关键词： Android系统   操作系统移植   性能优化   图形硬件加速  

摘要： 实现通用处理器和操作系统自主可控是信息系统建设的基本要求和重要发展方向。龙芯2K1000是具有完全自主知识产权的国产商用MIPS架构处理器，可应用于移动智能终端、高端嵌入式应用、物联网等领域。Android操作系统目前被广泛应用于以手持移动智能终端为代表的各类终端硬件平台，其市场占有率高达73.3％，将Android操作系统移植到龙芯2K平台上，对于国产处理器平台借助Android操作系统进一步拓展市场具有极其重要的意义。本文基于龙芯2K平台实现了Android5.1.1操作系统的移植，并在此基础上进行了性能优化方法研究。然后采用相关性能测试工具进行了全面的性能测试和分析，论证Android5.1.1操作系统在龙芯2K平台上的可用性。　　本文主要工作如下:　　1.基于龙芯2K平台的Android5.1.1操作系统移植。本文以Android5.1.1操作系统能够在龙芯2K平台上正常运行与交互为目标，研究Android5.1.1系统中Linux内核适配、Android操作系统开发与编译环境搭建、Android运行时(ART)和Android图形子系统重构与移植等核心难点，使Android5.1.1操作系统成功运行在龙芯2K平台上。　　2.基于龙芯2K平台Android5.1.1操作系统优化与性能分析。针对Android5.1.1操作系统在龙芯2K平台下运行卡顿、界面不流畅的问题，本文利用性能分析工具对影响系统使用的关键功能进行测试，定位并分析性能瓶颈，针对性能问题进行优化。除此之外，本文实现龙芯2K平台图形硬件加速优化，使Android5.1.1操作系统的2D、3D图形渲染能力相比于软件渲染模式有很大的提升。通过上述优化，Android5.1.1操作系统可流畅运行于龙芯2K平台上。　　本文使用谷歌官方提供的Android系统性能测试工具对运行在龙芯2K平台下的Android5.1.1操作系统性能进行了全面的测试及分析。通过与真实手机下的测试结果对比，基于龙芯2K平台的Android5.1.1操作系统已具备流畅运行的能力，为龙芯2K平台开拓市场提供了有力的技术支持。

关键词： 高压变频器   以太网   微软基础类库   多线程   监控系统  

摘要： 高压变频器对供电电网冲击小、启动和调速性能优异、节能效果显著,被广泛应用于风机、水泵、空压机、轧钢机等各种需要调速的工业设备。本文设计并实现了一套高压变频器监控系统,满足在高压变频器的开发、测试、现场调试和故障分析等阶段,工程师对数据显示、参数管理、故障分析、程序更新等功能的需求,具体工作如下:通过调研监控系统的功能要求,总结出监控系统主要功能包括用户登录、监控工程管理、实时状态显示、实时波形显示、故障分析、参数管理、程序更新七个部分;通过分析变频器的软硬件结构,获得监控系统可以监控的数据以及这些数据的采集、通讯方法;采用客户端/服务器结构作为监控系统的软件系统结构,并根据需求分析结果将监控系统分为8个模组:用户登录模组、监控工程管理模组、实时状态显示模组、实时波形显示模组、故障分析模组、参数管理模组、程序更新模组、权限管理模组、网络通讯模组;以流程图的方式详细说明这些模组内各个工作模块的工作流程以及数据处理方式;以尽量降低主控制器DSP的运算负荷为原则制定监控系统通讯协议并明确通讯帧内容。最后,在研究以太网通信、微软基础类库、多线程技术的基础上,基于MFC单文档应用程序模板实现监控系统框架以及每一个功能模组。

关键词： 28nmGPU   后端设计   低功耗技术   时钟树综合   物理验证  

摘要： 纵观图形处理器（GPU）的发展历史,随着电子工艺的不断发展,GPU的性能与可靠性得到了较大幅度的提升,电路的主频与电路规模朝着更高更大的方向发展,与此同时GPU的性能与可靠性得到了较大幅度的提升,因此在人们日常的工作与生活中也得到了广泛的应用。在传统的GPU设计过程中,优化目标通常只包括芯片功耗、面积、时延、线长等,而对电源网络与时钟网络的优化设计鲜有提及。而随着GPU用户需求的提高与制造工艺的提升,现有的GPU设置中逐渐开始面临如何对芯片电压域划分、如何最小化电源网络布线面积与如何进行时钟树优化等问题。针对上述问题,本文基于Cadence公司的EDI10、QRC与Voltus工具,选取一型28nm图形处理器芯片为研究对象,从文献收集、设计方案分析、物理验证等角度对该型芯片的低功耗后端设计进行了详细的研究,探索解决上述问题的具体方案,并通过计算与仿真对解决方案的合理性与正确性进行了验证,论文的主要工作包括:通过收集相关领域的研究文献,对后端设计的分类与基本流程进行了详细的阐述,并对芯片的功耗类型进行了归纳分析,随后针对不同功耗类型罗列了对应低的功耗设计技术,并结合上述理论给出了芯片布局与低功耗时钟树综合的具体设计方案。在完成设计方案的基础上,结合设计工具对芯片的各类标准单元放置、时钟树网络优化、时钟树网络布局等过程进行了详细的分析,完成具体的设计流程后,采用分析工具对布局DRC、布局拥塞与时序优化进行了仿真分析,针对GPU芯片的布局、设计规则、电路规则与天线效应进行了物理验证检查。完成上述工作后,为了得出金属填充对芯片工作时序影响的具体方法,分别采用Calibre与EDI10两种工具对芯片进行金属填充,并对填充前后的芯片工作时序进行了仿真分析,得出了有效的填充方法。为了对低功耗设计与时钟树优化方案的正确性与合理性进行验证,将采用本文方案前后的时钟树网络参数与芯片功耗进行了仿真研究,并对低功耗、时钟树与芯片整体功能的仿真结果进行了详细的分析,并通过分析给出了设计方法正确性与合理性的验证结果。

关键词： NB-IoT   LPWAN   物联网   低功耗   智慧卫生间  

摘要： 迈入信息化时代,我国现代化和工业化进程逐步加快,物联网应用正广泛渗透到社会生活的各领域,社会的生产方式和人们的生活方式都在发生着深刻变化。2018年,中国移动在云南省率先部署了窄带物联网（NB-IoT）站点建设,在交通、旅游、民生等领域造福于民。在国家智慧旅游战略、“一机游”应用等背景下,随着社会发展,人们生活水平的提高,城市建设进程的加快,城市公共卫生间的改造是尤为重要。为解决人们出行中找到亟需使用卫生间困难、部分星级景区卫生间无法市电供电的问题,提高人们的出行效率和出行的便捷性。本文基于物联网技术,提出一种基于NB-IoT的结构可配置智慧卫生间系统。提出的“结构可配置”方法,针对不同应用供电能力不同特点,通过硬件配置软件、软件配置硬件相结合的配置方法实现。“结构可配置”的方法结合NB-IoT技术、硬件、软件设计出5种低功耗工作模式解决电池供电模式下的功耗问题。通过拨动开关配置硬件供电方案;拨码开关控制功能节点类型;软件配置功能节点功耗模式及其他信息。功能节点根据平台统计分析结果自适应工作在不同功耗模式下,能灵活应对不同供电能力场景,有效降低成本。物联网平台实现南向的设备对接、北向的应用对接,可以快速解决不同业务逻辑设备、应用的快速对接。通过NB-IoT技术把卫生间的坑位使用、人流量、地理信息、温湿度、氨气浓度等数据上报云平台。“一机游”找厕所的功能实践表明本文提出的方法能提高“智慧卫生间”可提高卫生间覆盖率、满足功耗需求,并且为出行在陌生环境下亟需上卫生间的人,提供有效、高效的找卫生间服务。本文对该系统硬件设计、嵌入式软件设计、物联网平台对接做了简要介绍。

关键词： 板式换热器板片   激光位移传感器   深度检测   可视化图像区域   多线程  

摘要： 板式换热器是生活以及工业生产中常用的一种冷热交换装置,其广泛应用于冶金、矿山、石油、化工、电力、医药、食品、化纤、造纸、轻纺、船舶、供热等部门。板式换热器板片是板式换热器的核心部件,存在缺陷的板片不仅影响换热器的换热效率,缩减其使用寿命,更会对换热器造成安全隐患。当前,板式换热器板片的检测主要以人工抽检为主,人工检测工作量大,效率低,误检率高,很难达到质量检测的要求。在一定程度上,降低了板式换热器板片使用的安全系数。因此对板式换热器板片缺陷实现自动化检测具有一定的现实意义。针对人工检测板片波纹深度缺陷的不足,本论文设计了板式换热器板片缺陷在线检测系统,采用激光三角测量法,实现对板式换热器板片波纹深度的检测。针对不同型号板片,设计了检测系统机械平台,解决了板片能平稳的从上料工位向深度检测工位移动的问题。根据板片结构特点,设计了深度数据采集路径,完成了对不同板片深度数据采集。PC端与PLC通过OPC通信实现实时信息交互,与激光位移传感器通过RS422通信实现信息交互。数据处理部分分析了异常数据的来源,通过采用自适应迭代中值滤波算法解决了采集数据降噪问题,将降噪后的数据转换为可视化图像区域以及灰度图像直观高效地提取垫片槽区域,用最小二乘法拟合波纹板垫片槽区域,利用统计学中的矩计算波纹深度参数,判断板式换热器板片质量。本论文设计的检测系统单板算法检测时间最多耗时41.0259s,窄波纹板片检测结果与人工检测相比存在一定的差异,主要原因是激光位移传感器移动采集速度太快,导致窄波纹板片会丢失很多有效数据。宽波纹板片检测结果基本能够满足现场的需求。部分检测结果和人工检测不同的原因主要有三点:一是,机器与人工实际检测位置存在差异;二是,人工检测可以通过手臂施加压力的方式对板片轻微形变的地方给予校正。三是,人工检测值受到自身客观因素的影响。

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5～25%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： 轻量级密码算法   磁隧道结   安全   低功耗  

摘要： 随着信息时代的到来,电子信息技术越来越成熟,物联网(Internet of Things,Io T)技术已经在社会生活的各个领域中广泛应用。物联网在使生活更加方便快捷的同时,也埋下了诸多安全隐患。嵌入式设备是物联网应用系统的重要媒介,它们大多是采用电池供电并且对待机时长有严苛的要求,对功耗有着严格的限制。基于以上,针对适应极端功耗环境的安全轻量级密码算法的研究工作具有重要的意义。磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)是一种新型的自旋电子器件,具有非易失性、高速度读写数据等良好性能,并且容易集成到CMOS电路中。此外,磁隧道结的低泄漏功率特性,使其在低功耗密码算法电路设计研究中具有广阔前景。因此,本文采用MTJ/CMOS混合型架构设计轻量级密码算法电路,探索在不削弱电路抗功耗攻击能力的前提下能进一步降低电路功耗的实现方案,该研究对于轻量级密码算法的发展有深远的意义。功耗分析攻击作为当今主流的密码破解方法,对密码算法的安全性有着极大的威胁。为了在芯片设计阶段快捷评估密码芯片的安全性,论文分别搭建了门级和电路级功耗采集和攻击平台。在门级,基于Prime Time PX仿真工具搭建了功耗采集和攻击平台;在电路级,基于Candence Spectre仿真工具搭建了电路级功耗采集和攻击平台。之后,本文选取轻量级分组密码算法PRESENT作为实验对象,以相关性功耗(Correlation Power Analysis,CPA)攻击作为研究手段,分别从算法级和电路级实现了该密码算法并且采用了多种的抗功耗攻击防护方案。算法级防护方案采用了随机值掩码方案。在电路级上,采用了MTJ和CMOS相结合的方式设计了PRESENT密码算法的防护电路。使用门级功耗采集和攻击平台评估算法级防护方案的安全性。使用电路级功耗采集和攻击平台评估电路级防护方案的安全性。经过实验证明,在无防护措施的情况下,无论并行实现还是串行实现的PRESENT密码算法的密钥信息很容易被攻击破解,安全性较差。随机值掩码防护方案虽然具有一定的防护能力,但是功耗代价较高,而MTJ/CMOS混合型电路结构防护方案都可以有效地抵御CPA攻击,在提高密码算法的安全性,功耗代价增加有限。研究表明采用双轨查找表结构的MTJ/CMOS混合型电路防护方案与同样结构的标准CMOS电路实现方案相比,能耗降低了19%,这对未来关于安全轻量级密码算法的研究具有一定的参考意义。

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： 生物信号采集   光电容积脉搏波   低功耗   数模混合芯片  

摘要： 突发性心脑血管疾病对老年人的健康危害非常大,一旦发病,很有可能会致死。但是如果发现及时,尽早进行抢救,往往可以挽救发病者生命,因此24小时连续心率血压监测十分有必要。近年来,很多学者在研究实现可穿戴的设备,通过光电容积脉搏波(PPG)来间接获取心率和血压信息,以实现长期实时监测的目标。本研究课题设计了一款应用于可穿戴24小时连续心率血压监测系统的低功耗高集成度PPG信号采集芯片。芯片集成了模拟前端放大电路(AFE)、LED驱动电路、模数转换器(ADC)、数字控制电路和SPI接口。为了降低芯片总功耗,本课题设计了低功耗脉动型AFE,使LED能工作在极低占空比(1%),从而将其平均功耗大大降低到原来的1%;另外,芯片内部集成了LED电流闭环控制算法,使得采集信号幅度较强时,芯片能保持最大的增益,自动降低LED驱动电流,进一步降低功耗。为了提高电路动态输入范围,本课题设计了直流消除回路,使得高达10μA的直流光电流都能被抑制,避免电路饱和。为了抑制温度漂移和工艺偏差对片上振荡器的振荡频率的影响,本课题采用两种相反温度系数的电阻串联实现零温漂电阻,以及采用数字校准技术,使在不同温度和工艺角下,振荡频率偏差小于6%。该芯片在XFAB0.35-μm工艺下进行版图设计并流片,芯片总面积为3.9mm。经过测试验证,本设计在3.3V供电下,AFE功耗为47.9μW,阻抗增益为142d BΩ,等效输入噪声为41.3p A。

关键词： 胆甾相液晶   聚合物网络   电场作用   介电谱   瞬态与稳态电流   双电层  

摘要： 胆甾相液晶是一种特殊的一维光子晶体,由于它自组装的周期性螺旋结构,呈现出特有的选择性反射以及圆偏振特性,是最有前途的智能材料之一,在光电子技术领域有着广泛的应用前景,因此而备受研究者的青睐。特别地,具有负介电各向异性的聚合物稳定胆甾相液晶的反射带宽可以通过施加直流电场来拓宽。这类材料在反射型显示、信息存储、激光辐射、智能调光玻璃等领域有着广泛的用途。本文首先对比研究了有无取向层的聚合物稳定胆甾相液晶体系在施加直流电场下的性能。通过移除取向层,我们获得了一个低操作电压、低能耗的聚合物稳定胆甾相液晶可调反射器,反射带宽范围几乎覆盖了整个可见光谱,阈值电压仅为0.05 V/μm,功耗降低了近10倍。聚合物稳定胆甾相液晶光子带隙的拓宽主要归功于直流电场下聚合物网络的运动。然而,由于聚合物稳定胆甾相液晶中离子杂质的存在,电场的极性将不可避免地导致离子电荷的迁移和积聚。因此,本文引入介电谱来研究电场作用下聚合物稳定胆甾相液晶体系的介电特性。研究表明,界面极化(或电极极化)、偶极取向极化以及直流电导对聚合物稳定胆甾相液晶体系的复介电常数有贡献。在无取向层的聚合物稳定胆甾相液晶体系中,电极极化会导致双电层的形成。双电层与取向层一样对电场具有屏蔽作用。研究聚合物稳定胆甾相液晶体系的介电性能无论从基础应用还是技术发展角度都具有重要的意义。另外,在施加直流电压下检测通过聚合物稳定胆甾相液晶体系的瞬态与稳态电流可以用来研究体系中离子杂质的运动与空间分布、聚合物网络的运动以及电压的重分布。结果表明,双电层和取向层的屏蔽效应是造成电压损失的主要原因。本文的研究有助于改进节能型器件的制造工艺,以及探索新的途径去改善聚合物稳定胆甾相液晶的性能。