关键词： 功率检测   低功耗   无线LoRa   双传感器   高精度  

摘要： 针对工业上紫外光功率检测精度低、辐射大、功耗高等问题。提出一种基于低功耗单片机MSP430为核心控制器、两个紫外光电传感器为探测器、无线LoRa为数据传输方式的设计方案。该方案采用双传感器,通过减法放大电路实现光电转换和环境光滤除,并采用高精度可编程AD采集芯片实现对信号的可控放大以及将模拟量转换成数字量传输至主控制器MSP430,利用改进的滑动平均滤波法对采集的数据进行数字滤波处理,并计算出相应的功率值,通过无线Lora进行数据传输至上位机进行实时显示。研究与实验表明:整个系统运行稳定、精度高、功耗低、能远程实时检测紫外光功率变化,可广泛用于工业紫外光检测领域上。

关键词： 单片机   MSP430   超低功耗  

摘要： 本文以MSP430系列单片机设备为研究对象,对其基本功能特征进行介绍分析的基础上,从应用角度,对这一系列单片机设备在工业控制、智能仪表、计算机通信、日常生活这四个领域中的应用条件作出说明,为相关理论研究与技术开发提供参考材料。

关键词： Genomics   Bioinformatics   DNA   Tools   Sequential analysis   Instruction sets   Pipelines   DNA methylation motifs   motif finding   multi threads   MultiMotifMaker   Pacbio reads  

摘要： The methylation of DNA is an important mechanism to control biological processes. Recently, the Pacbio SMRT technology provides a new way to identify base methylation in the genome. MotifMaker is a tool developed by Pacbio for discovering DNA methylation motifs from methylated DNA sequences. However, MotifMaker is single-threaded and computational expensive for identifying methylation motifs from large genomes. Here, we present an efficient motif finding algorithm (MultiMotifMaker) by implementing multi threads of the MotifMaker. The MultiMotifMaker speeds up the motif search about 8-9 times on a 32 core computer comparing to MotifMaker. MultiMotifMaker makes it possible to identify methylation motifs from Pacbio reads for large genomes.

关键词： 多传感   多节点   自适应LMS   低功耗   可穿戴  

摘要： 老龄化程度的加剧和社会压力的增大,使得心血管疾病成为一种重要的社会问题:在老年人群中,大多数人患有不同类型的心血管疾病,如高血压;中年人群中,部分患有心血管疾病的人却不知晓其患病史;另外,一些心血管疾病只有在发病时才能监测到病理特征,如阵发性早搏。因此设计一套心脏长期监护设备对预防和治疗心血管疾病具有重要的意义。当前市场上的可穿戴心脏监护设备,存在监护参数单一,监护内容对于用户价值不明显,心电监护过程存在运动伪迹干扰等问题。为此,本文设计并实现了一套可穿戴多传感生理监测装置,该装置能够实时采集心电、心音、体温3种生理信号,并通过BLE4.0无线传输协议将数据发送到终端显示处理;显示终端能够向用户实时显示3种生理信号波形和相关医学参数。本文主要研究内容如下:1)装置设计成多节点形式:心音节点、心电体温节点和终端节点。心音节点和心电体温节点是传感节点,前者负责采集心音信号,后者采集心电、惯性和体温信号;终端节点是显示和处理节点;多个节点之间通过BLE4.0协议组网连接。2)硬件上,在2个传感节点中设计了信号采集电路、主控电路和电源管理电路。在信号采集电路中,心电、惯性和体温信号采集电路选用集成芯片设计;心音采集电路使用分立元件设计,包括信号放大和硬件滤波电路。3)软件上,在2个传感节点中设计了信号采集驱动程序,蓝牙传输必要的服务文件和低功耗管理方案;综合信号抗干扰性和低功耗需求,在心电体温节点中分别针对心电和体温信号设计了自适应LMS滤波器和中值滤波器。在终端节点中,设计了蓝牙Dongle数据转发程序、上位机显示和处理界面。其中,上位机基于Qt5.0设计,用来显示、存储和处理3种生理信号;信号处理部分分别采用Pan Tompkins算法和归一化平均香农能量算法来提取心电和心音信号特征参数。4)最后根据设计内容对装置进行性能测试,包括:传感节点硬件电气性能、生理信号采集质量和精度、终端节点特征波形识别精度和装置无线传输性能。最终实验表明,本文设计的装置,具有较低功耗,能够实时监护心电、心音和体温信号,且信号具有较强的抗干扰性;能够向用户提供多项医学参数计算结果。

关键词： 时钟数据恢复   连续时间均衡器   低功耗   多标准   有线串行接收机  

摘要： 边缘计算、自动驾驶、高清视频流和工业物联网等新技术和新应用的兴起,加速了高速串行接口的发展,单通道数据速率大约每3到4年就会提高一倍。然而随着速率提升,Ser Des芯片的功耗、信号完整性和电路复杂度等问题也会变得更加严峻,仅靠CMOS工艺的提升不能完全解决这些问题,这也是为什么高速低功耗接收机一直是研究热点。在此基础上,为了提供更加灵活的互连解决方案,降低定制SOC系统的时间和设计成本,并且满足不同的应用场景需求,本文所设计的接收机需要支持更多的高速电气接口标准,例如PCIe 4.0、DP 1.4、USB 3.2Gen2×2、SATA 3.2和JESD204B等。但是多标准的接收机会面临更多技术挑战,比如:交流耦合信道带来的数据相关型抖动、不同的数据速率和信道补偿要求、更高的抖动转角频率和抖动容忍度,甚至有些协议还要求接收机能支持扩频时钟。针对上述问题与挑战,本文开展了均衡补偿和时钟数据恢复技术的研究工作,基于SMIC 40 nm工艺,设计了一款速率高达20 Gbps的低功耗多标准接收机,并进行了流片和封装测试。首先,本文对目前主流的电气接口标准进行了深入研究。设计了抗工艺电压和温度变化的前端阻抗匹配网络,分析了连续时间均衡器(Continuous time equalizer,CTLE)在多标准下将面临的挑战,设计了一款高带宽、高增益且能满足多标准要求的CTLE。在结构上选用两级级联结构,第一级主要用于高频峰值增益补偿,第二级用于提升中低频增益以便改善串扰和趋肤效应等带来的长期残余ISI。采用负米勒电容技术和改进的负电容技术来拓展带宽,避免采用电感带来的面积增加。另外,在第二级均衡器的负反馈路径中插入了一组零点提供电路,进一步提高CTLE的带宽。为了提高峰值增益带宽的调节范围,每级均衡器的尾电流和退化电容都是可调的。为了增加直流增益的调节范围,本文还在负反馈回路上加入了两个差分放大器来提高反馈路径增益,因为更大的反馈增益有利于拓宽DC增益下限。后仿结果显示本文设计的CTLE最大boost增益有几乎30 d B,最大低频增益调节范围可以从-18.4 d B到4.9 d B,峰值增益带宽可以从3.7 GHz调节到11.4 GHz。当接收机用在数据速率较小(<10 Gbps)的接口标准中时,可以通过关闭某个或全部负电容电路和调节尾电流大小,来进一步降低功耗。其次,在充分了解多标准对时钟数据恢复电路(Clock and data recovery,CDR)的性能要求和考虑到有些标准需要多个接收通道后,选用最适合多标准接收机的CDR结构,即相位插值型数字CDR。本文最终实现4通道接收机,因为采用PI-CDR结构,通道之间可以共用一个锁相环,这将极大节省芯片面积和功耗。再仔细分析了CDR中各个子模块的噪声,建立了整个CDR的带噪声简化频域模型,有利于整体性能评估。接着探讨了环路增益、延迟和工作频率等参数对CDR抖动性能和频率追踪范围的影响,为电路设计奠定了基础。为了降低鉴相器的量化噪声,设计了一种基于滑动平均滤波器的多数投票器,该投票器具有结构简单,功耗面积要求低的特点,能够提前滤除鉴相器的冗余输出结果。还提出了一种新型的具有部分噪声整形的高速数字滤波器(Partial-noise-shaping based digital loop filter,PNS-DLF),很好地降低了数字滤波器中由于加法器的输出截断产生的量化噪声,从而提高了抖动容忍度,并且没有消耗太多的面积和功耗。通过减小相位累加器的位宽、采用超前进位加法器和全定制数字版图设计,充分挖掘了工艺潜能,使得数字滤波器的工作频率最高可达5 GHz,这不仅提高了抖动带宽,还进一步改善了抖动容忍度。最后,本文基于SMIC 40 nm工艺和先进的扇出型封装技术,实现了一款支持多标准、速率范围为5～20 Gbps的高性能有线接收机。封装后实测结果显示:经CTLE恢复的10 Gbps数据,在大于14 d B损耗下,眼图张开有0.68 UI。输入的10 Gbps PRBS-31数据经过5000 ppm SSC调制后,在10误码率下,测得接收机的高频(>50 MHz)抖动容忍度依然有0.34 UI,抖动转角频率大于10 MHz,满足目前主流标准的抖动容忍度模板。相比于未采用PNS-DLF的常规数字CDR,本文接收机的高频抖动容忍度有0.05 UI改善,能更好满足DP 1.4,PCIe 4.0和USB 3.2Gen2×2等比较严格标准的要求。因为CDR的频率追踪范围高达±31 kppm,所以本文提出的接收机更能适用于某些需要支持SSC应用的标准。在1.2 V电源电压和22 d B信道损耗下,输入为20 Gbps PRBS-31数据时,内建PRBS检测器测得误码率小于10,在包括锁相环功耗情况下

关键词： OLED   显示设备   MIPI   低功耗驱动   摆率  

摘要： 显示设备作为人与信息重要的传输媒介,从单一走向多元化,向更大尺寸、高分辨率、色彩丰富等方向发展。为匹配新的显示设备,接口性能要求逐渐提高,MIPI接口(Mobile Industry Processor Interface,移动产业处理器接口)以更低功耗、更高数据传输速率、多工作模式等优势成为广泛研究的热点。本论文基于一款高分辨率AMOLED显示面板,研究设计一种应用于显示设备的低功耗MIPI接口电路,整体电路架构包括低功耗发射、低功耗接收、电源与高速接收模块等。其中低功耗发射器在推挽输入端采用数字信号控制的非对称多支路电流源阵列对RC结构充电,以降低输入信号摆率;并在推挽结构输出端连接多阻抗支路,在输出端调整信号摆率。低功耗接收模块采用迟滞比较器结构降低接收信号的噪声敏感度。此外还进一步设计了MIPI低速时钟振荡器模块,用于低功耗模式下时钟参考。最后,基于UMC 80nm CMOS工艺完成整体MIPI芯片设计,芯片面积为4917um*631.4um,后仿结果表明,低功耗发射模拟电源最大功耗为4.33m W,数字电源最大功耗为50.99u W;标准模式下,负载在0-70pf下,最大输出摆率为369.9mv/ns;低功耗接收V=737mv,V=693mv,迟滞范围为48mv,MIPI各电路模块能正常工作,达到设计要求。

关键词： 测控通信模拟器   仿真软件   轨道仿真   多线程   串口  

摘要： 卫星测控通信模拟器是一种专门与地面测控通信系统在卫星发射前进行联试和对接的仿真设备,主要用于验证地面测控通信系统在接口、信息交换、测控程序的正确性和协调性。在历次卫星发射测控中,测控通信模拟器发挥了至关重要的作用。随着我国第三代航天测量船的投入使用并将参加各项测控任务,为确保测量船测控通信系统的功能正确,必须利用卫星测控通信模拟器进行联试检验,为新测量船研制新的卫星测控通信模拟器成为必然。在分析了卫星模拟器硬件系统功能特性的基础上,本文给出了基于MVC设计模式的多任务多型号的卫星测控通信模拟器仿真软件的设计思路,以MFC应用软件为基本框架,采用多线程技术和模块化技术设计了数据库交互、外测仿真、遥测仿真、网络数据收发、串口侦听、显示等功能模块。本文分析了各个组成模块的功能和实现原理,对卫星模拟器全态和简态仿真模式以及系统内部的调试支持做了进一步的分析探讨。卫星测控通信模拟器仿真软件可以为其它卫星等卫星实仿真任务提供基础平台支持。其模块化的设计使得仿真软件具有良好的可移植性、可扩展性。

关键词： 设施环境   信息采集   无线传感器网络   动态休眠   低功耗  

摘要： 环境信息监控对设施农业生产工作具有重要意义,无线传感器网络技术在设施农业环境信息采集系统中得到了广泛应用,对于不便于架设电源线而采用电池供电的设施环境信息采集系统,如何降低系统能耗、提高电能利用效率已成为研究热点。本文针对这一问题设计了一套低功耗无线环境信息采集系统。本文对系统软硬件结构、组网模式、节能算法等部分进行了研究,开发了一种基于Wi-Fi的无线设施环境信息采集系统,并设计了动态休眠节能算法,实现了系统的低功耗稳定运行。系统由数据采集节点和数据汇聚节点组成,各节点由STM32F103VET6单片机、无线通信模块、环境参数传感器等部分组成。数据采集节点采集环境数据,采集完成后通过无线网络将数据发送至汇聚节点,汇聚节点接收数据后通过无线网络将其发送至服务器。为降低采集系统功耗,设计了三种动态休眠算法,即参数增量计算法、参数增量速度计算法、参数增量加速度计算法。首先在算法中确定环境参数采集周期和参数变化量预设值,参数增量计算法每一周期采集一次数据,将最新采集的参数值与初始时刻参数值做差后确定该段时间内的参数增量,如果参数增量不小于预设值,则开启网络发送该时刻数据,否则不开启网络;参数增量速度计算法和参数增量加速度计算法分别根据单位周期内参数变化量计算参数增量速度和参数增量加速度,根据计算结果确定参数变化量达到预设值所需时间,到达该时间后开启传感器和无线传输通道采集并发送数据。对系统进行组网测试后表明:本系统网络运行稳定、收发数据准确。为了研究不同功耗节点的降能效果,将采集节点按耗能量分为低功耗节点、中等功耗节点和高功耗节点,并设计了节能效果验证试验和数据准确性验证试验。节能效果验证试验表明:对带有高功耗传感器的节点加入三种算法后系统运行时间分别为不加算法时系统运行时间的1.8倍、2.27倍、2.1倍。参数增量速度计算法最节能、参数增量加速度计算法次之、参数增量计算法节能性最低。对三种算法数据准确性试验表明:节点加入三种算法后所采集的数据与理想值偏离率分别为6%、13.5%、6.5%,能够满足一般设施农业环境信息采集系统需求。系统已应用于河北省饶阳县水果温室大棚和河北省武邑县志豪畜牧科技有限公司羊舍。根据用户实际需求,温室大棚选用参数增量加速度计算法、羊舍选用参数增量计算法。系统运行稳定可靠,能耗低,可远程监测设施农业环境参数信息。

关键词： 高分辨距离像   目标识别   多线程   并行计算   统一计算架构  

摘要： 现代战争对雷达的自动化和智能化水平提出了较高的要求,以雷达目标识别为代表的智能信息处理技术受到了广泛的关注。随着雷达信号带宽的持续提高以及识别数据库中目标种类的不断增加,给实时地完成目标识别任务带来了极大的挑战。由于雷达目标识别任务具有良好的并行结构,高效的并行处理算法成为了目标识别技术领域的研究热点。与此同时,以中央处理器(CPU)和图形处理器(GPU)为代表的硬件处理器的并行处理能力也越来越强大,这为雷达目标识别算法的并行加速提供了可能。基于上述背景,本文开展了雷达高分辨距离像(HRRP)识别相关算法的并行设计研究,并在多核心CPU处理器硬件平台和CPU+GPU的异构平台下进行了算法实现。主要工作内容概括如下:1.结合线性调频脉冲体制雷达HRRP识别流程,对每个环节常用算法的原理进行阐述。首先介绍了针对大时宽带宽信号脉冲压缩处理的分段脉冲压缩算法;然后介绍了针对相参积累期间目标越距离单元走动问题的Keystone变换及其两种常用实现方式,即DFT+IFFT算法和Chirp-Z算法;接着介绍了针对HRRP数据敏感性问题的常用预处理方法;最后介绍了四种经典的统计识别模型和卷积神经网络识别模型。2.阐述了CPU和GPU处理器硬件结构的区别,然后给出了针对多核心CPU处理器并行编程的C++11多线程编程方法,以及针对NVIDIA GPU处理器并行编程的统一计算架构(CUDA)的编程、执行模型。最后给出了CUDA并行编程的调试分析方法及内核优化技巧。3.详细分析了HRRP识别流程中各算法的并行结构,针对性地设计了相应的并行实现方案,完成了各个算法在CPU平台下的单线程实现和多线程并行实现以及在CPU+GPU平台下的多线程并行实现。通过仿真实验检验了各算法在两种并行实现方式下的运行结果,并以CPU单线程运行时间为基准,对比分析了两种并行实现方式下的加速效果。其中,分段脉冲压缩算法、DFT+IFFT算法、Chirp-Z算法、迭代对齐算法、最大相关系数(MCC)分类器和自适应高斯分类器(AGC)的建模、MCC识别、AGC识别、因子分析(FA)建模和复因子分析(CFA)建模过程的CPU多线程实现可以达到3～5倍的加速效果,相应的GPU并行实现也都可以达到5倍以上的加速效果;此外,基于卷积神经网络的识别方法也取得了一定的加速效果。这说明基于CPU的多线程并行实现方式和基于CPU+GPU异构平台的并行实现方式能够显著提升雷达目标识别任务的实时性。

关键词： 非刚性配准   心脏图像   互信息   统计形状模型   多线程   并行优化  

摘要： 社会经济的发展和生活方式的变化,尤其是人口老龄化进程加快,心血管疾病流行趋势明显,发病率和死亡率逐年升高,已成为威胁人类健康的主要危险因素,心血管疾病的预防和早期诊断对减少该疾病导致的死亡率具有重要意义。临床上,利用多种影像分析心功能参数、辅助诊断和治疗心脏相关疾病已广泛应用于工程实践,医学图像分析方法在此过程中发挥了重要作用。图像配准作为医学图像分析方法中重要的组成部分,可以将不同时相或不同模态的影像进行后处理,有效融合图像间的空间结构和解剖学信息,在检测疾病变化、指导临床诊断及疾病治疗等方面存在广泛的研究和应用价值。许多临床应用依赖于形变配准,而相似性度量方法的选择是决定能否精确配准的关键因素。根据度量方法的不同,医学图像配准大体上分为基于灰度信息的配准和基于特征的配准,其中,基于灰度信息的配准是利用图像之间灰度信息度量的相似性确定配准质量,但该方法较少考虑图像间的空间关系、目标结构形变等影响,而且,互信息并不是一个凸函数,在配准过程中容易陷入局部最优造成错误对齐的风险。基于特征的配准方法主要采用不同的特征描述符或相似性度量准则确定配准的准确性,其配准精度依赖于特征提取的差异。本文主要以互信息非刚性配准为研究背景,在此基础上融入了目标形状先验特征引导心脏图像的多模态配准过程,并对提出算法的具体效果和性能进行了较为深入的研究。本文的主要研究内容可概括为以下几个方面:1.针对互信息方法仅考虑图像间的灰度统计关系,在多模态图像配准中由于灰度信息差异较大,配准效果不理想等问题,本文提出一种结合统计形状模型约束的多模态心脏图像配准方法。首先,基于图谱标签图像提取目标形状特征点建立统计形状模型,它通过标签图像训练集的建立、模板标签图像形状特征点的提取和模板形状到待标记形状特征点的自动传递来完成。然后,本文在基于统计形状模型的基础上,利用学习得到的形状先验构建约束项,形成新的代价函数引导多模态心脏图像配准过程。最后,通过具体的实验结果表明,本文提出的方法相较于单互信息的配准方法配准精度有明显提升。2.针对统计形状模型算法运算量大,计算时间长的缺点,本文基于并行计算思想对统计形状模型算法进行了优化,提出了基于统计形状模型约束的快速配准算法。首先,本文对统计形状模型算法的具体计算过程做了较为详细的分析,并研究了导致统计形状模型算法耗时的具体原因。然后,在基于多线程并行计算方法的基础上对导致该算法耗时的梯度计算过程做了优化,并对其进行了实现。最后,通过实验证明了该方法的有效性,在保持配准结果精度不变的情况下大幅提升了算法的性能。