关键词： 模拟数字转换器   流水线-逐次逼近式ADC   流水线式ADC   逐次逼近式ADC   环形放大器  

摘要： 模拟数字转换器是通信系统的重要模块,其作用是将自然界中的模拟信号转换为数字信号。近年来,无线通信、计算机、可穿戴设备以及车载电子等领域的快速发展,对ADC的性能提出了高速低功耗要求。在众多ADC结构中,可以实现高速转换的有时间交织式、闪存式和流水线式等,但这三种结构的功耗一般都很高;可实现低功耗转换的主要是逐次逼近结构,该结构具有面积小功耗低的优点,但速度受限于分辨率。近几年提出的流水线-逐次逼近(Pipelined-SAR)混合结构在单通道转换器中性能突出,可以同时实现高速低功耗的设计要求。Pipelined-SAR ADC通常由两级流水线和级间放大器组成。其子ADC是SAR结构,不仅可以在第一级实现较大的分辨率,提高系统性能,而且SAR结构中有CDAC,因此不需要另行设计MDAC。该结构的设计难点主要有两个,一个是如何准确转移余量电压,一个是高性能级间放大器的设计。本文针对Pipelined-SAR ADC的余量转移方式和工作时序进行了优化,提高了采样率;针对级间放大器Ring Amplifier在放大阶段的带宽问题,使用可变电阻自偏置结构,提高Ring Amplifier在放大阶段的带宽。在TSMC 40nm 1P6M CMOS工艺下设计并验证了12bit分辨率200MS/s采样率的Pipelined-SAR ADC。该ADC有两级流水线,子ADC分别采用传统SAR逻辑和Monotonic SAR逻辑,级间放大器使用伪差分电阻自偏置Ring Amplifier结构。在20MHz频率1.1V输入200MS/s采样率下,后仿得到ADC的SFDR为69.17dB,SNDR为56.54dB,功耗为4.14mW,FoM为37.72fJ/conv-step。

关键词： 海洋浮标   电源管理   能量收集   低功耗  

摘要： 随着海洋检测技术的发展,海洋浮标已经成为海洋探测和海上资源开发的重要工具。如何为海洋浮标搭载的系统供电以及达到有限能源的高效利用,是海洋浮标系统面临的关键问题。基于这些问题,本文设计了一种适用于海洋浮标的能量收集与电源管理系统。首先研究了光伏电池与锂离子电池的输出特性,建立了基于光伏电池等效电路和锂离子二阶Thevenin等效电路的Simulink模型,仿真模型体现了光伏电池和锂离子电池的输出特性;根据仿真得到的结果,开展了能量管理的技术研究,分析了系统各部分的需求,设计了系统的整体方案。根据系统的整体方案,设计了包括太阳能收集模块、电压转换模块、单片机控制模块、V/I检测模块、锂电池保护模块和海浪振动能量收集模块的硬件系统。在此基础上,设计了太阳能最大功率点跟踪算法,对光伏充电进行优化;设计了基于二阶Thevenin模型的EKF-SOC算法,根据电池端电压对电池荷电状态进行估计;设计了负载电源管理策略,根据外界能量的输入功率和电池剩余电量,对负载工作模式进行调整,提高了能量的利用效率。最后对系统进行了测试,系统各模块可以与设计的算法相互配合,实现了太阳能的高效收集、锂电池荷电状态估计以及负载工作模式的调整;同时根据系统需求,实现了锂电池端电压到3.3V、±5V、±7V的电压转换,海浪振动能量收集器输出能量的收集以及硬件上的锂电池保护。测试结果表明,系统可正常、稳定的工作,满足设计需求。

关键词： 近海岸监测   多线程   嵌入式   海洋数据分析  

摘要： 我国是海洋大国,随着陆地资源的日益紧缺,海洋资源开发的战略地位日益重要。但是,海洋在给我们带来广袤资源的同时也带来了一些威胁。赤潮、台风、风暴潮等自然灾害时有发生,不仅给国家的财产带来了不可估量的损失,而且对人民的生活造成了巨大的影响。海洋监测能够提供多方位、长期、实时的数据,对最大限度地降低海洋灾害带来的损失和影响具有重要作用。在众多监测方法中,近海岸在线监测能够长期稳定地监测海洋数据,在海洋监测中具有重要地位。本文在调研了国内外近海监测研究现状的基础上,顺应海洋监测自动化与智能化的潮流,设计了一套近海岸多参数在线监测系统,实现对近海水质等参数的连续、实时、自动监测。与现有的近海监测系统相比,该系统稳定性强,功能更加完善,而且支持传感器的后期扩展。近海岸在线监测系统由坐底观测平台、岸基通信机与远程监测中心三部分组成。坐底观测平台负责监测传感器数据以及与岸基端的通信,岸基通信机负责与坐底观测平台和远程监测中心之间的数据交互以及对坐底观测平台的能源供应,远程监测中心负责数据在用户端的呈现。其中,岸基通信机通过引入用户交互的功能解决了现场调试不便的问题,远程监测中心则为远程用户查看数据与数据分析提供了便利。论文主要研究了近海岸在线监测系统的软硬件设计与实现。硬件部分完成了以工控板为核心的岸基通信机与坐底观测平台的硬件电路设计,并针对市面上常用传感器的接口做了兼容;嵌入式软件设计部分完成了 WinCE的定制与平台搭建、通信协议的设计、基于多线程的应用程序设计等工作,程序在初始化时通过读取配置文件对系统进行配置,提高了系统的通用性与扩展性,并针对系统可能出现的异常情况设计了相应的异常处理机制;基于Web技术完成了远程监测中心的软件设计,可以提供实时数据查看、数据回看、预警等功能,为用户提供友好的数据呈现接口。通过系统测试,表明整套系统基本达到了设计的要求。针对采集到的这些数据,本文提出了一种智能的分析方法。在对深度学习中的长短时记忆神经网络进行深入研究的基础上,通过粒子群算法进行参数优选,并将其应用于对赤潮监测数据的分析中,取得了良好的效果。

关键词： NB-IoT   低功耗   神经网络   预测优化  

摘要： 随着社会的进步,信息技术的不断发展,其技术含量及复杂度也越来越高。智能化在这个时代开始快速的渗透到各行各业以及我们生活的方方面面,相继提出智慧城市,智慧交通,智能医院等,而智能水网的发展,对于实现创新驱动,转型发展,重新布局新技术产业,带动现代化城市业,提升政府民生服务能力,都具有十分重大战略意义。建设一个低功耗、持续运行、准确预测、节约资源的智能管理供水管网系统,在可持续发展经济的今天具有重要意义。本文首先结合NB-IoT通信技术,以及对MCU各个外围模块的配置处理,进一步降低终端数据传输的功耗,使得终端待机时间更长;在后台监控平台中,采用美国Borland公司推出的Delphi xe开发,把终端采集到的管网数据通过NB-IoT无线通信方式上传到监控平台,对数据进行实时显示,并以波形图的方式直观的展现给观测人员,本系统的后台是基于C/S架构的,工作人员通过后台管理对终端进行配置,监控平台的功能主要有数据的显示,存储,和历史数据的查询。同时结合HF市区地区生产总值、人口、时间等因素对供水量和用水量的影响,建立GRNN模型和灰色系统模型对用水量进行组合精确预测分析,通过计算,比对单独预测模型,该方法有明显的改进效果,并且利用权重系数对未来三年HF市用水量进行预测。最后在供水管网建设的优化上,以建设费用最低为目标函数,通过水力计算模型的各个约束条件,建立了遗传算法优化模型,以实际的城市供水管网的参数,证明了此模型的适用性,给管网的设计人员在初期管径选取的不确定性提供了科学有效的方法。

关键词： 超越CMOS   低功耗   独立栅FinFET   负电容场效应管   器件性能  

摘要： 以载流子扩散-漂移运动为电流传输机制的CMOS/FinFET工艺器件的亚阈值摆幅有着根本性的最小值限制,即常温下不能低于60mV/dec,这就是著名的“波尔兹曼暴政”。“波尔兹曼暴政”限制着器件工作电压和功耗的进一步缩小,随着器件尺寸缩小遇到瓶颈,寻求减小功耗的方法变得迫在眉睫。负电容场效应管（Negative Capacitance Field-Effect Transistor,NCFET）是一种可以有效改善器件亚阈值摆幅的新型器件。NCFET使用带有负电容特性的材料做为栅氧化层。具有负电容特性的栅极氧化层可以视为一种电压放大器,能够放大器件的内部栅电压,从而改善器件的亚阈值摆幅。本文提出一种金属-铁电-金属-绝缘层-半导体-绝缘层-金属结构的NCFET,因其前栅和背栅的结构不对称,背栅主要用来调节器件的阈值电压,因而叫做独立栅NC-FinFET。独立栅NC-FinFET由于克服了“波尔兹曼暴政”的限制,在较低的工作电压下仍保持足够的导通电流,且它的阈值电压可通过背栅偏压来调节,因此适合于低功耗电路的设计。为了对独立栅NC-FinFET进行较全面的研究,本文主要做了以下五个方面的工作:1、构建了独立栅NC-FinFET器件结构。根据预期目标设计独立栅NC-FinFET的物理结构,选定合适的铁电材料。2、对独立栅NC-FinFET器件进行了建模。构建了独立栅NC-FinFET的电容模型,进而推导出独立栅NC-FinFET的表面电势、亚阈值摆幅及漏电流和导通电流等性能参数与各部分电容间的关系。3、构建了适用于独立栅NC-FinFET的Hspice仿真模型。将铁电的L-K模型和独立栅器件的BSIM模型联系起来,构建了用于独立栅NC-FinFET器件和电路仿真的Hspice仿真模型。4、完成了器件的物理参数优化。使用独立栅NC-FinFET的理论分析模型进行了器件性能分析,结合器件仿真,明确了铁电厚度、普通绝缘层厚度、体厚度和栅功函数等参数的适用范围及对器件性能的影响趋势,确定了性能最优化的独立栅NC-FinFET的器件参数。5、使用独立栅NC-FinFET进行了电路级的仿真验证。对典型的组合电路和时序电路进行了仿真验证,对比独立栅NC-FinFET与基准器件构成电路的性能。本文的设计方法:根据构建的器件模型,预测各部分结构参数变化对器件性能的影响,进而使用Hspice软件借助独立栅NC-FinFET的仿真模型对独立栅NC-FinFET进行仿真和优化。考虑电路的功耗延时积（PDP）作为电路性能的衡量指标,确定器件在电路中的工作模式,并构建低功耗电路。仿真结果与理论分析结果一致,表明独立栅NC-FinFET具有更加优异的性能,更加适合用于低功耗电路的设计。相比于基准器件,独立栅NC-FinFET器件在更低的工作电压下实现了更小的漏电流和更大的导通电流。优化后独立栅NC-FinFET构成的电路相对基准FinFET的电路,在PDP得到很大优化的情况下功耗也普遍优化了50%0%,电路的低功耗性能得到了明显提高。

关键词： SRAM存储器   超低电压   读写分离译码器   逻辑电路   锁存结构  

摘要： 本文设计了一款基于0.9V供电电压条件下的大容量低功耗SRAM存储器，主要基于6T基本存储单元结构进行外围电路设计，设计了译码器电路、灵敏放大器电路、逻辑模块电路等。存储器采用了40ULP(超低电压)工艺，完成了对SRAM整体架构的设计搭建，前后仿真和投片测试工作，实验工作和成果如下所示:　　1.分析了SRAM存储器的主要结构和可能影响其性能的因素，对改进结果进行预测，确定优化方案后对存储器外围结构进行改进。　　2.设计了一款读写分离译码器电路，降低了电路译码所需功耗，在电路设计层面减少了 面积，提高了SRAM存储器的整体架构性能。将锁存结构放置在整体结构外部，多个模块共同使用外部存取模块锁存数据，降低了过大负载和冲击电流对电路造成的影响，实现在电源开启瞬间也能够稳定传输的目的。　　3.设计加入了读辅助电路和写辅助电路，满足在0.9V低电压条件下进行稳定传输的设计要求，降低读写操作正常进行时的峰值电压，同时在非操作周期保护相邻存储单元内存储数据保持稳定。　　4.设计了多模式电源模块，存储单元电路与外围电路分别使用不同电源电压进行供电，为电源模块设计多种供电模式，减少了SRAM功耗。　　5.设计了内外结合使用的逻辑电路模块，将模块选择部分挂载在整体架构外部，部分模块内的逻辑功能与控制整体架构的逻辑功能有序结合，减少了激活SRAM时通电瞬间对电路造成的伤害，降低存储器产生误差的概率。　　本文基于SMIC40ULP工艺，设计了一款32M大容量低功耗SRAM。测试结果表明，本文提出的存储器结构，可以在200MHZ条件下快速建立稳定数据传输条件，在进行正常存取使用操作时，电压数据能够保持在误差上下不超过2％的幅度进行波动。使用0.9V中心电压进行供电，核心设备I/O端口所需电压峰值不超过1.1V。分模块密度能够达到1.25M大小正常使用，对其进行拼接最终可得到32.5M大容量SRAM存储器，整体功耗降低到30.9uw/MHZ。

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： 低功耗自旋逻辑器件   自旋转移力矩   磁性隧道结   微磁学模拟  

摘要： 随着互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺的技术节点越来越逼近原子尺度的极限,摩尔定律逐渐失效。同时又伴随着电子消费市场的进一步扩大,有限的信息存储能力越来越难以满足无限增加的总体信息量。这些现状使得研究人员不得不寻找新的可以获得更高存储密度的信息存储技术。为了寻求新颖的、可扩展的、功耗较低的计算技术,基于自旋的逻辑器件由于其非易失性、小的电池面积和低的动态功耗等特点,正在被广泛探索。到目前为止,已经被提出的自旋逻辑器件包括纳米磁逻辑、全自旋逻辑、自旋力矩多数门、磁逻辑、自旋转矩振荡器和自旋波器件等等。与这些逻辑器件相比,磁性多数门逻辑器件用来构建多数门时,用到的器件数量会显著减少,因此电路复杂性大大降低。在本文中,基于磁性隧道结(MTJ)和相关结构中的自旋转移矩(STT)效应和自旋轨道转矩(SOT)效应,本文中提出了一种新颖的可级联磁性多数门逻辑器件。基本逻辑单元由四个MTJ组成,它们共用一个“T”形扩展自由层,作为底部铁磁(FM)电极。MTJ中自由层的磁化可以通过注入电流携带的STT来诱导翻转。输出端位于三个输入MTJ分支的连接处,因此其磁化可以通过磁畴壁的移动来确定。通过SOT效应翻转固定层的磁化状态,可以以非常简单的方式实现反相器。逻辑单元之间的通信通过非局域自旋扩散电流通过非铁磁金属线实现,以保证其级联能力和信号的非互易性。基于以上设计,包括NAND/AND,NOR/OR和XOR/XNOR在内的综合逻辑功能都可以实现。此器件拥有的级联能力可以成功地实现更为复杂的逻辑功能。本文采用微磁模拟的方法,基于实用技术评估了可互联磁性多数门器件,对应的电路性能以及功耗情况。

关键词： LSTM   可配置   稀疏量化压缩   硬件加速   FPGA   高速   低功耗  

摘要： 近年来,得益于大量的开源训练数据以及学习这些数据的强大的计算能力(GPU的产生及应用),人工智能领域特别是深度学习方向获得了极大的发展。基于LSTM的神经网络是一种循环神经网络,该网络模型在智能认知领域被广泛应用,比如语音识别、图像说明以及自然语言处理等。然而,传统的计算平台如CPU、GPU等无法快速高效地实现LSTM算法,且常常需要对大量的权重进行数据搬运,对片上的存储需求较大,且消耗的功耗也比较多。因此,需要针对LSTM网络设计一个灵活、快速且低功耗的专用硬件加速器,以满足日益增长的人工智能任务需求。本文根据机型识别和航迹预测这两个人工智能任务的项目需求,基于Xilinx FPGA平台设计了一种可配置的LSTM神经网络加速器。首先,本文对目前主流的基于LSTM的硬件加速器设计进行了详细的调研,并分析比对了其中的创新点以及加速效果。然后,在此基础上详细描述了本文所设计的LSTM网络加速器。一方面,设计了可配置的LSTM控制器单元来满足不同规模的LSTM运算需求;另一方面,针对稀疏量化后的压缩模型,设计了可配置的且对激励进行跳零处理的高性能稀疏矩阵向量乘单元。其次,介绍了基于FPGA验证平台的验证环境以及验证方法,对测试结果进行了详细的说明和分析。测试结果表明,可配置的LSTM硬件加速器在应用于机型识别任务时,可达到2135帧/s的运算速度,应用于航迹预测任务时,可达到15363帧/s的速度,且总功耗仅有6.215W;其中的稀疏矩阵向量乘模块相较于CPU,可达到26.27倍的加速,但功耗仅为CPU的0.16;相较于GPU,达到了 2.27倍的加速,但功耗仅为GPU的0.03;相较于ESE[16](系统时钟为200MHz),在能效比上,本文的能效比是ESE设计的5.5倍。论文最后还针对设计中的不足提出了相应的优化方案,包括数据传输带宽与片上计算单元运算速度不匹配问题的优化,以及利用非线性函数本身的对称性对非线性函数单元做出的优化。

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。