关键词： 深拖式   主控软件   多线程   内存映射   连续采集  

摘要： 海洋中蕴含着丰富的油气、水合物资源,海洋资源开发也越来越受到各国的重视。我国是海洋大国,在管辖内的海域面积达300万平方公里,海洋资源储量十分丰富,开发潜力巨大。但是海洋勘探技术与装备的落后,以及近年来西方发达国家对小道距数字地震采集拖缆技术的出口限制,严重制约着我国的海洋资源开发力度。基于此问题,由自然资源部第一海洋研究所联合国内优势单位启动了“深拖式高分辨率多道地震探测技术与装备研究”的课题,本论文研究课题依托于其子课题“深拖多道数字缆与采集系统研制”展开。深拖式多道地震数据监控与记录系统是深拖系统的水上船载部分,其中的主控软件是本文的研究内容,它是深拖系统的中央控制与记录单元的关键部分,在系统地震数据采集作业中承担着重要的任务。本文的研究重点是主控软件各功能模块设计以及其实时性问题。本论文从深拖系统性能指标和系统设备工作方式入手,明确了主控软件的设计目标和功能需求,并围绕设计目标和功能需求,设计了主控软件的功能模块。针对各功能模块的关键问题,提出了对应的解决方案,包括针对精确延时时钟管理,采用获取可变时钟频率计时的方法;针对海量数据实时接收处理的问题,采用乒乓型缓冲区结构的方法;针对地震波形实时监控显示的实时性问题,采用了双缓冲绘图技术;针对多任务并发性工作的实现方法问题,采用多线程及其管理技术;针对深拖系统快速数据存储的问题,采用内存映射方法,提高了数据存储速度。本论文根据功能需求,分为实验室测试和联合海试两个阶段,分别测试了主控软件的自检功能、数据采集性能、以及连续采集方式下的数据监控和存储性能。测试结果表明,主控软件功能正常、实时性良好,能满足深拖系统性能需求。

关键词： ADCP   嵌入式技术   多频段   低功耗   测流  

摘要： 海洋是地球的重要组成部分,然而人类对海洋的探索还停留在初级阶段。随着陆地资源的过度开发,人类更加认识到研究和利用海洋资源的重要性。为了充分合理的开发海洋资源,就有必要对海洋中的各参数进行正确测量。声学多普勒海流剖面仪,以下简称ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler),是近年来发展起来的一种重要的海洋测流设备。本文主要研究的是基于嵌入式技术的ADCP信号处理平台。把嵌入式技术引入到ADCP中,使系统的灵活性、可靠性、稳定性得到了显著提高。本文的主要工作概括如下:1.研究ADCP的工作原理,对比了三种常见的测流方法(窄带多普勒测流、相干测流、宽带多普勒测流)的优缺点,对宽带测流的信号处理过程进行了数学推导与论证,并借助Matlab针对性地对回波信号的复相关运算进行仿真分析,得出了宽带测流是窄带和相干测流二者优点相结合的结论。2.设计了系统整体架构方案,本文提出了 DSP+FPGA+MCU多核工作架构,基于该架构对各模块进行了芯片选型与硬件电路设计,包括MSP430及其外围电路设计;信号收发模块设计,包括FPGA资源评估与选型,高速ADC选型;数据处理模块设计,包括OMAP-L138加载方式和外围电路设计。完成了整个硬件系统的搭建和调试工作。设计了一套低功耗系统工作流程,本文还实现了一种基于握手机制的系统休眠唤醒方法,用于辅助系统在深度休眠状态顺利唤醒至工作状态。经功耗评估结果表明,该系统具备超强数据处理能力并同时兼备超低功耗的优点。3.完成了基于嵌入式技术的OMAP-L138和MSP430软件开发,并完成了 FPGA发射脉冲设计和FIR数字滤波器复用设计,该滤波器具有并行处理能力且资源占用较少。利用乒乓缓存方法提高了数据传输效率。本文对传统自容式ADCP系统数据存储机制进行了改进,提出了异常掉电数据保护机制,在系统发生异常的情况下能有效地对数据存储时序进行保存与恢复。基于OMAP-L138双核通信机制,对OMAP-L138的加载方式进行了改进,能够从存储器中指定存储位置自举启动程序。基于FPGA可重构技术,设计了多频段切换测流功能,DSP通过主动串行方式配置FPGA,完成配置文件的在线更新。经测试结果表明,该功能解决了传统ADCP受限于固定频段测流且频段间切换麻烦的问题。4.在Windows平台下开发了 ADCP专用上位机,基于该上位机可以对设备固件进行远程在线升级,解决了传统ADCP设备调试与维护过程繁琐的问题。同时还可实时查看回波信号。5.对系统主要功能进行板级测试和湖上试验,并对测试结果进行了评估分析,系统的软硬件功能得到了正确验证。

关键词： 食品溯源   无线感知系统   低功耗   稳定性  

摘要： 随着中国经济水平逐步提高,人们的生活质量有了保障,但现阶段我国食品滥用添加剂,掺假使假等问题时有发生。虽然政府部门和消费者越来越重视食品安全问题,但当前大部分食品溯源监测应用中的感知系统停留在固定于仓库和工厂之中的阶段,无法提供食品实时位置信息,并且其中的硬件设备耗能较高,采集数据缺乏保护容易丢失。导致溯源链条较短,难以涵盖整个物流过程,监测信息少实用性低。因此需要设计一款高效可用的无线感知系统为食品溯源监测应用的实用性和普及提供保障。在充分调研食品溯源系统及无线传感网络中通信与低能耗技术的基础上,本文首先根据使用场景需求提出了无线感知系统的整体设计方案。并从硬件选型,软件功能划分和通信方案等方面进行了说明。之后针对该系统关于低能耗及稳定性的重点问题提出相应解决策略:在节能方面根据节点休眠模式和感知数据特点提出了低功耗工作模式调度算法、基于位置预测的定位采集优化算法和基于数据相似性的动态数据上报触发算法;从系统稳定性方面提出基于数据特征的有限缓存管理方案。最后对无线感知系统进行了软硬件实现和功能测试与算法性能分析,测试结果符合预期。工作周期为10分钟的情况下,一次充电后节点可以使用20天左右,数据到达率在80%以上。本课题设计并实现一套低能耗高稳定性的无线感知系统为食品溯源监测提供食品环境数据、实时定位、物流信息可追溯等服务。文中提出的节电算法与稳定性策略经过性能检验和分析,效果较为理想,可以保证食品监测溯源应用的实用性。目前该系统已成功应用于企业用户,为其旗下多种食品提供溯源监测服务,具备较高应用价值。

关键词： Computer engineering   Electrical engineering  

摘要： The high-speed, high-resolution power-efficient analog-to-digital converters are the new challenge designs in wireless communication. With the development of the LTE-A, the wireless communication system requires the ADCs to have the wide-band and high resolution. The low power is essential to improve the battery life-time for mobile devices. For this design target, the continuous-time sigma-delta (CTDSM) is widely used in the wireless system. Compared with the conventional ADC, the CTDSM has the built-in anti-aliasing filter and constant input impedance, which relaxes the requirement of the input buffer. Besides, the continuous-time integrators relax the requirement of the amplifiers, which allows the high power efficiency and wide-band amplifier architecture to be used in the modulator. This thesis investigates the limitations and design challenges of Mega to Hundred Mega Hz Bandwidth CTDSM. Proposed techniques include SAB integrator technique, low power circuit techniques, Preliminary Sampling, and Quantization Technique and feed-forward ELD compensation, which improve the power efficiency and the speed of the modulator. The first work reports a continuous-time (CT) third-order delta-sigma modulator that features a single amplifier biquad (SAB) and a passive integrator to simplify the circuit to just one power-hungry operation amplifier (opamp). Such setup not only relaxes the gain and bandwidth requirement of the opamp design but also enhances the overall modulator stability, which enables a power-efficient loop filter implementation. We used a SAR architecture in the quantizer with an advanced feedback technique to alleviate its speed penalty. By incorporating the proposed continuous-time complementary (CTC) opamp and an adaptive latch scheme in the DAC driver, the modulator attains a signal bandwidth of 10 MHz with 79.6 dB SNDR while only consuming 5.35 mW from 1.2 V and 1.8 V power supplies. The prototype has a dynamic range of 84.5 dB and a Schreier FoM of 17

关键词： Engineering   Electrical engineering   Computer science  

摘要： Two low-power voltage reference cells for a system on-chip design are presented in this report. Both cells utilize a combination of standard transistors to produce an output voltage near 1 volt. Choosing the appropriate design procedures can aid in minimizing the temperature coefficient (TC) of the output reference voltage coming out of the cell. One circuit, covered first, is currently being fabricated on a standard 0.5 µm chip complementary metal oxide semiconductor (CMOS) process, while the other is still in the designing stage. The first one has a TC of 86 ppm/°C with a reference voltage of 1.10 V while consuming 1.25 µW of power by simulation. The second voltage reference cell is aimed for a lower TC, and power consumption approximately 37 ppm/°C and 2 nW in simulation. Additionally, ideas to improve the circuits will be explored, and the layout of the first cell will be presented in this paper.

关键词： 毫米波通信   多输入多输出   混合波束赋形   低功耗   频谱效率  

摘要： 毫米波MIMO通信系统提供了大量可用的频谱资源,且支持吉比特级的高速传输,因此得到了广泛的关注。针对毫米波MIMO通信中路径损耗严重的问题,通常采用波束赋形技术获取阵列增益以对抗路径损耗。然而对于毫米波MIMO通信系统而言,全数字波束赋形技术需要数量巨大射频链路,其信号处理复杂性和成本开销无疑对实际系统带来了极大的挑战。在此背景下,混合波束赋形技术应运而生。混合波束赋形技术将波束赋形分成数字域和模拟域两部分进行,大大降低了所需的射频链路数及实现复杂度。本文针对毫米波MIMO通信系统,从不同的波束赋形架构入手,重点研究低功耗的混合波束赋形技术,主要工作概括如下:第一,研究了低功耗的开关-反向器混合波束赋形架构,分析了架构特点并重构了该结构下的问题模型。针对该架构仅能提供有限相位控制的特点,且该架构下已提出的基于交叉熵（CE）的混合波束赋形算法复杂度较高的问题,结合马尔科夫链蒙特卡洛（MCMC）方法中的Gibbs采样思想,提出了基于Gibbs采样的混合波束赋形方案。该算法从初始样本出发,逐位置更新各个坐标上的元素,通过有限次迭代获得模拟波束赋形矩阵。仿真结果表明,所提算法在该架构下能够获得更高的频谱效率,且相较于CE算法复杂度更低。第二,借鉴相控阵中相位调制阵列（PMA）的原理,提出了一种新的基于PMA的混合波束赋形架构,通过引入时间自由度,利用低功耗的射频开关与延迟线代替模拟移相器实现模拟部分的波束控制。首先理论分析了该架构的性能,随后通过仿真证明了此架构低功耗、高精度相位控制以及等效幅度控制的优势。针对其打破了移相器恒模限制的特点,搭建了该结构下的混合波束赋形问题模型。针对该结构能在模拟部分实现等效幅相控制的特性,首先对相位提取ZF（PZF）波束赋形算法进行了改进,此外,结合粒子群（PSO）优化算法,提出了基于PSO的混合波束赋形算法,将模拟波束赋形矩阵的中间变量看做粒子,通过更新粒子群中粒子的速度和位置优化相位与时间变量,以此获得期望的波束赋形矩阵。仿真结果证明,所提混合波束赋形方案相对于传统混合波束赋形方案功耗更低,能量效率更高,且能够达到近似最优的频谱效率。

关键词： 电源管理   待机   休眠   功耗   高级配置与电源接口  

摘要： 对于国产平台计算机桌面操作系统,电源能耗是其重要的组成部分,能耗也成为评估国产平台计算机的一项重要指标。龙芯处理器作为我国自主研发的计算机平台,对其电源能耗管理技术的研究和实现具有重要的理论和应用意义。本文以采用龙芯平台桌面操作系统为研究对象,针对龙芯平台特征及缺陷,重点研究电源管理技术在操作系统中的实现,完善电源管理功能,在提高性能的同时实现省电的目的。主要工作包括待机电源管理、休眠电源管理以及运行时电源管理三个方面,具体如下:根据龙芯平台与x86平台的不同特点,设计了龙芯平台待机电源管理的流程,实现了龙芯CPU辅核热插拔、深待机、浅待机等功能模块,达到了降低电脑待机功耗并能快速恢复的目的,提升了用户体验;设计了龙芯平台休眠电源管理的流程,实现了进程冻结与恢复、系统中设备的挂起与恢复、快照的创建储存与恢复等功能模块,降低了笔记本电脑的功耗,提高了电池的使用寿命;根据龙芯平台运行时电源管理的特点,实现了多核调度、计时器子系统和设备运行时电源管理等功能模块,能实时根据系统负载状态动态调整整机功耗,为待机和休眠提供保证,减少了整机能量的消耗。基于上述工作,实现了ACPI(Advanced Configuration and Power Management Interface,高级配置和电源管理接口)体系结构的电源管理技术方案,同时通过自动插拔降频测试、待机接口测试和休眠接口测试对实现方案进行了验证。测试结果表明,龙芯平台操作系统的电源管理在待机状态下可以达到极低功耗,休眠状态下可达到无功耗产生,满足了节能要求。本文的意义是完成了在系统级、体系结构级的协同设计,从而能同时保证提高性能和减少功耗。同时,该技术的实现也是国产平台PC机功能的一个突破和完善。

摘要： The Internet of Things addresses a huge set of possible application domains, requiring both short- and long-range communication technologies. When long distances are present, a number of proprietary and standard solutions for Low Power Wide Area Networks are already available. Among them, LoRaWAN and NB-IoT are candidate technologies supported by many network operators. LoRaWAN is one of the first technologies defined to operate in unlicensed bands. Its simple access protocol is designed to avoid complexity and costs while maximising the transmission range. The proprietary modulation used is very robust with respect to the interferers present in the shared bands used. NB-IoT is a new radio access technology targeting a large set of use cases for massive machine-type communications standardised by the 3GPP. NB-IoT has been enhanced in terms of coverage and power saving capabilities while reducing the complexity at the same time. In this thesis, first, many typical applications that may benefit from these technologies are presented, with a focus on the performance metrics and the definition of the scenario and traffic pattern. Secondly, the LoRaWAN technology is assessed both experimentally and through simulations, to characterise it from the link-level and system-level viewpoint, with the target of estimating the capacity of a LoRaWAN gateway and a multi-gateway network to serve a large area. Then, this thesis provides an overview of NB-IoT, together with a mathematical model of the network able to predict the maximum performance in a given scenario with a specific configuration of some design parameters. This model is used to study how these parameters affect the overall performance and how the optimal configuration may be chosen according to arbitrary criteria. Finally, some projects and practical activities are presented to prove the need for these standards, and to share the know-how that was developed during these studies.

关键词： 智能蔬菜大棚   LORA   低功耗   NB-IOT   Apollo2单片机   STM32单片机  

摘要： 无线智能蔬菜大棚指利用当前先进的物联网技术,将无线智能化控制系统应用到蔬菜种植大棚上,远距离实时监测农作物生长环境的参数,数据分析后再结合专家经验,模拟出最适合大棚内农作物的生长环境,最终通过网关控制系统控制调控机制,进而改变环境参数,从而使农作物达到最佳生长状态,到达增产的目的。在传统的蔬菜大棚也能进行智能调控达到半自动化水准,可是通讯方式必须依赖有线,整个系统需要大量布线,初期建设成本和后期维护都需要大量的费用。当需要增加大棚内的监测点或增设蔬菜大棚时,我们需要重新布线,再合并网络,这些任务相当繁琐。本文设计的无线智能蔬菜大棚控制系统利用物联网通信技术,以无线传输为中心,安装、增设节点都很方便,使用寿命长,并且用电池供电就可以达到需求。无线网络蔬菜大棚通过检测终端实时监测大棚中的环境参数变化。可以为蔬菜大棚环境的参数精准调控提供科学依据,达到增产、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。大棚控制系统中,运用温度传感器、湿度传感器、PH值传感器、光照度传感器、CO2传感器等设备,检测环境中相应参数,保证农作物有一个良好的、适宜的生长环境。远程控制的实现使技术人员在办公室就能对多个大棚的环境进行监测控制。本文从两个方面阐述我们监测控制系统的工作流程,一个是检测终端一个是控制网关,两者共同作用完成整个系统监测控制工作。检测终端主要负责信号采集和数据上传工作,由于检测终端是无线传输且用电池供电,因此整个设计的难点就在于低功耗设计,在MCU器件选型上选择超低功耗的Apollo2芯片,工作模式设计成定时发送模式,整个系统大部分时间处于休眠断电状态。在与网关通信方面,通信芯片采用的是SX1278LORA射频芯片,检测终端采用LORA自组网,这样的好处是我们可以自由加入终端,且不需要付费,难点在LORAWAN协议的自组网,这里我们采用的是Semtech公司提供的源码协议栈,再配上自定义的用户协议。在控制网关方面,网关与检测终端采用LORAWAN协议自组网,网关的通信芯片为SX1301LORA射频芯片,这是LORA网关专用芯片,信道数量多。网关与服务器采用NB-IOT通讯方式,开发简单,成本低,在中国3大运营商基本全面完成了基站的建设工作,因此即使在偏远山区,网关也可以正常通信。在设计时,NB-IOT通信直接采用现成的模组SN12,用AT指令进行命令和数据交互。在网关和上位机数据交互时,我们设计了自己的数据传输协议,同时保留了协议的可扩展性,非常灵活。在控制器网关外围接口电路设计时,我们保留了常用的AI、AO、DI接口,用户可自由扩展用途。该项目由实验室与深圳市派洛得科技有限公司合作研发,在未来几年,智慧农业必然是主流趋势,该系统有实际的工程应用效益。

关键词： Electrical engineering  

摘要： Analog to Digital Converter (ADC) is a circuit used to convert the analog signals to digital or binary form consisting of 1s and 0s. Delta Sigma ADCs are based on two main concepts, oversampling and noise shaping. Conventional high order delta sigma modulators use multi op-amps and thus consume a large power. The focus of our work is to design a higher order ADC using a smaller number of amplifiers to reduce the power consumption; hence the proposed design has a passive integrator and an inverter based differential amplifier. We achieved an SNDR of 43.31 dB and a power consumption of 2.908 uW through our work.