造的良率能够尽可能提高,本论文特别进行了可制造性的设计来降低失效的风险,例如天线效应修复和冗余通孔的设置等。最终对物理设计的结果进行了验证,确保了版图文件是逻辑正确且符合设计规范的设计。

关键词： 低噪声放大器   低功耗   高线性度   双平衡混频器  

摘要： 随着无线通信的迅速发展，人类正逐步进入万物互联的时代，多模式、多频带的无线通信设备将成为日后发展趋势，因而宽带射频接收前端成为时下的一个研究热点，除此之外，无线通信设备对功耗、性能等方面的要求越来越高。低噪声放大器（LNA）和混频器（Mixer）作为通信设备中的重要模块，同样也是主要的耗能模块，因此研究并设计高能效的低噪声放大器和混频器具有重要的意义。本文提出了工作在0.15~1GHz频段的低功耗、低噪声、高线性的低噪声放大器和混频器。　　本文提出的低噪声放大器是基于共栅输入噪声消除低噪声放大器结构，通过跨导提高技术增加了输入阻抗设计自由度，减小了输入支路负载电阻的噪声;同时利用电流复用技术降低了电路静态工作电流，从而降低了功耗;此外通过利用线性度优化模块抵消噪声消除支路产生的三阶非线性信号，提高了线性度。本文提出的混频器是基于吉尔伯特双平衡混频器结构，通过交叉耦合共栅输入实现了宽带匹配，并且降低了输入管的沟道电流噪声，此外交叉耦合共栅输入不会引入由二阶交调效应产生的三阶非线性信号，提高了线性度;同时通过辅助电流源技术减小了流向开关管的电流，从而降低了开关管的沟道电流噪声和1/f噪声;且辅助电流源管也有信号输入，增加了输入跨导，在实现相同转换增益的情况下，功耗更低。　　基于TSMC65nm工艺，本文提出的低噪声放大器在0.15~1GHz的工作频带内增益为19.4~21.6dB、噪声系数2.29~2.38dB、输入三阶互调截点（IIP3）为-1~2.1dBm，在1V的工作电压下，功耗为6.45mW;本文提出的混频器在0.15~1GHz的工作频带内变频增益为21.4~22.9dB、噪声系数4.81~4.96dB、输入三阶互调截点（IIP3）为5.6~7.3dBm，在1V的工作电压下，功耗为5.6mW。

关键词： 低功耗   逐次逼近模数转换器   开关算法   动态比较器   复位  

摘要： 受益于CMOS工艺的快速发展,可穿戴生物医学设备和无线传感网络快速发展并改善了人们的日常生活。这些设备应用广泛,需要长期工作并避免频繁更换电池,因此低成本和低功耗的模数转换(Analog-to-Digital Converter,ADC)电路必不可少。为了满足上述需求,本文设计了一款10bit 500KS/s的低功耗逐次逼近(Successive Approximation Register,SAR)ADC。本文首先从开关算法、电容型数模转换器(Capacitor Digital-to-Analog Converter,CDAC)结构和比较器三个方面分别介绍了近年来国内外在低功耗SAR ADC领域的研究现状。接着从系统层面,使用改进分段结构提出了一种基于三电平切换和冗余位切换的低功耗开关算法。利用MATLAB对所提出的开关算法与ADC进行了建模与仿真,验证了方法的可行性。相比于传统开关算法,本开关算法将能耗降低了98.98%,将单位电容数量降低了93.75%。为了解决电容阵列在工艺角和温度仿真时的复位问题,本文设计了电荷泵复位电路。考虑到电荷注入的影响,采样开关使用底极板采样方案。本文还提出使用尾电容和共源共栅来提升动态比较器的功耗和噪声性能。在数字电路部分,使用了同步时序。本文基于TSMC 40nm CMOS工艺进行了SAR ADC的原理图和版图设计,核心版图尺寸为180μm×120μm。后仿真结果表明,在电源电压为0.6V,采样率为500KS/s,输入正弦信号频率为248.5352kHz时,有效位数达到了9.93bit,信噪失真比为61.55dB,无杂散动态范围为74.59dBc,总功耗为0.825μW,品质因数为1.69fJ/conversion-step,所设计的SAR ADC满足设计指标。

关键词： 客车安全带状态监测传感网络   RFID   低功耗   信息管理  

摘要： 随着我国交通运输业的发展,城际客车交通线路网更加密集。为了更好地保障乘客的乘车安全,一个可靠地可以检查乘客是否系好安全带的监测系统很重要。本文针对系统产品化程度过低问题、客车安全带监测单元耗电量过大问题、安全带传感采集器与客车数据接收器之间智能识别问题和信息管理系统联动问题等,以物联网传感网络为技术基础设计出近距离集群传感网络信息采集系统。针对城际客车应用背景,研究出一套完整物联网监测系统。通过设计安全带卡扣状态采集器和数据接收器,使得安全带卡扣状态采集器可以精确识别安全带扣合状态,从而判断安全带是否正确系好,并以433MHz短程无线通讯的方式将状态信息发送给数据接收器,数据接收器可以通过CAN总线与其他车载终端(如车载显示屏等)相连并实现数据通信,数据接收器将状态数据处理整合成安全带卡扣插拔的状态信息通过无线GPRS网络传送到监管后台留待后续处理。无线射频识别传感器网络在客车安全带监测中的节能设计是本系统的挑战。针对客车安全带监测单元耗电量过大问题,本文提出了一种RFID传感器节点的低功耗布局和参数设置的软硬件设计方法。测试结果表明,采用深度睡眠节电方式时,周期电量消耗远低于常规睡眠节电方式(电量消耗分别为0.45m As和3.49m As)。节点使用寿命比一般的节能设计(寿命年限分别为5.35年和0.69年)要长得多。同时,对于电量低、已损坏的监测单元,提出了完整更换方式和流程,使整套产品有机结合,操作人性化。针对安全带传感采集器与客车数据接收器之间智能识别问题,设计了接收器与座位节点之间的一对多配对配准方法。与传统的使用其他软件将座位识别码写入集成电路卡中不同,本项目中的节点ID可以直接存储到接收器中,这样可以减少中间操作,降低开发成本。针对车辆安全带插拔状态的信息管理问题,通过GPRS向管理系统传递信息,从产品的角度设计并使用python-Django框架搭建信息管理后台,从管理创新角度精准定位到具体车辆的具体座位,最终实现高效率的交通安全监管。

关键词： 高能物理实验   CMS   时间探测器   前端读出电子学   专用集成电路   低功耗  

摘要： 为了支持高能物理实验的深入研究,欧洲核子中心(CERN)计划于2025年开展大型强子对撞机LHC向高亮度LHC的重大升级工作。高亮度LHC的预期目标包括延长运行寿命、质子束团对撞能量达到14 TeV、瞬时亮度提升至7.5 × 1034 cm-2s-1,且积分亮度增加10倍。LHC升级对CMS探测器提出了很多全新的要求,其中包括安装一种新型的最小电离粒子时间探测器。它由桶形和端盖两部分构成,将分别放在硅像素径迹探测器的最外层和桶形电磁量能器的最内层之间,以及硅像素径迹探测器的末端和高粒度端盖量能器的前端之间的薄层区域,在高辐照和高堆积率的条件下,用来精确测量喷注(jet)中带电粒子的到达时间。其中,CMS端盖时间探测器选用新兴的低增益雪崩二极管LGAD作为前端探测器,要求单次径迹在两层端盖层上的总时间分辨率高达30～40 ps,辐照耐受性高达1.6 × 1015neq/cm2的等效中子总通量。因此,与LGAD匹配的、低功耗、高时间分辨率、且适应低温和高辐照环境的读出电子学成为全新的研究内容,也是CMS二期升级中的关键研究方向之一。该读出电子学的研发由美国费米国家加速器实验室主导,全世界多家高校和研究单位参与合作。本论文阐述了 CMS端盖时间探测器前端读出芯片ETROC系列的设计方法和具体实现。ETROC是世界上第一款采用65nm CMOS工艺、LGAD专用的16 × 16阵列式时间测量和读出芯片。为了满足芯片总功耗小于1W的要求,采用了结构简单的前端模拟电路,选择了带休眠模式和自校准功能的时间测量方案,增加了时钟门控设计,极大地降低无粒子击中时的功耗。使用CERN提供的抗辐照工艺库,并对关键的数字电路采用三模冗余和自动校正的设计技术,从而提高芯片的抗辐照特性。本论文的主要内容和创新点如下:1.首次在65 nm CMOS工艺采用稳压共源共栅跨阻放大器(RGCTIA)结构的前置放大器,实现了高能物理界最低功耗的LGAD前端模拟读出电路,其单通道功耗为1.8 mW,时间分辨率不超过30 ps。2.首次采用单链门控环形振荡器及可休眠的TDC控制器架构,实现了最低功耗的TDC,TDC控制器由粒子击中产生的脉冲前沿唤醒,产生门控信号。TDC控制器工作时功耗为353μW,休眠时功耗仅为54μW;实际测试结果表明,当粒子击中率为1%时,TDC总功耗仅为97μW。另外,该控制器还提供了一个可编程的、最宽可达12.5ns的TDC时间测量窗口,增强了识别长寿命粒子的能力。3.提出并实现了一种新型的片内甄别器阈值自动校准电路,该电路能快速匹配到一个优化的阈值电压,从而解决了由温度、辐照、工艺失配等因素引起的基线漂移问题。40MHz时钟下,校准时间仅为35 ms。4.在移植CERN研发的lpGBT芯片的锁相环PLL的基础上,增加了抗辐照的自动频率校准电路,实现了低抖动、多频率的ETROC时钟发生器。测试结果表明时钟的随机性抖动的均方值小于2 ps,确定性抖动的峰峰值不超过8 ps,且满足辐照要求。5.提出并实现了一种寄存器阵列式分布、规模可扩展的I2C从机设计,解决了大量寄存器访问的路由不足问题,从而降低了大型芯片的集成复杂度。目前,单通道前端模拟读出电路原型芯片ETROC0、4 × 4多通道阵列读出原型芯片ETROC1和时钟发生器独立测试芯片ETROCPLL均已流片,其中ETROC0、ETROC1均已完成实验室测试和束流测试,ETROCPLL完成了电子学测试和辐照测试。测试结果表明它们都满足设计要求,并具有良好的性能指标。集成了简化版阵列式可扩展I2C从机电路的ET2est芯片正在流片中,测试工作将于年底开展。全功能原型芯片ETROC2的设计工作基本完成,集成工作正在进行中,预计于2022年第一季度提交流片。

关键词： 电源管理器   LDO   低功耗   稳定性   瞬态响应  

摘要： 随着5G通信技术和集成电路的发展,电源管理器的重要性也日渐凸显,低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator,LDO)因其结构简单、静态功耗低、输出电压稳定和高的电源纹波抑制能力而得到了广泛的应用。特别是在小型化和高集成发展趋势下,如何保证在紧凑的面积内提高芯片的各项性能,如减小静态功耗延长产品使用时间、提高系统稳定性以及提高效率和带载能力是目前众多学者的研究方向。本文在已有的理论指导下分析了当前主流的无片外电容LDO的具体结构及性能指标要求,并且探索了每个性能指标的影响因素和各个指标之间存在的互相制约关系。特别地,本文在保证低功耗的情况下对LDO电路的稳定性补偿和瞬态响应做了改进。首先改进了已有的推挽级电路结构,使得在负载快速变化时能够迅速驱动调整管栅极电压,同时又设计了瞬态响应提升电路用于在负载变化时为调整管栅极充电或者使调整管快速放电来响应负载变化,这种结构使系统可以在快速瞬态响应的同时减小输出电压纹波。对于带隙基准电路结构在确保低功耗的同时通过在已有结构的基础上增加了一组共栅管来提高电源电压抑制比,进而为电路的其他模块提供更加纯净的电源。此外,整个电源管理器还包括了环形振荡器,非交叠时钟产生电路和负压电荷泵等结构。基于以上电路分析及结构,本文采用0.18um SOI-CMOS工艺设计并实现了一个应用于射频芯片的完整低功耗电源管理器,并进行了流片验证。仿真结果显示,设计的LDO在供电电压范围内输出电压为2.694V,温度系数为2.9 ppm/℃,静态电流为13.1uA,低频电源电压抑制比为-77dB,低频环路增益为92dB,相位裕度为74.42°,整体功耗为41.6uA。对流片后的电源管理器芯片进行测试验证,测试结果显示,LDO的输出电压为2.65V,比仿真结果小44mV左右,温度系数为4.1ppm/℃。最后将此电源管理芯片应用于给射频开关芯片供电,射频性能测试结果表明在全频段内插入损耗小于0.4dB,隔离度大于20 dB,这表明设计的电源管理器整体性能良好,具有一定的实用性。

关键词： LoRa无线组网   智慧消防   低功耗   多跳功能  

摘要： 火灾已成为生活中多发灾害,人们对消防系统提出更高需求。传统消防系统有线传输存在布线复杂、安装维护成本高等问题,无法满足消防系统发展需求。而使用Zigbee、Wi Fi等技术的无线消防系统在大规模应用上存在覆盖范围小、组网能力差、功耗高等问题。面向远距离、低功耗应用场景的LoRa无线组网技术在消防系统上的应用越来越受到重视。本文设计了基于LoRa无线组网技术的智慧消防系统,实现了LoRa网关、光电感烟探测器、可燃气体探测器、人体红外探测器等设备的软硬件设计,并且设计了LoRa无线网络协议,使这些设备能够互连互通,对探测覆盖区域实时监测,并将LoRa网关嵌入到智能消防终端上,对报警实时响应。探测器与网关之间的无线传输方式降低系统安装难度与维护成本。本文针对消防系统中电池供电终端节点的低功耗需求,从软硬件两方面入手,设计了低功耗的光电感烟探测器和人体红外探测器。并设计了基于RSSI（Received Signal Strength Indication）值修正的自适应发射功率控制算法,根据无线通信链路状态实时调节两个终端节点的发射功率,降低功耗延长设备使用寿命。通过实际测试,光电感烟探测器和人体红外探测器的待机功耗14.55u A,光电感烟然测器可使用5年以上,人体红外探测器可使用2年以上。针对智慧消防系统无线网络覆盖范围大、节点数量多、密度大的应用需求,并结合实际应用场景特点,本文采用网状拓扑结构,设计了多跳传输机制,扩大无线网络覆盖范围以及节点接入数量,同时设计了一应一答、网络检测、特殊数据处理等多种网络通信机制,保证系统可靠性。通过实际测试,设计的无线网络室内水平通信距离150米,垂直距离为2层楼高度,通信延时小于1.2秒。

关键词： 边缘“AI”   图像增强   MobileNetV2   分频电路   低功耗  

摘要： “边缘人工智能”（edged artificial intelligence,edged AI）将机器学习带到了移动端,为大数据的研究有效地降低了时间成本、经济成本、能源消耗,在人们的视线中逐渐明朗,众多行业中对边缘AI的技术研究也伴随着人工智能的发展与成熟逐渐崭露头角。随着气象现代化建设的进程,很多地方都建成了自动雪深探测仪,绝大多数地区都采用江苏省航天新气象科技有限公司自主研发生产的地面降水降雪探测（ground-baesd instrument shower-snow,DSS1）型雪深探测仪,在雪面天气,依托自动测量雪深的有效手段,在防灾减灾方面发挥了极大的作用,然而也不时出现一些错误数据。本文主要研究移动端雪面识别技术,从机器学习的角度出发,辅助雪深激光探测仪识别测雪板上的雪,降低误测率。本文以带有深度学习模块的嵌入式海思Hi3559A为硬件处理器,针对移动端设备内存小、算力低、供电不足、设备后期维护成本高等难题,设计了低功耗嵌入式雪面识别系统,主要研究内容如下:1.根据图像裁剪原理,从位置信息的角度出发,保留敏感像素点,尽可能避免图像裁剪带来的信息损失,有效减少计算量,提高图像分类的识别率;2.设计了图像增强算法,通过非线性变换Y分量修改图像亮度范围,使得当前场景下图像画质达到最优,在保持图像颜色信息的条件下提高清晰度,遇到霜冻、雾霾、降雨等天气,仍然可以正常识别;3.训练caffe1.0框架下的Mobile Net V2图像分类网络并移植到Hi3559A模组中,实现雪面的自动识别;4.在硬件电路中增加分频电路判断方波个数,电路全部采用场效应管以达到低功耗、低延时的目标;在测试环节中,主要进行了功能测试和性能测试两个方面,测试的结果表明模组能够实现图像采集、图像处理和图像分类、通用型输入输出接口（general purpose input/output,GPIO）输出功能。性能测试表明,平均功率2W,漏电流为0.031A,待机电流为0.185A,识别率99.7%,识别一张图片的时间为0.8s,可以应用于气象监测领域。

关键词： 温室   LoRa   低功耗   感知节点   自适应周期传输机制   数据压缩  

摘要： 及时、精准地监测环境参数,是温室种植实现精准调控、高效稳产的前提和关键。无线组网监测技术因其成本低、部署便捷、可全天候监测的优势,已被广泛应用于温室种植。无线监测网络的感知节点由电池供电,如何降低节点功耗,在有限的电量下延长整个网络的生存周期,是无线组网监测的核心问题。传统方案通过休眠机制,降低感知节点数据发送频次来降低功耗,但牺牲了监测实时性。本文设计一种基于LoRa的低功耗智能无线感知节点,使用自适应周期传输机制智能调控发送频次,兼顾监测实时性,并从硬件层面和数据层面出发,减小数据传输量,进一步降低感知节点的功耗,提升无线通信质量。本文主要研究内容如下:分析应用于温室环境下感知节点的设计需求,特别是防水防尘需求,确定防护壳选型,在此基础上确定总体设计方案及各器件的选型。感知节点硬件设计包括电源管理单元设计,处理单元设计,硬件开关电路设计,传感器及LoRa模块外围电路设计。其中设计硬件开关电路来配合休眠机制,降低节点功耗。设计了基于MM32L362PF的最小系统板,并依据防水外壳的尺寸需求,设计PCB并完成制作、焊接等过程,对感知节点实物进行组装调试。感知节点软件设计,首先通过格拉布斯准则进行数据预处理,保障采集精度;通过低功耗自适应周期传输机制,实现数据发送频率与监测实时性的平衡,并剔除冗余数据;最终通过基于数据压缩的低功耗数据传输协议,以最小的字节开销实现哈夫曼编码译码,进一步降低发送数据包的长度,以降低功耗,提升无线通信质量。测试结果表明,感知节点可稳定采集并传输温室环境数据,且原始数据经过去冗余和压缩后,无线通信质量显著提升,节点功耗明显降低,在无遮挡情况下,可实现1.2km内组网通信。