关键词： 无线传感器网络   NSMAC协议   跨层优化   CLSMAC协议   能量有效  

摘要： 随着通信与计算机技术的进步,无线传感器网络（Wireless Sensor Network）获得了空前的关注热度,在诸如生态监测、工程建造、军事侦察等领域得到广泛应用。部署在环境中的一个个体积小、重量轻、成本低的传感节点将数据采集并通过多跳的方式传输到汇聚节点,然后利用互联网或卫星等方式传送到用户终端。微型传感器节点的优点同时也限制了其工作的时间与能力,在电池技术迟迟未取得突破性进展的今天,如何让传感器网络能更长时间为人们服务,是亟待解决的问题。在无线传感器网络协议栈中MAC层协议决定着节点接入信道的方式,控制着传感节点中能耗最高的通信模块,因此设计良好的MAC协议对于提升网络生存时间至关重要。本文首先分析了SMAC协议的主要工作机制与缺点,提出了可适应网络负载动态变化的NSMAC协议。在SMAC协议中,固定的竞争窗口与占空比机制使得该协议很难应用在负载动态变化,特别是负载较高、规模较大的网络中。因此,在NSMAC协议中,竞争窗口可以根据节点缓存队列中数据包的数量灵活调整,避免了退避时间的选择与网络负载不匹配的情况。然后,又以队列中数据包的平均增长率为指标动态调节占空比。仿真结果表明,NSMAC协议在负载动态变化、传输跳数较多的网络中有很好的能效表现,同时时延和吞吐量也有不错的改善。接下来本文研究了跨层设计的思想理念与方法,设计出了CLSMAC协议。该协议首先改进了选路算法,使得网络的负载分布更加的均衡。然后又优化了传感器网络MAC协议的握手机制,使得网络中控制帧的数量大幅减小,大大增加了数据包在网络中的流转速度,使得其在一个调度周期内可以传输多跳。通过以上两个措施,CLSMAC协议可以大大减少节点空闲侦听的时间,降低了碰撞和串音发生的概率。仿真实验的结果表明,CLSMAC协议在网络负载较大时,有效降低了网络的平均能耗,大大提升了网络的生命周期。该协议还使得时延和吞吐量有着明显的改善。最后总结了全文,展望了无线传感器网络MAC协议比较有价值的研究方向。

关键词： 低功耗   逐次逼近型模数转换器   异步   电容开关时序  

摘要： 随着无线传感器技术的快速发展,生物医疗设备和便携式设备得到广泛应用,由于电池成本和容量的限制,低功耗成为此类设备最重要的设计指标之一。模数转换器(ADC)作为生物医疗设备的核心组件,降低其功耗将变得至关重要,逐次逼近型模数转换器(SAR ADC)由于结构简单,功耗低的特点,在低功耗芯片设计领域备受青睐,得到广泛研究及应用。本文首先对低功耗SAR ADC的结构和关键电路技术进行分析,然后提出并推导分析低功耗电容开关时序,通过Matlab对功耗和线性度进行仿真,最后设计完成一款12位200KS/s异步低功耗SAR ADC。本文重点对低功耗开关时序进行研究,在推导分析传统开关时序、单调开关时序和Vcm-based开关时序的基础上,提出两种新型开关时序。第一种是混合节能开关时序,结构上采用最高位拆分技术,将高位拆分成与剩余位一致的电容阵列,并且采用先双边后单边的开关切换方法,使电容总面积与传统时序相比减少75%,该时序在第一次和第三次转换过程中不消耗能量,与传统开关时序相比,能量节省了97%。第二种单端新型节能开关时序结构简单,并且开关切换复杂度低,与传统开关时序相比,功耗节省了96.09%,面积减小50%。同时,本文改进比较器电路的动态预放大级,降低电路功耗,减小噪声对比较器的影响;优化SAR控制逻辑电路的漏电问题,提高数字输出正确率,减少数字逻辑电路的漏电功耗;采用栅压自举开关,减小非线性对系统的影响;推导冗余校正算法,设计完成冗余位数字误差校正电路。最后对整体电路版图进行布局布线,提取寄生参数,完成电路后仿真。基于UMC 55nm CMOS工艺进行12位200KS/s异步低功耗SAR ADC的电路设计和后仿真,仿真结果表明,在0.8V电源电压,200KS/s的采样频率,输入信号频率为10.9375KHz的情况下,输出的SNDR为67.6d B,SFDR为74.4d B,ENOB为10.94位,INL的结果为+0.88LSB/-0.65LSB,DNL的结果为+0.98LSB/-1LSB,功耗为1.6μW,FOM是4.1f J/conversion-step,整体芯片面积是0.113mm。

关键词： 产品设计   IoT   低功耗蓝牙模块  

摘要： Nordic Semiconductor宣布,位于唐山的唐山宏佳电子科技有限公司已选择使用Nordic支持蓝牙5.1测向功能的nRF52832低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy/Bluetooth LE)系统级芯片(SoC)和nRF52811SoC以助力其HJ-380和HJ-180紧凑型模块。

关键词： 声光报警   LED灯   低功耗  

摘要： 新型报警矿灯对传统矿灯的报警方式进行了升级,在原来声音报警基础上增加了光线报警,单功能声音报警型矿灯受功耗、使用场景的制约,体积往往很大,且在嘈杂环境中声音报警极易失效,无法有效达到报警效果,增加光线报警可以让使用者或周边人员用眼睛直观看到,报警效果更好,同时体积小,质量轻,保证便于携带.本设备采用光纤进行导光,使用低功耗超亮红色LED灯珠作为发光源.当异常情况发生时,在矿井黑暗环境中可使人醒目地看到此报警信息,从而达到提示报警效果,降低人员安全风险,减少人员事故.

关键词： 低功耗   发射前端   上变频器   功率放大器  

摘要： 应用于物联网的超低功耗收发机是近几年来工业界和学术界的研究热点,低功耗蓝牙是目前流行的短距离物联网通信标准。在短距离收发系统中,发射前端的性能对整个发射机的性能影响最大,实现一款高性能的低电压低功耗射频发射前端具有重要意义。为了在低电压下满足射频发射前端高线性度、高隔离度和高工作效率的要求,论文改进了传统的射频发射前端结构,该射频发射前端包括上变频器和功率放大器。上变频器基于经典吉尔伯特单元,采用负反馈技术改进设计了一种折叠式的跨导级结构,减少了电路中纵向堆叠的晶体管数量,使得电路在近阈值电源电压下仍能保持较高的线性度;同时优化了开关级电路的结构,通过在中频输入端口处构造高通滤波器,减少了电路中的高频毛刺,提高了电路的端口隔离度。功率放大器采用D类结构,提出了一种低损耗的差分转单端电路,提高了电路的工作效率和集成度,并总结推导了D类功率放大电路中的功率损耗原因。本文基于TSMC 40nm工艺,进行了低功耗蓝牙芯片中发射前端的电路设计和版图设计,并进行了流片验证。测试结果表明,低功耗蓝牙芯片最大输出功率为2.05d Bm,功耗为18.2m W。上变频器后仿真结果表明,在0.7V电源电压下,其功耗仅为0.7m W,转换增益为0d B,输入三阶交调截点达到11.77d Bm;功率放大器后仿真结果表明,在1.2V电源电压下,最大输出功率为6.33d Bm,功率附加效率达到40.2%。

关键词： 传感器   智能灌溉   LoRa   低功耗   模糊控制  

摘要： 农业灌溉是维持农作物进行正常生产活动的关键行为,对提高作物产量具有重要作用。我国是农业大国,传统的人工漫灌方式由于控制精度和实时性不高等问题造成了水资源的严重浪费,也制约了农业的可持续发展。为了解决上述问题,结合传感器技术、远距离无线传输技术(Long Range,LoRa)和模糊控制理论的优势,设计了一款基于LoRa的智能农业灌溉系统。该系统主要由测控子系统、传输子系统和远程主控管理子系统组成,本论文的主要研究工作如下:1.在测控子系统中,主要完成了对采集节点和执行节点的设计。采集节点的主要任务是负责土壤湿度和作物周边环境参数的采集,由土壤湿度传感器和小型气象站组成。执行节点的主要任务是负责土壤湿度的调控,由电磁阀、水泵和流量计组成。为了提升节点电路的抗干扰能力和响应国家环保型农业的号召,对部分电路进行了优化,设计了可充电的电源电路、隔离型的AD采集电路、隔离型的485自动收发电路和光耦隔离的继电器控制电路等。针对大规模农田应用场景下灌溉系统因测控设备数量多而导致的测控效率低的问题,仿照单总线的数据采集与回传机制,设计了数字总线的数据处理方案。2.在传输子系统中,主要完成了对LoRa终端、LoRa网关的设计。LoRa终端主要负责测控子系统和LoRa网关之间的数据传输,LoRa网关主要负责LoRa终端和远程主控管理器之间的数据传输。针对节点数据汇聚时延大、能耗高的问题,基于LoRa模块的基本技术优势,设计了一种低功耗的数据汇聚方案。该方案采用星型网络结构和正六边形结构部署LoRa终端节点的方式,通过基于状态机的数据交互协议的引入以提升数据处理的速度,通过数据传输速率的自适应调整机制和时分复用的多路数据上传方式以降低数据传输的能耗。通过测试分析,LoRa模块在工作频率为470MHz,扩频因子为12,通信带宽为62.5KHz的条件下,采用锂电池供电的系统可以稳定工作一年之久。3.在远程主控管理子系统中,主要完成了对汇聚数据的可视化展示、存储、分析与预测。针对传统灌溉方式耗费时力,水资源利用率低,超调大的问题,设计了一种基于皖北地区冬小麦灌溉模型的智能灌溉策略。首先,采用模糊控制理论设计了Mamdani型的模糊控制器,该控制器主要用来对系统的灌溉时间进行模糊推理。其次,结合改进的作物蒸腾量计算公式和土壤渗透模型,建立了基于土壤含水量变化函数的土壤湿度预测模型,经过实际值与预测值的对比,验证了该模型能达到满意的预测效果。最后,利用MATLAB对智能灌溉策略进行了仿真,通过与传统PID控制进行对比,得出采用该策略的灌溉系统具有响应时间短,稳定性强,起调快的优点。综上所述,本文设计的农业智能灌溉系统具有功耗低、平稳性好、响应快、超调现象不明显等优势,为农业生产领域提供了一种高效、精准的灌溉方案,该系统对改善目前农业灌溉现状有着非凡意义,具有广阔的应用前景。

关键词： 静态随机存取存储器   低功耗设计   辅助电路   静态噪声容限   写阈值  

摘要： 存算一体(Compute In-Memory,CIM)是解决传统冯诺依曼计算机架构性能与功耗瓶颈的一种有效方法,然而,存算一体在降低传统冯诺依曼架构数据传输造成的延时和功耗的同时对静态随机存取存储器(Static Random Access Memory,SRAM)等存储器的功耗的要求越来越高。降低SRAM功耗最为直接的方式是降低SRAM的电源电压。电源电压的降低虽然可以让SRAM的功耗呈平方倍数降低,但是也会使SRAM的读写性能产生一定的损失。在外围电路中增加辅助电路结构是有效提高SRAM的读写性能的方法。然而,传统的辅助电路技术在提高读或写单一性能的同时会损失另一种性能,因此,结合多种辅助电路技术,并实现低功耗SRAM设计显得尤为重要。本文对低功耗SRAM设计进行以下两个方面研究。一方面,本文结合并优化了地线电压抬升和位线电压降低及位线电荷回收技术,并基于这两种技术重新设计SRAM的存储单元和读写分离结构的列选择器。该方法在SRAM写数据时将半选单元的位线泄露电荷回收用于驱动全选单元的地线电压抬升,提高全选单元写阈值;同时泄露电荷使半选单元的位线电压降低,提高半选单元的读静态噪声容限;另一方面,本文结合字线电压抬升和字线电压降低技术,提出新型两步控制字线电压辅助电路技术。该技术在SRAM读数据时将字线电压降低至欠驱电压,提高全选单元和半选单元的读静态噪声容限;而在SRAM写数据时将字线电压先升高至过驱电压后降低至欠驱电压,提高全选的写阈值并减少半选单元在字线电压抬升时造成的读静态噪声容限的损失。对本文设计的低功耗SRAM存储单元进行1000次蒙特卡洛仿真实验,实验结果表明,与传统结构相比,本设计的写阈值提升近33%,读静态噪声容限提升近6%,SRAM的最小工作电压从0.65V降低至0.5V。对本文的低功耗SRAM进行版图设计并进行后仿真验证,实验结果表明,相比于传统结构,在0.65V下,本设计的写时间降低10%,而在0.5V下,本设计的静态功耗和动态功耗相比于工作在0.65V时分别降低超过40%和30%。

关键词： 薄膜晶体管   溶液法   金属氧化物   低功耗   反相器  

摘要： 薄膜晶体管(Thin Film Transistor,TFT)作为平板显示设备中的核心开关元件,其重要性不言而喻。目前,基于金属氧化物半导体的TFT由于其较高的光学透射率,较高的迁移率及优异的稳定性受到了商业和科研领域的广泛关注。同时,采用具有高介电常数的铪基氧化物材料代替SiO不仅可以降低栅介质层的漏电流密度,还可以降低TFT器件的驱动电压和功耗。本论文通过低成本的溶液法制备了铟基氧化物薄膜及铪基栅介质层,并成功构筑了低压驱动的高性能铟基TFT器件;基于TFT器件构筑了反相器,并研究了其增益特性及响应行为。本论文的具体研究内容及结果如下:1.基于环保的水溶液法制备了新型HfGdO栅介质薄膜,研究了退火温度对HfGdO薄膜的物理性能及化学组分的影响。基于HfGdO薄膜,通过水溶液法构筑了低压驱动的InO/HfGdO TFT器件,其表现出11.2 cm V s的迁移率及4.1×10的开关比。基于InO/HfGdO TFT构建了可用于逻辑电路的反相器,其表现出高增益及良好的全摆幅特性。研究结果表明溶液法制备的HfGdO薄膜在低压驱动的TFT及反相器领域具有诱人的应用前景。2.基于环境友好的水溶液法制备了InZnO薄膜,系统地研究了元素摩尔比(In:Zn)对InZnO薄膜的光学性能、微结构及化学组分的影响。基于InZnO/SiO TFT器件的电学性能分析,得到了InZnO薄膜的最佳元素摩尔比。基于最佳元素摩尔比,构筑了低压驱动且迁移率为9.1 cm V s及开关比为1.5×10的InZnO/HfO TFT器件。基于InZnO/HfO TFT,构筑了增益高达8.8的反相器。这些优异的电学参数表明溶液法制备的InZnO薄膜在低成本、低功耗电子器件领域具有潜在的应用前景。3.基于溶液法制备了Ca掺杂的InO薄膜,研究了Ca掺杂浓度对InO薄膜的光学性能、表面形貌、微结构及化学组分的影响。X射线光电子能谱测试表明Ca掺杂能够有效地调控InO薄膜内部的氧空位。InCaO/HfGdO TFT器件的性能测试表明0.5%的Ca掺杂能够有效地调控TFT器件的迁移率、开关比及偏压稳定性,使得性能最佳化。基于InCaO/HfGdO TFT构筑的反相器的增益值为6.0,其足以驱动集成电路中的信号持续传播。该研究结果表明适量Ca掺杂的InO薄膜在TFT以及反相器领域具有广阔的应用前景。

关键词： 旋转导向钻井   姿态测量   DSP   姿态解算  

摘要： 随着石油工业的发展,旋转导向钻井技术已经成为最高效智能的自动化钻井技术,该技术可以大幅提高油藏的开发能力,降低钻井成本。对井下钻井工具姿态参数的实时测量是实现钻井工具导向精准控制的核心要素,确保钻井工具能按照预先设定的钻井轨迹准确钻入油藏靶区。本文针对旋转导向钻井系统的技术特点,在已有钻井姿态测量理论的基础上,提出了应用于井下工具姿态测量的多通道数据采集与处理系统。主要研究内容包括以下几部分:1.系统选用TMS320F2812型DSP芯片作为主控制器,系统硬件电路部分的整体设计主要围绕TMS320F2812芯片,包括系统的供电电路、时钟电路、复位电路等DSP的基础外围电路构成DSP的最小系统,结合信号调理电路、通道选择电路、ADC采样电路等功能模块电路共同构成本次设计,以实现多通道数据的采集与处理功能。2.开发相应的功能软件程序,采用模块化编程思想,编写了系统的初始化子程序、数据采样通道选择程序、AD7981与DSP的接口程序设计、SPI数据传输子程序与姿态角解算程序等功能模块子程序。3.应用姿态角解算算法,对井下工具姿态参数进行解算,并对解算得到的姿态角参数进行误差校正。基于TX-3S测斜仪进行了地面环境下系统的模拟实验测试,实验测试结果表明系统硬件电路设计稳定可靠,实现了软件设定的各项功能,可以实现数据的多通道采集与处理,姿态角的解算精度通过姿态误差算法校正之后明显提高。

关键词： 社交媒体   性别政治   女性集体行动   动员网络  

摘要： 伴随着移动社交媒介的普及，晚近以来，全球范围内兴起第四波女性主义运动，Me too运动就是其中的典型。这场运动的发生有多方面的原因，其中社交媒体扮演了关键角色，参与者积极利用各种社交平台，生产、传播和共享信息，建构动员网络，对既有的权力结构产生一定的冲击，在性别政治的历史图谱中刻画了独特的痕迹。论文借鉴曼纽尔·卡斯特基于媒介政治学的“权力网络”理论，探讨Me too运动的行动者如何利用社交媒体进行组织和动员，并在女性主义运动变迁的历史背景下，简要评述这种高度网络化的社会动员模式对于性别政治实践的意涵。　　为解决上述问题，文章从动员网络切入，全景式、动态地呈现社交媒体在运动组织中的核心地位:首先，节点为动员网络的基本要素，依据其动员特点可分为中心节点、潜力中心节点、撒播节点和一般节点四种类型，其中社交媒体为节点间的信息传播提供多种共享渠道，从而形成扩散式的行动网络;其次，在动员网络的运作机制中，参与者通过话语策略与情感框架带动编制/切换等反权力的运作，以此增强网络的动员效力;另外，动员网络的建构以价值认同为基础，惺惺相惜的姐妹情谊、客观存在的相对剥夺感促使更多女性参与其中，同时又因运动中多方力量的博弈使得认同呈现历时转化态势;最后，文章探讨了媒介网络的社会形塑力，认为Me too运动表面上走向终结甚至被冠以“懒人行动主义”，但实际行动己延展到线下，且成功建构起性别议题讨论的场域，为未来的性别政治实践奠定意识基础。