关键词： 数据转换器测试平台   控制系统   低功耗   通信协议  

摘要： 数据转换器是数字信号量与模拟信号量转换接口的关键器件,高速高精度数据转换器测试平台作为数据转换器的重要的应用设备,自动化测试对数据转换器的研制具有重要的意义。本文首先对数据转换器测试平台进行了研究,在已有的ARM-FPGA数据转换器测试平台的基础上,提出了基于MSP430控制系统的数据转换器测试平台方案,降低了系统功耗,解决了原控制系统在测试时带来的干扰问题,同时在系统架构上实现了与原平台架构的无缝连接,降低了MSP430控制系统的设计与调试工作量。然后,论文完成了MSP430控制系统的硬件设计,通过高速数据接口建立了控制系统与高速数据处理系统和测试子板间的通信,通过上位机通信接口建立了控制系统与上位机间的通信。论文还完成了嵌入式蓝牙通信模块的设计,用于建立控制系统与上位机间的无线通信连接,解决了上位机与测试平台连接引起的共电干扰问题。蓝牙通信模块通过串行外设接口总线通信接口与控制系统建立通信,并通过无线协议与上位机建立通信,最终实现了控制系统与上位机的无线通信。接着,论文完成了MSP430控制系统的软件设计,控制系统的主程序设计和各通信接口协议的设计,包括控制系统与高速数据处理系统的通信协议、控制系统与上位机间的通信协议以及控制系统与蓝牙通信模块的通信传输协议,最终完成了上位机对测试平台状态控制、高速数据处理系统运行文件下载、测试子板初始化配置和测试数据传输等功能。最后,完成了数据转换器测试平台控制软件中的上位机通信接口的设计,使其能够与基于MSP430控制系统的数据转换器测试平台协调工作,对测试芯片发出控制命令,取回测试数据,计算性能参数并显示。论文以采样率为125MHz、精度为16bits的ADC作为测试对象,对基于MSP430控制系统的数据转换器测试平台性能进行了实际测试验证。结果表明,新系统解决了原来系统在高精度数据转换器测试中存在的微弱干扰问题,测试结果完全达到了设计指标。

关键词： 产品线   静态电流   电池寿命   TI  

摘要： 在2018年前十大模拟IC供应商排名中,凭借108亿美元的销售额和18%的市占率,德州仪器(TI)连续多年位居榜首,公司的模拟产品线更是丰富。仅以电源为例,就可以细分为六个不同产品线。在低功耗为主导的当今市场,TI选择从低静态电流入手,一鼓作气更新了这六条产品线中的四条。

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： 物理设计   低功耗   时钟网络功耗   门控时钟技术  

摘要： 随着集成电路产业的快速发展,电子产品越来越受到欢迎。特别是半导体工艺的不断发展,芯片的工作频率和集成度的不断提高,功耗已经成为集成电路（IC）设计者必须考虑的关键因素,研究高效的低功耗IC设计方法已然变得越来越重要。本文基于40nm工艺,实现了一款MCU芯片的低功耗物理设计,芯片规模（Gates）约600万门,时钟频率为180MHz。本文是基于Synopsys最新布局布线工具IC Compiler Ⅱ（ICC Ⅱ）进行的相关低功耗物理设计的研究,文章首先介绍了集成电路的发展历史和低功耗研究现状,然后介绍了 CMOS功耗的来源及理论,在此基础上,提出了40nm工艺的低功耗设计思想,并介绍了物理设计中常用的几种低功耗技术方法。最后,详细阐述了低功耗设计方法在MCU芯片物理设计中的具体实现,并通过功耗对比分析证明了本文提出的低功耗方法的显著效果。在低功耗布图规划阶段,根据不同的低功耗单元的结构,采取了不同的布局方式和电源引脚的连接方式,特别是电平转换单元,为了使此单元供电充足,本文并没有采取传统的电源轨道供电方式,而是将其电源引脚优先连接到电源条线上,从而更好的发挥其使到达该区域信号的电压摆幅与该区域电压保持一致的作用。在时钟树综合（CTS）阶段,为了更有效的降低时钟网络功耗,本文提出了新的时钟树综合方法:手动配置时钟树单元,一般的CTS方法为了确保时序往往会牺牲功耗,而本方法以时钟偏差和插入延时为目标,在确保时序快速收敛的同时又降低了功耗。通过分析时钟结构,首先将时钟网络分成三段并分别做平以获得更小的时钟偏差,然后手动配置时钟树单元来减小插入延时,从而更有效的降低功耗,结果表明该方法可以降低27.9%的时钟网络功耗。不仅如此,本文还提出了门控时钟技术的新方法,传统门控时钟方法有时会插入过多的门控时钟（ICG）单元,导致自身增加的功耗比其关断的功耗还多,本方法将ICG单元尽量靠近时钟树根节点,既减少了 ICG单元的数量又可以关断更多的时钟单元,从而进一步降低功耗,结果表明该方法可在传统门控时钟基础上进一步降低10.1%的功耗。两种方法均效果显著,大大提高了芯片的性能。

关键词： 图像传感器   多节点协同   LPL优化协议   嵌入式系统   信息采集  

摘要： 无线多媒体传感器网络因其传感数据内涵丰富、数据处理和传输能力强而有着极为广阔的应用前景。在文化遗址考古发掘过程的全方位信息记录工作中，传统的摄像机和照相机，一方面因需要固定的网络连接和电源供应，而无法方便地在考古现场灵活部署，另一方面也无法满足采集汇聚考古发掘现场的各类环境传感器的标量数据的需求。而在考古现场全方位信息获取、田野遗址安全监控、壁画病害长期监测等应用中，均需要在野外恶劣环境下进行长期高分辨率的图像信息采集获取和无线传输;无线多媒体传感器网络已经成为解决这类应用问题的关键技术。本项目的主要目标是设计开发适用于考古发掘现场全方位环境获取的支持多节点协同的低功耗无线图像传感器设备，以满足考古发掘现场持续的高清晰度图像数据采集和各类环境传感器数据汇聚的要求。　　低功耗无线图像传感器节点具有功耗低、无线部署、支持多节点协同等特点，拥有图像采集、图像传输、远程唤醒等功能，针对这些特点和功能，本文详细介绍了该节点的软硬件设计流程。硬件设计方面，介绍了MCU、FLASH、射频模块、3G模块以及人机交互模块的原理图及PCB设计。软件设计方面，介绍了系统的初始化方案、图像采集策略、图像传输策略以及低功耗唤醒策略，并完成了摄像头、MU509模块以及射频模块的通信协议及协议解析方案设计。　　其次，本文介绍了两项关键技术。其一是基于LoRa模块的低功耗唤醒优化协议设计。低功耗唤醒技术是实现多节点协同的基础。传统的LPL是一种典型的应用于无线传感器网络的MAC协议，发送方必须发送昂贵的长消息才能保证接收节点收到包中的有效数据，在本文所提出的协议中，采用将唤醒包切分为多个小唤醒单元的方法，大大降低唤醒过程中接收节点的能量损耗。其二是Contiki操作系统移植技术，Contiki是一个针对无线多媒体传感器应用环境，开源的、高度可移植的多任务操作系统，本文成功地移植了Contiki操作系统到硬件平台上，并详细说明了Contiki操作系统在无线图像传感器硬件平台上的移植方法，完成了系统的进程调度方案设计。　　最后，通过功能测试和功耗测试，验证了本文所设计的无线图像传感器节点可以满足考古发掘现场持续的高清晰度图像数据采集和各类环境传感器数据汇聚的要求，并指出了下一步需要优化的方向。

关键词： 压控振荡器   相位噪声   功耗   双核   电流复用   F类   互补结构  

摘要： 压控振荡器是无线通信系统、雷达系统收发机的重要组成部分。其性能的优劣在一定程度上决定了整个系统的功能。尤其是相位噪声和功耗,它们直接影响了评估振荡器整体性能的质量因数的大小,是设计压控振荡器的重要指标。本文针对“低相位噪声、低功耗CMOS压控振荡器的设计”这一课题展开具体的研究。主要工作包括:(1)针对近二十年来发表的基于电感电容的压控振荡器相关的重要文献进行了文献综述。这部分对基于电感电容的压控振荡器的主要性能指标如相位噪声、频率调谐范围、功率消耗等进行了理论分析,并将针对不同指标参数而提出的性能改进的方法和技术进行了分类总结。最后,分析了振荡器的性能发展趋势。(2)适用于调频连续波雷达系统的低相位噪声、低功耗连续调谐双核压控振荡器的设计。通过双核结构,在保证了较宽的连续频率调谐范围的同时降低了相位噪声。通过中心抽头变压器耦合缓冲放大器的电流复用技术解决了双核振荡器的高功耗的问题,实现了双核压控振荡器质量因数的改善。同时大幅提高了输出功率,实现了功率效率的大幅提升。该电路采用GF 55 nm CMOS工艺设计,使用仿真软件进行联合仿真,完成了电路原理图的调试和版图的设计。(3)低相位噪声、低功耗互补F类压控振荡器的设计。该结构通过变压器耦合辅助谐振腔,通过其附加的阻抗峰值增加了基波的三次谐波,在电感电容谐振腔附近形成了伪方波电压波形,增加了信号斜率并减小了脉冲灵敏度函数,从而降低了振荡器的有效噪声因子,结合互补结构,最大程度的降低了振荡器的相位噪声和功耗,实现了目前K波段压控振荡器的最大质量因数。该电路采用GF 55 nm CMOS工艺设计,使用仿真软件进行联合仿真,完成了电路原理图的调试和版图的设计。

关键词： 低功耗蓝牙受限网络   CoAP   参数控制   语义关联  

摘要： 近年来,随着互联网和无线通信技术的高速发展以及智能终端的普及,各种各样并且数量巨大的设备连接在一起构成物联网。资源受限的网络中的设备具有能耗低、处理能力不强、存储空间小的特点,在这些条件的限制下如何能够让资源受限设备支持与互联网设备在不同网络层次上的交互受到了学术界和工业界的关注。低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy,BLE)受限网络有自己的网络特点,其中的设备如何能被互联网中的设备直接访问与操作需要资源受限设备与网关的配合,现在资源受限设备的协议栈支持进一步完善及智能设备作为网关以对互联网提供资源受限设备的互操作接口仍是必须解决的关键问题。因此,本文对两种典型设备作为网关进行低功耗蓝牙通信的情景,结合IETF(The Internet Engineering Task Force)CoRE]工作组提出的基于REST架构的受限应用协议CoAP(The Constrained Application Protocol),对低功耗蓝牙受限网络设备与互联网设备之间的交互进行了研究,从保障基本通信能力的技术互操作性和保障基本信息处理能力的语义互操作性两个层次来考虑。本文研究内容与工作如下:第一,低功耗蓝牙受限设备与互联网设备技术互操作机制的研究与实现。支持CoAP协议是进一步支持语义的前置基础,在移动智能设备作为网关的情景中,针对Android系统架构上不能支持IPv6/BLE的限制,提出了在原生的低功耗蓝牙完整协议栈上支持不依赖IPv6的CoAP消息传输机制来解决相应的限制问题,这作为一种支持CoAP传输的模式。在低功耗蓝牙链路层上支持CoAP/UDP/IPv6是另一种模式,本文设计实现了6LoWPAN for BLE适配层并在其中提出了一种自适应控制机制,实验结果表明这会优化基于低功耗蓝牙的IPv6通信。后一种模式的相关机制研究为在Android后续版本上解除限制后支持CoAP/UDP/IPv6这种模式打下了基础。第二,设备之间语义互操作机制的研究与测试。基于第一点研究内容所提供的低功耗蓝牙受限网络中的技术互操作机制,结合本体建模技术,为传感器的语义描述信息构建了语义关联的决策模型。针对其它相关研究中没有对于特定场景所在的领域进行语义分析的问题,提出了扩展的场景相关的语义模型,语义层级的互操作性在某一特定领域得以体现。在高铁车厢的消防相关场景中,根据多因素本体建模及综合评价的规则对消防安全状态和火灾险情发生状态进行了评估,并根据不同等级进行报警决策。

摘要： 钱月宝今年70岁了,个头不高,按她自己的话说,已经到了“越缩越小”的年纪,但她的手指依然细长.这是一双长满老茧的手,从8岁起她就开始用这双手绣花补贴家用,别人一天绣80根线,她能绣100根.凭着这双巧手,钱月宝一针一线地织出了梦兰这家中国纺织行业百强、中国家纺行业十强企业.也正是因为这双手,她竟在知天命之年改行去做一件一般人摸都没摸到过的东西——芯片,如今虽古稀之年,依然壮心不已.

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： 2.45GHz整流天线   微带天线   圆极化   低功耗   转换效率  

摘要： 射频能量收集技术是当今世界最活跃的研究热点之一,正受到学术界越来越多的关注。射频能量收集技术最初的提出是为了用于太阳能的利用来解决世界上能源的日益短缺的问题,后来随着这项技术的日益发展,学者们开始关注射频能量收集技术在低功耗设备上的应用。整流天线是射频能量收集系统的核心所在,整流天线的性能将直接影响整个收集系统的效率。本文主要针对于当今社会对于在低输入功率的环境中应用的整流天线的需求,设计了一款工作于2.45GHz的接收天线以及与接收天线相匹配的整流电路。首先,本文通过在金属层蚀刻槽以及在圆形铁片上加载插槽和短截线等技术,设计了一款工作在2.45GHz的圆极化贴片天线,其中加载插槽和短接线是为了优化圆极化天线的轴比并扩展天线的阻抗带宽;天线在工作频段内具有良好的辐射特性,天线在谐振点S11参数为-34dB,带宽达到了 130MHz,且天线阻抗匹配良好,在工作频带内满足S11＜-10dB,在主轴方向上的增益达到了 6.57dBi。之后完成了接收天线的实物加工、焊接与测试,测得天线在谐振点的S11参数为-29dB,表明天线性能良好,满足了设计要求。在整流电路部分,首先设计了一款低通滤波器,并利用ADS仿真软件对其进行了仿真,仿真结果表明设计的滤波器在谐振频率2.45GHz处的S11参数为-25.862dB,在2.45GHz处的衰减为-0.98dB,满足设计要求。接下来根据全波整流电路的原理设计了一款整流电路,经过分析本文选择HSMS-282C作为整流电路的整流二极管,接下来将整流电路与滤波器进行一体化仿真,仿真结果表明电路的最大整流效率达到了 64%,功率灵敏度达到了-23dBm。最后完成了整流电路的加工与实测,测试结果与仿真结果基本吻合,满足了设计要求。