关键词： 多声道   超声波流量计   低功耗   时差法  

摘要： 天然气是我国的主体能源之一,具有清洁、高发热量、价格低廉的优点,是建设清洁低碳、安全高效体系的重要组成部分。在天然气产供储销的各个环节中,科学的高效的计量手段都是重中之重。随着流量计的发展,在众多流量计中,超声波流量计在近年来得到了迅猛发展。但随着超声流量计的广泛应用,其功耗大、数据传输困难等问题也暴露出来,这些问题严重制约着超声波流量计的未来发展。目前,超声波流量计市场常年被外国产品占据。国产流量计的测量精度相对偏低,功耗偏高,在高精度测量领域有所不足。本文设计了一款低功耗、高精度的超声波气体流量计,用于低压燃气测量领域。流量计拥有两个型号,分别针对于DN50与DN80管径。本论文采用时差法测量原理,采用双通道测量的方式。使用C8051F960单片机作为控制模块核心,TDC-GP22作为时间测量芯片,设计了超声波流量计。在流量计设计中,本文提出了低功耗设计方案,并根据该方案完成了芯片的选型与硬件电路的设计。根据各信号的大小与性质不同,本文采用三个PCB板,分别是主控板、收发板与接口板。此外,为便于维护,本文单独设计了超声波获取与发射电路和信号处理电路,将其放置在独立的PCB板上,通过可插拔的接口连接至收发板。论文采用了分时程序结构,将整个程序在分割为了多个模块,在每一个时间间隔内,仅运行一个功能,降低了程序间的耦合,使各部分功耗可以直观的显示出来。并且预留了多个时间间隔,以便于后续的系统升级。使用实验平台对流量计进行验证与测试,并对功耗进行了测量。通过误差分析,采用数学手段对流量计进行校准。经校准后,流量计的精准度等级达到国家标准1.0级,工作电流1.265mA,符合设计指标。

关键词： CMOS图像传感器   Cyclic ADC   高速   低功耗   动态偏置电路  

摘要： 高速大面阵CMOS图像传感器在工业控制、医学成像和消费电子等众多领域有着非常广泛的应用。模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)作为CMOS图像传感器读出电路的重要组成部分,其性能很大程度上决定了图像传感器的整体性能。在高速大面阵CMOS图像传感器中,更高的帧率和分辨率使单位时间内需要转换的数据量十分庞大,这就要求ADC具有很高的转换速度。通常情况下,高速ADC的实现需要消耗很大的功耗,一方面会缩短设备的续航时间,减少其使用寿命,另一方面会升高芯片温度,使电路中的非理想效应更加显著,影响图像传感器的成像质量。因此,本文对CMOS图像传感器中ADC的低功耗设计展开了研究。本文首先分析了CMOS图像传感器的工作原理和读出架构,针对高速大面阵图像传感器高帧率和高分辨率的设计要求,选择列级循环ADC(Cyclic ADC)作为研究对象,并且指出了典型结构的Cyclic ADC在功耗方面还有很大的优化空间。然后,本文提出了一种电容与电流缩放式Cyclic ADC,通过将电容和偏置电流源分拆并使它们浮动连接在电路中,使ADC可以在低位量化期间显著降低电容负载和偏置电流。Cyclic ADC的残余位量化特性使其在低位量化时产生的输入参考噪声较小,通过略微增加最高有效位(Most Significant Bit,MSB)量化期间的电容负载就可以消除由低位量化时由电容缩放所产生的额外噪声。结果,Cyclic ADC在保持转换速率和噪声水平不变的条件下实现了更低的功耗。最后,本文为运算放大器设计了一款动态偏置电路,可以实时监测运放输入电压变化,在运放非线性建立过程中提供瞬时动态电流,从而降低运放对压摆率的要求,进一步减少了系统的功耗。本文采用0.13μm CMOS工艺进行电路设计和仿真。仿真结果表明,在1.04MSPS的采样速率下,提出的Cyclic ADC的有效位数(Effective Number of Bits,ENOB)达到了13.54位,功耗为631μW。本设计与典型列级Cyclic ADC相比,平均功耗降低了35.1%,品质因数(Figure of Merits,FOM)为0.055p J/conv-step,处于当前较为领先的功耗效率水平,十分适用于高速大面阵CMOS图像传感器。

关键词： 光伏清洁   LoRa技术   低功耗   遗传算法   参数优化  

摘要： 光伏电池表面积灰会造成约55%的发电量损失,光伏清洁机器人可以有效的清洁光伏电池表面,具有效率高、安全性好的特点。在光伏清洁系统中,无线通信技术用于实现各个光伏机器人和中控后台的控制指令等信息的传递,是光伏清洁机器人系统的核心技术之一。本文针对当前光伏清洁机器人的无线通信问题,结合Long Rang(LoRa)通信技术,设计并实现了基于LoRa技术的光伏清洁机器人通信系统。论文分析了光伏清洁机器人通信的需求并设计了系统架构图,完成了各个部分的软件硬件设计,同时以低功耗为目的,在软件方面进行设计以降低系统的功耗。在此基础上,完成了光伏清洁机器人的通信系统,并进行系统性能和整机的测试。具体内容如下:(1)根据光伏清洁机器人的应用需求,完成了光伏清洁机器人的通信系统设计,同时对系统的感知层、网络层模块进行软硬件设计实现及调试。(2)提出了基于模拟退火算法、遗传算法以及改进遗传算法的参数优化选择方法,通过对比选择出在满足传输距离以及鲁棒性要求的情况下使得系统功耗最低的参数,从而实现系统的整体性能最优;设计了符合光伏清洁机器人的多模态工作模式,进一步降低了系统的功耗,实现电池的最长续航。(3)对LoRa通信系统进行距离和功耗的测试,然后再结合第一代光伏清洁机器人对基于LoRa通信系统的光伏清洁机器人进行整机测试。现场测试试验结果表明本文设计的LoRa通信系统具有通信距离远、功耗低、系统稳定等特点,可满足光伏清洁机器人的要求,达到远程控制的目的,具有可用价值。

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： 地震数据采集   节点系统   实时操作系统   QC测试   低功耗  

摘要： 随着我国对油气资源勘探区域、勘探精度和勘探作业效率提出越来越高的要求,地震勘探正逐步转向更高密度以及更复杂的地形环境。现有使用的有缆数字地震仪逐渐成为地震勘探发展的瓶颈,节点式的单站单道存储式无缆地震记录仪成为了地震勘探仪器的发展方向。目前国内外的部分无缆地震仪存在时间精度不高、不具备采集数据质量控制、功耗较大等问题,因此,本文针对无缆地震数据采集系统进行了研究,重点在实时性、可靠性和低功耗方面进行了优化,设计并实现了一种无线地震数据采集节点系统。本文在对比和分析了国内外无缆地震数据采集设备的构成和工作原理后,首先建立了节点系统的硬件平台,其中中央控制单元采用ARM Cortex-M4为内核的处理芯片、信号采集单元采用(50)-(35)型的A/D转换器、时间同步单元采用U-blox系列GPS接收机、以及电源管理单元和高效的存储单元。接着搭建了基于MDK-ARM的开发环境、移植了RTX实时操作系统和FATFS文件系统、完成了模块底层驱动程序和系统中央控制软件设计,实现了地震数据采集节点系统的整体工作流程。在实时性方面,本文对节点系统的高精度时钟同步方案进行了研究,设计了一种GPS授时模块和压控温补晶振结合的时钟同步方案;在可靠性方面,本文在节点系统的方案上增加了QC测试模块和无线数据传输单元,通过将QC测试数据回传到上位机,使得在采集过程中可以查看节点系统的采集状态;在低功耗方面,分别对硬件和软件系统进行了低功耗的优化,硬件系统采用静态电源管理技术以提高电源使用效率,软件上采用动态电源管理技术,通过控制各模块进入低功耗状态、分时开启供电以及降低中控运行频率等方式,使得系统平均功耗降低。最后,搭建了无线地震数据采集节点系统样机,对样机的采集性能参数和功能性进行了测试。测试结果表明设计的无线地震数据采集节点系统满足了技术指标要求,达到了预期的设计目标。

关键词： 高电源抑制比   低功耗   线性稳压器  

摘要： 近年来,随着物联网、智能家居、人工智能等技术的发展,便携式电子产品越来越多的进入了人们的视野,逐渐成为了生活中必不可少的产品。同时,随着电子产品越来越小型化,多功能化,集成电路设计师将数字电路与模拟电路集成在同一芯片上。然而,数字电路会产生噪声,影响模拟电路中敏感模块的工作,因此屏蔽电路中的纹波显得非常重要,于是高电源抑制比的电池管理系统就受到了越来越多的关注。本文设计的是一款低功耗、高电源抑制比（PSRR）的低压差线性稳压器（LDO）。该低压差线性稳压器通过采用一种低功耗、高电源抑制比的基准电路的方式来提高电源纹波抑制能力。本篇文章讨论了LDO的工作原理以及相关的各项性能指标。并且对本次设计的LDO的各个组成模块,如基准模块、误差放大器模块、调整管、反馈网络等进行了电路设计及性能的仿真,而后对整体系统的性能指标进行了分析验证。并进行了相应的版图设计。本次设计采用了Dongbu Hitek 0.18um工艺,进行了电路的设计、仿真验证及版图设计,仿真结果表明,该LDO的静态电流不超过25u A;其最大负载电流可达到300m A;在0到300m A工作时,其负载调整率为2.8m V;当负载为30m A时,该LDO在1k Hz时的PSRR可达到-99d B,最低点（250k Hz）时,亦可达到-43d B;在温度从-50℃到150℃变化时,电压的变化量仅2.3m V;温度系数约为24.35ppm/℃;线性调整率为0.4%。同时,本次设计在系统中另添加了过温保护模块及过流保护模块对电路进行保护。最终仿真结果表明本次设计的电路满足电路设计的指标。

关键词： Hyperheuristics   simultaneous multithreading   resource partitioning  

摘要： In simultaneous multithreaded (SMT) processors, various data path resources are concurrently shared by many threads. A few heuristic approaches that explicitly distribute those resources among threads with the goal of improved overall performance have already been proposed. A selection hyperheuristic is a high-level search methodology that mixes a predetermined set of heuristics in an iterative framework to utilize their strengths for solving a given problem instance. In this study, we propose a set of selection hyperheuristics for selecting and executing the heuristic with the best performance at a given stage. To the best of our knowledge, this is one of the first studies implementing a hyperheuristic algorithm on hardware. The results of our experimental study show that hyperheuristics are indeed capable of improving the performance of the studied workloads. Our best performing hyperheuristic achieves better throughput than both baseline heuristics in 5 out of 12 workloads and gives about 15% peak performance gain. The average performance gains over the well-known hill-climbing and adaptive resource partitioning heuristics are about 5% and 2%, respectively.

关键词： 低功耗蓝牙   SoC   授权许可  

摘要： CEVA和宣布汇顶科技已经获得CEVA RivieraWaves低功耗蓝牙IP的授权许可,在其GR551x系列低功耗蓝牙系统级芯片中部署使用。GR551x系列旨在帮助用户开发基于低功耗蓝牙的产品,包括智能移动设备、可穿戴设备及物联网应用产品。

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： 无线收发机   模数转换器   低功耗设计   LMS算法   误差校准  

摘要： 无线通信协议IEEE802.11ac/ax的推出对收发机中ADC的性能指标提出了更严苛的要求，不仅要求更高的精度、更大的带宽，同时对其功耗也有更严格的限制，这为ADC的设计提出了极大的挑战。本文即是应对这一挑战，致力于设计一款用于802.11ac/ax无线收发机中的12Bits160MS/s低功耗SAR ADC。本设计通过“时钟交织”两路相同的单通路12Bits80MS/s低功耗SAR ADC的方式来实现12Bits160MS/s低功耗SARADC。主要研究成果和创新点如下:　　1)在每一路ADC的设计中采用并改进了基于LMS算法的校准方案，既保证了12位精度，同时可以使输入电容的面积减小到只受热噪声影响的程度，既节省了芯片面积，又降低了功耗。在校准时，相比于前人的工作，本设计用一个DC信号代替随机信号来做扰动信号，省去了随机信号产生器的使用，简化了电路;采用前台较准的方式，进一步降低了ADC的工作功耗;本设计还将校准的可行性从95％提高到了99.73％。　　2)在每一路ADC的设计中，本文利用“Sub-Radix-2”的方式引入冗余，并结合“单调开关”的策略，保证引入的冗余是对称的，克服了传统方式引入的冗余是单边的缺点。冗余的引入降低了参考缓冲器的带宽要求，降低了功耗。　　3)单通道12Bits80MS/s ADC完成设计流片，测试得ENOB＞10.5Bits，同时只消耗小于2毫安的电流，计算出的FoM值为14.7fJ/***。　　4)在实现两路ADC时钟交织的过程中，为了有效的抑制两个通道之间失配的影响，本设计基于“频域响应失配”的矫正算法，提出了一种降低多项式系数复杂度的方法，通过一次校准将Gain Error、Timing Skew、Bandwidth Mismatch等各种失配的影响统一修调掉，在最后的频谱中很好的抑制了镜像杂散的影响。　　本文为802.11ac/ax无线收发机中ADC的设计提出了一种简洁有效的实现方案，同时解决了实现时最重要的两个难题，即单通道12Bits80MS/s低功耗SAR ADC的设计以及时钟交织误差校准算法的提出。