关键词： FPGA   多线程   三相流   DDR2   无线通信  

摘要： 基于FPGA的油气水三相流流动参数采集,是基于可编程逻辑器件设计的多线程,多信号融合的三相流流动参数采集系统。目前国内针对三相流流动参数研究比较多,但多数研究尚为实验阶段,而且数据采集各信号较为单一。能够实现多线程,多信号融合的三相流流动参数采集的系统还很少,且采集系统多电路结构复杂,无法实时监控、保存、分析数据等。随着可编程逻辑器件领域的广泛应用以及无线通信技术的迅速发展,迫切地需要一种专用的三相流流动参数数据采集电路,可以实时采集数据、无线传输数据、整合多路信号、视频采集并且能够保存分析数据,将是推进数字化油田的基础。本文提出了一种通过FPGA映射电路来搭建数据采集系统的方法,该方法主要是将三相流流动参数数据包括温度信号、光线信号、电阻抗信号和压强等信号通过FPGA设计的映射电路采集并传送至显示终端上,其中FPGA设计的主要核心是将CMOS和传感器的数据通过DDR2缓存逐步写入WIFI模块,WIFI模块将写入的数据以高速SPI协议传至多相流参数显示端,多相流参数显示端将数据进行整理和显示,完成对采集数据实时监测和监控。文中为验证采集系统的精度和重复度对系统做验证实验,实验结果表明数据采集系统的最大误差为1.810%,系统的最大相对标准偏差为1.629%。说明本文设计的数据采集系统符合设计标准,在运行时具有较高的稳定性,并且通过数据采集系统采集的数据离散程度低,因此该系统能够较好的完成油田生产的数据采集与监测任务。

关键词： 无线传感网   射频发射电路   功率放大器   低功耗   通信协议  

摘要： 无线传感网络结合了微电子技术、无线通信技术、嵌入式系统技术等多种技术,它将大量的传感器节点投放部署到待检测的区域中,并通过控制中心利用无线连接对所有节点进行无线组网和统一管理。这已经成为“万物互联”的一种重要的技术方案。无线传感节点需要长时间稳定、免维护的工作,这对节点的功耗提出了巨大的挑战。因此,提高传感节点能效已经成为学界和业界普遍关注的重要研究课题。本文针对无线传感节点低功耗设计的问题,从硬件电路和无线传感通信协议两个方面的低功耗设计展开研究。利用谐波控制、功放偏置智能控制两个途径,设计了高效射频功率放大器;利用时间准同步技术与时分策略减少传感节点通信碰撞概率,实现低功耗通信协议设计。主要内容如下:第一,从硬件电路的层面分析节点的射频发射电路结构,了解了发射电路的功耗特点之后,针对发射电路中功率消耗最大的功率放大器部分,通过谐波控制的思想对放大器进行谐波控制网络设计,使得功放本身具有极高的效率,然后通过单片机的控制作用使得功放能够根据输入信号的大小选择合适的偏置电压,从而在无线传感网输入信号功率多变的环境下能够获得更高的全局效率。实验证明,通过硬件的低功耗设计可以使无线节点能够节约电量,延长无线传感节点的免维护周期。第二,在无线传感通信协议方面,针对周期轮询工作的无线传感网提出了基于时间准同步技术的轮询协议;针对无线节点报警信息发送时的碰撞问题设计基于时分策略的退避算法。仿真表明,上述方案可以增加节点的休眠时间,同时避免数据通信时产生的一些不必要的能量消耗,从而降低节点的功耗。最后,针对石油管道监测的应用场景,将本文提出的软硬件设计方案应用其中并构建了一个实验验证平台,实测表明,节点的能量消耗得到了有效的降低。

关键词： 软件开发   智能教室   低功耗平台   HTML5   PHP   C语言  

摘要： 青少年的教育问题是现今中国家长们最为关注的问题之一。在农村地区，由于经济原因，大量孩子的家长都长时间在外打工，有大量的留守儿童在家中由年迈的老人照看，家长只能通过联系老师和家中老人才能知道孩子的情况，信息延迟非常高。具备监控查看以及学生成长记录功能的智慧教室系统，可以在一定程度上解决家长对于学生的教育以及监护问题。而存在留守儿童等问题的农村小学，却普遍存在资金短缺、规划缺失的问题，无力承担现有的智慧教室定制费用。　　本文结合某地农村一所小学实际情况进行了基于低功耗Windows平台的农村小学智慧教室的设计与实现，系统包含了照明控制模块、空调控制模块、多媒体控制模块、监控管理模块、基于人脸识别的考勤模块、学生的成长记录模块、用户权限管理模块、系统管理模块。这些模块分别负责不同的硬件控制以及信息管理等功能。在该所小学进行了实际部署与试运行效果良好。　　本文工作主要在控制系统开发方面：在软件上，控制系统采用了B/S架构，通过HTML5编写了控制端页面，利用PHP以及C语言编写了数据库以及硬件控制程序;在硬件方面，为了降低学校的后期使用成本，采用了低功耗的Windows平台。为了降低对教室内现有设施的影响，对空调等设备的控制采用了红外遥控的方式，对照明等设备控制采用了Wi-Fi开关的形式。　　系统用户有学生、家长、教师以及校内的管理员。学生以及家长通过登录管理网站，可以查看到学生在校监控、学生的成绩以及教师评语，教师以及校内管理员登录后，可以通过管理页面，进行权限内的设备管理。　　经试运行测试后，本文设计的智慧教室，能够满足农村小学对于智慧教室的需求，同时系统运行良好，反应速度较快，基本满足实用需求。为农村小学的智慧教室建设提供了完整可行的样例与方案。

关键词： 物联网   唤醒接收机   混频器   超低功耗  

摘要： 物联网时代,通讯设备的数量爆炸式增长。随着窄带物联网(NB-IOT)3GPP标准正式冻结,物联网的应用范围将越来越广,达到真正意义上的万物互联。在海量的应用需求背景下,低成本、低功耗、低延迟的无线通信成为研究的热点。自从1999年Kevin Ash-ton教授提出物联网概念以来,诸多学者一直致力于这方面的研究并取得了巨大的成果。在2007年,加州大学伯克利分校的Jan Rabaey教授团队提出一种新颖的唤醒接收机技术。传统的接收机功耗较高,难以应用于物联网环境,常用的降低功耗的做法是让接收机以一定的占空比工作,工作模式和睡眠模式周期性地切换,但这种方案导致了接收机的延迟比较高。而唤醒接收机技术能够完美解决这个问题,在接收数据的主接收机之外,设计一个功耗非常低的唤醒接收机。平时主接收机处于关闭状态,唤醒接收机处于工作状态,当唤醒接收机收到通信请求时唤醒主接收机开始工作,通信完成后再关闭主接收机,这样既能保证通信的实时性,也满足了物联网对低功耗的要求。本论文首先阐述了唤醒接收机的工作原理,总结了传统的接收机和唤醒接收机的几种架构,并进行详细的分析和对比。通过调研国内外关于超低功耗电路的文献资料,分析知道了通信电路中功耗主要来源于射频电路部分,然后总结了一些常用的降低射频电路功耗的方法并应用到具体电路设计。混频器设计采用IBM 0.13μmCMOS工艺实现,工作频率为5.85-5.925GHz。为降低电路功耗,混频器核心电路选择单平衡结构,同时也引入亚阈值区工作等低功耗设计技术,在偏置电流很小的情况下提高混频器的变频增益、噪声系数等指标。完成版图设计并提取寄生参数后,仿真得到混频器的变频增益为10.3dB,双边带噪声系数为13dB,而整体电路的功耗只有0.26mW。超低功耗唤醒接收机采用GF 55nmCMOS工艺设计,工作频率为700-960MHz,整体架构选择灵敏度高的射频调谐结构。接收机主要包括射频放大器、包络检波器和比较器三个部分。为提高接收机的动态范围,射频放大器部分采用多级放大器级联的方式并引入开关形成增益可调结构。包络检波器在传统的二极管检波电路基础上改进,采用共源结构,使MOS管工作于亚阈值区,降低检波器的损耗。比较器将输出信号放大方便后续进行数字处理。借助Cadence软件进行版图设计,考虑寄生参数的影响,仿真得到接收机灵敏度为-65dBm,直流功耗为50μW。

关键词： 超导混频多波束接收机   低温放大器   低温隔离器   铁氧体材料  

摘要： 大规模超导混频多波束接收机是射电天文接收机技术重点发展方向之一。通过长期实践，虽然多波束接收机技术已得到显著发展，但是在小型化和多像元方面仍面临诸多技术挑战。如嵌入式本振分配网络和平面超导混频器集成阵列技术、低温低功耗MMIC放大器技术和低温多路中频传输技术等，仍无法满足大规模多波束接收机的应用需求。　　本论文主要面向多波束接收机前端中频部分的技术挑战，开展低温低功耗MMIC放大器以及相关低温隔离器研究工作。低温放大器是超导多波束接收机前端系统的关键部件，其噪声性能显著影响着接收机系统噪声。目前商用低温放大器功耗相对较高，成为前端系统的主要热源，在制冷功率一定的情况下，限制了阵列接收机像元数目的扩展。因此低功耗低温MMIC中频放大器的研制，将有助于扩大像元规模。另外，与分立器件相比，MMIC放大器具有较小的面积、较高的可靠性、较宽的工作频带和较高的拓展性，能够应用于大规模多波束接收机的基本集成单元。在自主研制器件的基础上，开展了低温MMIC放大器与SIS混频器的系统集成研究，并在3mm波段对其进行了特性表征，以验证低温放大器的实用性。另外，低温隔离器件也是射电天文接收机前端系统关键器件之一，它能够显著提高射电天文接收机系统的稳定性。本论文主要探索了适合低温应用的铁氧体材料自主制备技术，实现了低温C波段隔离器的研制。该部分研究结果有助于未来针对多波束接收机系统应用的低温隔离器件集成化和小型化研究。　　本论文取得的主要研究成果如下:　　通过在最佳低功耗偏置点处建立HEMT晶体管低温小信号模型和噪声参数模型，完成低温低功耗MMIC放大器的自主研制。在功耗1.2mW的条件下，实现2.5-5GHz频段内增益大于25dB，典型噪声水平约11K的工作特性。在噪声性能可比的情况下，其功耗比商用放大器大约低一个量级;完成了基于自主MMIC放大器芯片的SIS/LNA超导集成前端系统研制，并在3mm波段对该集成前端系统进行了特性表征，其性能达到实用水平;基于传统固态烧结工艺，完成高纯度的YAlIG铁氧体材料自主制备，并应用于S波段隔离器设计及特性表征，从而验证了铁氧体材料自主制备的可行性;完成了基于谐振式和场移式两种类型的C波段低温隔离器的研制，取得较好的低损耗-高隔离特性，实现了适用于低温工作的隔离器件自主研发。　　本论文研究工作实现了低温低功耗MMIC放大器和低温隔离器的研制，为未来大规模多波束接收机的中频研发提供了重要的经验和技术基础。

关键词： 电机驱动器   监控系统   分层设计   多线程   CANBUS   MODBUS  

摘要： 电机驱动器作为工业控制系统的重要组成部分,被广泛应用于数控机床、纺织、采矿等工业生产领域。为了提高电机控制的效率和易用性,开发配套的监控系统尤其重要。监控系统可以给使用者提供一个良好的交互平台,方便用户监测、控制电机驱动器。本课题基于C++Builder开发了一款Windows平台下的驱动器监控系统。该系统可以适用于多种类型的驱动器设备,并提供CANBUS,MODBUS两种通讯方式供用户选择。本文的研究内容如下:本文首先根据功能需求将监控系统分为通讯、参数监控、状态监控、快捷调试、示波器、故障报警六大模块,并阐述了各模块的需求分析。然后,对于监控系统开发中遇到的关键问题给出了解决方案:XML的文件描述方式实现了驱动器类型和用户功能的可定制化;多线程和内存映射文件的数据储存方案提高了示波器高速采样下的数据实时性;临界区的使用避免了多线程共享资源访问冲突的问题;丢帧/错帧判断机制保证了数据的安全。紧接着,本文详细介绍了监控系统的设计与实现过程。根据分层设计的总体方案将整个系统分为UI层、业务逻辑层、通讯层和数据层,各层之间采用Windows消息机制或事件驱动机制进行通讯,并详细阐述了六大功能模块的设计实现过程,给出了各模块编程实现的UML类图。最后,搭建实验测试平台,对电机驱动器监控系统的各模块功能进行反复测试验证。测试结果表明监控系统功能运行稳定可靠,达到了课题的预期要求,具有广阔的应用场景。

关键词： Object Detection   Image Detection   Low-Power   Long-Range   High-Resolution   Image Differencing   Frame Differecing   Morphology   Multi-Threading   Hardware Acceleration   ARM   Vivante   NXP   GPU   CPU  

摘要： Many image processing algorithms exist that can accurately detect humans and other objects such as vehicles and animals. Many of these algorithms require large amounts of processing often requiring hardware acceleration with powerful central processing units (CPUs), graphics processing units (GPUs), field programmable gate arrays (FPGAs), etc. Implementing an algorithm that can detect objects such as humans at longer ranges makes these hardware requirements even more strenuous as the numbers of pixels necessary to detect objects at both close ranges and long ranges is greatly increased. Comparing the performance of different low-power implementations can be used to determine a trade-off between performance and power. An image differencing algorithm is proposed along with selected low-power hardware that is capable of detected humans at ranges of 500 m. Multiple versions of the detection algorithm are implemented on the selected hardware and compared for run-time performance on a low-power system.

关键词： 潮间带无线传感器网络   低功耗   低延迟   路由算法   安全认证  

摘要： 无线传感器网络为物联网提供了对物理世界的感知接口,为物联网的高效运行提供了数据支撑。本论文考虑一类部署在潮间带的无线传感器网络,由于其特殊的部署环境,系统具有网络连接动态性强、数据传输延迟大、节点能耗高等问题。对此,本论文研究了基于终端的低功耗配置问题,并通过设计低功耗、低延迟的路由算法提高收数效率。·为了最大化延长系统的寿命,传感器节点通常使用低占空比的工作模式,即节点仅周期性的工作很短一段时间,而大部分时间处于休眠状态。目前,大部分的能耗优化工作都主要关注如何降低节点工作期间的能耗,并认为休眠状态的功耗可以忽略不计。本文通过对低占空比系统能耗的分析发现,针对休眠状态功耗的优化对整体系统能耗优化有着至关重要的作用,同时休眠状态时不合理的GPIO（General Purpose Input Output）引脚配置会带来巨大的能耗。基于此,本文提出了 OPCIO,利用遗传算法,自动化实现终端节点休眠状态GPIO引脚的优化配置。通过对实际传感器节点的能耗优化结果表明,OPCIO从硬件角度提供了节点能耗优化的方案。·路由协议通常需要依赖准确实时的链路质量估计,以确保数据在动态网络中的可靠传输。通过对实际潮间带无线传感器网络的观察,发现频繁的链路质量估计带来了能量与带宽的浪费。本文就这一问题,分析调研了潮间带系统中的链路质量变化情况,研究了通过稀疏采样实现链路质量的准确估计的可行性。据此,本文提出一个基于压缩感知技术的链路质量估计协议,并结合路由选择,提出低功耗路由协议——LESS。LESS同时利用了网络部署环境在时间域和空间域的特点,设计了 3种采样策略以适应不同类型的动态网络,同时提高链路质量重构精度。通过对实际系统数据和大规模网络仿真的验证,LESS能在保证链路质量估计的精度上,有效降低50%的能量和带宽消耗。·基于潮间带环境的无线传感器网络由于其特殊的部署环境,导致系统延迟要远高于普通物联网。通过对网络延迟的分析和建模,发现结合节点状态估计的路由算法能够实现系统延迟的优化。基于此,本文首先提出了一个基于隐马尔科夫模型的轻量级节点当前状态估计算法;并进一步提出了基于机器学习的节点未来状态估计方法。结合以上两种估计方法,本文分别提出了低延迟路由算法SADO和PIDO。大规模仿真系统证明,SADO和PIDO分别能为不同低延迟需求的潮间带网络提供可靠的低延迟选路策略。另外,考虑到短距离物联网智能终端设备交互场景（Device to Device,D2D）的普及,本文还探索了智能终端设备的安全认证问题。·在D2D通信问题中,如何在双方设备没有协商秘钥的前提下,实现可靠设备认证是一个亟待解决的安全问题。本论文就这一问题,提出了终端设备安全认证机制——NAuth,以保证通信过程中设备的合法性和一致性。NAuth利用“扬声器-麦克风”系统非线性特性提取设备特征,设计了设备认证机制;同时利用多麦克风系统的TDOA（Time Difference of Arrival）设计了基于位置的验证模型。通过实际系统测试,NAuth能够提供快速的设备安全认证服务,并能防止近距离攻击者的重放攻击和中间人攻击。

关键词： 强化学习   异步方法   多线程   改进框架   动态权值  

摘要： 强化学习是一种重要的机器学习方法。强化学习基于动物心理学的相关原理,采取了人类和动物学习中的“尝试与失败”机制,强调在与环境的交互中学习,利用评价性的反馈信息实现决策的优化。基于异步方法的强化学习是一种最近流行起来的强化学习方法,它采取了不同的智能体并行探索环境的方法,每个智能体独自探索并在线更新全局策略参数。通过这种方法,缓解了传统强化学习算法收敛缓慢、容易陷入局部极小的问题。但是,在面对离散状态空间的问题时,现有的异步强化学习算法没有能够与基于模型的方法很好地结合在一起,这导致其收敛精度受到一定限制。同时,其收敛速度仍需进一步提高。此外,在面对连续状态空间的问题时,通常采用神经网络与强化学习相结合的方法,各个智能体向全局线程推送梯度信息,全局线程需要利用各个智能体推送的信息进行更新。但是,现有的异步强化学习算法不能很好地区分不同智能体推送的更新的价值,导致其收敛速度受到了一定的限制。本文从异步强化学习算法的学习方式入手,结合多种手段,改进异步强化学习算法,提高算法的收敛速度与收敛精度。本文的主要研究内容如下:1.研究了基于模型的异步强化学习算法。在面对离散状态空间的问题时,为了使智能体充分利用探索到的信息进行异步更新,本文将基于模型的方法引入到异步强化学习算法中,提出了异步Dyna-Q算法。异步Dyna-Q算法将智能体分为探索者与学习者两种,探索者对环境进行探索,在探索的同时更新自己的参数,并将探索到的经验存储到经验池当中;学习者根据探索者探索到的经验,对全局参数进行更新,并以此来指导探索者的下一步探索。同时,为了提高算法的收敛速度与收敛精度,本文对异步Dyna-Q算法进行改进,将分阶方法引入到异步Dyna-Q算法当中,提出了异步分阶Dyna-Q算法。异步分阶Dyna-Q算法将智能体学习的过程划分为不同阶段,并使它们在不同阶段执行不同的学习策略,通过这种方式,来使智能体充分利用探索到的知识来进行参数的更新。实验结果表明,本文提出的异步Dyna-Q算法与异步分阶Dyna-Q算法是有效的,较传统强化学习算法与现有的异步强化学习算法能够极大地提升算法的收敛速度与收敛精度。2.研究了基于改进框架的异步强化学习算法。现有的异步强化学习算法可以解决离散空间的强化学习问题,但它也存在一些问题。首先,在现有的异步强化学习算法中,全局线程仅用于更新参数,其信息未被充分利用。同时,不同线程之间的通信方式仍需进一步改进,需要通过不同的线程之间的信息交互来提高算法的收敛速度。基于以上考虑,本文提出一种针对离散空间问题的通用异步强化学习框架,通过该框架,能够使异步强化学习算法高效求解离散状态空间问题,提高收敛性能。本文将该框架与四种异步强化学习算法——异步Q学习算法、异步Sarsa算法、异步Sarsa(λ)算法、异步分阶Dyna-Q算法相结合,提出四种高效的异步强化学习算法,并通过仿真实验验证了所提出算法的有效性。3.研究了基于动态权值的异步强化学习算法。在现有的异步强化学习算法中,当每个线程将更新推送到全局线程时,采用的是统一的学习速率,并没有考虑每次更新时不同线程传输的信息的差异。当单个智能体对全局线程推送的更新偏向于失败信息时,其对学习系统的参数更新没有明显的帮助。所以,本文将动态权值引入了异步强化学习算法,提出了基于动态权值的异步优势行动者-评论家算法。基于动态权值的异步优势行动者-评论家算法充分考虑到不同线程之间的学习状态,根据单个智能体向全局线程推送的内容的不同,能够动态更新其权值,使得算法的收敛效率和收敛性能均有显著提高。实验结果表明,本文提出的基于动态权值的异步优势行动者-评论家算法是有效的,较传统强化学习算法与现有的异步强化学习算法能够提升算法的收敛速度与收敛精度。

关键词： 自供电物联网节点   超低功耗   电源管理系统   直流直流变换器   降压转换器   高压驱动   PFM控制   功率管  

摘要： 近年来无线物联网设备特别是无线传感器网络节点、无线医疗电子设备和可穿戴设备的快速发展推动了电源管理系统向超低功耗、高效率和高集成度方向发展。电池和(或)新能源供电的自供电物联网设备需要超低功耗设计使设备供电系统具有超过10年以上的寿命,这就需要超低功耗电源管理技术。无线物联网设备的电源管理系统要求高效率和高集成度,电源管理单元(PMU)将传统的多路多类型电源管理器件整合到一个芯片中,有助于降低系统功耗,减少片外元器件、板级空间和成本。以优化自供电物联网节点的电源管理系统为出发点,本文就超低功耗电源管理的关键技术、系统设计和电路设计展开研究。自供电物联网节点系统的平均静态功耗通常在几微瓦,因此电源管理系统的自身静态电流应小于微安级。论文在研究CMOS亚阈值设计技术的基础上,阐述了纳安级通用模拟电路的原理和实现方法,包括本征NMOS构成的超低功耗电流源、亚阈值区CMOS构成的超低功耗电流基准、超低功耗带隙基准、亚阈值区CMOS电压基准和采用采样保持技术的电压基准。针对纳安级电路易受噪声影响的特点,研究了纳安级电路的新型隔离保护环、版图设计和封装设计等技术。论文提出“悬浮隔离”的保护环设计大幅降低开关电源的功率级开关过程中产生的少子注入对超低功耗电路的干扰,使得超低功耗电路模块与开关电源功率级电路单片集成。为了使电源系统在微安等级负载和毫安等级负载同时拥有较高转换效率,本文提出一种自适应偏置电流脉冲频率调制模式(PFM,Pulse frequency modulation)的超低功耗降压转换器结构。系统根据当前工作状态动态开启和关闭除“常开”超低功耗模块以外的电路,只在突发工作状态下动态开启工作电流较大的模块。创新结构的PFM 比较器通过检测PFM频率判断输出负载状态,动态自适应调整PFM比较器的偏置电流。采样保持结构的电压基准使用20 nA偏置电流得到误差小于1.5%的电压基准。论文采用0.35 μm标准CMOS混合信号工艺,设计并实现了一款静态电流为95 nA的降压转换器,最终通过流片和测试,验证了新型架构和纳安级电路的性能。在输入3.6 V,输出2.5 V时,2μA的负载下的转换效率为79.8%,与近年同类研究文献相比,具有更好的性能。超长待机和3G/4G高速数据传输自供电物联网节点需要更高的电源电压和集成度,宽电压输入系统给超低功耗电源系统设计带来了挑战。论文研究多节电池串联的自供电物联网系统,针对性提出一款超低功耗PMU系统芯片。PMU集成多路电压转换器,通过复用超低功耗辅助电路,大幅度降低了电源系统的整体功耗。芯片集成了一路自适应偏置电流PFM控制模式的超低功耗降压转换器提高系统在微安级别负载时的转换效率,同时集成一路脉宽调制模式(PWM)的大负载降压转换器提高系统带载能力。论文提出无需片外电容和芯片引脚的全集成高压电平转换器和驱动电路结构,增加PMU的集成度的同时,避免功率级电路在开关过程中造成电源线上的“反射”电压,减少了功率级电路对超低功耗电路的干扰。采用基于标准CMOS工艺的混合信号BCD(Bipolar-CMOS-DMOS)高压半导体工艺,对宽电压输入全集成超低功耗PMU进行了设计、流片和测试。测试结果表明,该芯片各项指标满足设计要求,PMU的静态电流低至550nA,负载2 μA时,转换效率超过50%。超低功耗降压转换器输出电流达到50mA,转换效率为87%。大负载降压转换器输出最大电流达到了 500 mA,转换效率为90%。该芯片将高电压输入电源管理系统的工作电流从微安等级降低到纳安等级,大幅度提高了设备的使用寿命。