关键词： 舰船   嵌入式电子系统   低功耗   可靠性   测试模型  

摘要： 传统的测试方法存在测量时间长的问题,因此设计一种舰船嵌入式电子系统低功耗可靠性测试模型。首先确定基于考虑系统组件状况的舰船嵌入式电子系统低功耗可靠性测试内容,然后建立可靠性测试指标,将该指标作为系统可靠性判断的因子,由于对舰船嵌入式电子系统可靠性测试时,还存在系统运行时的可靠性问题,因此将其也作为测试内容,最后将2种测试内容与可靠性测试指标结合,完成最后的舰船嵌入式电子系统低功耗可靠性测试。实验对比结果表明,此次设计的舰船嵌入式电子系统低功耗可靠性测试模型比传统模型测试时间短,能够满足可靠性测试实时性需求。

关键词： 无线远程通信   低速传输   LoRa技术   低功耗   通信控制   SX1278   LPWA   WiFi6  

摘要： 从煤矿无线通信应用现状出发,分析煤矿井下复杂环境对无线通信的影响,研究无线宽带和窄带通信在矿井中的应用特点和发展方向,提出了一种新型的无线远程低速通信系统。LoRa作为迅速发展的最新物联网LPWA无线接入技术,具有低功耗、低成本、远距离、大规模、自组网和抗干扰、穿透性强的明显优势,设计矿井新型低速数据远程传输系统,充分发挥LoRa的技术特点。实践表明,基于LoRa技术的无线低速数据传输技术适用于矿井复杂环境下的数据传输要求,具有较好的推广应用价值。

关键词： MIPID-PHY   高速   低功耗   接收器   发射器  

摘要： MIPI是一种灵活的源同步串行接口标准,用于连接主机或移动设备上的显示器和摄像头模块,具有低功耗、高速率传输和较强的抗电磁干扰能力等优点。MIPI物理层直接影响信号的传输速率和信号质量,一直是研究的热点。本文设计了完整的、速度更快、性能更优的MIPI物理层应用于AM-OLED的显示驱动。在高速模块设计中,提出了采用基于可扩展低压信号的高速发射器,该结构包含差分信号发生器和H-bridge电路,支持同步差分高速数据传输。还提出了新型高速接收器电路,高速接收器使用差分放大器稳定地接收具有DC变化和AC噪声的传输数据。基于更高速度的要求,在输入级通过电阻的负反馈提升带宽,提高信号在高速传输的稳定性。在输出级采用了基于非门的线性放大器用来提高增益和进行波形整形。设计了高速接收器的基准参考源电路。最后完成了高速接收器的版图及后仿。在低功耗模块中,设计了新型低功耗发射器,使用推挽驱动器来控制摆率和限制电流,同时降低动态功耗,通过控制加权反相器打开关闭,降低电磁干扰并达到在不同电容负载下的摆率要求。低功耗接收器提出两个比较器和SR锁存器相结合的结构来实现迟滞效果,具有更好的抗干扰能力和更低的功耗,低功耗接收器能对射频干扰和尖峰脉冲进行过滤。低功耗冲突检测器翻转电压更低,为此本文采用了内部正反馈的迟滞比较器。本文在1.2V电源下采用UMC 80nm CMOS工艺下设计了满足MIPI D-PHY规范的所有模拟模块,包括高速发射器(HS-TX)、高速接收器(HS-RX)及偏置电路、低功耗发射器(LP-TX)、低功耗接收器(LP-RX)和低功耗冲突检测器(LP-CD)。各模块仿真结果均满足MIPI规范要求,并在部分指标上达到了较高的水准。最关键的高速接收器电路在1.5Gbps的信号传输速率下,功耗为3.5mW,抖动仅为14ps,远小于标准的42ps。

关键词： Anomaly detection   cyber security   programmable logic controller   malware   resilient control  

摘要： We propose a novel methodology for real-time monitoring of software running on embedded processors in cyber-physical systems (CPS). The approach uses real-time monitoring of hardware performance counters (HPC) and applies to multi-threaded and interrupt-driven processes typical in programmable logic controller (PLC) implementation of real-time controllers. The methodology uses a black-box approach to profile the target process using HPCs. The time series of HPC measurements over a time window under known-good operating conditions is used to train a machine learning classifier. At run-time, this trained classifier classifies the time series of HPC measurements as baseline (i.e., probabilistically corresponding to a model learned from the training data) or anomalous. The baseline versus anomalous labels over successive time windows offer robustness against the stochastic variability of code execution on the embedded processor and detect code modifications. We demonstrate effectiveness of the approach on an embedded PLC in a hardware-in-the-loop (HITL) testbed emulating a benchmark industrial process. In addition, to illustrate the scalability of the approach, we also apply the methodology to a second PLC platform running a representative embedded control process.

关键词： 逐次逼近算法   模数转换器   数模转换器   比较器   数字逻辑  

摘要： 目前我们国内的集成电路事业正在取得较大的发展,模数转换器作为其中的一个非常重要的方向,它的性能往往决定着整个系统信号处理的准确性。由于大自然中的温度、力、声、光、磁等物理信号都是模拟量,模数转换器(简称ADC)作为一个桥梁,用来将模拟信号转化成数字信号,被广泛应用在各种片上系统。低功耗一直是学术界和工程上的重要研究方向,逐次逼近模数转换器(SAR ADC)是模数转换器其中的一种类型,面积小、功耗低、并且大多是数字电路,随着CMOS工艺向着更小尺寸发展,SAR ADC的优势愈加明显,因此其成为低功耗模数转换器的典型代表,也成为一种趋势。本研究旨在完成极低功耗的SAR ADC设计。SAR ADC中需要设计的主要模块包括数字逻辑电路、比较器、数模转换器(简称DAC),论文详细的分析了这三个模块的基础概念和最新研究,并在此基础上研究低功耗SAR ADC的设计方法。因为DAC是功耗的大部分来源,故本文在分析目前已有的先进的开关方式之后,再在此基础之上进行创新,提出了两种开关切换方式,一种能够显著降低功耗,一种共模电平稳定、面积较小,各有优劣。对于整个逐次逼近模数转换器系统的设计,本文DAC部分选择一种对于功耗降低其优势最明显的DAC开关切换方式,并在此基础之上,采用改进的动态锁存比较器和简单的数字逻辑,完成一个超低功耗的SAR ADC系统设计。设计一个在80nm的工艺下,电源电压为1.8V,10位,采样速度为200KS/s的低功耗逐次逼近ADC,单位电容值为20f F,最后有效位为9.72位,功耗780n W,品质因数为4.2 f J/step。

关键词： 锁相环   低电源电压   低功耗   小数分频   C类VCO   电荷泵   数字ΔΣ调制器   相位噪声  

摘要： 随着移动医疗技术的不断发展,一些可穿戴和植入式的健康监护设备开始普及,这些设备依赖无线通信系统进行信息传输。但是,这些设备难以获得持续有效的能量来源,所以需要低能量消耗的无线通信系统来满足其正常使用。锁相环作为无线通信系统中的重要单元电路,其功耗占据了系统功耗的主要部分。此外,随着集成电路领域的持续发展,CMOS制造工艺的尺寸不断减小,电路设计的电源电压不断降低。因此必须设计低压低功耗的锁相环来满足以上的发展趋势。本文围绕低压低功耗锁相环进行展开,完成了一款低压低功耗小数分频锁相环芯片的设计,并对其中的关键模块电荷泵和VCO着重进行了优化设计,本文的主要工作包括以下三个方面:首先,对锁相环的整体和模块进行了详细研究,并建立了锁相环的S域线性时不变模型,分析了环路的稳定性和动态特性。此外,推导了锁相环内部模块的相位噪声传输函数,得到了锁相环环路的相位噪声传输函数,为相位噪声优化提供了理论依据。然后本文提出了两个主要创新点。1、提出了一种基于动态电流补偿的低功耗低电流失配电荷泵电路。通过基于电阻的精确电流复制结构,实现了电荷泵的电流失配降低到1%以下。同时,所提出的结构引入了一路额外的补偿电流,这降低了电荷泵的功耗,最终其功耗仅为0.64m W。2、低电源电压条件下,B类VCO的低相噪设计变得十分困难。而C类VCO适合于低压条件下的设计,但实际设计中,C类VCO存在起振困难和相噪对PVT变化敏感的问题。为此,本文提出了低功耗低相位噪声的双数字环路控制C类VCO。振幅控制环路稳定振幅,降低了VCO对PVT变化的敏感程度。自适应偏置环路调节交叉耦合对管的栅极电压来优化VCO的相噪性能。同时,该VCO在不同PVT条件下都能可靠起振。基于SMIC 0.18μm射频CMOS工艺实现了该VCO芯片,芯片面积为1.05×1.05mm。测试结果表明,该VCO的相位噪声为-121.3d Bc/Hz@1MHz,整体功耗小于1.45m W。对于锁相环的其它模块,如数字ΔΣ调制器和分频器等,本文也进行了详细的研究。最终,基于SMIC 0.18μm射频CMOS工艺设计了一款低压低功耗的小数分频锁相环芯片。芯片的总面积为1.5×1.5mm,最低供电电压为0.8V。仿真结果表明,锁相环的四个子带覆盖2.24-2.85GHz的输出频率范围,锁定时间不高于60μs。锁相环在0.8V电源电压下整体功耗小于2.66m W。锁相环在1MHz频率偏移处的相位噪声小于-120.1 d Bc/Hz,且由温度和工艺角变化造成的相位噪声性能偏移不超过2.8d B。

关键词： 潜标   浮力调节   STM32   低功耗   QTcreator  

摘要： 近些年来,随着海洋传感器的发展,传感器的种类和精度不再制约海洋监测的发展。但是由于受到海洋环境的特殊性影响,传统浮标受监测区域、监测深度限制,不能广泛应用到深海中。近几年来,通过浮力调节机构使海洋设备测量不同深度剖面的海洋数据逐渐成为现阶段海洋监测的主力。本文研究了一款以浮力调节装置为核心的潜标,通过调节浮力大小使其可以上浮或者下潜获取不同深度的海洋数据。本文研究内容具体如下:1、通过查阅国内外资料,介绍各类浮力调节的原理以及特点。根据本次潜标项目的设计需求,集中阐述了阀门式浮力调节机构与柱塞式浮力调节机构的优缺点,最终选择柱塞式浮力调节装置。2、根据潜标项目要求,完成潜标浮力调节机构的设计,具体包含:根据潜标使用深度和浮球舱体大小计算出浮力调节量的大小,完成对油囊的选型;完成的浮力调节装置传动机构的设计和选型;通过计算和Solid Works仿真完成对活塞舱密封设计和耐压校核;在使用过程中对浮力调节量电机限位进行监测,选择拉线传感器和限位微动开关方案。3、完成潜标主控系统的设计,具体包括:完成对主控芯片选型、监测模块选型和数据采集、SD卡存储;根据潜标运动流程和周期,通过硬件继电器方式以及STM32待机模式完成潜标系统的低功耗设计。4、基于拟定的串口通信协议,在QTcreator上实现对潜标上位机的程序编写、UI界面设计。5、在打压仓模拟深海压力的环境下,对浮力调节油囊进行打压测试,同时测试潜标不同阶段电机功耗。然后,根据实际装配结果在水池内完成对潜标的重浮心调整。最后论文对码头试验、千岛湖综合试验进行介绍和小结。针对试验中出现的问题做出判断和修正,为后续深海测试提供了试验依据。

关键词： 超低功耗   集成电路   应用分析  

摘要： 随着现代化进程的加快,我国对于电子信息科技的投入不断加大,尤其是集成电路和芯片技术的研发投入占比越来越大。对于集成电路而言,需要在性能和功耗之间进行二选一,一般性能越高的集成电路,功耗也相对较高。因此,对于超低功耗的集成电路的研究迫在眉睫。一种性能良好的电子产品必须具备相匹配的低功耗设计方式,基于此,本文对超低功耗集成电路的应用进行分析讨论。

关键词： 超低功耗   高精度   参考电压源   自动校准  

摘要： 随着物联网和可穿戴医疗设备的普及,功耗越来越成为电路设计的主要考量因素。对于功耗问题,主要从开源和节流两个方面来考虑。开源即增加设备的能量来源途径,如太阳能、风能、机械能,还有无处不在的无线射频能量。节流就是通过降低系统的功耗来提高设备的工作寿命,对于模拟电路设计来说,可以通过降低电源电压、设计新的电路架构等方式来实现。基准电压源电路作为给ADC、DAC等电路提供参考电压的模块,在模拟电路中是必不可少的。如何设计一款可以在低压下工作,输出参考电压比较低,并且功耗很低的基准源电路已经迫在眉睫。本文的主要工作内容如下:（1）使用双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor,BJT）设计了高精度电压基准源电路,输出参考电压为169mV,在典型工艺角下,温度系数仅为4.35ppm/℃,在不同的工艺角下,输出电压偏差不超过1mV。（2）利用工作在亚阈值区的MOSFET,设计了一款超低功耗电压基准源电路。使用栅极接地的Native NMOS作为偏置电流源,供给自偏置结构的MOSFET产生基准电压。传统的低功耗基准源电路的输出电压是基于NMOS的阈值电压,但是由于NMOS的阈值电压工艺稳定性比较差,使得输出电压精度低。本文设计的参考电压源的输出基准电压是基于不同类型NMOS的阈值电压差,从而抵消了一部分工艺对阈值电压的影响,提高了基准电压的绝对精度。（3）为了进一步提高超低功耗电压基准源的绝对精度,设计了修调电路,通过八位控制码可以对电路中自偏置结构负载进行调整。具体来说是通过改变管子的并联个数来调节负载管的宽长比,以此来实现对电路参数的修调。（4）通过将高精度基准源电路和超低功耗基准源电路相结合,实现了超低功耗高精度基准源电路。以高精度基准源的输出为参考,通过控制电路来自动调节超低功耗基准源电路,等待调节完成后,关闭高精度基准源电路以节省电能。所设计的这种结构经过台积电180nm工艺后仿验证,达到了设计目标。

关键词： 北斗   深海剖面浮标   低功耗  

摘要： 深海剖面浮标作为运载工具,可搭载传感器下潜至2000米以下水深工作。因其制造成本低、体积小、重量轻,能够长期、连续工作,被广泛应用于深远海剖面要素的观测和水下安全监视。基于北斗卫星的深海剖面浮标监测系统由深海剖面浮标、北斗卫星、岸站监控中心组成。由于深海剖面浮标地处深远海,自身设备和搭载传感器所需的能源全部由其携带的电池供应,而更换电池产生的相关费用远高于浮标生产成本,能耗是决定深海剖面浮标使用寿命的关键因素。深海剖面浮标单个剖面工作时间更长、下潜深度更深、采集数据更多,北斗卫星通讯频度低、容量小、功耗高、协议繁琐。本文在设计并实现基于北斗卫星的深海剖面浮标监测系统基本功能的同时,对深海剖面浮标的控制系统开展设计。首先,在深海剖面浮标工程样机机械结构的基础上,采用超低功耗的控制器、可控的供电电路、高效的电源管理设计了控制电路板。然后,通过控制电路板对搭载的传感器采用连续和间断采样相结合的控制策略,减少数据的采集;对采集数据采用数据预处理算法,提取出有效数据,减少数据的发送量;又采用位拼接+Huffman算法进一步压缩待发送数据;采用数据分包、丢失重传的数据传输协议确保数据的完整高效传输。其次,选用C/S架构,在Microsoft Visual Studio2010开发环境下,使用面向对象的C#语言编写了岸站监控中心上位机的Windows服务程序和深海剖面浮标远程控制软件;选用BDM910通讯单元,设计并实现了北斗透传模块控制电路板,通过其控制器简化北斗通讯协议。