关键词： RSL   SDK   SiP   传感器开发   一体化方案   生态系统  

摘要： 使用流行的协议通信并使用超小电源运行的能力是IoT设备致胜的关键因素。IoT对于设计人员来说是个具有挑战性的领域,因为他们努力满足用户和消费者日益苛刻的需求和期望。虽然设计在物理尺寸上很小,但它们系统复杂,结合许多不同的技术,设计人员必须利用精密的技术和低功耗组件来实现他们的目标。

关键词： 功率放大器   D类   PWM调制   低功耗  

摘要： 在电声应用中,功率放大器是一种驱动换能器,将电能转化为声能的驱动电路,也是水下对抗设备中的一个重要部件。本文介绍了一种低功耗脉冲功率放大器的设计,通过采用D类功率放大器形式、全桥结构、PWM调制信号等手段,实现了一款低功耗、高效率的水声功率放大器,并在实验室和消声水池进行了测试。

关键词： FPGA   多线程架构   卷积神经网络加速器   紧凑型卷积神经网络  

摘要： 随着大数据时代的到来,与传统的机器学习相比,具有更多隐含层的卷积神经网络具有更复杂的网络结构和更强的特征学习以及特征表达能力。自从引入卷积神经网络以来,它在计算机视觉、语音识别以及自然语言处理领域取得了显著的成果。为了增强卷积神经网络的准确率,越来越深的网络结构被设计出来,但是随之而来的是参数量和计算量的急剧增加,这导致CPU、GPU等通用计算平台面临性能、能效挑战。为了解决性能以及能效的问题,针对于卷积神经网络的专用加速器越来越成为研究的热点。然而现在的卷积神经网络加速器还存在问题。在硬件层面,现代的卷积神经网络加速器主要通过提高运行频率与增加计算单元个数来提升算力,其已经面临诸如计算单元利用率低下以及可扩展性差等问题。在软件层面,很多卷积神经网络加速器还在加速一些低效率的卷积神经网络比如AlexNet与VGG16,由于对计算资源和存储资源的大量需求,这些卷积神经网络已经被更先进的计算机视觉应用抛弃。针对于上述的硬件问题,本文提出一种可灵活配置、动态扩展的多线程架构,并针对多线程架构设计全新的访存模式。针对于软件问题,本文将MobileNet这一紧凑型卷积神经网络作为目标网络之一。本文的主要工作如下:1.本文通过分析卷积神经网络的计算模式,提出一种数据流可重构的计算模块。该模块可通过指令进行数据流、计算单元以及存储的动态配置,支持常规卷积层、激活层、池化层、深度卷积层、点卷积层以及全连接层这六种计算模式。2.本文提出一种针对于卷积神经网络的多线程架构,可实现滑动窗口与输出通道两个维度的并行计算。该架构将计算单元阵列抽象成线程,每个线程处理一个滑动窗口。线程内部实现多个输出维度的并行计算,线程之间实现滑动窗口的并行计算。同时该架构线程内部特征图共享,线程之间权重共享,减少了对于片上内存以及访存带宽的需求。3.在多线程架构的基础上,本文提出一种行访存模式,可减少加速器访存次数。经试验得出,以LeNet为目标网络时,使用该访存模式可以获得1.6倍的加速比。同时该架构具备良好的动态扩展性,32线程与4线程相比,可获得3.83倍的加速比。未获得线性加速比的原因在于,线程数目的增加只能线性加速计算过程,无法线性加速访存过程。与同类设计相比,该架构的吞吐量和能量效率分别为1.28倍和2.82倍。4.本文提出的加速器支持MobileNet独有的深度卷积层和点卷积层,同时进行批归一化层和点卷积层的融合。经试验得出,以MobileNet为目标网络时,该架构具有良好的动态扩展性,32线程与4线程相比,可获得3.58倍的加速比。未获得线性加速比的原因同上。与同类设计相比,该架构的吞吐量和能量效率分别为3.61倍和1.16倍。

关键词： 车位检测系统   磁传感器   无线传感器网络   低功耗   可维护性  

摘要： 随着我国经济的发展和城市化进程的加快,汽车保有量也逐年增多,停车难的问题逐渐凸显。特别是在人口众多的城市,或在体育艺术活动的地方,寻找停车位是一个令人沮丧的问题。而且随着汽车数量的不断增加,这种情况会越来越严重。因此,对车位检测系统的需求预计在不久的将来会迅速增长。无线传感器网络具有快速部署、协同感知、易拓展等特点,为了方便前期的布设操作、系统的成本控制以及后期的维护,无线传感器网络将是车位检测系统应用的优秀选择。基于无线传感器网络的车位检测节点一般需要密封浅埋地下使用,更换电池非常麻烦。为了保证节点的工作寿命,低功耗是首要解决的问题。系统的长期稳定运行离不开前期优秀的设计以及后期良好的维护。本文基于车位检测系统对无线传感器网络的低功耗及可维护性进行研究。本文的主要工作有两个方面。第一,本文设计并实现了一种基于地磁无线传感器网络的车位检测系统,包括车位检测节点低功耗设计、无线传感器网络组网设计、低功耗数据传输方法、数据重传方法、上位机信息管理软件开发等几个方面。第二,本文设计了一种无线传感器网络可维护性评估方法,该方法的目标是在无线传感器网络的设计阶段,评估待搭建系统的可维护性。通过分析系统的可维护性影响因素建立可维护性评估模型,在系统设计阶段就考虑可维护性,再以评估结果作为后续系统搭建的依据,提高系统的可维护性,降低系统后续维护的成本。本文还开发了一种无线传感器网络检测器,通过网络分析客户端分析检测器捕捉到的数据包,快速定位网络故障点与故障类型,提高系统的维护效率。最后,本文对系统进行了测试和性能分析。测试结果表明,本文设计的车位检测系统具有良好的通信性能,数据传输可靠性高。车位检测节点在低功耗数据传输模式下,星型网络节点的使用寿命可以达到5.6年,自组织分簇网络节点的使用寿命可以达到8年。星型网络车位检测系统在基于CSMA随机退避重传方法下的丢包率为1.62%。自组织分簇网络车位检测系统在基于TDMA的数据传输及重传方法下的丢包率为1.96%。然后将各项指标的测试结果带入可维护性评估模型,结果表明本系统具有良好的可维护性。

关键词： 负电容器件   独立栅FinFET   低功耗   双阈值   逻辑电路  

摘要： 随着现代移动设备、5G终端等对低功耗集成电路的需求不断提升,低功耗在集成电路设计的不同层次上成为了越来越重要的优化目标,在器件优化设计中,传统器件的漏功耗大小受到亚阈值摆幅的影响,而亚阈值摆幅又受限于“玻尔兹曼暴政”的约束,常温下不能突破60mV/dec的限制,使得传统器件的漏功耗难以进一步的降低。为了突破这一限制,人们展开了各种新器件的研究,负电容器件能够在不改变传统电流传输机制的前提下,突破亚阈值摆幅的限制,进一步降低器件的功耗。围绕着突破亚阈值摆幅限制、提升开关电流比的目标,本文从器件建模、器件优化及其电路设计与优化等方面对负电容独立栅FinFET器件进行了研究。本文主要内容包括:1.构建了一种负电容独立栅FinFET器件的新结构,建立了一个针对负电容独立栅FinFET的器件模型。结合负电容器件和FinFET器件的优势,提出了负电容独立栅FinFET新结构,通过对负电容独立栅器件基本工作原理和特性的研究,对表面势方程和电流方程进行了推导,获得了一种针对负电容独立栅FinFET的简化器件模型。2.对双阈值负电容独立栅FinFET器件进行了优化。首先对独立栅FinFET(称为基准器件)进行了栅功函数和尺寸的优化,获得高低阈值器件(高阈值相当于两个单栅器件的串联,低阈值器件相当于两个单栅器件的并联),提高了单个器件信息处理的能力。在栅极堆叠负电容材料,通过选择铁电材料和堆叠方式、调整铁电薄膜尺寸,分析电流转移特性和输出特性等性能指标,对亚阈值摆幅、开关电流比进行了优化,获得了双阈值负电容独立栅FinFET器件。实验表明,优化后的双阈值负电容独立栅FinFET器件的亚阈值摆幅最低达到了38mV/dec,突破了“玻尔兹曼暴政”的限制;相比基准器件,开关电流比率(Ion/Ioff)提升了1082倍。3.提出了构建紧凑逻辑电路单元的方法。根据单个双阈值器件具有对两个信号进行串联或并联操作的特性,构建了紧凑型组合逻辑单元电路和时序单元D触发器电路,构建了存储器电路SRAM新结构。对提出的单元电路进行的测试显示,相比于传统组合逻辑电路同栅结构,功耗最多能够降低76.6%,延迟功耗积最多有78.4%的改善;所提出的两种D触发器结构,延迟功耗积改善了48%和51%。使用紧凑逻辑单元构建的Mod-10计数器新结构和SRAM新型结构在性能上也得到了很大的提升。4.提出了基于BDD技术的逻辑综合方法。根据紧凑逻辑单元的BDD子图特征,搜索逻辑函数的同构子图,获得性能优化的紧凑逻辑电路结构,从而获得基于BDD技术的逻辑综合方法。使用提出的算法,对MCNC标准电路进行了逻辑综合,并与标准综合工具ABC和DC的优化结果进行了比较。结果表明,提出的算法能显著改善电路性能,面积平均减小了20.5%和22.7%,功耗则平均降低了36.6%和26.1%,延迟功耗积则改善了40.6%和31.7%。

关键词： 扫描测试   低功耗测试   自动测试向量生成   扫描移位   扫描捕获   峰值功耗  

摘要： 伴随着半导体工艺制造水平的不断进步,电路复杂度、单位面积管子个数和工作频率的不断提高,电路正常工作时的功耗问题不再是集成电路功耗研究领域的唯一重要关注重点,测试时的功耗也逐渐成为必须考虑的问题。由于在电路测试过程中,通常会同时激活大部分逻辑,集成电路在测试时的功耗,特别是峰值功耗,会比正常工作时大得多,这将为电路稳定性、可靠性、测试质量和制造成本等方面带来许多问题。因此,在集成电路的设计和制造阶段如何实现低功耗测试日益重要。在集成电路测试过程中,扫描路径测试结构能够显著提高电路节点的可控性和可测性,被广泛应用。针对上述情况,论文首先对扫描测试过程中的各类功耗、扫描单元（Scan Cell）、扫描链（Scan Chain）、自动测试向量生成（ATPG）过程和测试向量等内容进行了研究。然后,从扫描链和ATPG角度,主要考虑峰值功耗,提出了针对扫描移位过程和扫描捕获过程的低功耗优化方案。最后,使用一种IP核,创建相应扫描链和EDT电路等,在完成基于Primetime PX的功耗仿真环境搭建以后,实现优化方案,分析仿真数据,得到了一定结果。主要的工作和创新之处如下:（1）对于扫描移位过程中,扫描单元和电路功能逻辑中的大量节点会发生翻转,并且持续时间较长,易导致移位功耗占总测试功耗相当大的比例的问题,论文提出了针对扫描移位过程的低功耗优化方案。在实际测试的过程中,需要首先对插入的扫描链结构本身进行测试。一般情况下,当一个IP核被分为多个模块时,插入的扫描链会贯穿并连通所有模块,因而测试过程会产生较大的测试功耗。论文通过给每个模块增加移位时钟控制模块的方案,分块测试,在解决电路结构变化带来的仿真不匹配问题以后,峰值功耗取得约21.74%的优化,平均功耗也有所降低。在针对功能电路的测试过程中,为降低移位过程中同时翻转的电路单元数目,论文提出了错峰测试和在EDT电路中增加低功耗逻辑对测试向量进行优化的方案。通过错峰测试,同时翻转的电路单元被区分开,峰值功耗最大时优化了15.60%。通过低功耗逻辑给无关位指定固定数值,优化测试向量,峰值功耗最高达到17.88%的优化。（2）当集成电路规模较大时,捕获过程也会产生较大的测试功耗。论文提出一种对IP核内部模块中不同电路的测试响应分时捕获的方案。针对捕获时钟的不同来源,通过配置不同的测试向量生成环境,调整捕获时刻,捕获过程的峰值功耗达到了最高12.20%的优化。对于单个时钟控制电路的测试响应捕获过程,论文提出了借助EDT电路进行测试向量控制与筛选的方案。通过借助门控时钟单元产生测试向量和借助EDA工具进行测试向量筛选,捕获过程中的峰值功耗最高可优化79.13%。此时的优化效果与电路结构密切相关。（3）对比优化前后的功耗数据,并结合测试向量的数量、测试覆盖率、信号翻转率、扫描结构和IP核电路结构,论文对每种方案的优劣进行了讨论。论文提出的优化方案均具备较好的实用性和可拓展性,能够对集成电路测试过程中扫描移位和捕获时的功耗,特别是峰值功耗,在一定程度上有所优化。

关键词： 锂离子电池   高可靠   低功耗  

摘要： 随着便捷式电子产品的日益普及,其中电源市场也正在迅速扩宽。相对于传统的二次充电电池如镍镉电池和镍氢电池来说,锂离子电池自放电率低、能量密度高、没有记忆效应、循环寿命长,并且是一种环保电池,具有非常大的优势。但是,锂离子电池也有一些缺陷。锂离子电池在充放电过程中可能会进入异常状态,从而会对锂离子电池造成损坏。为了有效监控和保护锂离子电池,并且能够快速的、精准的、高效的实现保护功能,必须设计锂离子电池保护电路。目前,对锂离子电池的保护电路基本都是集成化的芯片。本文首先介绍了锂离子电池保护芯片的国内外研究现状及发展趋势。接着介绍了锂离子电池保护芯片的系统结构和每个模块的功能,分析了锂离子电池保护芯片的各种工作状态。然后对锂离子电池保护芯片内部子模块电路进行了设计及仿真优化,芯片内部结构主要包括带隙基准源、电池电压采样电路、过充电压保护、过放电压保护、放电过流保护、短路保护,充电器检测及充电过流检测电路、振荡器、延时模块、过温保护、逻辑控制模块电路、0V禁止充电电路等模块。芯片采用Magnachip公司0.18μm CMOS工艺,并且基于Spectre仿真平台对电路进行设计及仿真,通过仿真,该芯片在正常工作情况的时候,静态电流只有2.579μA;在待机状态时,工作电流仅为178.38n A。能够实现过充电压保护、过放电压保护,充电过流保护、放电过流保护、短路保护和过温保护、0V禁止充电等基本功能,同时还具备高可靠、低功耗等性能。所以,本文设计的锂离子电池保护芯片的功能和性能指标都已达到预期要求。

关键词： 红外信号   NEC   低功耗单片机   数据通信   MSP430  

摘要： 普通家用遥控器的红外串行输出多采用NEC协议,与基于Ir DA协议的红外通信之间存在明显差异。基于Ir DA协议的通信具有安全性高、波特率高、硬件成本低等优点,在数字万用表等近距离数据通信过程中得到了广泛应用。单片机模拟得到Ir DA通信协议的代码较为复杂,采用msp430G2553等低功耗单片机内部的串行通信状态机生成红外Ir DA信号,具有代码效率高、误码率低等优点,推广价值较大。

关键词： 无线传感器网络   城市基础设施   分簇路由协议   最优簇首数目   节点部署  

摘要： 作为物联网时代的一项重要技术,无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）凭借大规模、自组织等特点,将人类社会与客观世界更紧密地联系在一起。然而受传感器节点电池能量的限制,如何提升节点的能量利用率,延长网络生命周期,实现高质量的信息通信变得尤为重要。本文从城市基础设施出发,围绕如何降低能耗与延长网络生命周期这一问题,提出了基于AGNES与簇首数目优化的路由协议和基于Qo S优化的多跳路由协议,实现地面建筑监测信息的低功耗传输;构建了基于DEEC协议改进的多跳路由协议,实现地下管廊监测信息的低功耗传输。主要工作如下:（1）系统地阐述了WSN及WSN路由协议的理论基础,包括WSN的概念、体系结构、网络特点和关键技术,同时概述了WSN路由协议的协议特点和设计要求,并对五种常见分层路由协议的特点做了详细的描述和对比。（2）提出了一种基于AGNES与簇首数目优化的节能分簇路由协议。首先,引入一种新网络模型,实现最优簇首数目的计算。其次对AGNES算法进行优化,避免了大小簇能耗差过大问题。仿真结果表明,该协议在同构和异构网络下均能有效减少网络能耗,延长网络生命周期。（3）设计了一种基于Qo S优化的多跳节能分簇路由协议。首先,提出了基于覆盖率的信息完整性、冗余性和有效性三个Qo S指标和一种新的节点部署策略。接着,采用以基站为中心的分区化簇首选举策略。最后,采用Dijkstra算法构建各簇首到基站的信息传输路径。仿真结果表明,本节点部署策略所获Qo S指标更优,本协议比起LEACH、DEEC和GSEN协议在低功耗方面具有一定的改善。（4）构建了一种基于DEEC协议改进的多跳节能分簇路由协议。首先,根据地下管廊结构特点,引入一种新网络模型,实现最优簇首数目的计算。接着,引入节点位置信息,优化了DEEC协议中的阈值T（7）n（8）的计算公式。最后,节点被分为普通节点和中继节点两类并进行合理的节点部署,实现各簇首到基站信息传输路径的构建。仿真结果表明,本协议能够更好地符合管廊结构,在低功耗方面更具优势。本文的研究设计了无线传感器网络的低功耗可靠传输协议,为城市基础设施可靠监测提供了技术支撑。

关键词： 能耗   延迟   分组   非连续接收   空闲态  

摘要： 近年来,物联网技术的应用越来越广泛,而终端用户量巨大,多采用电池供电,长期更换电池会造成大量人力物力的浪费,所以,降低终端能耗迫在眉睫。本文依据3GPP中R13标准的相关规定,对窄带物联网NB-Io T低功耗技术进行研究。本文首先针对终端同时响应,造成信道堵塞且能耗浪费的问题,提出了基于分组的周期自适应调整的策略。各终端设备先按照各自的应用进行自动分类,系统按照所分类别配置相应的参数。设备随后通过机器学习,进一步选择适合自己的工作周期,并且仅仅在所选定的周期内按照特定的规则进行工作,从而减少了信道的堵塞和能耗的浪费。其次,针对工作时间不合理,造成能耗浪费问题,提出了控制设备工作时间来降低功耗。以节约能耗模式PSM,扩展的非连续接收e DRX技术为研究重点,控制相关参数来控制终端的工作时间。最后,对数据传输进行系统仿真,结合具体传输流程,在NS3平台上对降低功耗技术进行研究。仿真结果表明,能耗和延迟相互制约。本课题设计的低功耗技术主要是基于3GPP中R13标准,通过控制终端的工作时间来降低功耗。实际应用中,先对终端用户进行分组,再对终端工作时间进行控制来降低系统功耗。该研究可为后续降低物联网系统的能耗工作提供依据。