关键词： 采集传输系统   铁路应答器   选择重传   多线程   最小二乘  

摘要： 铁路应答器数据采集分析是我国高速铁路联调联试及欧标应答器认证的重要环节。应答器采集分析系统的难点在于数据的采集和分析。依靠人工采集分析,很难同时做到自动化、准确性与实时性。专用软件及采集技术的提升为解决这一问题提供了新的解决方案。论文依照采集系统上位机的设计需求,对需要解决的主要问题进行归纳总结,即采集系统上位机需要解决数据的高速传输和存储、数据的实时分析、数据的可视化显示等关键问题。为了达成上述需求,本系统基于实验室铁路应答器综合检测分析科研项目,深入调研所需关键技术,针对采集数据传输过程中的丢包问题,设计并实现了基于UDP的选择重传协议,完成了采集数据的高速可靠传输;针对采集数据存储与回读需求,提出了多线程同步写文件方案,保证了数据实时采集与写入互不影响;针对采集数据实时处理,提出了利用最小二乘法拟合相位折线求拐点来解决计算精度问题以及利用线程池并行加速解决实时性问题。此外,在整个软件开发过程中,通过采用增量模型和螺旋模型对软件各部分进行模块拆分并根据需求变化不断向上迭代,保证了软件开发过程的模块低耦合性及持续交付性。在软件开发完成后,本系统根据软件测试理论对软件进行了全面测试,部分模块还采用MATLAB进行了软件层面的仿真测试,进而对比理论、仿真及实测的差异性,验证各项功能并确保其达到设计需求。目前,系统已成功应用于我国高速铁路联调联试及欧标应答器认证等工作中。综上所述,论文最终完成了应答器信号采集分析软件系统的设计与实现,且已投入使用,效果良好。

关键词： 车道线检测   CUDA加速   Hough变换   多线程  

摘要： 近年来,信息技术、人工智能等领域迅速发展,带动传统汽车制造业纷纷转型,智能化已成为汽车行业发展的必然趋势。汽车智能化的关键在于感知、决策和控制,而汽车环境感知技术是实现车辆路径规划和决策的基础,其中车道线检测技术作为车辆环境感知的重要内容,已成为许多高级辅助驾驶系统的基础。因此,本文对基于CUDA加速的车道线检测算法开展研究。首先,本文面向复杂的城市道路环境,开发了具有良好环境适应性的车道线检测算法,其过程由图像预处理、Canny边缘检测、Hough变换直线检测、车道候选线的筛选以及弯道拟合五个步骤构成。其次,为提高车道线检测的实时性,结合GPU在图像处理领域的最新发展,阐述基于GPU的CUDA编程模型和存储模型,分析CUDA并行优化策略,作为后续并行优化车道线检测算法的基础。然后,基于CUDA进行车道线检测算法优化,利用OpenCVcuda模块库进行图像预处理,针对经典Hough变换直线检测方法,提出一种改进的并行Hough变换直线检测方法,使用多线程独立进行空间坐标转换计算代替串行循环计算,对于车道线的筛选同样基于CUDA并行性,使每个线程各自对应一组参数进行约束条件判断。最后,采集城市道路场景作为实验数据集,基于服务器以及嵌入式开发板TX2作为实验平台,进行复杂交通场景下车道线检测实验。对比CUDA加速优化前后车道线检测效果,并进行耗时统计与分析,验证改进的并行车道线检测算法的有效性和实时性。

关键词： 光电探测器   隧穿晶体管器件   范德华异质结   石墨烯夹层结构  

摘要： 二维层状材料种类繁多、性质多样。涵盖了半金属、半导体、绝缘体、拓扑绝缘体、超导体等多种材料类型。与传统材料相比，二维材料具有优异的机械物理性能、宽的禁带宽度分布(0～6eV)、厚度依赖且可调的能带结构，在光电器件和微电子器件领域均表现出了巨大的应用前景。二维材料具有独特的层状结构，层内原子之间通过共价键结合，而层与层之间则通过范德瓦尔斯相互作用堆积而成，完全没有悬挂键，这样就可以不用考虑晶格失配带来的影响，可以任意堆垛二维材料来构建复杂的异质结结构，在多样的二维材料中取长补短，为实现多功能光、电器件提供了可能。此外，二维材料是原子级厚度的平面材料，将二维材料进行垂直堆垛构建垂直异质结，能够实现原子级厚度的导电沟道，进而获得更短的载流子渡越时间、更高的载流子收集效率以及更可控的沟道调控，有助于进一步提升光电器件和微电子器件的各项性能及集成度。　　本论文主要研究了基于范德华异质结的光电探测器和隧穿晶体管器件，通过材料性能分析，器件结构优化、能带静电调控等手段提升了器件的性能、降低了器件的工作能耗，具体内容如下:　　1.制备了基于石墨烯夹层结构的GaSe/WS2垂直异质结光电探测器，该器件展现出了紫外-可见光的宽光谱响应。石墨烯夹层的垂直结构有效缩短了光生载流子的输运沟道，提高了光生载流子的收集效率，器件光响应度高达149A·W-1，同时响应速度低至37μs。研究结果还揭示了异质结结区内建电场的存在能有效地分离光生电子空穴对，使得器件即使在无外加偏压的情况下也可以工作，自驱动光电探测得以实现。　　2.选用具有窄直接带隙、小载流子有效质量、高载流子迁移率的材料黑磷(BP)和InSe，制备了基于石墨烯夹层BP/InSe垂直异质结的隧穿晶体管。得益于石墨烯夹层垂直结构带来的大隧穿面积和高界面质量，在该器件中实现了高达1002A/m2的负微分电阻区电流密度和108的开关电流比，有效地改善了隧穿晶体管长期存在的隧穿电流小、调控效率低的问题。此外，栅压调控下表现出的多样输出特性也证实了栅极电场能有效地调节异质结的能带构型，是实现带带隧穿的有效途径。

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。

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： 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： 模数转换器   多分段电容阵列   近阈值技术   低功耗   校正电路   逐次逼近型  

摘要： 目前,人机间的语音交互技术正逐渐应用至各类电子设备中,音频信号的模数转换是该技术必不可少的一部分。模拟量到数字量的转换通常需要模数转换器实现。随着CMOS工艺的进步,越来越多的音频ADC采用不含运算放大器的逐次逼近型结构实现。根据音频信号的特点、后续数字处理系统对信号精度的要求以及系统对功耗的要求,本文设计实现了一款适用于音频系统的高精度、低功耗SAR ADC。为了实现高精度的设计要求,本文提出了一种高分辨率SAR ADC多分段电容阵列的设计方法。根据电容阵列输出端电压的变化以及电容串并联的等效计算,提出了两种多分段电容阵列结构及结构参数的计算方法,并通过分析电容寄生和电容失配对多分段电容阵列线性度的影响,确定了两种结构各自的适用场合。采用提出的设计方法对16位SAR ADC的电容阵列进行设计,仿真结果表明设计的电容阵列无增益误差且非线性误差小于0.3LSB,采样电容占比高达92.42%。相比于电容阵列的传统设计方法及相关研究中的电容阵列设计方法,提出的多分段电容阵列设计方法有效地减少了SAR ADC的非线性误差,提高其信噪比并优化其面积。为了实现低功耗的设计要求,本文针对高精度SAR ADC特有的校正电路采用了近阈值技术。SAR ADC中校正电路的加入能提高ADC的精度,但却带了额外的功耗开销,低功耗校正电路的设计有助于ADC整体功耗的降低。在基于近阈值技术的低功耗SAR ADC校正电路设计时,首先阐述了近阈值数字电路的设计方法,并基于TSMC40工艺设计了校正电路所需的近阈值基本单元;其次以乘法器为例验证了设计方法的可行性,检验了近阈值基本单元性能,测试了近阈值技术对功耗的优化效果;最后根据近阈值数字电路的设计方法和设计的近阈值基本单元实现了工作在近阈值电源电压下的SAR ADC数字校正电路,仿真结果表明设计的近阈值SAR ADC数字校正电路在0.5V近阈值电源电压下能实现预期功能,与标准电压下采用标准单元组成的校正电路相比,功耗典型值减少了75.44%。为了设计完整的SAR ADC,本文进一步完成了SAR ADC主要模块设计、版图绘制及仿真测试等工作。采样开关采用栅压自举技术,减小了采样开关阻值受输入信号的影响;比较器采用动态锁存结构,并利用时钟延时提高了比较器的精度。仿真结果表明本文基于TSMC40工艺设计实现的SAR ADC,校正前有效位数为13.8bit,功耗为78.9u W,Fo M为115.2f J/c·s,版图面积为323.92μm*291.39μm。对于加入校正电路的完整ADC而言,校正电路若采用近阈值技术可以将ADC整体功耗降低为不采用近阈值技术ADC整体功耗的83.87%。因此,本文设计的SAR ADC符合音频系统对模数转换器精度和功耗的要求。

关键词： LoRa   NB-IoT   地面电视广播系统   RFID   LTE   共存研究  

摘要： 随着万物互联时代的到来,物联网连接设备爆发式增长,各种物联网接入技术不断涌现。应物联网远距离传输需求产生的LPWAN(Low-Power Wide-Area Network,低功率广域网)接入技术,具有高覆盖、低功耗、广域连接等特点,包括LoRa(LongRange)、Sigfox等基于免授权频谱的接入技术以及NB-IoT(Narrow Band Internet of Things,窄带物联网)、e MTC(enhanced Machine-Type Communication,增强型机器类型通信)等基于授权频谱的蜂窝接入技术两大类。其中,LoRa和NB-IoT系统最先在中国商用。目前,LoRa系统的主要候选频段为470-510 MHz频段和920-925 MHz频段,在上述频段内部署LoRa系统时需要避免对相同和相邻频段内其他业务系统产生干扰。因此,本文将上述频段用于LoRa系统的可行性分析,开展LoRa系统与相关业务系统间的电磁兼容研究。运营商可在其已分配的FDD(Frequency Division Duplexing,频分双工)方式IMT系统频段上直接部署NB-IoT系统,可能会与相邻频段上其他业务系统产生相互干扰。随着NB-IoT系统的大规模商用,亟需开展NB-IoT系统与相关业务系统的干扰共存的研究。本文分别针对LoRa系统和NB-IoT系统的候选频段,开展了LoRa系统和NBIoT系统与相关业务系统间的电磁兼容研究。首先,针对470-510 MHz频段上LoRa系统与地面电视广播系统间的干扰问题提出了等效干扰模型,分析了在不同隔离距离下的受干扰程度,评估了两系统是否可以同频部署,给出了在该频段上部署LoRa系统的可行性分析。然后,针对920-925 MHz频段上LoRa系统与RFID(Radio Frequency Identification,射频识别)系统间电磁兼容问题,采用确定性计算,分析了LoRa系统与RFID系统间相互干扰情况,给出了在该频段上部署LoRa系统的可行性及干扰规避措施。最后,针对1800MHz频段上NB-IoT系统与1900MHz频段上的TD-LTE(Long Term Evolution,长期演进)系统间的干扰共存问题,提出了一种干扰等效模型,分析了干扰系统发射指标对受扰系统的的干扰程度并采用实验的方法评估了两系统可以邻频共存的频率间隔,为NB-IoT系统的部署提供了理论依据。

关键词： 模数转换器   逐次逼近型   低功耗   无杂散动态范围  

摘要： 随着便携式电子终端设备、生物医疗设备和无线传感网络等领域的发展,对信号进行采集和处理变的至关重要,模数转换器（Analog-to-Digital Converter,ADC）是信号转换系统的关键模块。并且这些应用要求电池的供电时间持久,系统需要低功耗的设计。在各类ADC中,逐次逼近型（Successive Approximation Register,SAR）ADC在功耗和精度之间有很好的折中,SAR ADC的结构简单、面积小和功耗低,所以SAR ADC适用于低功耗和中高精度。SAR ADC主要由DAC电容阵列、比较器和SAR的数字逻辑电路组成,其中DAC电容阵列对整体电路的功耗和线性度有着很大的影响。本文将对DAC电容阵列和其他模块电路进行深入的研究。本文设计了一种在1.2V电源电压下采样率为100k S/s的伪差分型12位SAR ADC,由于传统的DAC电容阵列的电容数量随精度呈指数上升,所以本文设计了4位电阻式和8位电容式混合的阻容式DAC,减小电容的数量和电路的面积,提高了电路的集成度和线性度。在SAR ADC中采用单端输入会影响电路的线性度,采用差分输入会增加电路的功耗,本文运用了伪差分的输入结构在保证了线性度的同时降低了整体电路的功耗。在低电源电压和低采样速率的条件下运用了两倍自举的采样开关,提高了采样信号的精度。在比较器电路中增加了时序开关进一步降低了整体电路的功耗。通过skill语言,开发了一个用于DAC电容阵列版图布局的脚本自订制可编程单元（Pcell program cell）,能够通过设定单位电容的长宽值,以及电容阵列的行列数,完成DAC电容阵列的自动布局。提升了版图绘制效率,也保证了电容阵列布局的匹配性。本文基于SMIC 0.18μm工艺对电路和版图进行设计,电路数字部分和模拟部分都是采用1.2V的电源供电电压,芯片的核心面积为410μm?435μm。后仿实验结果表明,当输入49.96k Hz的正弦波时,所设计的SAR ADC的无杂散动态范围是68.63d B,信噪失真比为62.37d B,有效位数为10.07bit,电路的整体功耗为75.85μW。

关键词： 北斗   深海剖面浮标   低功耗  

摘要： 深海剖面浮标作为运载工具,可搭载传感器下潜至2000米以下水深工作。因其制造成本低、体积小、重量轻,能够长期、连续工作,被广泛应用于深远海剖面要素的观测和水下安全监视。基于北斗卫星的深海剖面浮标监测系统由深海剖面浮标、北斗卫星、岸站监控中心组成。由于深海剖面浮标地处深远海,自身设备和搭载传感器所需的能源全部由其携带的电池供应,而更换电池产生的相关费用远高于浮标生产成本,能耗是决定深海剖面浮标使用寿命的关键因素。深海剖面浮标单个剖面工作时间更长、下潜深度更深、采集数据更多,北斗卫星通讯频度低、容量小、功耗高、协议繁琐。本文在设计并实现基于北斗卫星的深海剖面浮标监测系统基本功能的同时,对深海剖面浮标的控制系统开展设计。首先,在深海剖面浮标工程样机机械结构的基础上,采用超低功耗的控制器、可控的供电电路、高效的电源管理设计了控制电路板。然后,通过控制电路板对搭载的传感器采用连续和间断采样相结合的控制策略,减少数据的采集;对采集数据采用数据预处理算法,提取出有效数据,减少数据的发送量;又采用位拼接+Huffman算法进一步压缩待发送数据;采用数据分包、丢失重传的数据传输协议确保数据的完整高效传输。其次,选用C/S架构,在Microsoft Visual Studio2010开发环境下,使用面向对象的C#语言编写了岸站监控中心上位机的Windows服务程序和深海剖面浮标远程控制软件;选用BDM910通讯单元,设计并实现了北斗透传模块控制电路板,通过其控制器简化北斗通讯协议。