关键词： 嵌入式实时操作系统   丢包率   低功耗蓝牙系统   系统调度   数据传输  

摘要： 随着物联网技术的飞速发展,人们对生活智能化的要求将越来越高。而作为其中最关键的一环是无线技术突破性的进展,比如将采集到的数据发送到对端设备中或者从对端设备中获得相应的处理指令,这些过程都是通过无线技术实现的。现在市面上采用的无线设备有Wi Fi、Zig Bee和Blue Tooth等,本文选择低功率蓝牙作为无线设备的研究对象,是因为它具备低成本、低功耗以及使用广泛等优点。本文是针对在低功耗蓝牙设备之间能稳定、高效且快速的传输数据而进行的研究。以低功耗蓝牙系统为主要研究方向,改进了系统调度机制来降低低功耗蓝牙的丢包率。为了达到此研究目的,主要的研究内容有如下几点:1.设计了一套用于本文研究低功耗蓝牙无线连接和数据传输的嵌入式系统。根据功能需求裁剪Free RTOS内核,将其移植到基于ARM Corter-M0处理器的低功耗蓝牙芯片上,修改Free RTOS中与硬件相关的文件以及硬件接口函数,如Free RTOS中第一个任务的启动以及任务切换机制等等,并选择合适的内存管理方案,合理且最优化的利用低功耗蓝牙开发板的内存资源。2.设计了一系列用于移植低功耗蓝牙协议栈的接口函数。通过分析低功耗蓝牙的连接过程以及每层低功耗蓝牙协议数据传输的特点,在Free RTOS内核中实现了这些接口函数,用于低功耗蓝牙协议栈能够在Free RTOS中运行起来,从而构建出整个低功耗蓝牙系统。3.设计了几种用于HCI层进行任务调度以及对命令、数据进行处理的信号量。基于Free RTOS任务优先级抢占和时间片轮转的特性,任务优先级根据每个任务运行时间的大小而动态设定。根据优先级大小执行触发相应信号量的任务事件,对于被设定为同等优先级的任务,将以时间片轮转的方式执行。4.设计了智能照明系统中四种基本任务事件处理流程的相关函数。基于改进的调度机制和智能照明系统,实现了HCI命令的下发与执行、HCI命令执行完成的状态事件反馈、接收对端设备的ACL数据以及向对端设备发送数据的任务处理流程。最后本文通过Packet Sniffer抓包软件工具进行丢包率的统计,相比于原先基于OSAL的低功耗蓝牙系统,本文设计的低功耗蓝牙系统的丢包率平均降低了7%之多。设计单节点和多节点组网多次测试,发现入网速度大大增加,并且连接上后数据传输更加稳定且出错率更低,保证了低功耗蓝牙系统在实现万物互联方面更进了一步。

关键词： 微处理器   直接存储器访问   低功耗   开发平台   功能验证  

摘要： 直接存储器访问（Direct Memory Access,DMA）是所有现代微处理器（Microcontroller Unit,MCU）的重要模块。DMA支持不同传输速度的硬件装置之间的交互,而此交互不必依赖于CPU（Central Processing Unit）的中断负载进行。否则,CPU将需要从来源把每一个运行程序的资料和数据拷贝到缓存器中,然后再把它们写回到一个新的目的地址中,在这段时间内,CPU将无法正常进行其他的工作,采用DMA来进行数据传输,可以减少CPU的工作量,提高微处理器的系统效率。本文设计了一种具有较强数据搬运功能的DMA,每个通道最多一次可支持216个数据传输;支持数据的位宽不对等传输,源地址数据和目的地址数据均可配置成8bits、16bits、32bits;通道优先级包括固有优先级和软件配置优先级,固有优先级从通道1到通道7逐渐递增,软件可配置优先级多达四种:低,中,高,非常高;数据搬运方向包括三种:存储器到存储器、存储器到外设、外设到存储器。并在DMA的设计完成后,对DMA进行功耗上的改进,引入时钟门控技术,在很大程度上降低了DMA在数据传输过程中所需要产生的功耗。应用Keil微控制器开发套件编写测试程序,对模块进行了设计功能验证。并在VCS上完成仿真验证,确认了DMA模块各种模式下的数据搬运无误。应用synopsys公司的Prime Time软件进行了功耗分析,将D M A模块在有无引入时钟门控的区别下,对搬运同一批数据时所产生的功耗进行对比。结果显示,引入时钟门控技术的DMA动态功耗下降了3 1.9%。对提高M C U的系统效率以及降低M C U的功耗都具有比较重要的意义。

关键词： 语音编码芯片   低功耗设计   并行计算   流水线   抗偏差   时序容错   异步电路  

摘要： 随着摩尔定律推动半导体制程的不断演进，单片芯片的集成度已经达到了百亿晶体管级别。集成度的发展使得芯片性能迅速提升，但是随之产生过高的功耗极大地限制了芯片性能、电池寿命、可靠性和封装，低功耗成为芯片设计的迫切需求。在近来兴起的物联网、医疗电子和可穿戴设备等领域中，功耗甚至成为比性能更加重要的设计指标。语音编码技术广泛应用于语音信号处理中，是语音通信技术和语音存储技术的基础。本论文基于语音编码的应用背景设计一款G.729语音编码芯片，并从系统层、逻辑层和电路层研究芯片的低功耗设计技术。研究内容和成果总结如下:　　(1)基于并行计算与流水线技术对编码芯片进行改进。利用语音帧分析与子帧编码之间没有数据与资源相关的特点，使用流水线技术同时处理两个语音帧;语音帧分析中的开环基音搜索是子帧编码耗时的两到三倍，成为流水线的瓶颈，针对这个问题，对开环基音搜索在并行计算的基础上进行搜索顺序重排。仿真验证表明改进后的芯片吞吐率提升了47.9％，这使得在实时编码中满足特定性能下，可以通过降低主时钟频率而优化芯片功耗。　　(2)提出一种基于时序容错的抗偏差技术。该技术提出一种时序检错锁存器和一种时序纠错方案:时序检错锁存器使用两个动态反相器共同对到达的数据进行检测，并使用锁存器接收数据，能够以较小的面积开销检测时序违例且不会引入亚稳态;时序纠错方案结合锁存器的时序借用特性和时钟门控，具有放松的时序错误约束与较小的纠错开销。提出的时序容错技术经过验证能有效解决动态偏差引起的时序违例问题，使用该技术所设计的乘法器保持性能不变的情况下比传统乘法器能耗降低35.1％～46.8％。　　(3)提出一种基于异步电路的抗偏差技术。该技术提出一种异步控制协议和一种异步设计流程:异步控制协议使用循环式的延时链降低异步设计的开销，基于寄存器而非锁存器生成局部时钟，能够简化时序分析，具有较高的时序稳定性;异步设计流程使用定制的脚本指导同步EDA软件进行设计和时序分析，具有兼容性好、全自动化、设计复杂度低的特点。所提出的异步电路技术经过验证能够有效地解决近亚阈值电压下的剧烈偏差，从而使得电路工作在近亚阈值区间，使用该技术设计的乘法器比传统乘法器能耗降低87％。　　(4)在SMIC55nm工艺下设计了一款语音编码芯片，并完成了电路设计与仿真验证。仿真分析表明:基于并行计算与流水线的改进技术能通过提高吞吐率实现降频，基于时序容错的抗偏差技术在不同的PVT偏差下能相应地减少编码芯片的电压余量，最终所设计的语音编码芯片能够将功耗降低32.4％～49.7％。

关键词： Nios Ⅱ   手持示波器   低功耗   门控时钟   时钟偏斜  

摘要： 示波器作为“电子工程师的眼睛”,是工程领域最常用的测量仪器之一。手持式示波器克服了传统数字示波器体积大、功耗高等缺点,在保留了传统数字示波器的基本功能的情形下,使示波器变得更加的小型、便携,尤其适合在户外以及对测量仪器的体积要求十分严格的环境中使用。然而如今市面上的手持示波器价格极其昂贵,进口品牌的手持示波器价格可达几万元。对于简单的测量,在功耗、体积以及成本上仍有很大的优化空间。针对以上问题,本文设计了一款基于FPGA和Nios Ⅱ的低功耗简易手持示波器,对市面上现有的手持示波器进行了功耗、体积和成本的优化,同时能够进行一般的测量。详细阐述了示波器的功能需求和技术指标,并依据功能需求和技术指标进行了示波器的总体方案设计和软硬件划分的方案设计。硬件设计基于FPGA和Qsys,硬件子模块包括采样模块、触发控制模块、波形存储模块、参数测量模块、波形显示模块、触摸控制模块,详细分析了各模块的功能并基于FPGA实现。同时在硬件设计中搭建了Qsys系统,作为一个硬件平台,来进行后续软件设计的实现。本文的研究重点为示波器的低功耗问题。首先对FPGA功耗进行分析,并据此对示波器进行低功耗设计,不仅仅使用单一的低功耗设计方法,而是将多种低功耗设计方法结合,其中效果最显著的低功耗设计方法是门控时钟技术。然而在使用门控时钟进行功耗优化的同时会带来时钟偏斜和亚稳态两种时序问题,从原理上分析了时钟偏斜和亚稳态的产生以及引入设计的原因,使用全局时钟树以及其他一系列方法将两种时序问题解决,并使用功耗仿真对功耗优化结果进行分析。示波器软件设计基于Nios Ⅱ进行示波器操作界面的绘制以及使用Nios Ⅱ控制各功能模块完成触摸功能处理。最后对设计进行功能测试,分为时序测试、整体测试和功耗测试。测试结果表明示波器未出现时序问题,且低功耗设计对功耗的优化效果显著,其余各项指标均满足要求,达到了预期目标。

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： VPP   用户态协议栈   多线程并行   分组分区  

摘要： 近些年,工业界和学术界为了避免内核网络协议栈在网络IO方面的局限性,在用户空间设计实现了高性能的网络协议栈和数据包处理框架。在这些用户空间网络协议栈和快速数据包处理解决方案中,矢量包处理器（Vector Packet Processor）是一个典型的高效数据处理框架,它集成了高效的绕过内核技术以实现高性能的I/O;同时也通过向后兼容的通信库向应用层提供基于共享内存的核间通信方式。但是,当在多核系统上扩展多线程应用程序的性能时,本文发现了一个增加VPP用户态协议栈不稳定性的功能限制和两个导致协议栈性能不同程度地下降的瓶颈:（1）关键控制事件和I/O事件之间的干扰破坏了有状态传输协议的正确性,原因是VPP数据包处理图机制下矢量之间的队列延迟使得部分关键控制事件失去时效性;（2）协议栈会话层服务模型可抽象为多生产者-单消费者模型,该模型降低了多线程处理的并行度,不利于在多核系统上实现高性能扩展;（3）LD＿PRELOAD库中基于锁的会话共享机制会导致相当大的应用线程间锁竞争开销。为了消除上述VPP协议栈的局限性,本文提出了分组分区矢量包处理器协议栈（Grouping Partition Vector Packet Processor）,它基于现有的VPP框架设计增加了一些针对上述局限的优化模块,使VPP协议栈的数据包处理路径更适合网络密集型多线程应用。GP-VPP利用智能丢包策略解决了传输协议层中由于VPP图节点间队列延迟导致的控制/IO事件干扰问题;在多个VPP协议栈线程上对应用工作线程进行分组和分区,从而提高多线程处理并行性;以绕过带锁会话层的方式避免特定多线程应用场景下的锁竞争开销。通过实验验证和分析,在多线程模式下,在使用VPP协议栈为启动八个工作线程（对应有八个工作进程）的NGINX提供轻量TCP数据流服务时,GP-VPP协议栈的处理性能比原VPP协议栈在最优情况下高出两倍。

关键词： 多传感   多节点   自适应LMS   低功耗   可穿戴  

摘要： 老龄化程度的加剧和社会压力的增大,使得心血管疾病成为一种重要的社会问题:在老年人群中,大多数人患有不同类型的心血管疾病,如高血压;中年人群中,部分患有心血管疾病的人却不知晓其患病史;另外,一些心血管疾病只有在发病时才能监测到病理特征,如阵发性早搏。因此设计一套心脏长期监护设备对预防和治疗心血管疾病具有重要的意义。当前市场上的可穿戴心脏监护设备,存在监护参数单一,监护内容对于用户价值不明显,心电监护过程存在运动伪迹干扰等问题。为此,本文设计并实现了一套可穿戴多传感生理监测装置,该装置能够实时采集心电、心音、体温3种生理信号,并通过BLE4.0无线传输协议将数据发送到终端显示处理;显示终端能够向用户实时显示3种生理信号波形和相关医学参数。本文主要研究内容如下:1)装置设计成多节点形式:心音节点、心电体温节点和终端节点。心音节点和心电体温节点是传感节点,前者负责采集心音信号,后者采集心电、惯性和体温信号;终端节点是显示和处理节点;多个节点之间通过BLE4.0协议组网连接。2)硬件上,在2个传感节点中设计了信号采集电路、主控电路和电源管理电路。在信号采集电路中,心电、惯性和体温信号采集电路选用集成芯片设计;心音采集电路使用分立元件设计,包括信号放大和硬件滤波电路。3)软件上,在2个传感节点中设计了信号采集驱动程序,蓝牙传输必要的服务文件和低功耗管理方案;综合信号抗干扰性和低功耗需求,在心电体温节点中分别针对心电和体温信号设计了自适应LMS滤波器和中值滤波器。在终端节点中,设计了蓝牙Dongle数据转发程序、上位机显示和处理界面。其中,上位机基于Qt5.0设计,用来显示、存储和处理3种生理信号;信号处理部分分别采用Pan Tompkins算法和归一化平均香农能量算法来提取心电和心音信号特征参数。4)最后根据设计内容对装置进行性能测试,包括:传感节点硬件电气性能、生理信号采集质量和精度、终端节点特征波形识别精度和装置无线传输性能。最终实验表明,本文设计的装置,具有较低功耗,能够实时监护心电、心音和体温信号,且信号具有较强的抗干扰性;能够向用户提供多项医学参数计算结果。

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： 读出电路   低功耗   三维深度成像   直接TOF   时间数字转换器   单光子雪崩光电二极管探测器  

摘要： 作为三维（3-Dimensions,3D）成像应用的主流技术之一,基于单光子雪崩光电二极管探测器（Single Photon Avalanche Detector,SPAD）和光子飞行时间（Time-of-Flight,TOF）测量的TOF测距成像技术,因其作用距离远、抗背景光干扰能力强、精度高等优点,在诸如高级驾驶辅助系统（Advanced Driving Assistance System,ADAS）、激光雷达、人脸识别等尖端应用领域中都起到关键作用。本文基于泛光激光雷达等应用对宽动态范围目标的高精度低功耗追踪检测需求,主要针对适用于长距检测的直接TOF（Direct TOF,DTOF）测距成像技术领域进行研究。基于时间数字转换器（Timeto-Digital Converter,TDC）的数字计时读出电路（Readout Integrated Circuit,ROIC）作为DTOF测距成像系统的核心模块,承担着产生和读出像素TOF编码数据的重要功能,其性能直接影响系统最终的成像质量。目前,DTOF测距成像技术相对其它主流3D成像技术的主要劣势之一是像素阵列规模小,导致成像后图像在X-Y轴方向的像素少,空间分辨率低,常需要借助扫描设备来扩展空间分辨率,而过高的ROIC系统功耗作为限制像素规模扩展的一个主要因素亟待解决。为满足宽动态范围低功耗实时检测的ROIC设计要求,本文基于被测目标最小距离通常远远大于被测目标最大景深这一典型应用场景,在经典ROIC的基础上,提出了一种距离与景深分离的分步式TOF量化方法,并完成一种基于双模切换的新型低功耗数字计时ROIC的系统设计。新型低功耗ROIC可根据当前数据采集帧内被测目标距离的远近,自适应地切换下一帧ROIC的TOF量化模式,即可切换ROIC工作在经典的单帧量化模式下或本文提出的双帧复用量化模式下。无论哪种TOF量化模式下,像素内阵列TDC的工作时间均较短,平均TOF量化功耗得以大幅降低,同时阵列TDC的数据转换位数得以减小,数据传输压力也同步降低,此外还消除了像素面积对ROIC计时量程的限制,提高了应用灵活性。相对经典ROIC,本文的新型低功耗ROIC限定了被测目标的最大可测景深,同时略微增加了数据处理的难度,但却换来了系统平均功耗、数据读出压力和像素面积要求的同步下降,整体性能得以大幅提升,且检测距离要求越高,本文低功耗ROIC的能效就越高。在TSMC 0.18μm 1P6M CMOS工艺条件下,完成了本文提出的新型低功耗ROIC的原理图和版图设计、以及前后仿验证和MPW流片等工作,最终的系统物理版图总面积为5231μm×5221μm。仿真结果表明,在1.8/5V电源电压、-40℃工作温度（SPAD限制）、tt工艺角、50μm×50μm单像素面积、20k Hz数据采集帧频、250MHz四路高频分相量化参考时钟HCK1～HCK4和50MHz数据读出时钟LCK驱动的条件下,本文所设计的ROIC可获得500ps的时间分辨率、5μs的计时量程和约35m W的满量程单帧平均功耗,实现750m的最大可测距离和约1.5m的最大可测景深。常温测试时,本文低功耗ROIC的单帧平均功耗约60m W,与仿真结果较吻合。

关键词： GNSS   多模多频   射频前端   CMOS  

摘要： 随着全球卫星导航系统（GNSS）的快速发展,用户对导航定位精度需求的不断提升,传统的单模单频接收机已无法满足用户日益提高的需求。GNSS接收机正向着拥有更高精度,更高可靠性的多模多频发展。作为接收机的重要组成部分,射频前端的多模多频特性也成为研究的热点。本文提出了一种支持BD B1/B2、GPS L1/.L2、GALILEO E1信号的可重构多模多频射频前端设计方案,通过对信号特性的分析,以及中频频率的统一实现了最简的系统架构,以实现低功耗、低成本的设计要求。并对其关键电路模块,如可重构多频低噪声放大器,无源混频器,OTA-C复数域滤波器以及频率综合器等进行了详细的分析与设计。首先,重点设计了多频低噪声放大器,提出通过电路重构实现对多频段的支持,采用部分源级简并结构,在基本不改变原本源级电感反馈结构LNA的输入匹配网络、功耗以及面积的情况下实现了5d B的增益提升与0.1d B的噪声性能改善,该结构以最简单的电路改进与极低的代价实现了性能提升;其次,无源混频器由无源混频器核心与跨阻放大器构成,针对跨阻放大器的线性度短板,基于负阻提高线性度的技术,在TIA输入端额外并联一负阻电路,仅以5%的功耗代价实现了9d Bm的线性度提升,从而有效改善了整个系统的线性度;另外,针对OTA-C复数域滤波器的线性度与带宽可调的需求,结合信号衰减技术,并基于电压翻转跟随器的电流镜,设计了高线性度的可调OTA单元;最后,针对频率综合器的相位噪声与多频率输出需求,重点对其压控振荡器以及可编程分频器进行了分析与设计。本设计可重构多模多频射频前端基于TSMC 0.18μm CMOS工艺实现,仿真结果显示,本设计射频前端在1.2GHz与1.57GHz分别实现了63d B和69d B的增益,1.6d B和1.5d B的噪声系数,-41.5d Bm和-48.2d Bm的输入三阶交调截点。中频带宽可实现2/4/20MHz的切换,且镜像抑制比为23d B/29d B/30d B,压控振荡器相位噪声为-129d Bc/Hz@1MHz/-123d Bc/Hz@1MHz。该射频前端在1.8V工作电压下,单通通道消耗电流19.4mA（BD B2模式下21mA）。