关键词： 车道线检测   CUDA加速   Hough变换   多线程  

摘要： 近年来,信息技术、人工智能等领域迅速发展,带动传统汽车制造业纷纷转型,智能化已成为汽车行业发展的必然趋势。汽车智能化的关键在于感知、决策和控制,而汽车环境感知技术是实现车辆路径规划和决策的基础,其中车道线检测技术作为车辆环境感知的重要内容,已成为许多高级辅助驾驶系统的基础。因此,本文对基于CUDA加速的车道线检测算法开展研究。首先,本文面向复杂的城市道路环境,开发了具有良好环境适应性的车道线检测算法,其过程由图像预处理、Canny边缘检测、Hough变换直线检测、车道候选线的筛选以及弯道拟合五个步骤构成。其次,为提高车道线检测的实时性,结合GPU在图像处理领域的最新发展,阐述基于GPU的CUDA编程模型和存储模型,分析CUDA并行优化策略,作为后续并行优化车道线检测算法的基础。然后,基于CUDA进行车道线检测算法优化,利用OpenCVuda模块库进行图像预处理,针对经典Hough变换直线检测方法,提出一种改进的并行Hough变换直线检测方法,使用多线程独立进行空间坐标转换计算代替串行循环计算,对于车道线的筛选同样基于CUDA并行性,使每个线程各自对应一组参数进行约束条件判断。最后,采集城市道路场景作为实验数据集,基于服务器以及嵌入式开发板TX2作为实验平台,进行复杂交通场景下车道线检测实验。对比CUDA加速优化前后车道线检测效果,并进行耗时统计与分析,验证改进的并行车道线检测算法的有效性和实时性。

关键词： 压电能量收集   多自由度   低宽频   低功耗   应用性试验  

摘要： 目前,物联网(IOT)技术已经在各行各业取得了广泛的应用,无线传感器网络技术在物联网技术的发展过程中起到了至关重要的作用,但其电池更换难的问题成为了掣肘无线传感网络、乃至物联网技术取得进一步有效发展的原因之一。国内外针对此问题相继提出多种能量收集方案,如太阳能、风能、机械能等,其中以机械能-电能转换为核心的压电能量收集技术因其结构简单且转换效率高的优点而脱颖而出,但目前以压电能量收集技术作为自供能部分的低功耗无线传感器因其覆盖频率较窄且输出能量低等问题而有待进一步研究解决。因此本文摒弃以输出频带窄而著称的传统单自由度压电振子的角度,选择从多自由度压电振子的角度出发,基于Timoshenko梁理论提出多自由度L型压电振子,并在此基础上,结合实际工程机械姿态角检测的应用需求,依次研究了多自由度压电复合振子的低宽频特性及应用性能,主要研究内容如下:(1)多自由度压电收集机理分析。介绍并阐述压电能量收集的关键理论基础,分析并建立多自由度L型压电振子的动力学模型及压电耦合模型,得出其影响压电能量转换效果的关键影响参数。(2)多自由度压电复合振子低宽频特性研究。分析验证有限元方法中材料、载荷及边界条件参数设置的合理性。研究载荷、材料及尺寸参数对多自由度压电振子能量收集效果的影响规律并确定最优参数。提出并分析6种不同布局简化结构并得到最优布局结构。提出并研究紧凑型及非紧凑型压电复合振子的低宽频特性,并与同尺寸传统压电复合振子比较,确定多自由度压电复合振子的在低宽频特性方面的优势。(3)完成压电能量收集节点及低功耗无线传感器节点软硬件设计及开发。分析现阶段自供能无线传感器的应用需求,完成压电能量收集节点、低功耗无线传感器节点软硬件设计。(4)试验验证了紧凑型压电复合振子的理论性能及应用性能。搭建振动式能量收集试验台及工程机械应用性测量试验平台。分别完成关键参数影响规律验证试验、紧凑型压电复合振子低宽频特性试验及应用性试验。结果表明,关键参数影响规律与多自由度压电复合振子试验结果较仿真分析结果大体一致,在幅值及带宽上因为实际安装时不可避免的摩擦损耗及理论仿真分析时环境较为理想等原因,存在一定差别。应用性结果在压电复合振子第一个频率范围内扫频激励信号收发的等待时间为53 s,第二个频率范围内的等待时间为76 s,第三个频率范围内的等待时间为96s。

关键词： 边缘计算   计算卸载   任务划分   主从协作  

摘要： 云计算的出现极大促进了应用的爆炸性增长,但是云计算也存在无法解决的难题。接入云计算之后,应用的所有数据都将通过集中式的云计算平台处理。随着互联网的发展,越来越多的实时应用随之出现,对于互联网延迟的要求越来越高,云计算无法解决长距离传输的限制,使延迟居高不下。应用的实时性需求遇到了一定的瓶颈。用户的需求面临了极大的挑战。为解决这一问题,边缘计算随之诞生。它在近用户端建立一些服务器,让用户的某些请求通过这些服务器处理后直接返回到用户端,以此来解决延迟问题。目前业界对于边缘计算仍存在两大瓶颈,一个是如何通过资源调度降低处理任务的延迟问题,另一个就是因为许多边缘设备装置是由智能手机等便携式终端提供的,此时就需要考虑终端的续航问题。本文针对目前边缘计算资源调度领域研究的任务划分相关工作进行分析,认为将任务划分成许多子任务并且将这些子任务分别卸载到不同服务器上,以此来解决用户设备计算功耗问题是可行的。为了解决此问题,本文设计了一种基于分支限界法的资源调度算法。在此基础上,本文还设计了一种基于贪婪的算法,该算法可以快速求解出一个可行的次优解。在后续仿真中可以看出,基于分支限界的算法充分利用了任务的容忍延迟和边缘—云节点的资源,有效降低了用户设备的功耗。基于贪婪的算法得出的次优解与最优解差距最小可以达到1.8%。对于边缘节点设备的优化方面,本文提出了一个基于休眠态的任务调度算法来降低边缘节点功耗。该算法将边缘节点的休眠模式加入到调度当中来。通过将边缘节点拆分成多台小型设备来提高进入休眠设备的占比。在此基础上通过资源调度,发挥设备休眠时功耗低的特点。除此之外,调度的过程中还保证了任务最大容忍延迟。实验表明,该算法能有效降低系统整体功耗,在任务相对空闲的测试中,最高比原始算法降低了27.9%的能耗。

关键词： 随机数   随机性测试   NIST SP 800-22   并行计算   多线程   CUDA  

摘要： 随机数在科研领域和工程技术领域的许多方面都有非常广泛的应用,比如科学模拟、统计抽样、深度学习、光纤传感、雷达测距、数字扩频通信等。尤其在信息安全方面,随机数在密钥生成、数字签名及各种密码协议中发挥着至关重要的作用。随机数设计方案包括伪随机数发生器和物理（真）随机数发生器。伪随机数发生器主要由数学算法和种子构成,一旦获取该种子值和算法,就能完全复制输出序列。物理随机数发生器则利用自然界真实存在的随机现象,但是受到外界干扰或人为攻击,所产生的随机数仍可能被预测。在保密通信中,如果攻击者预测并获取所使用的随机数,就可能导致整个系统被破解,从而导致严重的信息泄露。所以无论采用何种方式产生随机数,都应该经过严格的随机性检测,它是对随机数的质量或随机数发生器的可靠性进行验证的关键环节,如果能对实际应用中的随机数进行高速甚至实时测试,就能及时发现由于随机数质量下降而带来的安全隐患,所以对其测试效率提出高效、实时的要求。随机性测试利用统计学原理直观地评估随机序列的质量,也是评判一个随机数发生器是否合格的手段。美国标准技术研究院（NIST）发布的SP800-22随机数测试标准是目前被各国广泛认可的测试标准,由于其严格性和算法的复杂性,导致测试过程非常耗时。本论文评估了各项测试的耗时情况,深入分析了最耗时的非重叠模板匹配测试和次耗时的线性复杂度测试,通过设计并行算法并利用多核CPU和GPU硬件提升了这两项测试的性能,论文主要工作包括以下两个方面:1、研究随机数测试标准NIST SP 800-22的统计学原理及各项测试的涵义。通过耗时分析,选取耗时多的非重叠模板匹配测试和线性复杂度测试作为研究对象。研究CPU多线程处理技术和CUDA的编程模型、硬件结构,了解并行程序的设计思想。2、分析以上两项测试的算法原理和测试流程,设计并行计算方法,使用CPU多线程处理技术及CUDA架构实现并行计算程序。分别在不同参数及计算规模下评估改进测试的加速效果,实验结果表明两项测试的并行实现都具有良好的加速比,且GPU计算方案的加速效果更好。

关键词： 无损压缩   硬件加速   FPGA   Hadoop   龙芯  

摘要： 随着大数据、人工智能的高速发展,大数据系统平台数据量的规模呈爆炸式增长,庞大的数据量对数据存储和网络传输提出了不小的挑战,为了应对这一系列挑战,必须保证大数据平台数据存储中心的高效率存储和网络传输的高吞吐量,对平台上待存储的数据先进行压缩后再处理是应对这一挑战的有效手段,Gzip压缩算法因其压缩率高、压缩速度快被广泛应用于数据压缩领域。传统的Gzip软件压缩虽然可以实现数据压缩,但会占用通用处理器大量的时间以及消耗大量的内存资源,压缩效率也无法满足大数据系统实时处理的要求,而使用硬件压缩异构加速方案则可以避开软件压缩的这些问题。本研究从这一角度入手,基于FPGA实现了支持HDFS文件系统压缩操作的Gzip硬件压缩加速器,并应用于龙芯大数据平台上实现系统的性能优化。本研究先对Gzip压缩算法原理进行剖析,提出了一种支持高位宽CRC校验的基于FPGA的流水并行结构的硬件静态Gzip压缩方法,以流水式结构进行字符匹配,极大提高了匹配字符串的效率,并利用压缩核调度器调度多路压缩核并行压缩,实现高度并行结构。之后使用verilog语言将该Gzip硬件压缩算法在Alpha Data ADM-PCIE-KU3 FPGA硬件加速平台上实现并测试。测试表明,Gzip硬件压缩加速器端到端的压缩速率可以达到1 GB/s以上,使用Calgary测试集实现了2.1的压缩比,使用Silesia测试集实现了2.2的压缩比,相比软件压缩提升了69倍的加速比。最后,以自研为背景,自主设计FPGA硬件加速卡并在加速卡上运行Gzip硬件压缩算法逻辑,实现高度自研的硬件压缩加速器,将该硬件压缩加速器与龙芯大数据平台相结合,对龙芯大数据系统的数据存储的压缩操作进行硬件加速,提高了龙芯大数据平台的整体性能。本研究弥补了国产大数据平台硬件压缩加速的空白,对于优化国产大数据平台性能有着重要的研究意义。

关键词： 阻变存储器   氧化钽   氧化铝   低功耗   高一致性  

摘要： 为解决主流非易失性存储器-闪存(Flash)的微缩极限问题,近几年涌现出一系列新型非易失性存储器:磁存储器、铁电存储器、相变存储器和阻变存储器;其中阻变存储器(resistive random access memory,RRAM)由于结构简单、操作速度快、集成密度高等优势从中脱颖而出。然而,阻变存储器的低一致性及高功耗仍是其实现应用的两大障碍。为了优化器件的一致性及功耗性能,本文选择具有高耐久性的氧化钽作为功能层,开展了如下主要工作:首先,采用磁控溅射方法沉积薄膜,构建了以“ITO/TaO/TiN”为基础结构的RRAM器件单元;优化了功能层氧化钽沉积工艺关键影响因素氧分压,并讨论了氧化钽厚度对器件电特性的影响,得出最佳氧分压为5%(五氧化二钽陶瓷靶),最佳厚度为10 nm,将器件的耐受性提高至10万次。其次,从电极工程的角度对比了三种结构:ITO/TaO/TiN、ITO/TaO/Pt和Ag/TaO/TiN器件性能,分析了ITO/TaO/TiN低操作电压(V/V为36 mV/-109 mV)和高一致性的机理:ITO电极的富氧特性使得功能层中形成氧浓度梯度,有利于操作电压的降低;此外,TaO/TiN界面形成的TiON层可以防止氧流失并将阻变行为限制在该层附近,使得ITO/TaO/TiN具有高一致性。最后,在ITO/TaO/TiN结构基础上插入氧化铝层,通过优化氧化铝插层位置和厚度,将器件的操作电流从mA级别降低至100 nA,器件的set和reset功率降低至586p W/40.2 nW;当氧化铝插层厚度为10 nm时,器件在10μA的操作电流下可循环1万次。通过肖特基发射公式计算得知,插入氧化铝层后器件的肖特基势垒高度几乎升高一倍;氧化铝层提供额外的氧离子,使导电细丝断裂的空隙变大,导致器件功耗的降低与窗口的增大。基于本文实验结果与分析,证实了合适的电极结构和插层材料,可以提高器件一致性、降低器件功耗,为高一致性、低功耗阻变存储器研究奠定了基础。

关键词： 窄带物联网   北斗卫星导航系统   救援终端   双模通信   低功耗  

摘要： 随着经济的发展和人民生活水平的提高,参与野外徒步旅行和作业的人员越来越多,随之带来野外人员遇险情形增加。当前常用的手机、卫星电话、对讲机等野外通信终端由于通信信号覆盖受限、功耗大、无生命体征检测等原因存在通信可靠性低、电池续航能力不足、缺少针对野外场景的个性化服务等问题。野外人员遇险时,如能及时发出求救信号、准确报告遇险位置,则能极大提高救援效率和成功率。因此开发一款通信可靠、电池续航能力强的野外救援终端具有很好的实用价值。本论文的主要研究工作是救援终端软件的设计与实现。通过对救援终端软件的需求分析和评估,并对主流物联网无线通信技术和定位技术的对比研究,论文选用窄带物联网（Narrow Band Internet of Things,NB-IoT）作为终端主要通信传输技术,北斗二代作为终端定位和辅助传输技术。针对终端成本、功耗、体积等需求,论文选用基于ATSAMD20J18A单片机为主控的硬件设计方案,终端软件在单片机芯片上运行。在终端软件的数据发送与接收、功耗控制、双模通信等功能和性能需求详细分析与研究基础上,针对终端硬件平台,本文对当前软件设计方案的不足进行优化,设计了软件系统设计方案。基于该方案,研究和设计了终端数据发送过程,终端数据接收过程,基于NB-IoT和北斗短报文的双模通信切换控制,基于各硬件模块的工作模式和软件实现进程的低功耗动态进程组调度等详细设计流程。最终在ATSAMD20J18A单片机上进行编程实现,并与终端硬件完成系统集成。课题搭建了由系统平台、NB-IoT现网、北斗现网、救援终端样机构成的测试验证平台。测试结果表明,本文设计的救援终端软件能实现数据采集与解析处理、精确定位、一键求救、信息上报和故障提示的业务功能。NB-IoT和北斗短报文双模通信切换成功率达到97.33%,通信成功率达到95%以上。终端设备在正常工作与待机模式下,续航7天左右。

关键词： 光电探测器   隧穿晶体管器件   范德华异质结   石墨烯夹层结构  

摘要： 二维层状材料种类繁多、性质多样。涵盖了半金属、半导体、绝缘体、拓扑绝缘体、超导体等多种材料类型。与传统材料相比，二维材料具有优异的机械物理性能、宽的禁带宽度分布(0～6eV)、厚度依赖且可调的能带结构，在光电器件和微电子器件领域均表现出了巨大的应用前景。二维材料具有独特的层状结构，层内原子之间通过共价键结合，而层与层之间则通过范德瓦尔斯相互作用堆积而成，完全没有悬挂键，这样就可以不用考虑晶格失配带来的影响，可以任意堆垛二维材料来构建复杂的异质结结构，在多样的二维材料中取长补短，为实现多功能光、电器件提供了可能。此外，二维材料是原子级厚度的平面材料，将二维材料进行垂直堆垛构建垂直异质结，能够实现原子级厚度的导电沟道，进而获得更短的载流子渡越时间、更高的载流子收集效率以及更可控的沟道调控，有助于进一步提升光电器件和微电子器件的各项性能及集成度。　　本论文主要研究了基于范德华异质结的光电探测器和隧穿晶体管器件，通过材料性能分析，器件结构优化、能带静电调控等手段提升了器件的性能、降低了器件的工作能耗，具体内容如下:　　1.制备了基于石墨烯夹层结构的GaSe/WS2垂直异质结光电探测器，该器件展现出了紫外-可见光的宽光谱响应。石墨烯夹层的垂直结构有效缩短了光生载流子的输运沟道，提高了光生载流子的收集效率，器件光响应度高达149A·W-1，同时响应速度低至37μs。研究结果还揭示了异质结结区内建电场的存在能有效地分离光生电子空穴对，使得器件即使在无外加偏压的情况下也可以工作，自驱动光电探测得以实现。　　2.选用具有窄直接带隙、小载流子有效质量、高载流子迁移率的材料黑磷(BP)和InSe，制备了基于石墨烯夹层BP/InSe垂直异质结的隧穿晶体管。得益于石墨烯夹层垂直结构带来的大隧穿面积和高界面质量，在该器件中实现了高达1002A/m2的负微分电阻区电流密度和108的开关电流比，有效地改善了隧穿晶体管长期存在的隧穿电流小、调控效率低的问题。此外，栅压调控下表现出的多样输出特性也证实了栅极电场能有效地调节异质结的能带构型，是实现带带隧穿的有效途径。

关键词： LoRa   GPS   物流资产定位   低功耗  

摘要： 物流资产的定位是物流行业中非常重要的一个服务,其中使用GPS感知定位是室外环境下进行追踪的重要方法。然而,传统的GPS定位解决方案需要花费很多能量去解析卫星信号。这对于移动终端来说是一个很大的挑战,因为移动终端往往使用便携式的电池,能量有限且不易补充。本文为解决这个问题,做了如下工作。1、首先对现有的常用物流资产定位方案和移动网络通信技术以及GPS能耗模型进行深入调研,分析了传统物流定位系统中存在本地计算量大而导致终端功耗高的问题,结合LoRa网络功耗低、传输距离远的特点,提出一种基于LoRa通信技术与GPS相结合的低功耗物流资产云端协同定位方法,将定位计算转移到云端以减少定位终端的能耗,并设计了物流资产定位的系统架构。2、针对云端协同定位方法,本文对物流资产定位系统进行软硬件设计。硬件设计方面,以GPS采集芯片MAX2769与MCU+LoRa的系统集成模块为基础设计了终端节点,并设计实现起转发功能的LoRa网关集中器,实现了整个系统的搭建。软件设计方面,采用了基于星型网络结构的低功耗远距离数据传输方案,重点设计低功耗方案,采用基于信道活动检测的休眠唤醒机制和自适应数据传输策略确保系统的整体低功耗性。整个软件系统,实现了定位终端采集GPS原始数据后通过LoRa射频芯片将发送至网关并转发到上位机的传输过程。3、最后搭建系统测试环境,对定位系统进行功能和性能测试。云端上位机检验处理接收到的中频定位数据后,交由对应软件解析计算并显示相应定位结果。经过不同环境下的实验测试表明,系统在相同定位精度条件下降低了定位终端22.8%的能耗,满足功能定位和实际应用需求,适用于物流园区大范围组网和定位。

关键词： 热电能量获取   多模式Boost转换器   三模式调节   失调校准比较器复用   低功耗  

摘要： 无线传感器网络(WSNs)应用广泛,发展迅速,它们监测和采集各种信息,通过WSNs节点对信息进行分析处理,再通过射频收发机等传送到智能终端。WSNs节点多用传统电池供电,但这种供电方式逐渐暴露出续航能力差、设备体积大和环境污染严重等问题,于是环境能量获取代替电池为WSNs节点供电成为了人们研究的热点。环境中的能量有热能、太阳能、振动能和射频能量等,其中热能密度相对稳定且较大,非常适合WSNs中的可穿戴应用。然而,当人与环境温差较低时,系统获取的能量极其微小,热电发电机(TEG)的开路电压可能低至十几毫伏,因此需要设计高性能的升压(Boost)转换器。目前,人们研究的重点主要在降低开路电压、提高峰值效率和解决自启动问题三个方面。本文提出了一种应用于热电能量获取的多模式低功耗Boost转换器,最大程度降低最小输入电压,降低功率损耗,提升功率转换效率。根据输入电压的不同,转换器可工作于非连续导通模式(DCM)、临界导通模式(CRM)和连续导通模式(CCM)三种工作模式。并设计了与工作模式相对应的最大功率点跟踪电路(MPPT),最大化能量传输,提升功率转换效率。当转换器输入电压范围10m V-40m V时,电路采用DCM工作模式,MPPT采用恒定峰值电流控制的方式;在输入电压范围40m V-100m V时,转换器采用CRM模式进行过渡,MPPT采用恒定导通时间控制的方式;在输入电压范围100m V-500m V时,转换器采用CCM工作模式,MPPT采用与CRM模式MPPT复用的方式。为了提高电路鲁棒性,降低设计复杂度,本文设计了一个高性能失调校准比较器用于电感电流检测,可在DCM、CRM和CCM三种工作模式中复用。最后,采用太阳能预充电和低电压启动相结合的方式解决了Boost转换器的启动问题。本文基于SMIC 0.18μm标准CMOS工艺,使用Cadence Spectre仿真工具对设计的Boost转换器进行后仿真验证。后仿结果表明,本文设计的Boost转换器输入电压范围可达10m V-500m V,输出电压稳压在1.4V左右。转换器在DCM模式下输入范围是10m V-40m V,10m V输入电压下的负载电流为1.33μA,静态功耗为1.5μW,转换效率可达39%;转换器在CRM模式下输入范围是40m V-100m V,60m V输入电压下的负载电流为112.2μA,静态功耗为12μW,转换效率可达80.6%;转换器在CCM模式下输入范围是100m V-500m V,280m V输入电压下的负载电流为2.41m A,静态功耗为41μW,转换效率可达峰值93.6%。