关键词： 流水线-逐次逼近   动态运放   异步时序  

摘要： 模数转换器（Analog-to-digital converter,ADC）在信号传输与处理中发挥着无可替代的作用。随着ADC的性能指标不断向着高速低功耗方向发展,兼具流水线（Pipeline）ADC高采样速率优势以及逐次逼近（Successive Approximation Register,SAR）ADC低功耗优势的流水线-逐次逼近（Pipeline-SAR）ADC在近年来受到广泛的关注与研究。残差放大器作为Pipeline-SAR ADC中的重要组成部分,其增益线性度直接影响ADC的量化精度。因此,本文在对比几种常见的残差放大器工作原理以及优缺点之后,选用了能效高且无明显影响线性度技术短板的动态运放作级间残差放大器。本文详细分析了传统动态运放结构中影响增益线性度的因素,对其结构进行了创新型优化,前后仿真均显示其增益线性度与现有结构相比有明显优势。本文中的Pipeline-SAR ADC采样速率要求较高,采用SAR ADC的量化子级量化时间波动较大,无法使用同步时序控制。因此,本文提出了一种稳定性高,时效性高的异步时序逻辑控制方案,使Pipeline-SAR ADC在各工艺角下采样速率均可达到800MHz。本文最终基于格罗方德GF-22nm SOI CMOS工艺实现了一款14bit 800Msps流水线-逐次逼近ADC,电源电压为0.8V。电路共含有4级SAR ADC通过三个高线性度的动态放大器级联。仿真结果显示,采样速率800MHz,输入信号频率为80MHz,输入范围正负770mV时,电路各工艺角下有效位数均可达到12bit以上,tt工艺角下达到12.28bit,无杂散动态范围（SFDR）达到85.79dB,核心模拟电路功耗仅为28.9mW,FoM值仅为7.3fJ/Conv-step。在首级SAR ADC量化精度仅为4bit,首级动态运放放大时间仅150ps的前提下,本文提出的高线性度创新型动态运放发挥出了极大的线性度优势,有效抑制了ADC的谐波失真,保证了整体ADC的性能。

关键词： 语音唤醒   特征提取   神经网络   后处理   极低功耗  

摘要： 语音唤醒作为一种关键词识别（Keyword Spotting,KWS）技术,通常用作复杂语音交互设备的接口,是一种小型的关键词检索系统。随着物联网技术的发展,语音唤醒电路被广泛地应用在电池受限的移动、可穿戴设备中,并且保持常开（Always on）的状态,因此该类芯片对语音唤醒电路的功耗要求非常严格。本文设计了一种极低功耗的语音唤醒电路,主要包括特征提取电路、神经网络电路和后处理电路。特征提取电路的设计基于改进的梅尔倒谱系数（Mel-frequency Cepstral Coefficients,MFCC）算法,通过调整算法执行顺序将数据维度从256降低到128,大幅度减少了串行快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform,FFT）中的计算和存储量。其次,对特征提取电路实现细粒度的分级量化,压缩了数据的存储位宽,从而降低了电路实现代价。最后,根据特征提取电路的输出结果设计门控电路,对神经网络和后处理电路进行时钟门控。在特征提取电路的设计中保证了每一级算法的吞吐率,使电路统一运行在与采样频率一致的8KHz。神经网络电路的设计采用二值化的深度可分离卷积神经网络（Depthwise Separable Convolution Neural Network,DSCNN）结构,逐帧计算的数据复用模式将计算量和存储量削减为复用前的5.7%和16.5%。其次,在神经网络电路中设计了可配置语音窗口,可以根据关键词的不同进行不同配置,提高了硬件设计的灵活性。除此之外,计算单元（Process element,PE）的设计可同时适用于多比特计算和单比特计算,并且使用基于原码的运算方式降低了单比特数据运算的电路翻转功耗。在后处理电路的设计中,使用Re Lu函数代替传统的指数函数,在不影响准确率的前提下压缩存储和计算量。本文对语音唤醒电路基于TSMC28nm工艺进行了近阈值设计,定制了基于极低漏电单元register-file的存储阵列,大幅度降低了电路的整体功耗。仿真结果表明,本文设计的语音唤醒电路对2个关键词的识别准确率为97.1%,整体电路功耗为0.47-0.93μW,达到了极低功耗的设计要求。

关键词： 线性霍尔传感器   低失调电压   低功耗   斩波调制  

摘要： 在永磁电机控制过程中,为降低成本并提高可靠性,则使用线性霍尔位置传感器代替光电编码器以检测转子位置。但由于失调电压和闪烁噪声的存在,严重影响了线性霍尔传感器的检测精度,而低失调电压及低功耗的实现技术可使线性霍尔传感器的输出精度更高、可靠性更好及应用范围更广。因此,设计一款低功耗、低失调电压的线性霍尔传感器具有重要理论意义及工程应用价值。通过分析霍尔元件产生失调电压的来源,得出最小化机械应力和热应力的正方形霍尔元件结构能实现更低的失调电压。为了进一步减小霍尔元件自身的失调电压、信号处理电路中额外引入的失调电压及闪烁噪声,对比常用的消除失调和噪声技术后,提出在斩波技术的基础上,使用工作在不同阶段的电容实现跟踪保持技术以消除失调电压和闪烁噪声。通过对线性霍尔传感器的典型应用场景进行分析,提出了一种分模式降低线性霍尔传感器功耗的方法,其主要根据上位机输出不同信号通过睡眠唤醒模式切换电路控制线性霍尔传感器进入睡眠或唤醒模式来实现,当线性霍尔传感器处于唤醒模式时,还可根据用户对输出精度需求,通过频率可配置振荡器降低斩波频率以减小功耗。同时,对线性霍尔传感器内部的睡眠唤醒模式切换电路、仪表运放、频率可配置振荡器、输出级电路等关键模块电路进行设计,并详细列举了关键参数的计算方法,完成了一款低失调电压、低功耗的线性霍尔传感器的设计。基于Dongbu HiTek 0.18um BCD仿真库文件,结合Hspice软件对整体电路进行了仿真分析,仿真结果验证了理论分析及设计方法的可行性与正确性。最后,基于Dongbu HiTek 0.18um BCD设计规则文件,完成了整体电路的版图设计,并通过了DRC、LVS验证,结果说明了所设计线性霍尔传感器版图的可行性。

关键词： 1-Wire从机   单次转换   数字滤波器   误差校准   低功耗  

摘要： 数字温度传感器的核心部件是模拟温度感应电路、模数转换器和串行总线接口。Σ-ΔADC(Sigma-Delta Analog Digital Converter)常被作为低速高精度应用场合中的模数转换器,本文选取Σ-ΔADC作为数字温度传感器中的模数转换器。单总线协议接口与外界通讯只需要一根线,能节省PAD资源且易于实现和维护,本文最终采用单总线协议实现串行接口。一般而言,Σ-ΔADC的性能和速度取决于调制器,面积和功耗则被数字抽取滤波器决定,因此降低数字抽取滤波器的功耗和面积对降低数字温度传感器芯片的面积和功耗有关键作用。本文主要研究的是数字温度传感器中的数字电路,因此本文的旨在目的是设计低功耗小面积的数字抽取滤波器系统和单总线从机接口。根据温度信号频率低的特点,不用实时更新温度数据,因此控制Σ-ΔADC进行单次或1SPS(Sampers Per Second)转换来缩短ADC的工作时间,从而达到降低功耗的目的。本文的数字滤波器系统仅采用CIC(Cascaded Integrator Comb)滤波器,不仅能降低滤波器系统的设计复杂度也能满足所需的设计精度。此外,所设计的数字抽取滤波器系统的抽取倍数可调,既能满足高精度需求,也能在低精度应用下,产生更小的功耗。同时,为了进一步实现低功耗小面积的设计理念,采用了多级级联的非递归CIC滤波器架构;在CIC滤波器的每级采用多相分解、延迟单元共享、系数共享技术;通过利用不同相位的时钟控制多相分解的各个通道数据传输,避免产生多相分解控制逻辑电路;采用同步和异步分频相结合的技术产生时钟分频电路,减少分频电路的复杂性;采用Booth和迭代相结合的架构实现乘法器,缩短误差校准的时间并减少了资源的消耗。确定了CIC滤波器的架构及单总线协议接口的功能之后,对数字温度传感器的数字电路进行RTL级编码,之后利用ISE和Modelsim级联完成功能仿真验证。基于CMOS 180nm工艺,数字温度传感器数字电路的物理实现被完成。在物理实现时,门控技术被用来进一步降低芯片的功耗。数字温度传感器数字电路的最终面积为1275×986μm,功耗为754.4μW。与CIC滤波器的递归结构及传统非递归结构相比,本文中设计的数字电路产生了较低的功耗。不足之处在于数字电路的面积有少许增加。

关键词： 无线片上网络   无线接口   拥塞控制   令牌容错   低功耗  

摘要： 无线片上网络通过引入无线链路,实现多跳有线通信的一跳可达,解决了有线片上网络中的远距离多跳延迟较高问题。然而无线节点数量较少,子网内流量聚集在无线节点周围,达到无线节点处理能力极限,未发送出去的数据包堆积在缓冲区中形成热点。另一方面,无线信道,天线以及收发器的物理特性较为复杂,无线信号在空气中传播时,由于噪声,线路耦合的作用,比特错误率显著增加,针对这些问题,本文提出相关方案,对控制无线信道使用的令牌数据做容错处理;对无线路由器拥塞进行控制避免;结合网络拥塞与出错情况关闭空闲组件,降低功耗。主要内容如下:（1）片上网络中无线路由器需要处理同一子网内有线路由器的长距离多跳通信任务,通信任务较重,容易引起拥塞。基于此,提出了一种拥塞控制的低功耗路由器方案。首先,将无线接收端的大量拥塞数据包,通过一个数据包分流模块,存放到空闲度较大的其他端口缓冲区。其次,添加全局仲裁模块,记录无线发送缓冲区空闲情况,优先授权缓冲区占用较为密集的无线路由器,使用无线信道发送数据,以此避免拥塞。最后,将处于电源接通状态的没有无线通信任务的无线路由器进行功率门控,降低系统能耗。实验结果表明,该方案改善了无线路由器拥塞问题。（2）无线通信过程中,无线节点处通信流量密集,同时令牌在传递时,容易出现错误甚至丢失。针对这两个问题,提出了无线接收端拥塞控制与令牌容错方案。首先,将目的无线节点拥塞的数据,先发送到空闲无线节点,再由空闲节点发往最终目的节点;其次,在不同的网络错误率下,采取相应的容错方案,保证令牌flit的正确性;最后,关闭空闲组件以降低网络的静态功耗。仿真结果表明,该方案增强了通信的可靠性,降低了通信延迟与功耗。

关键词： 3D NAND FLASH   控制逻辑   MCU   低功耗   流水线  

摘要： 随着视频和大数据等应用行业的发展需要,人们对低成本、大容量的NAND FLASH存储器的需求日益增长,NAND FLASH存储器由存储体和控制逻辑两部分组成,其中控制逻辑跟存储体的存储机制以及工艺参数密切相关。随着平面NAND FLASH工艺尺寸微缩难度逐渐增大,行业逐渐把研究方向转向了可堆叠的3D NAND FLASH,而由于3D NAND FLASH的存储体堆叠层数很多,集成度更高,导致其控制逻辑电路的设计也愈加复杂,不同存储体由于工艺参数不同,控制逻辑不能通用,因此,每一次的3D NAND FLASH存储工艺发展,控制逻辑都得重新设计,其设计复杂度与设计周期、成本越来越不能满足应用的需求。本文面向3D NAND FLASH,基于国内知名存储公司YMTC的FLASH工艺线,尝试进行基于MCU架构的控制逻辑研究与设计。为了满足控制逻辑对该工艺线下不同存储体的兼容性,以及未来工艺升级时,控制逻辑也能很好移植的灵活性,本文完成了基于MCU方案控制逻辑的设计及优化。首先,本文设计了双核MCU的控制逻辑架构,双核并行执行提高其控制效率;接下来,本文深入研究该工艺线下不同存储体的存储机制,进行了MCU RISC指令集设计,具体包括基于共性的细粒度存储操作,设计成指令的操作码,跟具体存储工艺寄生参数相关的,实现成指令操作数。同时结合FLASH具体操作对数据转移指令及条件分支指令进行了优化;紧接着,我们进行了该MCU内核设计,包括算术逻辑单元、寄存器和控制器等,并对数据通路做三级流水处理,提高存储芯片操作的执行效率。最后,本文基于所设计的控制逻辑电路实现了3D NAND FLASH的读、写、擦除操作的仿真验证。在功能验证通过之后对MCU进行ASIC实现,在YMTC 0.18μm工艺下综合,芯片面积为243972,在50MHz的工作频率下功耗为2.3099m W。通过与业界存储器作对比,本文所设计的基于MCU方案的控制逻辑对存储器的读、写、擦除操作时间已经达到甚至超过业界先进水平。

关键词： 可穿戴   血压测量   低功耗   红外测温  

摘要： 面对现代生活压力的增大以及社会老龄化的加剧,心血管疾病尤其是高血压正在逐渐吞噬着人们的身体。高血压更容易引发相关重大疾病,同时心率也是影响血压数据的重要因素,由于去附近药店或医院需要消耗宝贵的时间和金钱,人们需要更加方便了解自己的身体数据。随着低功耗蓝牙技术的提出,为可穿戴设备的开发提供了技术基础。目前市面上便携式腕带测量血压设备较为便宜,但体积较大不利于携带且功能单一,而可以测血压的智能手环价格动辄近千元,费用较高,在论文领域中涉及的测量血压手环需要将采集的脉搏波信号发送到服务器上进行计算,没有网络则无法测量。所以本文针对上述问题设计了可穿戴手环,除了可以本地计算显示血压数据,还将心率作为血压变化的参考因素做出显示,通过采集人体血压、心率、体温等数据并进行数字化显示,多维度的为高血压患者提供参考依据,并且相比于市面上测血压智能手环数据精度高,价格优势明显。本文主要工作体现在以下方面:（1）硬件的设计。本文通过研究了国内外测量血压的方法以及蓝牙通信技术协议,采用光电容积脉搏波技术进行血压测量,选择相关硬件并进行原理图设计。为了系统能够稳定有序的运行,本文对各个传感器分模块进行电路设计研究,并且对主控芯片的周围电路布局进行合理设计,减少系统运行期间产生的噪声,使其能够正常运转。（2）模块驱动的实现。通过对各个模块中芯片的研究与学习,开发出模块的驱动程序,并且使其能够稳定有效的完成所需功能,包括血压数据的采集、心率数据的采集、体温数据的采集、显示屏显示数据、测量剩余电量。（3）蓝牙通信的实现。可穿戴设备通过传感器采集的数据需要判断命令的来源并返回数据,当发送的命令来自蓝牙则返回智能手机端。通过创建的蓝牙通信服务和创建的私有命令协议进行具体测量内容。最后通过对该系统的测试,结果表明该可穿戴式设备测量数据准确,符合需求。

关键词： 海底探测网   原位环境   数据采集   管理控制   多线程  

摘要： 海洋蕴藏着巨量尚未认知和仍待开发的资源,而海洋资源的开发和利用的前提是对海洋环境有足够的了解与认知。通过海洋探测设备组建的海底原位环境探测网可采集到获取海底物理、生物、化学、地质等探测数据,数据可以用于研究海底地质构造、海洋污染情况以及进行能源勘探工作。海底探测网系统包括定点、连续采集的硬件设备和一套与之匹配的稳定高效的软件控制系统,控制软件集系统配置、探测设备的投放和回收控制、自容式数据采集、数据存储与分析功能于一体。主控软件是海底原位环境探测系统研制的子课题,也是重要组成部分,根据系统总体功能需求实现高精度的探测工作的主体控制系统。为了解决对探测设备作业的管理控制、数据读取等问题,本文设计研发了基于Qt开发框架平台上的海底原位环境探测系统的主控软件,它是探测系统的控制中心。该软件功能强大,不仅能够对整个探测系统进行整体流程控制,还实现了网络数据传输、探测节点信息显示、工作状态监控、系统配置以及数据管理等功能,对海底原位环境的探测工作担任极其重要的角色。本文首先明确主控软件的设计需求,确定主控软件的总体结构以及各个功能模块的设计方案;明确系统的网络拓扑结构,设计通络通信协议;通过编码实现并对系统进行测试验证。在设计实现的过程中,针对一些传统处理方案中存在缺陷的情况进行优化整改。首先针对该探测系统中涉及的探测设备多,采集数据量大且数据类型多的情况,考虑到使用单线程处理速度滞后,本文采用横向和纵向双向并行处理,提高数据采集的速度和处理器的工作效率。其次对于实现大量探测设备信息的高效管理和控制,采用Hash表的存储方法,利用Hash存储的特点提高大量节点信息的查找和匹配速度。对于大量探测设备信息存储和其相应接驳设备槽口位置的可视化显示,传统使用坐标批量定位的方案在对特定的硬件设备进行管理控制时过于繁琐。本文使用图形视图框架,将每个设备节点构建成一个图形项,再将其添加到场景中进行统一管理,方便对每个设备的单独作业或对场景下所有设备的统一作业。本文实现的主控软件满足了海底原位环境探测系统对管理控制软件的功能需求和性能需求,其作为整个系统的参数配置、信息管理、采集控制、数据处理等功能的控制中心,为海底环境探测工作提供了有力保障。

关键词： 专用集成电路   低功耗   物理设计  

摘要： 由于物联网的快速发展,大规模发展物联网节点芯片成为必然。每个物联网连接设备可以看成一个节点,且每个节点都至少包含一个物联网节点芯片,因此,物联网节点芯片集成度和规模也将急剧增加。物联网节点芯片集成度和规模的增加,不可避免的会产生功耗问题。在低功耗ASIC的设计中,需要考量前端的逻辑设计和后端的物理设计。前端低功耗逻辑设计,为低功耗的整体设计提供了理论依据。通过分析功耗的物理特性来实现功耗估算;通过前端提供的低功耗理论基础,结合实际的物理设计规则和方法,后端的低功耗逻辑设计实现了低功耗的布局设计。如何从芯片后端设计降低物联网节点芯片的功耗,解决芯片集成度和规模的增加带来的功耗问题,从而针对特定的物联网节点芯片的进行系统级低功耗设计,正是本课题的主要研究内容。本文针对物联网节点芯片的低功耗设计进行了研究,主要内容如下:本文对数字集成电路的物理设计流程及数字集成电路功耗进行了分析,并对业内常见的低功耗数字芯片的物理设计进行了调研。对物联网节点芯片进行了综合设计,同时综合阶段用门控时钟技术进行了低功耗设计。采用门控时钟技术—在逻辑综合的过程中对时钟加入使能信号,从而在寄存器状态不需要改变时将其时钟信号的输入段关断,避免时钟信号的冗余翻转以降低功耗。对物联网节点芯片进行逻辑综合,将综合结果与未采用低功耗综合结果进行对比分析。对物联网节点芯片进行了物理设计。基于TSMC 0.18μm,对物联网芯片进行物理设计,改变时钟树的拓扑结构对功耗进行了优化。控制时钟网络拓扑结构的生长,使其更趋于横向的扩张,从而降低时钟网络的功耗并优化时钟网络的面积。本课题的物理设计结果在时钟树功耗方面表现出了优势。本文将门控时钟技术及时钟树拓扑结构优化应用于物联网节点芯片设计中。本文的研究在特定的芯片低功耗设计中具有一定的参考意义。

关键词： 声纳系统   多波束成像技术   多线程   DSP  

摘要： 尽管海洋矿产资源储量非常丰富,但是海底矿产探测和开采还有一定的难度,船舶声呐系统是借助声波信号和成像技术,对海底地形、障碍物等进行探测的一种方式,无论是民用领域还是工业领域都有广泛的应用。本文研究的侧重点是高分辨率声呐系统的多波束成像技术,重点研究高分辨率声呐系统的基阵信号,以及声波的多线程DSP处理技术,并设计一种针对多波束成像技术的高分辨率声呐系统。