关键词： 热式风速计   PID算法   恒温差控制   线性插值   温度补偿  

摘要： 气象要素在国家的工业、农业、气象监测、环境保护等诸多领域发挥着重要作用。近年来,随着MEMS技术和无线传感网的快速发展,应用于无线传感网的MEMS热式风速传感器凭借小型化、便捷化的巨大优势在气象领域得到广泛应用。本文基于实验室最新设计的热式风速传感器的芯片结构,开展了如下工作:首先设计匹配软件PID（proportion integral differential）控制算法的硬件控制电路;其次设计包括PID控制算法、风速风向测控算法等一系列软件系统;然后针对系统功耗,从软硬件两方面着手提出改进方案。在具体设计上,首先,为匹配软件实现PID控制算法,设计出独立的基于测温二极管的测温电路,避免在硬件电路上温度信号的相互影响;其次,在具体PID算法实现上,采用增量式控制算法,将温差信号稳定地控制在误差允许范围内,而对于温度补偿问题,采用线性插值算法简化风速风向计算,利于实现传感器产品化;最后,在降低系统功耗上,本文从MCU工作方式和电源控制模块两方面入手,既有硬件方面的设计,也有软件上的设计,较好的降低系统功耗。经实际测试验证,本文的MEMS无线风传感器系统风速的测量范围为0.5m/s0.0m/s,工作温度范围为0℃0℃,风速风向在不同温度情况下分别可达到（0.5m/s±5%v）和±5°的精度,系统平均功耗在300mW以下,总的来说,传感器系统的各项指标达到既定要求。MEMS热式风速传感器的两个缺点限制了其在无线传感网中的应用。一方面是硬件电路较复杂,调试难度高,标定工作量大;另一方面是系统功耗较高,无法在无线传感网中长久续航。本文在这两方面做了较大改进,使得传感器系统在未来无线传感网中的应用将更加广泛。

关键词： 道路车辆定位   低功耗蓝牙   蓝牙定位   单信道采集   触发式蓝牙信标  

摘要： 车辆定位是智能交通系统的重要组成部分,是智能交通系统实现对车辆的正确控制和高效调度的基础。目前常用的车辆定位是基于GPS定位,但其存在定位盲区且精度无法满足高精度车辆定位的需求。其他的一些车辆定位技术也均存在自身的局限性,无法大规模推广。通过分析总结当前各种车辆定位技术的主要优缺点,论文提出了基于低功耗蓝牙定位技术的道路车辆定位方法,该方法既能满足高精度车辆定位的要求,又能通过蓝牙网络实现交通信息的采集和传输。论文提出的定位方法中,蓝牙信标采用车道分界线布设的方式,并以100ms为间隔周期性地发送广播数据,广播数据中包含用于定位的信号强度值和经纬度信息。待定位车辆通过蓝牙移动终端接收蓝牙信标广播数据,提取其中的定位信息,通过基于接收信号强度值的加权质心算法实现横向车道定位和纵向定位,并采用卡尔曼滤波对纵向定位的结果进行校正。实际数据测试结果为:横向车道定位准确率为83.25%,纵向的定位误差为3.5m,定位方法实现了较好的道路车辆定位效果。针对道路复杂环境下信号强度值易受多径效应影响的问题,论文通过分析蓝牙广播信道的特点,提出了单信道采集信号强度的方法,实际数据表明该方法能够很好地减轻信号强度的波动,防止异常值的出现。针对蓝牙信标持续发送广播导致功耗过高的问题,论文提出了触发式蓝牙信标的方案。该方案结合地磁传感器和蓝牙的功能,采用地磁传感器检测车辆触发蓝牙广播的方式。该方案下蓝牙信标的功耗下降了85%。基于触发式蓝牙信标的方案,定位算法在原有的基础上进行了改进,算法根据定位场景的不同而采取不同的定位策略,实际数据测试结果为改进后的定位算法横向车道定位准确率为87.06%,相比改进前提高了3.81%;纵向定位误差为3m,相比改进前下降了0.5m。基于触发式蓝牙信标的道路车辆定位方法极大的降低了定位所需的功耗,同时取得了良好的定位效果,具有一定的应用价值。

关键词： Electrical engineering   Nanotechnology   Acoustics  

摘要： Internet of Things (IoT) is a set of technologies that collect distributed data on anything, from daily life objects to more sophisticated devices such physical/chemical sensors, vehicles, cell phones, to interconnect with a vastly broad network to accomplish much advanced functionalities to improve certain existing processes or to enable a new scenario not previously possible. It is being widely applied in different areas and applications such as smart cities, smart agriculture, smart healthcare, smart manufacturing, and so on. IoT is currently growing tremendously, and it has been predicted that global IoT connections will reach 30 billion, and the market will be worth more than 1.7 trillion dollars by 2020. The heart of IoT is the radio frequency (RF) wireless modules, which are responsible for data exchange through wireless networks and share the same wireless technologies as mobile phones, i.e. 4G/5G. They must feature low power consumption and do so at a low cost, preferably realized in a small form factor, to overcome the challenges posed by massive deployment IoT nodes. IoT is also moving forward into new frontiers other than terrestrial areas relying on air as the propagating medium, such as underwater (Internet of Underwater Things, IoUT) and intra-body networks (Body Area Network, BAN). For such applications, ultrasonic signals are the most promising candidate as RF signals suffer from severe propagating attenuation in these scenarios. In this perspective, this dissertation presents the design and experimental verification of aluminum nitride (AlN)-based micro-resonator technologies for the implementation of next generation low-power and low-cost IoT wireless communications. AlN Cross-Sectional Lamé Mode Resonators (CLMRs), exploiting a 2-dimensional (2D) vibration mode, are developed and the potential to deliver high performance RF passive components with lower fabrication complexity with COMS integration compatibility for sub-6 GHz is demonstrated. We a

关键词： 分布式存储   冷数据   低功耗   日志监控告警  

摘要： 随着互联网行业的快速发展,每时每刻都不断有大量数据生成,大数据的存储成为当前存储领域的热门问题。根据调查显示,数据量剧增的同时,也出现了数据访问策略分层的现象,其中低频访问的冷数据占到总数据量的八成左右。传统的数据存储方式解决了大规模数据的存储问题,但在冷数据存储场景仍存在能耗高成本高的问题。本文针对冷数据存储场景进行优化,通过采用控制存储服务器硬盘通断电的方式,对低频访问数据所在硬盘进行休眠处理,降低系统整体功耗,从而设计并实现了低功耗低成本高可用可扩展的分布式冷存储系统。本文主要对系统关键模块中的功能模块、状态监控模块以及存储客户端进行设计与实现。论文首先阐述了冷存储系统的研究背景与现状,并与现有存储系统进行对比,提出冷存储系统的设计思想。接下来从硬件与软件层面对系统架构进行了介绍,并详细说明了系统关键模块的组成和作用。本文采用Erlang/OTP框架设计并实现了硬盘电源控制与健康状态检查模块。为提高系统数据的可靠性和容错性,本文设计实现了数据扫描和文件重构模块。通过将开源日志套件ELK与冷存储系统相结合,设计实现了集群服务器和各模块运行状态的监控模块,并根据日志数据聚合查询生成告警信息。然后采用Golang语言实现了基于命令行的存储客户端程序,可供用户对冷存储系统的文件进行查看、上传、下载和删除等操作。然后介绍了存储客户端文件上传下载与冷存储系统数据存储读取的详细流程,并对系统性能与功耗进行测试。最后,对本文主要工作进行了总结,提出了系统可优化与改进的方向,对未来研究进行了展望。

关键词： 集成电路   硅基   功率放大器   混频器  

摘要： 随着现代通讯技术日新月异的发展与更新,5G移动通信、物联网、车联网不断地引起学术界和工业界的广泛关注,具有广阔的应用前景和市场潜力。人们对无线通讯的需求也要求无线通讯设备能在任何时间、任何地点使用,因而拥有更小的尺寸、更低的功耗、更好的性能的通讯设备也越来越受到人们的追捧,这些需求极大的促进了集成电路产业的蓬勃发展。传统的III-V族(如GaAs、InP等)材料芯片虽然具有较高的线性度和较高的功率效率,但成本高、不易于集成、热导性能较差等不可忽视的缺点成为了人们追求小型化、低功耗、低成本的巨大阻碍。SiGe工艺与Si工艺可以兼容,有着极高的集成度,而且制造成本家较低,功耗也很低,未来将逐渐取代III-V族材料芯片在市场的地位,高性能硅基通讯芯片的设计和研究对满足人们对无线通信系统的需求、对无线通信系统的发展有着举足轻重的意义。基于以上,本文基于IBM 0.13-μm SiGe BiCMOS 8HP工艺,研究设计了一种物联网频段(LoRa(470M-510MHz)、eMTC(700M-960MHz)、NB-IoT(700M-960MHz))的功率放大器和基于IBM 0.13-μm CMOS工艺,研究设计了一种车联网频段(5.9GHz)低功耗混频器。其中功率放大器在传统的Cascode(共源共栅)结构的基础上,采用多重(5层)堆叠结构,增大输出电压的摆幅从而增大输出功率。在输出功率一定的情况下,使用多层晶体管叠加的结构,可极大减小电流,低频时,由于使用的电感较大,此方法可减小电感的截面宽度从而减小电感面积。同时放大器输入输出使用RC反馈的形式,增大电路的稳定性。另外,低功耗混频器在传统的基尔伯特结构的基础上,去掉尾电流源,使用LC并联作为负载,减少电路的堆叠来减小电源电压,达到减少功耗的效果;次外,使跨导级的晶体管工作在亚阈值区,也大大减小了电路的功耗。本文所设计的物联网频段功率放大器的版图后仿真结果:在7.5V的电源电压下,小信号增益大于20dB,最大输出功率为28.1dBm,1dB压缩点输出功率为26.5dBm,最大的功率附加效率(PAE)大于41%,芯片面积(包括PAD)为1.26mm×1.12mm。车联网频段低功耗混频器的版图后仿真结果:在1.1V的电源电压下,变频增益为5.8dB,输出P1dB为-2.4dBm,功耗为0.985mW,输出3阶交调为5.1dBm。核心电路的芯片面积为440μm×360μm。

关键词： CoAP   物联网   低功耗   NB-IoT  

摘要： 近年来,随着物联网技术的发展,物联网的应用越来越多,在物联网应用场景中,很多设备的计算和存储能力有限,在应用层协议方面,相对庞大的传统HTTP协议无法很好地适用于现有的物联网应用。针对物联网中存储能力有限、网络带宽受限、功耗受限的场景,CoAP(Constrained APPlication Protocol)协议和NB-IoT(narrow-band Internet of things,窄带物联网)概念相继被提出并设计。CoAP协议是一种轻量级的应用层协议,最小数据包仅4字节,因其适应受限设备、受限网络、低功耗场景的特点,可以用于许多物联网通信的场景当中。NB-IoT构建于蜂窝网络,它可以做到在低成本和低功耗的情况下进行广域的网络覆盖。NB-IoT也是当前国内外物联网发展的重要分支之一。本文深入研究了CoAP协议基本原理,设计并实现一种通过NB-IoT平台通信的终端,在该终端通信应用层采用了CoAP协议。同时考虑了课题设计的开发成本和难度,以及后期的设备升级维护等因素,在硬件设备上采用STM32L系列的低功耗处理器作为主芯片,通讯模组采用上海移远公司的BC95通讯模块,在STM32L系列处理器上移植μC/OS-II操作系统。以此作为后续的开发平台,完成CoAP协议的开发,设计并实现了该平台下的CoAP报文数据结构、组帧与解帧、报文重传等机制,实现终端与服务器的CoAP通信过程。同时采用JSON数据格式作为CoAP协议报文的负载,为了提高CoAP协议通信的安全程度,对报文内容采用RC4算法进行加密。为提高终端运行的稳定性,设计实现系统管理模块,在设备异常时可复位重启系统,为适应物联网通信中的低功耗场景,设计并实现了终端在μC/OS-II下的低功耗模式。最后对移植操作系统后的终端进行任务调度测试和中断响应测试,对终端与服务器的CoAP通信进行测试,对终端的低功耗模型进行测试和分析。本课题设计的物联网通信终端,具有μC/OS-II操作系统,支持CoAP协议通信,支持低功耗模式,可以在其基础上进行物联网应用的二次开发,提供了物联网通信终端设计的理论研究与实验基础。

关键词： LoRa   物联网   低功耗   远距离   网络协议  

摘要： 随着物联网的蓬勃发展,企业和用户通过搭建网络控制和管理终端设备的需求日益增长,如何使得大量分散的终端设备能够被高效、稳定地管理成为其中的关键,LoRa技术基于其低速率、远距离、低功耗的特性成为组建物联网的主流技术之一。目前市场上很多企业和用户基于LoRaWAN协议使用LoRa技术和相关产品搭建网络,而LoRaWAN协议属于ALOHA协议,设备数量较大时有可能因为同时发送数据而造成数据冲突导致通信效率的降低,鉴于存在这种问题本文设计和实现了一种基于LoRa技术的物联网系统。本文通过分析了LoRaWAN协议的几种机制以及它们的使用场景和存在的局限提出了一种基于LoRa技术的网络协议,该协议将网络的主动控制权放在LoRa基站中,基于时分双工的原则通过划分长短指令的方式充分利用时间资源的同时提高了网络的容量。基于本协议,在硬件与软件两方面实现了上述物联网系统,并在某地质勘探项目中获得应用与验证,硬件方面基于设备集成的原则设计和实现了LoRa模块电路和两款功率放大模块电路;软件方面基于低功耗要求设计了终端设备定时打开接收窗口和自我修正时间基准的省电方案并进行了实现,基于本文设计的网络协议实现了LoRa基站的程序。最后本文对硬件指标、软件功能和网络性能进行了测试,测试结果表明硬件休眠状态下功耗为46.76μW,接收状态下功耗为69.5mW,发射状态下功耗为477.03mW,功放增益均大于15dB,软件各部分功能正常,网络长时间工作多次查询测试中成功率达到90%以上,平均每秒传输字节数达到理论值的42.97%,.验证了协议的可行性和优越性。

关键词： 单粒子效应   单节点翻转   双节点翻转   抗辐射加固设计   静态随机存取存储器  

摘要： 随着片上系统的密度越来越高,现代应用需要越来越多的存储器模块,其占据了芯片相当一部分面积。随着工艺尺寸的缩减,辐射导致的单粒子效应对集成电路的损伤在持续增加。当这些粒子入射半导体器件的时序电路时,晶体管的漏斗效应和寄生效应使得总电荷量倍增,从而产生足够的能量,使得随机存取存储器(SRAM)的逻辑值发生翻转,这种现象被称作单粒子翻转。由于纳米工艺尺寸缩减,工作电压降低,导致翻转所需的临界电荷量随之减少,先进的半导体技术对辐射引发的软错误愈发敏感。而SRAM单元占据了现代处理器和片上系统的近90%的区域,因此,在设计具有鲁棒性的系统时,针对SRAM单元的防护和加固必不可少。为提升电路对单粒子翻转效应的加固能力,本文深入研究了纳米尺度下CMOS集成电路的单粒子效应加固技术,提出了一种低功耗高可靠性的多节点翻转加固方案,主要工作如下:本文提出了一种具有软错误自恢复能力的12管SRAM单元,该单元精简了常用的存取管,并且内部包含稳定结构,因此具有高鲁棒性、低功耗的优点。在65nm CMOS工艺下,该结构能够完全容忍单节点翻转,容忍双节点翻转的比例是64.29%。与经典的抗辐射加固单元DICE单元相比时,该结构双节点翻转率降低了30.96%。该单元的操作电流以及功耗性能较优,与其他抗辐射加固SRAM单元(如DICE、Quatro单元等)相比,该单元的读操作电流平均下降了77.91%,动态功耗平均下降了60.21%,静态电流平均下降了44.60%,亚阈值泄漏电流平均下降了27.49%,故本文提出的单元适用于低功耗的应用场合。并且在稳定性方面,面对噪声、电压、工艺等环境波动时,本文所提出的单元都具有良好的稳定性。

关键词： 逐次逼近型模数转换器   高线性采样开关   高速低功耗比较器   高速低噪声比较器   高速逐次逼近数字逻辑  

摘要： 作为模拟信号和数字信号之间的接口,模数转换器（Analog-to-Digital Converter,ADC）的性能是系统性能的决定性因素之一。和几种传统架构的ADC相比,由于逐次逼近寄存器型（Successive Approximation Register,SAR）ADC中不需要运算放大器对残差信号进行处理,使得SAR ADC面积和功耗明显降低。随着集成电路制造工艺的不断进步,MOS管的沟道长度和电源电压不断降低,工作频率不断提高,使得SAR ADC在保持其低功耗优势的同时,采样频率明显提高。因此,SAR ADC是当前ADC领域的研究热点之一。ADC的优值（Figure of Merit,FoM）是评价ADC综合性能的主要指标,目前,在55nm或者65nmCMOS工艺节点下,8位300MS/s左右以及10位150MS/s左右的单通道SAR ADC的FoM值大多在30fJ/conv左右。首先,论文介绍了ADC的几种主要架构、工作原理和应用场合,指出了SAR ADC在先进集成电路制造工艺下的优势。对SAR ADC在速度、精度和功耗优化方面的发展方向和需要突破的关键结构进行了介绍。进一步,论文对SAR ADC中关键模块的工作原理和设计难点进行了分析。重点对高速低功耗SAR ADC中关键模块的新结构进行了研究,提出了高速高线性采样开关、高速低功耗比较器和高速逐次逼近数字逻辑（SAR logic）等新结构,在55nm和65nm CMOS标准工艺下,解决了高速低功耗SAR ADC设计中采样开关线性度提升、高速低功耗比较器的亚稳态以及噪声抑制和高速逐次逼近数字逻辑等难点问题。并通过流片验证表明,上述结构使得SAR ADC的优值小于30fJ/conv。基于上述分析,论文的主要工作和创新点包括:（1）提出了一种基于寄生电容补偿技术的高线性采样开关结构。在采样开关的源/漏极到电源之间增加了一个寄生电容,这个寄生电容和采样开关原有寄生电容并联但电压系数相反,从而明显减小了采样开关寄生电容的电压系数,在单端输入信号峰-峰值（Vp-p）为1V的情况下,和现有结构相比,采样开关线性度提升5.5dB左右。（2）提出了高速低功耗比较器亚稳态抑制结构。通过在比较器的正反馈输出端和尾电流管之间引入反馈结构,和现有结构相比,比较速度提升30%的情况下,功耗降低15%;通过亚稳态抑制技术,在比较器信号通路不引入额外延迟的情况下,实现了亚稳态的检测和抑制,和现有结构相比,比较器比较延迟减小26%。（3）提出了一种并行旁路逐次逼近数字逻辑（SAR logic）结构。使得比较器和SAR logic并行工作,通过调整SAR logic的延迟,使其和比较器的延迟相匹配,从而捕获比较器的有效输出结果。改变了传统SAR ADC中的串行工作模式,使得SAR ADC的转换速度提升30%左右。（4）提出了一种基于衬底浮空技术的采样开关结构。通过两个电压系数相反寄生电容的串联,在减小采样开关总寄生电容的同时,进一步减小了采样开关总寄生电容的电压系数,提高采样开关线性度。在单端输入信号峰-峰值（Vp-p）从0.6V增加到1.2V的情况下,和现有结构相比,采样开关无杂散动态范围（SFDR）的衰减量至少减小了4.5dB。由于本结构实现了采样开关寄生总电容的减小,和现有结构相比,该结构具有更好的高频性能。（5）提出了一种高速低噪声比较器结构。通过改变比较器输入管的衬底电压,减小了输入管阈值电压的绝对值,提高了输入管的跨导,抑制了比较器的等效输入噪声;同时,减小了输入管的导通电阻,提高了比较器的比较速度。和现有结构相比,比较器在速度提升17%的情况下,平均等效输入噪声降低了31.5%。（6）提出了一种SAR ADC自适应采样结构。使得SAR ADC只要完成最后一次转换之后,立即开始下一次采样过程,从而最大程度上延长了SAR ADC的采样时间,提高了采样精度。

关键词： 减少唤醒   延长睡眠   通用验证方法学   覆盖率分析   低功耗分析  

摘要： 随着智能产品的不断优化和升级,人们对手机基带芯片的要求越来越高,功耗是决定芯片性能的重要的方面,智能手机等移动设备作为信息和资本传递的终端,给人们的工作生活带来了极大的便利。而对于智能产品越来越高的性能的要求,也使得减小产品功耗,增加产品集成度成为重要的设计目标。这样,针对低功耗SoC芯片的硬件设计就应运而生,平台活动控制器是CPU子系统下的一个中断处理控制单元,旨在降低CPU的功耗。本文重点研究了平台活动控制器的设计和验证,并评估了它降低功耗的程度。平台活动控制器可以针对性地去支持软件,匹配某些硬件模块的活动与特定的时间间隔,避免中央处理单位过多地被唤醒,从而延长关键硬件模块及电源的睡眠时间。论文按平台活动控制器的设计,验证,功耗分析的顺序,分析了芯片模块设计的过程。低功耗设计的方法主要有以下几种:时钟门控设计方法、门级优化设计方法、多电压电源设计方法和多阈值电压VT方法等,评估了它们在时序、面积、架构、设计、验证和布局布线方面的优劣,权衡了它们对芯片低功耗设计的影响。完成了平台活动控制器系统架构设计,该系统包括顶层模块、Tick时隙计时器、中断余量计时器、GIC的中断延迟、基于Tick的中断延迟计时器、基于Time的中断延迟计时器以及激活模块。分析了模块硬件的整体架构,各部分状态机的运行原理,并配置了硬件寄存器控制状态机的输入信号,实现了Tick的产生和中断控制的功能。通过采用UVM、AHB通信总线和IP-XACT标准化信息,建立了平台活动控制器的验证平台,编写了包括基本访问功能、中断延迟功能、激活功能、复位功能、寄存器域的有效性等的测试用例,验证结果表明代码覆盖率和功能覆盖率均达到了100%。完成了平台活动控制器和CPU子系统的功耗分析,分析了平台活动控制器的动态功耗和静态功耗以及平台活动控制器开启前后的CPU子系统功耗,整体数据分析结果表明,动态开关功耗降低了43.8%,静态泄漏功耗降低了18.35%,总体功耗降低了38.04%,达到了低功耗设计的目标。平台活动控制器的设计具有一定的实用功能和应用价值,最终代码覆盖率和功能覆盖率都达到了100%,平台活动控制器降低了相比原来CPU子系统38.04%的总功耗,保证了平台活动控制器的可靠性,达到了低功耗设计的要求,已成功运用到整个芯片系统中。完成了芯片前端设计和验证的流程,在一定程度上解决了智能芯片功耗较高的问题,具备了投入生产实践的意义和价值。