关键词： 低功耗设备   碱性电池   小电流放电特性   轻量级模型   荷电状态评估模型  

摘要： 随着电子技术的不断进步,人们日常生活逐渐智能化,便携式电子设备的体积变小和功能的完善,越来越多的便携式电子设备被各种行业和生活场景运用。比如在物联网和无线传感网络中,通常在恶劣的环境大规模的部署设备节点。由于设备节点部署在偏远且环境恶劣的地方,因此对电池进行更换会比较困难,且使用二次电池会增加成本。在电池能量有限的情况下为了降低成本,需要电池长时间的工作或提高能量利用率。本文首先研究了低功耗设备的能源和电池荷电状态（SOC）的研究背景与意义以及国内外现状,并对电池荷电状态的研究现状进行分析,其次对基于碱性电池的原理与组织结构、小电流放电的相关理论知识、放电特性进行详细研究,在此基础上,完成了以下研究内容:（1）研究针对低功耗设备的碱性电池小电流放电特性。对碱性电池进行了恒阻和恒流的小电流放电实验,分析了电池电压、消耗容量、剩余容量、荷电状态及最大容量在电池放电过程中的变化关系,并对这些参数的影响进行了深入分析,发现电池的放电电流对电池特性的影响较大,电池端电压Vt与电池荷电状态SOC变化曲线比较集中,电池端电压Vt与电池电动势EMF的变化关系非常规律,且电池电动势EMF与电池荷电状态SOC具有更好的一致性。（2）提出了一种基于端电压Vt的轻量级SOC评估模型。根据碱性电池的小电流的放电特性,发现了端电压与电池荷电状态的关系曲线,对碱性电池建立了轻量级SOC评估模型,且该模型的计算开销小。分析了用于低功耗设备的现有模型,并通过对碱性电池恒阻放电和无线传感节点放电的实验,来验证本文所提出的Vt-SOC模型和现有模型的验证,从多方面验证了本文提出的荷电状态模型的实用性和准确性。（3）提出一种基于电动势EMF的轻量级荷电状态评估模型（Vt-EMF-SOC）。对电池进行了恒阻、恒流的间歇放电时,发现了端电压Vt与电动势EMF的变化关系,以及电动势EMF与荷电状态SOC的变化关系。对碱性电池恒阻、恒流间歇放电的实验数据进行建模,首先建立了根据电池端电压Vt评估电动势EMF的端电压近似EMF模型,然后建立了根据评估的电动势EMF估计荷电状态SOC的荷电状态SOC评估模型。同样使用碱性电池恒阻放电和无线传感节点放电的实验,来验证了Vt-EMF-SOC模型,并与现有模型进行了对比,从多方面发现基于电动势模型的误差都要比基于端电压建模的误差小,说明Vt-EMF-SOC模型的评估荷电状态SOC的精度更高,同时也说明了基于电动势的轻量级SOC模型,适用于由碱性电池提供电源的低功耗设备的荷电状态评估。

关键词： 前馈均衡器   源串联端接   电流模逻辑   四分之一速率   低功耗  

摘要： 随着大数据时代的到来,数据中心的爆发式增长的数据使得传统的并行数据传输方式因管脚数量,时钟同步等限制难以满足传输需求。SerDes是一种点到点的串行通信方式,它以一对差分传输线传输速率高达几十Gb/s甚至上百Gb/s的数据,以其优良的传输特性而逐步取代传统的并行数据传输方式。信道由于介质损耗与趋肤效应而呈现的低通特性会衰减信号的高频部分,SerDes系统在于各种均衡方式的使用来补偿信号的高低频的不同衰减来保证数据传输过程中的信号完整性。本文首先详细地介绍了国内外先进SerDes研究现状,接着分析了SerDes通信的理论,包括数据传输的时域和频域分析、NRZ和PAM4的噪声分析、抖动和反射分析。接下来,详细分析了高速串行通信的最关键的两个模块:前馈均衡器和驱动器。对各种结构进行了详细分析并详细推导了其原理,并对各种结构的优缺点及其使用环境进行了总结。本文最终基于GF 22nm工艺对发射机关键模块进行分析与设计验证,完成了半速率架构采用查找表模式前馈均衡器和源串联端接驱动器的16/32 Gb/s的双模发射机,能在NRZ/PAM4模式下分别提供15/10d B均衡,能效比为3.1/1.55 p J/b。四分之一速率架构采用延迟链前馈均衡器与电流模逻辑驱动器的56Gb/s的PAM4发射机,能提供15d B均衡,能效比为1.43p J/b。仿真结果显示,无论是在均衡能力还是能效比上,两款发射机相比较于其他同等速率的先进的发射机都具有一定的优势。

关键词： 窄带物联网   覆盖增强   数据速率   链路自适应   低功耗  

摘要： 近年来物联网已经成为十分热门的话题,虽然出现了许多物联网通信技术,但物联网技术却一直缺乏一个统一的标准。3GPP在Release 13引入了窄带物联网(Narrowband Internet of Things,NB-IOT),NB-IOT作为一种低功耗广域网技术,具有深度覆盖、低功耗、低成本和大连接等特点,在物联网应用领域,NB-IOT已经得到广泛的关注,NB-IOT被视为物联网领域最有前景的技术之一。本文首先研究了NB-IOT的覆盖增强性能。首先分析了功率谱密度提升和重复传输两种覆盖增强技术,与GPRS相比,NB-IOT上行功率谱密度最高可以提升约7d B,而重复次数翻倍时可以获得约3d B的信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)增益。然后基于仿真平台,对15k Hz和3.75k Hz两种子载波间隔在单子载波(Single-tone)传输时的覆盖性能进行仿真分析,结果表明,NPUSCH在15k Hz和3.75k Hz Single-tone传输时分别重复32和8次可以达到最大耦合损耗(Maximum Coupling Loss,MCL)164d B,即实现覆盖增强20d B的目标。本文还研究了NB-IOT上行数据速率和链路自适应。首先研究了功率谱密度提升和重复传输对数据速率的影响、Cat-NB2终端的数据速率以及NB-IOT在不同覆盖增强等级下的数据速率,NB-IOT在三种覆盖增强等级下的PHY层数据速率分别为21.12kbps、2.56 kbps和0.31 kbps。由于NB-IOT支持重复传输以增强覆盖,因此NB-IOT的链路自适应至少需要考虑MCS和重复次数两个维度,同时需要考虑NB-IOT低复杂度的要求,本文提出了一种简单有效的链路自适应算法,首先根据数据包大小选择MCS,然后确定的重复次数应为满足误块率要求的最小值,仿真结果表明,提出的链路自适应算法可以减小传输时间并消耗更少的资源。本文最后从电路低功耗设计角度出发,研究能够降低NB-IOT终端芯片功耗的低功耗设计技术。首先分析了功耗的组成、NB-IOT的低功耗模式以及低功耗设计技术,然后基于蜂鸟E203处理器,采用了多电压、门控时钟和操作数隔离等低功耗技术,多电压技术在满足电路性能要求下,通过对部分模块采用较低的电源电压供电降低电路的功耗,门控时钟通过降低时钟信号翻转率降低电路功耗,操作数隔离通过降低组合逻辑翻转率降低电路功耗,结果表明,采用低功耗设计技术后,虽然面积增加了28%,但功耗降低了55%。

关键词： 导航卫星   实时操作系统   代码移植   驱动程序   软件设计   芯片结构  

摘要： 随着北斗三号导航卫星系统的发展，星上系统需要提供高性能、高可靠、高稳定的导航服务，并且系统的每颗卫星将通过星间链路与整网其它卫星进行星间数据传输和测量，这些都对星载计算机性能形成新的技术挑战，对星载计算机提出了卫星内部高实时、高可靠、高速率的数据传输需求。因此基于上述需求，中国科学院北斗导航卫星团队和龙芯中科公司共同研发新一代宇航级芯片—龙芯1E300，该芯片与上一代宇航级芯片相比，处理速度更快、存储空间更大、传输速率更快。针对龙芯1E300这款全新的宇航级芯片，首先要完成操作系统移植及驱动程序的软件开发。因此，结合卫星对星载计算机系统的需求，本论文在龙芯1E300宇航级芯片为主构建的硬件环境下，以实时操作系统VxWorks为软件环境，设计能适用于北斗三号导航卫星的星载操作系统移植及驱动程序软件开发方案。本文目标是提出的底层软件方案与目前在轨星载应用层软件结合，形成一套可在轨运行的星载实时软件方案。论文的丰要研究内容包括:　　(1)首先通过开发BSP（板级支持包Board Support Package），适当剪裁和配置VxWorks操作系统，将VxWorks操作系统移植到新型龙芯1E300上。同时针对北斗组网卫星的新需求和龙芯1E300宇航级芯片的特点，合理配置内核参数增强浮点运算、设计操作系统内存管理方案。　　(2)其次，为提升星载软件层次独立性，在本文开发的BSP基础上，通过配置VxWorks内核，在驱动程序中选用新型驱动架构VxBus管理龙芯1E300硬件设备，主要包括串口、中断和时钟。并针对龙芯1E300的串口硬件资源，设计VxBus型串口驱动程序。　　(3)最后针对龙芯1E300宇航级芯片研发的全新高速通信接口SpaceWire，在VxWorks操作系统下，编写SpaceWire总线接口驱动程序，实现高速收发功能。　　最后本文通过模拟在轨运行环境，验证基于龙芯1E300的星载操作系统移植及驱动程序软件方案运行状态。结果表明本文提出的星载软件方案运行状态良好，实现了VxWorks操作系统移植及SpaceWire端口收发功能，提升了星载软件层次性，符合在轨运行需求。

关键词： 相变存储器   O掺杂   低功耗   调幅分相  

摘要： 随着信息技术的高速发展,现有的存储技术越来越难以满足市场的需求,研发新的存储技术成为未来发展的重要趋势。相变存储器凭借其读写速度快、存储密度高、操作功耗低的特点,成为最具潜力的下一代存储技术。基于相变存储器的三维存储技术近年来更是取得了重大的突破。然而,随着器件集成度的不断提高,存储单元间的热串扰问题越来越严重,并且随着器件温度的升高,单元阻值漂移还会带来误读等问题,影响器件可靠性。针对上述问题,本论文提出了一种基于O掺杂的低功耗Ge Sb相变存储器,通过相关电学测试研究其器件性能,并计算出其操作功耗,最后结合物性表征手段分析相变材料的工作机理,解释器件功耗降低的原因,主要研究结果如下:(1)分析了不同器件结构对功耗的影响,调整PVD、紫外光刻、电子束光刻等关键工艺参数并优化了器件结构,制备出不同组分比例的薄膜样品和不同特征尺寸的存储器件。(2)通过原位退火测试研究材料组分比对温度特性的影响,甄选出最佳组分比的测试样品。制备出相应的存储器件进行相关电性测试,研究了存储单元直流I-V、脉冲擦写和循环特性,并计算出存储单元的操作功耗,最终证明该存储器件能够在未添加热阻层和减小单元特征尺寸的前提下(特征尺寸250 nm),将器件功耗降低至10 f J,远低于传统相变存储器,并具有进一步减小的潜力。(3)研究了该存储器件降低功耗的作用机理。提出了一种基于调幅分相的相变机制。Ge Sb相变材料在进行O掺杂后,掺杂的O元素会与Ge形成Ge-O分相,细化晶粒,阻碍Ge Sb的结晶过程,使其成为一种具有调幅分解效应的非均一相结构。这种结构的相变材料可通过温度、电脉冲、激光等方式控制体系内分相程度,来实现不同阻态间的转变。利用这种局域调控的特点能有效改善PCM的加热状况,提高加热效率,减小器件操作功耗。

关键词： 工具管理   智能   低功耗蓝牙   Android  

摘要： 2003年5月21日10时41分,怀化开往上海的1528次旅客列车运行至湘黔线上行线桐树坡一号隧道内K379+882处时,撞上怀化工务段炭沟工区违章使用的单轨车停车,10时56分继续运行,11时12分行至大江口站K364+930m(6号道岔)处,机后第3位YZ25G45221号车2位转向架3、4轮对脱轨,列车停于站内Ⅱ道K364+210处。摘下脱轨车辆重新编挂后14时45分开,延误本列3小时32分,构成旅客列车脱轨较大事故。造成本次事故的关键原因就是维修人员对工具器械(单轨车)的混乱管理和违规使用。目前,铁路现场维修工具、材料的管理主要依赖人工的方式,由于缺少信息化、智能化的管理系统,铁路维修工作向安全性、高效性的模式转变受到了严重制约。特别是高铁设备的检修作业安排在夜间,作业现场光线较差,视线不足,所用的工具仪表等种类又比较多,容易导致工具遗失,不便寻找,遗留严重的安全隐患。如何实现准确高效地管理维修工具,实时掌握维修工具的种类、数量和位置,提升我国铁路维修管理水平,成为了一项亟需解决的重要任务。针对这一实际需求,本研究运用低功耗蓝牙(Bluetooth LowEnergy,简称BLE)技术与开发Android系统终端APP来实现高铁维修工具智能管理系统,用来解决高铁维修工具在管理和核对工作中存在安全隐患的问题。本系统能充分利用电子信息技术,做到工具清点核对、遗失查找一体化,大大提高了现场作业的安全性和可靠性。同时,本系统可以对工具进行实时检查核对,工具遗留时能及时发出报警,并通过低功耗蓝牙技术确定工具遗失的位置信息,快速而准确地找回遗失的工具,彻底消除因工具遗漏而导致的行车安全隐患。

关键词： 相变存储器   电化学沉积   纳米线   结构优化   低功耗  

摘要： 相变存储器(phase change memory,PCM)是最具潜力的新型存储器之一,在速度、集成度等方面具有显著优势,但其大规模应用仍受功耗较大等因素制约。目前主要通过一些新型结构设计减小接触面积来降低功耗,但往往引起工艺成本的大幅度增加,本文通过引入电化学法制备相变材料,可灵活调控沉积材料的结晶形态,无需额外的光刻工艺即可制备出小尺寸相变纳米线,从材料优化角度最大限度地降低PCM功耗。论文的主要内容包括:(1)系统地研究了相变材料的电化学制备工艺,优化得到结晶良好、纯度较高的BiTe相变纳米线。比较了不同衬底制备出的晶粒大小,优先选取耐腐蚀、粒度小的衬底进行沉积;研究了反应PH值对材料致密度的影响,并通过添加EDTA络合剂提高材料的结晶程度;优化了制备提纯步骤,大大减少了样品内的杂质数量。(2)针对基于电化学法的BiTe纳米器件制备难点,设计并比较了FIB加工、介电电泳法及分散法制备纳米线横向器件的方案,最终通过分散法制备出了性能稳定的纳米线存储器件。所制备的器件表现出超低功耗特性(Reset功耗9 f J),同时还能保持较大的高低阻比值以及良好的循环特性。(3)基于微观表征和第一性原理计算研究了上述BiTe纳米相变存储器件的工作机制。通过透射电镜观测到纳米线中存在特殊的晶态/非晶交叠结构,并采用第一性原理计算发现这种交叠结构可能是由于沉积过程中引入的C基团阻碍了结晶过程,增大了器件晶态电阻,使得器件功耗显著降低,在此基础上进一步阐述了该类器件中的失效机制。

关键词： 水文模型   并行计算   多线程   多进程   加速比  

摘要： 目前我国流域水文信息化的研究越来越受重视,但由于海量的数据处理和复杂的物理计算需要更多的时间开销,流域水文模型的模拟速度已不能满足流域水循环过程的精细化研究需求。基于多核的水文模型并行计算技术是提高模拟速度的主流方法,然而如何合理的设计并行算法应用于水文模型,以及如何高效利用CPU、GPU的计算能力已成为快速模拟中亟需解决的关键性问题。针对上述问题,本文基于WEP-L水循环模型的产流模块,选取OpenMP、MPI和CUDA三种具有代表性的并行技术,对模型进行了并行化设计,并对设计模型进行了效果分析,也在此基础上提出了进一步的优化措施。主要工作及成果如下:(1)基于OpenMP的模型并行计算设计与实现。本文对子流域循环采取指数调度方式,分配子流域处理个数由大到小的递减,进行CPU上多线程动态分配。以及对存在循环依赖关系的全局变量采取线程私有化设计,解决数据竞争问题。并行化的模型适用于多核的单主机。当线程数为20时,黄河流域产流模块计算的总时间达到最小,由单线程的9556秒缩短至1219秒。当线程数为180时,加速比峰值为7.8。(2)基于MPI的模型并行计算设计与实现。本文采用对等并行设计模式,全流域划分计算时间相对均匀的子区域,进行CPU上多进程静态分配。消息通信设计采取“点对点”和组通信相结合的方式,进行数据传递。并行化的模型适用于多核的单主机或多主机集群。当通信开销增量大于产流计算时间减少量时,并行计算达到瓶颈。此时,进程数为10,黄河流域产流模块计算的总时间达到最小,由单进程的5874秒缩短至1231秒,加速比峰值为4.8。(3)基于CUDA的模型并行计算设计与实现。本文划分全流域为子流域个数均匀的处理量,依次分配给GPU上数以千计的线程计算,进行多线程静态分配。线程块数采用流多处理器数量的两倍最优设置,充分利用计算资源。以及强迫限制单线程占用寄存器个数,增加内存存取时间换取更多的线程数运行,从限制前的最短5251秒再次缩短为3422秒,加速倍数为普通主机串行计算的2倍。

关键词： 低功耗蓝牙   BLE 5.0   微控制器  

摘要： 新唐推出NuMicro M031BT BLE 5.0低功耗蓝牙微控制器系列,以Arm Cortex-M0为核心,工作频率高达48MHz,内建最高128KB Flash和16KB SRAM,提供BLE5.0和2.4GHz双模功能。相较于传统集成简单周边的BLE SoC,NuMicro M031BT系列内建丰富周边与优异模拟控制功能,实现一颗微控制器取代BLE SoC加控制芯片的方案,不仅大幅缩小PCB尺寸,QFN48封装面积仅有5mm×5mm,也降低了射频布局困难度,加上新唐参

关键词： 可穿戴   低功耗   实时监测   癫痫   生理参数  

摘要： 癫痫是一种神经系统疾病。全面性强直-阵挛癫痫发作时患者全身骨骼肌收缩、阵挛,容易发生各种意外。目前癫痫监测的视频脑电图仪具有体积大、采集环境苛刻等问题,不便于日常穿戴监测,因此研制可穿戴式全面性强直-阵挛癫痫监测系统实时监测患者生活状态,避免患者发作时发生意外,对提高患者生活质量具有重要意义。本文研制的可穿戴式全面性强直-阵挛癫痫监测系统由前端信号采集电路和监护端手机软件组成,当癫痫发作时发出报警。首先,根据全面性强直-阵挛癫痫发作时患者生理参数的变化特征,选取合适的生理参数来监测癫痫发作。其次,通过对可穿戴性、硬件低功耗性能及低功耗蓝牙体系结构的研究,设计了可穿戴、低功耗的主控电路和生理参数信号采集电路,包括皮肤电导信号、心率信号、三轴加速度信号以及皮肤温度信号采集电路。然后,通过对PCB天线和陶瓷天线的性能特点进行研究,选取陶瓷天线作为监测系统的发射天线,并利用矢量网络分析仪确定天线的π型匹配网络参数,优化天线性能,使得回波损耗最小约为-27.69dB,-10dB处带宽约为100MHz。接着,通过对主控芯片的电路优化、动态调节发射功率以及外围监测芯片的低功耗模式使用,进一步优化系统功耗。最后,根据监测信号的特征及噪声类型,综合考虑嵌入式系统数据实时处理能力及算法复杂度的要求,采用滑动平均滤波算法对监测信号进行预处理,并对加速度向量幅值进行滑窗积分处理,得到短时间内的肢体运动总量,再根据全面性强直-阵挛癫痫发作时各生理参数阈值的变化情况提出基于多阈值的癫痫监测算法,并将算法植入硬件系统中。经测试本系统工作稳定。监测手表体积为4cm*4cm*1cm,使用270mAh的锂电池能持续工作24小时以上,满足日常可穿戴监测的需求。通过对15名癫痫患者的临床监测数据进行算法测试,与视频脑电图仪监测结果对比,发作识别准确率为91%。