关键词： 低功耗   UPF   门控时钟   门控电源   多电压域  

摘要： 近年来,随着集成电路行业飞速发展,半导体工艺不断进步,晶体管的工艺尺寸不断缩小,芯片的面积不断缩小,集成度不断提高,性能不断提升,系统的工作频率越来越高,这导致了芯片的功耗越来越大。功耗的增大不仅使消费类电子设备的续航能力变差,而且会导致芯片局部功率密度越来越大,高速工作的芯片局部温度升高,芯片的散热和封装成本提升,更引起了芯片的失效时间缩短、速度变慢、漏电增大等问题。因此,功耗带来的设计挑战越来越大,低功耗设计已成为芯片设计中重要的环节。本论文研究了数字电路功耗的来源,分析了动态功耗和静态功耗的组成及其影响因素,进一步分析了各种低功耗设计方法。接着在对传统低功耗设计方法研究的基础上,论文研究了基于统一电源格式(UPF,Unified Power Format)的低功耗设计方法,介绍并分析了 UPF的概念和设计流程,研究了 UPF中各种低功耗单元的设计规则以及UPF中电源管理模块(PMU,Power Management Unit)的设计方法。最后,将基于UPF的低功耗设计方法与流程应用到AMOLED驱动芯片设计中,用到了多电压域、门控时钟、门控电源、多阈值电压等低功耗设计方法。该芯片基于UMC 40nm CMOS工艺,目标工作频率100MHz,总功耗最大不超过60mW,面积不超过260万平方微米。首先,在RTL(Register Transfer Level)设计阶段,根据芯片在不同显示模式下采用不同的时钟管理策略来降低功耗。此外,根据各个图像处理算法的工作状态手动地插入门控时钟单元来降低动态功耗。其次,规划并设计了芯片的UPF低功耗架构,根据不同的显示模式将系统划分成不同的电压域,采用了 UPF描述实现了 AMOLED驱动芯片的低功耗架构。接着对电源管理模块(PMU)进行了研究与设计,用来实现不同显示模式下电源状态的切换以及特殊低功耗标准单元的时序控制,并且用Synopsys公司的MVSIM-native和VCS工具对RTL设计与UPF设计进行联合低功耗仿真验证,在前端设计就保证UPF低功耗意图与电源管理模块设计的正确性。接下来用Design Compiler工具进行了基于UPF的低功耗逻辑综合,综合阶段采用多阈值电压设计方法来降低静态功耗,生成了包含特殊低功耗标准单元的网表,对网表进行了多电压规则查检,用Prime Time工具进行了静态时序分析,分析结果满足目标工作频率。最后用PTPX(Prime Time PX)工具对功耗结果进行了分析,本论文基于UPF的AMOLED低功耗设计在正常显示模式下总功耗为47.8mW,AOD(Always-on Display)显示模式下总功耗为23.2mW,sleep in休眠模式下总功耗为0.1369mW;而传统AMOLED设计在正常显示模式下总功耗为63.4mW,AOD(Always-on Display)显示模式下总功耗为30.7mW,sleep in休眠模式下总功耗为0.4019mW。两者相比,基于UPF的低功耗设计在三种模式下的功耗分别降低了 24.61%,24.43%,65.94%。此外还分析了基于UPF的低功耗设计对电路的时序、面积带来的影响。研究结果表明本论文基于UPF的低功耗设计方法满足该AMOLED驱动芯片设计的目标功耗、时序、面积等要求。

关键词： 无线数据采集网络   并发传输   性能优化   能耗控制  

摘要： 越来越多的实际应用对低功耗无线数据采集网络的端到端性能（端到端时延、端到端可靠性以及平均能耗等）提出了很高的要求，但现有的低功耗数据采集网络仍然存在着诸多难以回避的挑战与亟需解决的科学问题，例如:多对一网络的流量调度以及ISM（工业、科研与医疗）频段的抗干扰问题。近年来受到广泛关注的基于并发传输的IEEE802.15.4低功耗无线网络具有能够满足这些要求的潜力。　　本文以无线信号的视角，从理论上对并发传输机制的属性进行了分析。结合实际应用需求，在基于并发传输机制的低功耗无线网络的吞吐量与可靠性方面开展优化，设计并提出了基于并发传输机制的数据采集网络协议:多对一短数据采集协议PiP、一对多/多对一短数据多信道协议DeCoT和多对一常规数据长度多信道协议Harmony。　　在理论分析方面，本文分析了两个具有相同数据内容的信号叠加后的影响，得出了基于IEEE802.15.4并发传输的特性，为解释现有基于并发传输机制的协议所存在的问题提供了一个视角。　　在吞吐量优化方面，本文提出了PiP协议。PiP协议是多对一的数据采集协议。PiP协议利用射频收发器件的功率放大器实现数据包的“拼接”（PiP-MAC方法），从而优化了流量并实现了网络中的节点无需事先调度即可完成多对一的数据采集。在现有的测试平台上，在确保网络可靠性并且不增加额外功耗的前提下，当网络节点部署密集(节点发射功率为0dBm)的时候，PiP协议（在FlockLab测试平台上）完成一次26个节点的全网多对一数据采集比现有基于并发传输机制的协议至少快1.8倍;（在Indriya测试平台上）完成一次42个节点的全网多对一数据采集比现有基于并发传输机制的协议(LWB协议)快1.1倍。　　在可靠性优化方面，本文设计了DeCoT和Harmony两个基于并发传输的多信道数据采集协议。DeCoT协议可以支持一对多/多对一流量共存的短数据数据采集，Harmony协议则支持多对一常规数据长度的数据采集。在DeCoT协议中，本文设计了“扫描-锁定”以及连续发送的跳频机制来维持在噪声干扰下链路的连通性，实现了网络即便在干扰存在的环境中也能达到87％的可靠性，至少高于现有协议4％。并提出了强制触发机制，使基于并发传输机制的网络即便在网络被干扰割裂的情况下仍然能够正常工作。　　以DeCoT协议研究作为基础，本文对其进行了进一步扩展与优化，提出了Harmony协议。在Harmony协议中，“协商-执行”的工作流程能够实现可靠的多对一的源节点调度。进一步融入了数据冻结机制和网络编码机制，使常规数据长度的数据在有干扰的环境下仍然能够有效传输，可靠性比现有协议高50％。此外，还提出了一种网络干扰侦测机制，能够感知网络中所存在的干扰的严重程度，从而使Harmony协议能够具有更均衡的性能。　　综上所述，本文所有的研究成果均能在实际硬件平台TelosB节点上运行，并在多个公共测试平台上开展了实验评估，评估结果显示无论是在吞吐量还是可靠性方面，本文所做出的优化工作对网络端到端性能都有显著提升。

关键词： 智能音箱   低功耗   唤醒   麦克风  

摘要： 现阶段,智能音箱产品几乎每家都有。为了能够满足配备电池的使用,以及响应节能减排的号召。就需要在音箱不使用的时候,关闭语音识别功能进入低功耗休眠状态。但是这个时候,系统的语音系统已经关闭,想要唤醒就比较麻烦。必须用手触摸音箱的按键。如果需要语音唤醒,就需要额外的增加一颗麦克风,从而会使得音箱的外观结构改变。本文介绍一种,利用现有的智能音箱上面麦克风,增加简单的电路,就可以实现智能音箱不增加麦克风,不改变外观接口的情况下,实现低功耗待机唤醒。以供参考。

关键词： 模数转换器   逐次逼近   低功耗   隔离开关  

摘要： 当今社会飞速发展,人们对自身的身体健康和生活品质更加注重,大量智能可穿戴设备和生物医疗检测设备应用而生,这类可穿戴设备小巧便捷,内含多种传感器芯片,时时刻刻检测着人体的各项生理指标,因其应用场景的特殊性,其相比于其他电子设备对电池的续航能力要求更高,而电池技术的发展依然处于瓶颈期,为了解决这个问题,研究人员将目光转向产品的低功耗设计,模数转换器(ADC)作为这类传感器的核心,降低其功耗显得尤为必要。因为这类生物电信号具有低速,中等精度的特点,加之对功耗的严格要求,相比于其他类型的ADC,逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)以其结构简单,面积小且功耗超低的特点而被广泛采用。本文基于SMIC 55nm CMOS工艺设计了一款超低功耗的SAR ADC,提出了基于传输门的新型栅压自举开关,有效的改善了采样开关的线性度和谐波失真,同时通过Matlab建模优化了Tri-level电容型数模转换器(CDAC)算法,提出了高位电容隔离技术,并结合改进的CDAC方案,减少了转换过程中最高位电容的翻转频率,相比于传统的转换方案实现了99.5%的能量的降低。针对高位隔离开关引入的非线性等问题对采样电路做了调整,采用栅压自举开关代替了原有的传输门,加快了DAC的建立时间,提高了整体设计的线性度,比较器采用动态锁存比较器,并针对失调和回踢噪声等问题做了结构和参数的调整和优化;控制逻辑部分采用异步控制,增加了三输入与门使D触发器形成自锁,在每个转换周期内,仅有一个D触发器发生反转,从而降低了寄存器组的功耗。最后,整体电路在Cadence的spectre中完成了仿真,在1MSps的采样率,16.601KHz的输入频率下,SNDR约为60.3 d B,SFDR约为73.6d B,所设计SAR ADC的ENOB为9.81位,在1.1V电源供电下,消耗的总功耗为954n W,从而使所设计SAR ADC的FOM值下降到1.041f J/conversion-step。

关键词： 低功耗广域物联网   LoRaWAN协议   访问控制机制   自适应速率  

摘要： 低功耗广域物联网技术是一种针对物联网中远距离场景下采集传感数据而提出并设计的新技术,其具有重要的实用价值。为远距离采集传输现场数据接入网络提供有力保障。研究并实践低功耗广域物联网技术,对于采集并汇聚数据,为后端大数据分析、机器学习等提供基础至关重要。系统中的节点特性,包括功耗低、距离远、成本低、组网简单等特点受到了学者的关注。本文主要针对低功耗广域物联网组网技术进行了分析和研究,并构建了基本的验证系统。对低功耗广域物联网的整体架构进行分析,包括其基本概念、网络模型、通信技术特点等,对目前主流低功耗广域物联网技术的通信特点,通信场景以及优缺点进行分析和对比。以具体的LoRaWAN协议为实例,进行了分析与研究。通过分析发现,协议中的信道访问控制机制存在扩展能力差,信道利用率低,接入时延长,冲突概率高的问题。为了解决上述的问题,本文设计了一种增强的信道访问控制机制,即动态监听退避机制。将基于改进的先听后说机制与信道当前的状态进行结合,自适应地调节退避窗口大小。从而降低了网络中数据包的冲突,提高传输成功率,降低了整体节点的入时延以及节点重传的功耗损失。本文通过分析LoRaWAN协议中节点的自适应数据速率调节机制,发现协议中原本的机制在网络状况变差时不能够及时地作出调整,同时对信道波动的情况不敏感,为了更好的自适应调整节点发射速率,因此设计了基于深度强化学习网络的自适应数据速率调节机制,该算法基于深度强化学习网络的模型,通过动态学习信道的变化,对Lo Ra终端的最大发送速率进行预测选择,根据预测结果终端可以在保证正常通信的情况下使用最大的发送速率完成通信,通过提高通信效率从而降低功耗。基于LoRaWAN协议对低功耗广域物联网进行设计和实现。本文设计了Lo Ra网络的节点与网关,综合设计了包括节点射频模块、接口、数据收发、网关通信转发等。利用开源Lo Ra Server对整个网络进行系统搭建,完成了一个基本的低功耗广域物联网系统,验证了系统设计的基本功能和可行性。

关键词： 圆柱阵雷达   GPU   CUDA   多线程   雷达信号处理   并行设计  

摘要： 数字阵列雷达是阵列雷达中一种重要的新体制雷达,能够形成多个波束实现全方位扫描。圆柱阵雷达作为数字阵列雷达的一种形式,具有全方位多波束、高数据率的特点,这对信号处理提出了很高的要求。目前主要以FPGA和DSP作为常用的雷达信号处理平台,但由于其开发成本高、调试周期长、程序可移植性差,造成其更新换代困难。分析圆柱阵雷达信号处理流程发现,其信号处理过程中存在大量并行计算,而GPU在通用并行计算领域优势明显。因此,本文在GPU并行计算平台上,对圆柱阵雷达信号处理相关算法进行了深入研究,利用CUDA软件编程技术实现了算法从FPGA+DSP平台到GPU平台的移植,本文的主要工作分为以下三个方面。1、圆柱阵雷达任务分析和信号处理方案设计及验证。本文的雷达系统是针对低空低速小目标的探测和跟踪,为了兼顾对远、近目标的探测能力,采用线性调频宽窄脉冲复合信号作为发射信号。结合系统指标要求,设计了圆柱阵雷达36通道信号处理方案,每12通道为一组,形成左、右两波束后进行脉冲压缩、MTD和CFAR处理。在Matlab环境下进行了信号处理算法的系统级仿真,为后续工作提供理论支持。2、基于GPU平台的总体方案设计和信号处理算法的并行设计。在深入研究了GPU硬件架构和CUDA编程模型,并分析了各算法模块运算量及可并行性的基础上,设计了基于GPU的信号处理总体方案。采用CPU+GPU协同异构的工作模式,CPU负责任务调度,GPU负责高度并行的数据运算。在GPU程序中,将信号处理算法分模块设计,采用模块间串行、模块内并行的方式,分别设计了相应的核函数。在设计的核函数中,充分考虑到最大化利用GPU的多线程并行计算能力,对各算法模块如何分配线程块和线程数进行了详细设计。最后,完成了信号处理算法的GPU平台移植工作。3、圆柱阵雷达系统的GPU算法测试和性能分析。首先分析研究了圆柱阵雷达的系统总体架构,给出了数据传输、信号处理和显控终端的设计方法。将回波模拟器产生的36路回波数据通过PCIe 3.0总线传输到服务器,在服务器上对信号处理算法进行了联调。分模块将GPU运算结果和Matlab仿真结果对比,结果基本一致,且一个CPI的信号处理时间满足系统的实时性要求,验证了方案的可行性。本文最终完成了圆柱阵雷达信号处理算法的GPU实现工作,给出了系统联调的测试结果。通过改变一个CPI内的脉冲个数验证了算法的并行性能,通过对比CPU平台和GPU平台的处理时间发现GPU平台具有良好的加速性能,结果表明基于GPU的雷达信号处理能够满足工程需求。

关键词： 物联网   NB-IoT   LPWAN   低功耗   任务调度  

摘要： 自物联网概念提出以来,物联网及其相关技术不断飞速地发展。特别是低功耗窄带物联网领域(LPWAN),以NB-IoT为代表的技术推动着物联网技术深度应用。本文依据热力领域的实际需求,基于硬件系统的低功耗技术,综合设计并实现NB-IoT物联网系统,全文主要工作如下:首先,本文评估了基于NB-IoT技术的通信系统的性能,根据实际需求,依据NB-IoT模组和MCU提供的不同工作状态,在保证广域网环境信息传输的准确性和时效性基础上,设计并实现了基于NB-IoT技术的热力行业的物联网监测系统。其次,本文分析了动态功耗管理以及动态电压调节等低功耗技术,比较了多种应用场景下不同低功耗技术的性能。为增强系统实现,基于嵌入式实时操作系统优化了动态电源管理技术,并针对现实场景需求优化了系统流程,并通过实际硬件验证了低功耗系统性能。最后,本文解决了实际工程中存在的消息传递问题。基于系统的硬件设备实现了动态电源管理技术的低功耗解决方案,提出了物联网硬件设备的消息重传机制,实现了硬件设备数据高并发的消息处理方法,并进行了系统功能测试,验证了方案设计的有效性。

关键词： 应急通信   无线自组网   手持电台   硬件平台   低功耗  

摘要： 随着无线通信网络的飞速发展,通信网络的种类也在不断增加,依靠固定基站、集中控制管理支持的公众网络,已经不能满足应对各种各样的通信场景需求,特别是在复杂的环境下的应急通信,在遭受突发自然灾害或突发危险事故时,多样化的应急通信手段是救援抢险的通信保障。当公网环境遭到破坏时,建立无线自组织网络是一种有效的手段。基于无线自组网络的应急通信系统是一种组网迅速、移动性强的专网通信系统,它使前线救援人员能够及时地沟通,实施高效的救援。本文结合应急通信系统的特点和要求,设计一款基于无线自组织网络的手持电台。为满足移动终端在应急通信的使用场景,设计的手持电台目标是小型化和低功耗。本文针对于应急通信的背景,基于无线自组网的架构,从硬件平台的角度来设计一款小型化、低功耗的自组网手持电台。设计过程首先从分析整个项目的需求确定所设计手持电台的功能要求、无线自组网架构,同时对整个硬件平台的模块组成进行总体设计以及设计思路的分析。其中,提出本设计的创新点,用纯FPGA（现场可编程逻辑门阵列）基带处理架构代替传统电台的GPP（通用处理器）+DSP（数字信号处理）+FPGA架构,并进行对比分析。在确定整体硬件方案后,结合电台设定的性能指标要求,对电台各个模块进行关键器件的选型,对选型的器件进行可行性分析和论证。然后,结合所选器件的技术原理和器件外围电路的研究,对电台的各个模块分别进行原理图电路分析和设计。在原理图设计完后,导入PCB板（印制电路板）,进行叠层、布局、走线设计,组装PCB板成电台样机,最后对电台样机进行性能测试,测试结果表明设计的手持电台符合应急通信系统的硬件指标,可以应用于实际的场景。

关键词： 智能   生态空调   低成本   低功耗  

摘要： 针对热带多数贫困地区,因经济能力无法使用空调的问题,这款基于物联网的智能生态空调可以满足长期处于高温地区且无经济能力使用空调的家庭纳凉的需求.使用光敏传感器及温度传感器检测白昼状态和温度,自动调节取空调生态扇叶的制冷能力.可实现多处同时制冷,增强制冷效果.达到低功耗,低成本,生态环保的效果.

关键词： 导通压降(Von)   快速关断   Snapback现象   槽栅(trench gates)   击穿电压(BV)  

摘要： 被称为电力电子装置和系统之核的功率半导体器件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)具有高输入阻抗、低驱动功率、高击穿电压(BV)及低功率损耗等诸多优点。特别是LIGBT(Lateral IGBT)器件因便于集成,常在智能功率集成电路中使用。双极型器件LIGBT因电导调制效应而具有低的导通压降(V),但同时也给器件的关断带来负担,造成电流拖尾时间较长,关断损耗(E)较大,因此LIGBT器件的E和V两者之间存有矛盾关系。为了加快LIGBT的关断进而降低E,引入了短路阳极结构,却又在正向导通的过程中带来新的问题——电压折回Snapback现象。为此,本文将提出两种新的LIGBT器件结构。1.提出一种阳极具有NPN结构的双槽LIGBT器件。其主要特征为:在阳极侧引入一个NPN(N+阳极\P-well\N-buffer)结构,阴极侧引入双槽和N型载流子存储层(N-CS)。首先,正向导通时,NPN结构的薄基区P-well作为电子的势垒,阻碍电子被N+阳极收集,增加了阳极端的分布电阻,使得器件采用较小的元胞尺寸就能够消除Snapback现象;关断过程中,较高的电压使P-well耗尽,电子可以很快扫过P-well区,从而使得E大大降低。其次,阴极端的双槽和N-CS层在正向导通时阻止空穴被P+阴极快速抽取,电导调制效应增强,V进一步减小,因此器件达到更好的V和E关系曲线;在正向阻断状态,阳极端的NPN结构可以释放电子泄漏电流,抑制了寄生PNP的空穴泄漏电流的产生,使器件可以达到较高的耐压级别,并且可以不受N变化的影响;此外,阴极双槽还提供了空穴旁路,器件在大电流下的抗闩锁能力增强,拓宽了其安全工作区。仿真结果显示,在相等的V下,新结构的E相比***下降了55%;同具有相等E的MSA LIGBT相比,该器件的V下降了38.6%;新器件的耐压能力较***提高了7.3%。该器件阳极端的N-buffer区和阴极端的N-CS层可以同时制作,工艺简单成本较低。2.提出一种具有分段P型埋层的短路阳极LIGBT器件。该器件的特征是在阳极P+区和N+区下方引入分段的P型埋层。正向导通状态,阳极端分段的P型埋层延长了电子到达N+阳极区的路径,增加了阳极分布电阻,进而有效消除了Snapback现象;在关断过程中,阳极端分段P埋层之间的N型掺杂区域又给电子提供了一条额外的释放通路,最终有效地缓解了E和V之间存在的矛盾关系;在正向阻断状态,该结构展现的是一种类似于功率LDMOS器件的耐压机理,电子泄漏电流通过阳极端分段P埋层之间的N型区域流向N+阳极,其产生的压降不足以使P+\N-buffer结导通,抑制了阳极空穴的注入,器件最终实现较高的BV。同时又提出了一种改进型的器件,在阴极侧引入P型埋层,进一步提高了新器件的抗闩锁能力和抗短路能力。仿真数据表明,在V相等时,新器件的E较CON LIGBT下降了13.2%;在保持E一定下,新器件的V相比于SSA LIGBT减小了37%。