关键词： 桥梁结构   应变信号   既有裂缝   无线传输   低功耗  

摘要： 近年来,随着大型桥梁建设数量的不断增加以及形式和功能的日益复杂,桥梁的结构健康监测技术变得越来越重要。裂缝作为桥梁工程中最主要的病害之一,能否对其进行及时的监测和养护关系到桥梁的安全性和耐久性。通过对桥梁裂缝应变的监测,可以对桥梁结构的受力现状和发展趋势进行评估和预测。现有的针对于桥梁既有裂缝的监测方式及设备由于布线困难、安装位置受限以及易受外界干扰等问题,其监测范围和效果受到限制,已难以满足现代工程监测的需求。对此,本文设计并实现了一种面向桥梁既有裂缝的智能监测系统,通过先进的传感器技术、无线通信技术、嵌入式系统技术和数据处理算法,大大提高了系统的部署灵活性、实时性以及扩展性,实现了对桥梁既有裂缝的高精度实时监测。 本文针对于桥梁既有裂缝的智能监测系统设计与实现主要完成了以下工作: (1)本文通过对硬件系统的设计优化,成功实现了硬件数据采集端的小型化,提升了系统整体性能和便携性,同时确保了监测过程中数据的准确性和可靠性。设计过程主要包括硬件组件的选择、布局优化和信号处理技术的高效应用,最大化地提高了硬件的工作效率和数据处理能力。这种小型化设计使得系统能够在各种环境中高效、准确地完成数据采集任务,为用户提供了一个高性能、高精度和易携带的监测解决方案。 (2)本文通过对LPWAN通信技术的建模分析,提出了两种(NB-Io T和Lo Ra)LPWAN技术的实际应用方案,提高了能源效率和系统可靠性,并根据相应的通信方案设计开发了对应的可视化软件系统,为桥梁既有裂缝监测系统的能效优化提供了新思路。 (3)本文设计了一种高效的自适应数据滤波算法和线性校准算法,针对监测环境中的多种误差源进行细致分析与处理,显著提升了监测系统的精度和稳定性。通过自适应滤波和校准算法的优化处理,使得监测系统能够高效适应动态环境并提升监测数据的准确性,为高精确的桥梁既有裂缝监测提供了新的技术路径。 (4)本文通过硬件系统和软件系统的紧密整合,达到系统高精度和实时性的设计目标,实现了对桥梁既有裂缝的实时精确监测。同时,通过硬件系统的驱动设计,完成了硬件系统的低功耗的设计目标,保证了系统实际应用的可靠性。 通过实验测试,该系统具有高精度监测、实时数据传输和低功耗运行等优点,为桥梁既有裂缝的监测提供了新的技术手段。通过系统设计、实现和测试,系统对于应变信号的采集精度,在0～10000με范围内,对应变信号的采集误差小于0.01%。通过多组裂缝监测实验,系统对裂缝监测的误差小于0.1%,验证了系统对桥梁裂缝监测的可靠性。在保证系统监测精度的同时,降低了系统的功耗,简化了硬件系统的体积,系统功耗仅71.39m W,体积仅为10cm*10cm*4cm。本文系统不仅在技术上创新,提升了桥梁结构既有裂缝监测的技术水平,而且在工程应用中展现出广阔的应用前景,为未来工程监测技术的发展提供了强有力的支持。

关键词： 燃油工程机械   低功耗   实时监测  

摘要： 目前燃油工程机械设备数据采集终端大多采用车辆电瓶供电，在车辆出现闲置时，极大增加车辆电瓶的亏电概率，影响车辆电瓶使用寿命，从而影响车辆正常使用。为此，本文着重介绍了一种燃油工程机械监测低功耗技术，通过对监测终端进行智能化改造，实现燃油工程机械低功耗监测，避免车辆电瓶亏电等情况出现。

关键词： 物联网   低功耗   视觉感知   反向散射  

摘要： 随着物联网产业的快速发展,大量的物联网设备通过与人或环境的交互产生大量数据,通过进行一定程度的本地化处理,或是通过通信链路将数据发送到云端,进行反馈或决策。针对视觉感知应用场景,随着物联网感知终端所生产的数据量以及维持设备工作的能源需求的快速增长,传统的数字图像处理架构和通信系统的高功耗及能量受限环境的矛盾正在日益突出。因此针对上述问题,本文提出在视觉物联网终端架构中的感知层和网络层分别采用感算共融视觉感知架构和反向散射通信架构来进一步降低物联网节点的整体功耗。其中感算共融架构可以将传感数据在设备本地进行初步计算处理以降低数据传输量;反向散射通信架构可以直接使用环境中的射频信号完成通信,避免了在本地产生射频信号的功率问题。本文主要工作如下: (1)搭建了基于“感-算-能”共融芯片的视觉智能感知系统并进行系统展示,该系统实现了对MNIST手写数字图像数据集的96.3%识别准确率。在外部供电的条件下,芯片计算帧率为3fps,在模拟域完成Le Net5第一层网络卷积计算过程的功耗仅有12.1μW;在自供能的条件下,芯片计算帧率为0.32fps,功耗仅为1.26μW。 (2)以视觉智能感知系统的参数(芯片自供能模式下每秒输出4840bits数据)为基准,搭建了反向散射通信原型系统,实验结果表明:反向散射通信系统功耗为34.7μW;该系统中射频能量收集电路的最大转换效率为20.8%;在5kbps通信速率下,可以完成距离1m通信距离内的数据传输。 (3)在TSMC 180nm工艺下,对反向散射通信原型系统的关键电路(射频能量收集电路、包络检波电路及比较器电路)进行了集成化设计和版图设计,仿真结果表明:该芯片中射频能量收集电路的最大转换效率为54.4%;该芯片可以对调制频率50kbps的OOK信号完成解码工作,功耗仅为6.07μW。

关键词： 轨到轨运算放大器   高精度   电荷泵   自稳零技术   超低功耗  

摘要： 随着互联网技术的蓬勃发展以及电子产品性能的快速提升,可穿戴智能设备（如:智能耳机、智能手表、智能眼镜等）与智能手机一样渐渐变成大众生活的必需品。而运算放大器作为可穿戴智能设备中传感器内不可缺少的一部分,对其精度和功耗等性能要求越来越高。运算放大器的精度受输入失调电压的影响,若失调电压过高,会导致可穿戴智能设备中传感器捕获的生理信号产生极大误差,降低可穿戴智能设备中采集数据信息准确性。而采用单电源供电的可穿戴智能设备受功耗影响较大,若功耗过高,会降低可穿戴智能设备使用寿命和用户使用感受。为此,本文设计了一种高增益、低失调以及超低功耗的恒定跨导自稳零运算放大器,同时为提高低电源电压的利用率,运放输入和输出需满足轨到轨特性,用以保证运放实现较宽的动态输入输出范围。 本论文设计实现了一个由折叠式共源共栅和Class AB输出级组成的二级运算放大器。运放使用时间交织电荷泵电路提高了输入级的内部电源,利用内部电源来实现仅有PMOS输入差分对的输入级轨到轨,同时采用Class AB类结构实现运放输出级轨到轨。并利用时间交织自稳零技术保障整体运算放大器的高精度。为了确保运放的稳定性,采用了“米勒”补偿电容和调零电阻。整体运算放大器由时间交错电荷泵、Main运算放大器、自稳零电路、时序产生电路、带隙基准源以及偏置电路等模块组成。带隙基准源电路为整个运算放大器提供n A级PTAT（与绝对温度成正比）电流,以实现整体电路超低功耗。时序电路由片上振荡器、分频器和不相交叠时钟组成,用于控制开关电容电路（时间交织自稳零电路和时间交织电荷泵电路）。输入/输出端口设计了静电放电（ESD）保护电路,防止运算放大器被静电破坏。 本论文基于65nm CMOS工艺完成对电路原理图（schematic）的设计和版图（layout）的绘制,并利用EDA仿真软件进行原理图的前仿真验证,对版图进行寄生参数提取后完成了后仿真功能验证。在1.2V电源电压,27℃温度以及典型值条件下,仿真结果表明,输入失调电压为3.16μV,输入失调电流小于20p A。在-40℃至90℃之间的温度漂移系数为0.005μV/℃。在轨到轨输入范围内,输入跨导变化率仅为5.6%。等效直流增益106.4d B,单位增益带宽0.54MHz,相位裕度76.5°,功耗约为0.19mW。最终设计实现运放的版图面积为0.83×0.75mm。

关键词： 飞秒激光烧蚀   微米级沟道   有机突触晶体管   超低功耗  

摘要： 随着科学技术的发展,以冯·诺伊曼为架构的计算机发展遇到了瓶颈,存在数据传输效率有限、高能耗等问题,无法满足智能化时代的需求。相比之下,人类的大脑以其高效的并行计算能力和存算一体的特性,在低能耗下处理海量信息,展现出惊人的效能。科学家们正致力于研发具有类脑功能的人工突触器件,以应对这一挑战。其中,有机突触器件备受关注。这类器件能够通过栅极对突触权重进行灵活调制,不仅实现了学习和记忆功能,还能够达到超低单脉冲功耗,为智能电子设备的发展提供了新的可能性。 本论文以实现具有超低功耗的有机突触晶体管为研究目标,研究思路为通过减小晶体管的沟道长度,使器件能够在低电压和低电流下工作,进而实现飞焦级的单脉冲功耗,主要工作内容和创新点如下: 1、使用飞秒激光在金属薄膜上烧蚀出狭缝作为突触晶体管的沟道,狭缝两侧金属薄膜作为源漏电极。激光加工工艺无需掩膜,加工成本低,加工效率高,并且能够精确调控烧蚀狭缝的尺寸,获得长度1-2μm的沟道; 2、采用P3HT作为有源层,离子凝胶作为栅极电介质,通过施加栅极电压使离子凝胶中的阴离子进入有机半导体层,形成电化学掺杂,改变沟道的电导率,从而使晶体管产生突触行为,突触权重通过改变栅压来调制; 3、本文中制备的突触晶体管可以在低电压和电流下模拟突触行为,在沟道长度为1.5μm的情况下,漏极电压为50μV,突触晶体管的兴奋性后突触电流为4.7E-10 A,得到了单脉冲功耗为0.705 f J。器件的单脉冲低功耗可以和生物突触的单个突触事件消耗的功耗相媲美。 有机突触晶体管的低功耗特性对于提高能效、环保节能、模拟生物突触功能以及拓展应用领域都具有重要意义。随着技术的不断进步和应用需求的不断提高,低功耗有机突触晶体管有望在未来发挥更大的作用。