关键词： Sigma-Delta调制   两步式   高精度   低功耗  

摘要： 论文设计了一种应用于传感器接口电路的低电压、低功耗、高精度的Sigma-Delta模数转换器。综合比较了几种Sigma-Delta ADC结构的优缺点,最后采用了一种两步增量式前馈结构来设计Sigma-Delta调制器。两步式操作可以和硬件复用相结合最大程度上减小模拟电路的设计规模,降低功耗。增量式结构使得ADC在每次进行数据转换之前将ADC各部分的存储器复位,可以改善积分器溢出现象。并且可以根据过采样率将数字滤波器部分的寄存器设计为不等字长,以此来减少寄存器的使用,这样可以改善数字电路综合布线的面积。滤波器采用三阶CIC滤波器,并设计了校准算法以改善失调与增益误差,并且对数字部分的设计算法进行优化,采用多周期复用运算单元的方法减少运算单元的数量从而减小数字部分版图的面积。基于CSMC 0.18μm CMOS工艺完成各个模块单元电路的设计,对模拟部分电路和数字部分电路分别使用Hspice软件和Modelsim软件进行仿真验证,并通过ADMS平台进行模数混合信号的仿真验证,最终结果表明各部分的电路性能均达到了设计要求。调制器的无噪声分辨率为17.3位,ADC的过采样率可调,根据具体应用环境,数据更新速率范围在6.51Hz-104.2Hz。ADC最高分辨率为18位,电源电压采用1.6V,典型工作电流为19.3μA,模拟电路的平均功耗为32.9μW,数字电路的功耗为1.53μW,总功耗为34.43μW。最终绘制完成了模拟电路的版图,并且对数字部分的代码设计进行了逻辑综合与布局布线,最终电路总体的版图面积为602μm?532μm。

关键词： 道口信号   控制设备   ARM Cortex-A9   嵌入式Linux   多线程  

摘要： 铁路道口信号在铁路运输过程中起着至关重要的作用,道口信号控制设备是铁路控制系统中重要的设备之一。为了保证道口的铁路侧与公路侧的交通能够可靠、高效、稳定的进行,需要道口信号控制设备能在保证安全预警的前提下高效可靠的工作,能将道口预警信号准确并及时的传达各方人员车辆。目前国内正在使用的道口信号DX3型设备,采用机械控制和继电器组合结构设计,由于设备设计陈旧,导致故障率较高,维护成本较大,工作效率较低等问题。随着5G与物联网时代的到来,智能设备的使用更加广泛,本次课题设计的道口智能预警嵌入式控制系统不仅能解决目前道口信号系统存在的问题,还是对铁路控制设备硬件智能化的尝试与探索,对铁路信息化建设具有一定的积极影响和意义。本次课题设计的主要目标是设计一种嵌入式控制系统智能硬件设备管理道口信号并及时预警行人车辆,本次设备控制核心采用ARM硬件平台和嵌入式Linux软件平台,结合信号采集部件摄像机与雷达完成道口信号的安全预警工作。本文主要完成以下几个方面的工作:(1)通过铁路道口现场工勘调研,调研分析当前道口信号DX3型设备的工作原理与问题所在,确定本次设计的系统整体方案。(2)围绕控制系统的核心ARM硬件平台,设计了控制系统的外围接口功能电路,包括多级电源电路模块、串口调试电路模块、以太网通信电路模块、LCD液晶显示电路模块、TF卡存储电路模块、Mini PCIE电路模块、RS232通信电路模块、RS485通信电路模块等。(3)围绕控制系统的软件平台嵌入式Linux系统,构建编译了启动引导程序Uboot,裁剪配置了Linux内核,并构建移植了根文件系统到核心控制软件平台系统,同时对各个接口的驱动程序进行了修改调试。(4)根据道口安全预警功能利用嵌入式Linux多线程编程实现了IP视频流显示线程、雷达信息通信线程、执行部件动作线程以及看门狗线程等,实现了道口信号控制设备的基本功能。全文包含图45幅,表5个,参考文献41篇。

关键词： 低功耗   非易失性静态随机存储器   阻变随机存储器   恢复可靠性  

摘要： 随着移动芯片以及诸多功耗限制型集成电路应用的快速发展,如何减少芯片的功耗成为超大规模集成电路(Very Large Scale Integration Circuit,VLSI)设计的重要挑战。其中,静态随机存储器(Static Random Access Memory,SRAM)因其运算性能方面的优越性而被广泛应用于各种处理器的缓存和片上系统(System On Chip,SOC)中的嵌入式存储器,因此对于SRAM的低功耗设计成为研究的热点。同时,SRAM作为一种易失性存储器,在掉电情况下存储的数据会丢失。本文设计了一种低功耗和非易失性SRAM(nonvolatile Static Random Access Memory,nvSRAM)电路结构,电路在SRAM处于闲置状态时候通过关断电源可以实现这一阶段零泄漏的静态功耗。本文主要工作如下:在非易失性设计的基础上,结合阻变随机存储器(Resistive Random Access Memory,RRAM),本文提出了一种采用多次复用策略的7T1R nvSRAM单元。这一复用策略单元中的部分晶体管扮演多重角色,以实现面积上的优化。除此之外,该单元设计方案以较小的面积代价提高了单元读写裕度,并且保障了数据恢复的稳定性。该电路设计的拓扑结构为SRAM提供了两种可选择的工作模式,分别为高速和低功耗模式。基于TSMC-65nm工艺对设计的电路进行仿真,仿真结果表明,设计的7T1R结构在低功耗模式下相较于传统6T SRAM的读静态噪声容限提高了154%,在高速模式下相较于传统6T SRAM的读速度提升了23%。除此之外还进行了面积、功耗和恢复率的仿真对比。设计电路具有以下几点优势:1)通过创新性的单位线写策略提高了单元的写入能力;2)通过读去耦的单元拓扑结构隔离了单元节点和读路径从而提高了存储单元的读稳定性;3)单元写能力的提高得以保证了数据还原阶段的可靠性。4)阵列层面应用的次级字线驱动避免了半选问题;5)多次复用的策略节省了面积损耗,这一策略主要包括a)两个辅助晶体管的按字复用;b)RPT晶体管的功能复用,其不仅用于SRAM读模式下的读传输晶体管还用于备份模式下对RRAM进行控制的控制晶体管;c)读位线的功能复用,其还用于对RRAM的顶层电极控制信号线;d)RRAM器件既用于数据备份又用于模式选择。

关键词： MCU   定时器   低功耗   数字设计   UVM  

摘要： 随着物联网高速发展,MCU性能的不断提升,未来MCU的市场将有爆炸性的增长。MCU的众多外设中,定时器是使用频率最高的一个模块。目前定时器除了基本的时基功能外,还可以实现多种时钟源的选择,输入捕获和输出比较,电机控制和电源应用等功能。本文研究设计了一个16位的低功耗定时器,采用多种低功耗优化技术,实现定时器的低功耗性能,同时基于UVM验证方法学搭建验证平台,验证所设计低功耗定时器的功能。本文的主要研究内容分为两个方面,即低功耗定时器的数字设计和验证。(1)本次设计采用自顶而下的设计方法,首先对低功耗定时器的整体功能进行规划,其包含3大功能单元,分别是时基单元,同步信号单元和捕获比较单元;随后针对划分的各功能单元进行数字设计,对关键信号进行电路设计和时序设计;最后,设计了一个定时器的低功耗优化系统,可降低75%以上的功耗,同时在RTL级采用门控时钟技术和操作数隔离技术,可得到46.8%的功耗收益。(2)完成低功耗定时器的设计之后,依托功能验证的流程,对低功耗定时器进行完备的验证。首先是进行验证计划的撰写,然后根据各功能单元进行功能验证点的提取;随后,根据验证计划,搭建符合低功耗定时器特性的UVM验证平台,通过Perl脚本来添加大量的测试用例进行仿真;最后,对仿真结果进行分析,分析的方法主要有两种,第一种是分析脚本收集的log信息文件,第二种方法是查看仿真波形图,分析验证结果并及时的进行回归测试。同时,进行代码覆盖率的收集,分析覆盖率报告,进行覆盖率的提升,最终代码覆盖率可以达到99.87%。经过验证,低功耗定时器的设计目标全部达成,能够根据3个可选的时钟源进行基本的计数,分频和重载的功能,实现输入捕获,输出比较,PWM输出等功能。同时还能够工作在多种从模式下,与MCU内核之间实现正常通行,具有较强的实用性,可为定时器相关设计与研究提供重要参考。

关键词： GaAs pHMET   达林顿结构   低电压低功耗  

摘要： 本文介绍了一种基于0.5 μm GaAs 增强型pHEMT工艺的0.1-7GHz宽带低噪声放大器(LNA).该放大器采用一种基于共源、共栅结构的新型达林顿放大器结构,并结合有源偏置技术与负反馈技术,实现了超宽带、低噪声、低功耗的特性.在3.3V供电电压下,工作电流为 54mA时,该芯片在0.1-7GHz工作频带内实现了增益大于20 dB,噪声系数小于3dB,增益平坦度小于±1dB,输入输出回波损耗典型值为-15 dB,输出1dB压缩点大于14 dBm,输出三阶截点大于26 dBm.该芯片在低供电电压与功耗的应用场景下实现了较优良的线性度指标,在4G、5G通信系统中有广泛的应用前景.

关键词： 压力检测   低功耗   NB-IoT   M5310-A   OneNet  

摘要： 随着现代信息技术与电子技术的发展,自动化的数据采集与远距离传输技术在生产生活中得到了十分广泛的应用。当前天然气压力记录仪主要采用USB接口的通信方式来进行数据的传输。这种方法虽然可以存储大量的压力数据,可以对历史压力数据进行分析。但这种方式是近距离的通行方式,需要专职工人每月到现场进行数据的采集,工作效率低同时也有安全隐患。因此亟需实现一种天然气管线压力记录仪与远传的监测系统。针对上述问题,本文实现了一种低功耗的基于NB-IoT的天然气管道压力记录仪与远传的监测系统。在低功耗远距离无线通信方面,本论文对比了现今比较成熟的LPWAN技术,主要包括有Lo Ra、Sigfox、e MTC和NB-IoT,并且选择了更加适合本系统的NB-IoT技术。在对比分析了国内比较成熟的物联网云平台以及各钟物联网通信模组之后,本系统最终选择了中移物联的OneNet云平台与其公司开发的M5310-A模组。该智能城市天然气管线压力记录仪将采集到的气体压力数据通过M5310-A定时的上传到物联网云平台上,在空闲状态时M5310-A模块会进入到低功耗模式,从而达到降低系统功耗的目的。本系统在数据传输以及数据保存方面制定了相应的文件格式,从而方便跨平台的数据读取。同时本论文开发了手机抄表APP,实现了通过NB-IoT读取数据和查看数据文件的功能。本设计方案在实验的环境下进行了测试,在正常工作的情况下一节锂电池能保证压力记录仪稳定的工作2～3年,满足设计要求。在室温下压力记录仪的压力测量精度达到了0.5级,满足实际测量要求。无线远距离传输覆盖强度以及准确率都达到了预期,使用便捷,极大的改善了客户体验。

关键词： 温盐深   传感器   七电极   低功耗   智能化  

摘要： 海洋温盐深测量系统是对海洋中温度(Temperature)、电导率(Conductivity)和深度(Depth)参数测量的系统,简称CTD。温盐深参数测量是海洋水文测量领域内最基础也是最关键的部分,无论对军事领域还是民用领域均具有十分重要的意义。欧美和日本在该领域起步较早,当前还处于国际领先水平。中国在该领域起步较晚,技术基础也相对薄弱。随着国家对海洋参数测量领域愈发重视,我国的温盐深测量仪也在快速发展和完善,但仍有众多问题亟待解决。针对当前该测量系统还存在的问题,本课题讨论并实施了改进方案,进行了新型海洋温盐深测量电路系统的设计与研究。本课题以理论为指导,讨论了温盐深参数的测量方法,确定了本课题的设计方案,采用热敏电阻对温度进行测量、用七电极传感器对电导率测量、用应变式压力芯体对深度进行测量。在最复杂的电导率参数测量部分,采用了电压和电流直接测量的方法,旨在提高电路的精度和稳定性。实施过程主要包含了传感器选型与制作、测量电路设计和上位机系统设计三大部分。传感器是测量系统的基础,本文做出了温度和压力传感器的选型说明,并针对当前七电极传感器存在的问题,给出了新型低成本电极的设计方案。电路设计分为数字电路部分和模拟电路部分。数字电路包含了单片机系统电路、通信电路、存储电路;模拟电路包含了温度测量电路、压力测量电路、激励信号产生电路、信号取样电路、电极电压测量电路、整形电路和数据采集电路。软件设计部分包含了基于单片机系统的软件开发和基于上位机的软件开发,实现了系统的低功耗工作模式,并保证了系统的有效运行和数据的有效交互,使测量系统更具智能化。最后,通过大量的实验和测试,得到了系统的测量精度,满足了测量指标的要求,验证了方案的可行性。

关键词： Wide area networks (Computer networks)   Internet of things     Machine-to-machine communications  

ISBN: (纸本)9780128188804

关键词： 智能水表   低功耗   自适应采样   无磁计量   LoRa通信  

摘要： 物联网技术正在迅速发展，与此相对应的是，水务企业对监控系统的需求日益增大，除了将分散且庞大的用户用水量数据及时有效并准确无误的收集统计，对管网供水科学调度、快速高效的对供水管网分区检漏、用大数据分析对后期管网建设提供指导等都成为企业迫切需要解决的问题。基于上述现状，本文设计并实现了一种低功耗、低成本、安装维护方便、性能稳定的智能水表。　　本文设计的智能水表机电转换方式为三电感无磁转换，在计量过程中不需要磁性物质的参与，不会因高温或强磁场的原因，出现失磁或磁传递失效而导致误计量等现象，稳定性很高。同时设计了自适应采样策略，大大降低系统功耗，因此不需齿轮系统降速，可直接在叶轮上发讯，测量准确度和重复性指标可以长期保持，仪表非线性特性校正容易，测量可靠性和使用寿命大大提高。　　本文设计的低功耗智能水表系统在软硬件都有降低功耗的措施，在硬件层面有：模块化设计、电源拓扑设计、分区/分时供电、I/O引脚供电、选用低功耗的电路形式等。在软件层面有：控制芯片进入低功耗模式、中断方式驱动事件流转、控制时钟频率、控制MCU内部外设等。　　经测试，当管道内水流量为零，采样频率最低时，系统消耗的平均电流为3.760uA;当管道内水流量最大，采样频率最高时，系统消耗的平均电流为58.085uA。加上LoRa通信模块消耗的平均电流4.532uA，综合计算可使LS17330(3.6V，标称容量2.1Ah)电池工作9.5年。并且低功耗智能水表计量准确、功能完善、性能稳定，完全符合国家标准GB/T778.1-2018《饮用冷水水表和热水水表》的要求。

关键词： 低功耗广域网络   信道接入   流量预测   指纹定位  

摘要： 专用低功耗广域网络由行业或者企业部署运维，和运营商网络相比有干扰更多、维护投入低等特点，相应的网络优化技术还没有充分研究。其中网络接入容量、网络流量状况和节点位置，是应用中受到关注的问题。本文针对专用低功耗广域网络的接入性能、流量预测、节点定位的优化技术进行研究。具体研究工作及创新点概括如下:　　(1)针对大量物联网节点接入的问题，提出了基于信号质量和节点距离的扩频因子分配算法及分簇的强化学习信道接入算法，提高系统吞吐量、降低数据传输的能耗。　　(2)采用压缩感知的自适应采样间隔网络流量重构算法重构网络流量，在此基础上，采用融合卷积神经网络(Convolutional Neural Network，CNN)和长短时记忆网络（Long Short Term Memory Network，LSTM）的方法提取低功耗广域网络流量矩阵的时空维度特征，实现更精准的网络流量预测。　　(3)针对专用低功耗广域网络特点，本文通过流形学习获取大量易采集的无标签数据（没有包含位置信息）的时空关联特征，结合少量的标签数据，提出一种半监督流形学习位置指纹库构建方法。在此基础上使用到达时间差方法对目标位置物理空间进行粗筛选;然后在目标区域采用指纹匹配算法获得多个待定位点，选择信号距离最小的位置作为最终位置，大大降低了指纹特征查询的复杂度。　　本文提出了专用低功耗广域网络优化关键技术中关于网络接入、流量预测、网络定位的改进算法。通过系统仿真、实际测试对比等方法，验证了本文改进的算法改善了专用低功耗广域网中的信道接入的容量问题、性能优化中的流量预测问题、低成本高精度定位问题。本文的研究成果将会为专用低功耗广域网络的性能优化、定位应用等提供一定的理论基础，并对解决专用低功耗广域网络应用中的实际问题具有很好的参考价值。