关键词： 便携式设备   智能仪器仪表   低功耗技术  

摘要： 自改革开放几十年来我国的经济实力、军事实力、政治地位都得到了很大的提高,制造业、医疗行业、餐饮、建筑等各行各业都在这些年里取得了不同程度的发展和进步,同时为我国酝酿了良好的政治、文化、法律的环境氛围,这才使得我国各行各业兴盛发展、国家基础建设越来越完善,在这样的大环境下我国的电子技术、智能设备取得进一步的发展,然而当前便携式智能仪器仪表耗能问题仍旧是发展研究中的关键所在,在此本文就结合单片机和便携式智能仪器相关技术的发展革新,对便携式智能仪器的低功耗技术进行简单分析探讨,以期能够对便携式智能仪器朝着低功耗的方向发展做出贡献.

关键词： 唤醒时钟   低功耗   压控振荡器   频率稳定性  

摘要： 无线传感网是物联网技术的典型代表。为节省功耗,传感网节点通常采用低占空比的工作模式。在睡眠模式下,唤醒时钟的功耗是总功耗的主要部分;同时,为了减小唤醒时间,时钟的准确性也至关重要。虽然32kHz晶振电路时钟精度很高,但其功耗较高,且不利于芯片的集成。本文设计了一种基于压控振荡器的高精度低功耗唤醒时钟电路。本文从压控振荡器的设计和偏置电压产生电路两方面来实现高精度低功耗唤醒时钟。针对低频、低电压的工作场景,本文采用压控振荡器电路设计,提出基于晶体管漏电的差分输入延时结构,提高了振荡电路的抗干扰性能。针对偏置电压产生电路,本文提出开关电阻、电容串联结构,通过开关电阻、电容的串联分压得到稳定的偏置电压。其中开关电阻替代传统的电流基准电路,开关电容为运算放大器提供尾电流,降低了整体电路功耗。采用温度系数相反的两种电阻补偿整体电路的温漂,使电路输出频率更加稳定。设计可配置校准电容,通过配置电容不仅可以校准不同工艺偏差下的输出频率,还可以微调因温度变化引起的频率变化,以提高电路输出频率的稳定性。本文设计的高精度低功耗唤醒时钟电路采用GF130nm工艺,面积为0.496mm。后仿真结果表明:温度在-30～90℃内时,振荡器的频率温漂为45ppm/℃;供电电压在0.7～1.3V内时,频率变化为1.1%/V。在TT-1V的条件下,振荡器输出1kHz的频率,功耗为3.71nW。该结果与已有的研究相比时钟精度提升8倍5倍,相比目前精度最高的设计,功耗降低36%。

关键词： 语音端点检测   深度神经网络   特征提取   语音分类   梅尔频率倒谱系数   近似计算  

摘要： 近年来,越来越多的语音识别智能应用走入了大家的日常生活。语音端点检测（Voice Activity Detection,VAD）作为语音识别领域中必不可少的关键技术之一,其精确性和功耗在整个语音识别系统中起着十分重要的作用。从传统的VAD加速器所面临的非平稳噪声下精确度低、功耗大等问题出发,本文设计并实现了一种基于深度神经网络（Deep Neural Network,DNN）的高鲁棒性低功耗VAD。本文从VAD模型的算法特征出发,分别针对特征提取和语音分类做了算法优化和硬件实现。首先,优化了基于梅尔频率倒谱系数（Mel Frequency Cepstrum Coefficient,MFCC）的特征提取算法,并利用高鲁棒性DNN实现了快速傅里叶变换、离散余弦变换以及语音分类,提高了VAD在低信噪比和非平稳噪声下的性能,提高了语音和非语音命中率,实现了VAD的高鲁棒性;其次,引入数模混合近似计算,基于多阶量化共享乘法器实现VAD的动态精度可配运算,降低了运算复杂度和电路复杂度,实现了VAD的低功耗高能效。本文采用TSMC28nm工艺,VAD布局布线后的面积为0.52mm,工作频率为1.6MHz,功耗约为6～12μW,能效可达33.33～66.67TOPS/W。实验结果表明,本文通过优化VAD的算法和硬件实现,相比于Price等人的研究结果相比,精确度增长了9%,能效提高至Thinker的6.5倍,改善了当前VAD面临的功耗高和精确度低的问题。本文对VAD设计提供了一种新的解决方案。

关键词： Bioengineering   Alternative energy   Electrical engineering   Nanotechnology  

摘要： Microthermoelectric generators are miniaturized solid-state energy harvesters which can convert thermal energy into electrical energy in a sustainable manner. Over the last decade, the human body’s core energy has been considered as a promising source to harvest electrical energy through flexible microthermoelectric generators. The potential of the microthermoelectric generator modules to become an alternative power generation technique is not negligible. The flexible thermoelectric generator has the potential to generate sufficient energy for any wireless sensor nodes typically in microwatt-milliwatt range. In this study, a survey of microthermoelectric generator design is comprehensively presented with a specific focus given to the flexible types for wearable applications. The aim of this work is to design a wearable microthermoelectric generator module for ultra-low-power sensor applications with the capability of generating 1.4 V with 2 μW power output. The basic principle of thermoelectric power generator design, fabrication, and some existing challenges discussed. The resultant module was capable of generating the maximum output voltage of 15mV. The difference between the designed module and microfabricated prototype relies on the different material properties of the prepared thin-films with the assumed values, the effect of the flexible substrate material and loss due to parasitic heat flow.

关键词： 边界建模   Pro/E二次开发   多线程   STL文件   输送机  

摘要： 我国是一个农业大国,虽然多年来经济不断发展,但是仍没有跻身农业强国的行列,其中一个原因是我国长期以来处在自给自足的小农经济中,导致机械化程度并不高,没有达到农业强国的水平,在很多农村地区,农作物的收割还是完全依赖人工的。近年来,农业机械化及其自动化得到了越来越多的重视,但是由于机械结构的设计制造多数依赖过往的经验,导致设计周期长并且精确度不够,有必要采用计算机仿真的形式辅助设计,如果出现仿真效果不理想的情况可以直接返回重新设计,一方面可以缩短设计周期,另一方面能够节约资源,设计出最满意的机械产品。课题组在上述背景下自主研发了一款三维离散元法计算仿真软件Agri DEM,能够应用离散元法完成对机械结构与农作物颗粒的碰撞仿真,并对计算结果进行力学分析。在这个过程之前有个重要的前处理过程——边界建模,通过对设计好的机械结构进行边界建模,使得Agri DEM软件获取到该机械结构的数据信息,而建模质量的好坏直接影响仿真计算的结果。为了能够获取精确的数据信息,课题组在Pro/E软件的基础上进行二次开发,研发了提取建模程序Menu31,它能采用规则曲面建模和网格法建模的方式,将机械部件的位置、运动、材料等属性提取出来存入数据库中。但Menu31程序受限于Pro/E软件平台,无法做到所有CAD软件通用,因此,课题组又研发了基于STL文件的边界建模程序,其中STL文件是所有CAD软件都能导出的通用格式文件,这样一来,使得边界建模过程摆脱对特定软件平台的依赖,提高建模的效率。本文在已有的两个边界建模程序的基础上,对这两个程序进行功能扩展和改进,使得Agri DEM软件的边界建模模块更加完善。首先,对于Menu31程序添加了基于多线程的多选和框选功能,提高了提取效率。然后设计并实现了带式输送机、斗式提升机、弹性边界的提取建模算法,并对已有的多刚体建模功能进行改进,为多刚体动力学模型的建模奠定基础。其次,对于基于STL文件的边界建模程序,研究并实现了部件识别功能,使得原程序中不能对每个部件单独设置运动属性、材料属性的问题得以解决。添加了多个STL文件共同建模的功能,使得不同机械结构共同建模成为现实。之后又优化了基于STL文件的边界建模功能,提高了软件仿真计算效率。并且在程序中应用Open GL技术对模型的显示进行渲染,然后研究并实现了几种复杂运动机械部件边界建模功能的添加,使该边界建模程序更加完善。另外,本文在对边界建模模块进行改进研究之后,又对Agri DEM软件的其他功能进行扩展与改进,包括为边界的运动属性中添加往复运动功能,使摩擦磨损试验能够进行;之后改进了非球颗粒建模程序,能够提供更好的用户体验;为适应所有分辨率下的电脑屏幕,研究并实现了软件版权页根据屏幕分辨率进行自动调节的功能;接着为DEM计算添加“停止计算”功能;然后在Menu31程序中添加了身份验证功能,使该程序的知识产权得到了有效的保护。最后,本文对上述扩展的边界建模模块中重点功能进行测试验证。测试结果表明上述扩展和改进的功能是正确的,并且能够实现预期效果。

关键词： PCIE   控制模块   电源域   低功耗设计  

摘要： 近年来随着芯片集成度和复杂度的提高,芯片的功耗也随之快速增长。芯片功耗过大会导致一系列问题,比如器件稳定性变差、封装可靠性降低及电子产品续航能力下降等。功耗已成为影响集成电路发展的重要因素,而在低功耗设计研究方面的进展变得愈加关键。芯片的低功耗设计在各个设计层次上都有对应的设计方法,本次论文的研究着重进行在RTL级上的低功耗设计的研究。本次论文希望通过对目前芯片低功耗设计方法的理解,以及对PCIE模块低功耗机制的分析,研究在RTL级上基于子系统控制模块的降低PCIE模块功耗的低功耗设计方法。首先通过查阅有关SOC低功耗设计的相关资料,并研究工程中已有的SOC低功耗设计,对现阶段常用的几种低功耗设计的思想和方法进行分析,掌握基本的RTL级低功耗设计相关的理论和思路。然后对PCIE模块的基本架构和功能进行理解,并分析PCIE模块内部已有的电源管理机制。同时理解芯片子系统控制模块的基本架构和功能,并分析控制模块与子系统内部其它模块进行交互的机制。之后分别通过对PCIE模块的电源和时钟进行控制的思路实现在RTL级上的两种PCIE低功耗设计方法。论文实现的两种PCIE低功耗设计方法的思路如下。第一种是通过PCIE模块与子系统控制模块之间的交互,在PCIE内部进行电源状态转换的同时关断不需要工作的PCIE电源域的电源。第二种是通过检测对应的PCIE电源域的工作状态,动态调整工作时钟的频率,实现空闲状态下时钟频率的自动降低。论文在最后对所实现的两种PCIE模块的低功耗设计进行了功能验证和功耗仿真,并且功耗数据结果表明第一种设计能够降低约27.0%的PCIE Controller运行功耗,第二种设计能够降低约1.5%的PCIE Controller运行功耗,而同时实现两种设计则能够降低约27.4%的PCIE Controller运行功耗,从而验证了本次设计达到了预期的目的,即通过硬件机制更大程度的降低了PCIE模块在运行过程中所产生的功耗。本次论文中的PCIE低功耗设计与以往项目中的不同点在于通过对硬件机制的调整实现PCIE模块运行过程中对其电源和时钟更大程度上的自动控制。其一,在UPF文件中加入保持单元实现在电源域断电前保存模块信息,并允许在L12链路电源状态下对VMAIN电源域进行关断,从而实现通过硬件机制自动关断VMAIN电源域的功能。其二,通过判断VMAIN电源域中模块的工作状态来选择空闲状态下的时钟频率或工作状态下的时钟频率,从而实现通过硬件机制自动调整工作时钟频率的功能。论文中提出的低功耗设计方法基于对现阶段常用低功耗设计思想的研究以及项目中已有设计的分析,并通过功能验证和功耗仿真保证了设计的正确性,具有良好的项目基础和实用价值。

关键词： 降压型转换器   省电模式   采样电流电路   软启动电路   低功耗  

摘要： 随着科学技术的进步,便携式的移动终端产品逐渐成为大众生活的必需品,这要求电源拥有更持久的续航,因此电源芯片的低功耗特性变得尤为重要。传统的电源芯片往往采用低效率的线性转换器,这完全不能再满足当今智能移动终端产品的特性需求,所以具有较高转换效率的DC-DC转换器越来越受到集成电路设计者的青睐。本文简单描述了电源芯片的研究现状以及各种开关型转换器的架构类型,分析线性电源和开关型电源的特点及适用范围。根据研究方向和应用要求,确定低功耗降压型转换器的控制方式和调制方式。本文对低功耗的关键技术进行原理分析,并设计了低功耗电路模块。然后对转换器进行整体的仿真,根据仿真结果不断地调试电路,实现电路功能以及性能的要求,最后完成对转换器的版图设计、流片和样片测试。本文研究并设计了峰值电流模式控制的低功耗降压型DC-DC转换器,着力研究了低功耗的关键技术和电路结构,主要的工作内容如下:1.优化电路结构以降低转换器的损耗。该转换器全部采用载流子迁移率更大的N型功率管,减小功率管的面积并降低开关损耗;运用同步整流技术降低功耗,同时增加死区控制电路,防止两个开关管同时导通,造成能量的损失;增加过零检测电路,防止电感电流反向倒灌而产生多余的功耗。2.低功耗电流采样电路的设计。本文抛弃了传统的低效率和不精准的电阻采样的方法,利用较小的采样比例实现低功耗的设计,实现近1/20000电流采样比例。另外采样精准度仅受匹配度的影响,不受温度和工作电压的影响。3.省电模式的低功耗控制电路。当输出负载电流低于200mA时,转换器自动进入省电模式。在省电模式下,关闭功率管降低开关损耗和导通损耗,同时关闭大部分不需要工作的模块,降低轻负载时的静态功耗。省电模式控制电路并未采用传统的箝位电路和比较器电路,而是采用时钟信号来判断是否进入省电模式。这种省电模式控制方法减小了控制模块数量,降低了系统整体的功耗。4.本文设计了台阶式软启动控制电路。通过使误差放大器的输入电压台阶式上升,避免转换器启动时产生浪涌电流。5.设计一种片内频率补偿的电路结构。通过在误差放大器的输入和输出之间搭建电容电阻网络,实现转换器的环路频率补偿,消除了输出负载变化对系统稳定性的影响。通过片内的环路补偿减少了转换器芯片的引脚,节约PCB的面积。低功耗降压型转换器的电路设计基于华润上华CSMC 0.18μm 80V BCD工艺,分别利用Cadence EDA软件和Spectre仿真工具进行电路的设计和仿真验证,使用Cadence版图设计软件绘制版图,并完成流片,最后对芯片样品进行实测验证,测试结果表明转换器的各项功能正常,并且满足设计的性能指标,最大的转换效率高达93%。

关键词： JAVA多线程   网络课件   《药物分析学》  

摘要： 多线程技术是JAVA语言的一个重要特色,它使JAVA程序可以同时多路运行,支持多任务并行处理,提高了资源利用率和程序的执行效率.本文首先介绍的是JAVA多线程技术,然后结合《药物分析学》网络课件中心介绍了JAVA多线程技术在网络课件开发中的具体应用.

关键词： FPGA   低功耗设计   串口通信   驱动电路  

摘要： 随着半导体行业和集成电路的快速发展,芯片的工作频率与集成度迅速提高,电路的功耗也在迅速增加。然而功耗的增加会导致芯片发热,降低电路设计的可靠性以及稳定性,增大电路的设计成本。因此,功耗已经成为集成电路设计的重要约束条件。通常采用门控时钟技术减少电路中冗余状态的翻转来实现低功耗电路设计,但是门控时钟技术在降低系统功耗的同时会增加门控电路的复杂度,带来一些额外的附加功耗,而且会增加电路系统中的竞争冒险。本文将基于算法优化与电路控制的两种门控时钟技术相结合,提出一种新的低功耗时序电路设计方法,并将其运用到串口通信驱动电路设计中。在优化算法上,引入行为卡诺图的分析设计理念,直观展现出电路中每个触发器的冗余时钟信号的分布;在电路结构中,依据电路系统中的状态转换特性,合理的选择由门控电路构建的自控触发器,并以4位扭环型计数器为设计实例,将与非结构、或门结构以及异或结构的新型4位扭环形计数器与传统的4位扭环形计数器相比较,发现异或结构能全面消除电路系统中的冗余时钟信号,从而降低电路系统中所存在的功耗。最后将硬件驱动电路与门控时钟技术相结合,设计了一个基于FPGA的低功耗串口通信驱动电路,通过消除驱动电路中的冗余时钟信号来降低驱动电路的整体功耗。通过Quartus II进行时序仿真验证了本文设计的新型低功耗时序电路以及低功耗串口通信驱动电路的优越性与可行性。本文研究的基于FPGA的低功耗串口通信驱动电路设计,能够应用于降低其他驱动电路功耗的设计中,为其设计者提供了一定的参考。

关键词： 低能量功耗能源设计   硬件功耗设计   低能源功耗设计  

摘要： 嵌入式操作系统的低功耗系统设计策略需要对各种因素和系统总体规划目标进行全面设计分析.在产品设计之初,各种因素通常来说是相互受到制约和相互影响的.降低操作系统使用功耗的这些措施有时还可能会带来其他'负面影响'.因此,降低系统的数据总体处理功耗也就需要仔细的数据分析和精确计算.本文主要介绍了从系统硬件设计角度上在设计基于单片微控制器的低成本功耗智能嵌入式操作系统时候所需要特别考虑的一些关键问题.