关键词： 电力线   自供电   无线传感器网络   电磁感应   低功耗  

摘要： 随着社会的发展,人们对能源和环境的要求越来越高,可再生的新能源在日常生活中的渗透率也不断得到提高,而这些可再生的新能源大多以电能形式进行传输和保存。架空电力线作为当前电能传输的主要手段,其可靠性和稳定性变得越来越重要。输电线路事故的发生将对人们的生活造成极大影响,并带来较大的经济损失。为有效保障电力系统安全运行,应加强电网在线监测、预警和诊断方法的研究。实现对电力线进行状态安全监测,可以及时发现电力线存在的异常(如履冰等),并进行修补,避免酿成更大损失。在调研国内外电力线状态监测研究现状的基础上,本文结合电力线周边存在的交变电磁场,利用线圈式电磁感应能量采集方式获取电能,并且通过设计低功耗的无线传感器节点,实现电力线状态的自供电监测。节点监测的数据通过Zig Bee网络传至系统监测中心,监测中心对数据进行分析与处理,判断是否存在险情,最后监测信息由GPRS(General Packet Radio Service)网络上传至远程服务器。文章的重点是对能量采集线圈与电力线之间的电磁场进行了仿真分析,对系统无线传感器节点和系统监测中心进行方案设计,最终完成系统开发。在仿真环境中,线圈在包裹磁导材料情况下,电力线周边的磁感应强度提高了800%。考虑到实际运用场景中的高温条件,设备若添加散热装置,在磁场强度为8000A/m的环境中,磁感应强度从0.07T提升至0.2T,提高了286%。在实验环境中,本文对系统的各个模块性能进行了测试。测试表明,无线传感器节点在系统设计工作模式下,系统工作24小时,其平均功耗可低至1.32m W,Zig Bee网络通讯正常,系统亦可通过GPRS模块实现预警短信提醒和数据上传服务器功能。

关键词： MEMS地震检波器   Sigma-Delta调制器   低功耗   放大器设计  

摘要： 地震检波器在地震勘探中起到检测接收地震波数据的作用,其工作效率、采集的数据量直接影响着后续的数据分析处理。不同于传统地震检波器内部采用的动圈式传感器,MEMS地震检波器内部采用了电容式传感器,其动态范围更大。并且MEMS地震检波器内部集成了模数转换模块可以直接输出数字信号,避免了模拟信号在传输中的损耗。新型的MEMS地震检波器可以很好地满足未来数字化的地震勘探需求,但其内部的模数转换模块需要上电工作,而且地震勘探需要长时间的稳定工作来获取足够多的信息样本以供后续的分析处理,因此低功耗的MEMS地震检波器是一个研究的热点。本论文针对MEMS地震检波器的模数转换器中的Sigma-Delta调制器展开研究。包括对Sigma-Delta调制器内部的各个子电路模块进行研究设计调试,并进行电路级的仿真;电路级调试仿真通过之后进行版图的布局布线绘制,绘制完成进行版图级的后仿真;通过代工厂进行Sigma-Delta调制器的芯片流片,最后在芯片返回后进行芯片级的测试。对Sigma-Delta调制器各个子电路模块进行设计,包括对带隙电压基准、时钟产生电路、放大器、积分器以及一位量化器的电路进行设计调试。针对低功耗的要求,设计了低功耗的带隙电压基准和第一级放大器;并且考虑积分器的非线性因素,设计线性度好的积分器结构。进行电路版图的布局绘制,并在版图布局布线中进行优化。版图绘制完毕,通过DRC、LVS、PEX测试后对版图PAD进行优化确定最终引脚;优化版图金属密度以达到加工要求;考虑芯片加工切片问题加入ESD保护模块。最后向中科院微电子所投片,由中科院微电子所向SMIC厂商投片。芯片返回后进行芯片级的测试,将芯片裸片点胶保护后封装在PCB测试板上,外接电源和输入信号的滤波电路,通过搭建好的测试平台进行芯片实测。本设计在SMIC 0.18um工艺,1.8V的电源电压下,完成了两阶Sigma-Delta调制器的电路设计、版图绘制以及最终的流片芯片测试。结果表明所设计的Sigma-Delta调制器的功耗仅为3.05mW。

关键词： 人体生物电   心电信号放大器   神经信号放大器   低功耗   斩波技术  

摘要： 人体在静止和活动状态下,都存在与生命活动息息相关的生物电现象。在各种人体生物电信号中,心电信号和神经信号具有代表性。心电信号可以直接在体表采集,能用于诊断多种心脏疾病、监测病人生命体征;神经信号需植入电极方可检测,从而探测神经异常和损伤。心电信号和神经信号具有人体生物电的共性,即低频、低幅值、易被湮没,因此采集过程中必须对它们进行线性放大。同时它们在特征和存在形式上又有所区别。因此,本文基于SMIC 0.18μm CMOS工艺,分别设计了用于体表采集的心电信号放大器和面向植入式设备的神经信号放大器,对两种不同的人体生物电信号放大器进行研究。在心电信号放大器的设计中,考虑到人体心电信号采集过程中存在电极失调电压、诸多共模信号干扰,以及传统心电信号放大器存在输入共模范围小、功耗高、芯片面积过大等问题。本文采用具有宽输入共模范围和高共模抑制比的电流反馈放大器作为心电信号放大器的主放大器;加入失调电压抑制回路以负反馈的方式减小电极失调电压的影响,确保电路偏置在正确的静态工作点上;集成右腿驱动电路以提高系统的共模抑制比,降低共模干扰的影响。仿真结果显示,在1.8V的电源电压下,功耗为46.8μW,共模抑制比高达107.4d B,可抑制±200m V的电极失调电压,输入共模范围为0～1.55V,电路版图面积为422×315μm。神经信号放大器则侧重于面向植入式电路的低功耗设计、低噪声设计和小面积设计。本设计采用电容耦合斩波放大器为主放大器,利用斩波技术降低电路中的低频噪声,并用张驰振荡器提供斩波器的开关控制电压,最后在放大器输出端接入跨导电容低通滤波器滤除毛刺等高频干扰。仿真结果表明,在1V的低电源电压下,功耗仅为6.67μW,共模抑制比为99.1d B,输入参考噪声为0.79μVrms,电路版图面积为292×230μm。本文以心电信号放大器和神经信号放大器为代表对人体生物电信号放大器进行研究,设计结果达到预期要求,对人体生物电信号放大器的研究具有一定的参考意义。

关键词： BP   KM算法   线程迁移系统   可覆盖性分析   SMT求解器   线程状态等式  

摘要： 多线程程序是计算机软件设计的核心,如何高效验证多线程程序的安全性问题已成为国内外研究人员的主要研究内容。现有研究表明:多线程程序的安全性问题可简化为良拟序迁移系统(Well-Quasi-Ordered Transition System,WQOTS)的可覆盖性问题。针对良拟序迁移系统的可覆盖性问题,已存在大量的解决方案,它们主要是以显示状态搜索思想设计的。多线程程序的状态空间随程序的规模和线程数目的增加呈指数级增长,导致这些算法都存在低效性或不完备性的问题。如何在验证过程中尽量避免状态空间搜索或降低状态空间的规模是提高多线程程序安全性验证效率的关键。本文主要的研究对象是被无穷个线程并发执行的有限状态布尔程序(Boolean Program,BP),可以通过对多线程程序进行谓词抽象得到。本文根据目前多线程程序验证方法的优势和不足,考虑到基于SMT求解器的符号分析方法能避免对状态空间搜索从而加快验证,以及直接使用布尔程序作为抽象模型能降低状态空间的规模,提出了一种新的多线程程序安全性验证方法。首先研究了基于SMT求解器的符号分析模块,详细分析了如何利用计数抽象从线程迁移系统中构造可覆盖性问题的线程状态等式,该线程状态等式使用SMT求解器处理后,可根据求解器的输出结果判断多线程程序的安全性;由于线程状态等式是对可覆盖性问题的过近似(over-approximate),无法验证不安全程序,因此提出了一种基于BP的高效且完备的KM算法。其次进一步研究了BP与线程迁移系统之间的关联,通过分析线程迁移系统中的全局状态和BP中的程序状态之间的转换规则,研究了如何将作用在线程迁移系统上的KM算法直接作用在BP上,并分析了KM算法中最大覆盖后继的计算方法。由于正向搜索中,可覆盖性问题与初始线程数目有关,为了降低搜索过程中内存使用,借助SMT求解器处理线程状态等式能输出一个可覆盖性的解模型,对KM算法进行了改进;使用SMT求解器输出的初始线程数目作为KM算法的初始线程数目,在搜索过程中,如果不满足则再进行一次完整的KM算法,从而得到一个高效的不安全程序验证模块。最后对本文提出的结合基于SMT的符号分析模块和基于BP的显示状态搜索模块工具进行设计和实现。实验结果显示:本文提出的方法不仅能减少多线程程序验证的时间,还能降低验证过程中内存的使用。

关键词： 水下无线光通信   多像素光子计数器   脉冲位置调制   低功率通信  

摘要： 基于人们在海洋开发过程中的水下通信需要,水下无线光通信(Underwater Wireless Optical Communication,UWOC)应运而生,并凭借其丰富的带宽和速率优势,以及使用、维护上方便的特点在水下通信领域占据一席之地。然而,相比于水声通信,水下无线光通信的通信距离受到比较严重的限制。且在较长通信距离下,无线光通信设备收发端之间的对准要求也非常严格。本文旨在研究具有高灵敏度的单光子雪崩探测器和适合于长距离水下光信号传输的调制格式,并基于二者建立一种长距离、低光功率的水下无线光通信系统。本文中所研究的内容以及取得的成果如下:(1)我们首先调研和分析了近年来水下无线光通信的发展状况,总结了其中所用的调制方式和探测器件种类,并对其中适合于水下长距离信号传输的,具有高信噪比和能量利用率、低误码特性的脉冲位置调制(Pulse Position Modulation,PPM)方式和高灵敏度、具有信号强度分辨能力的多像素光子计数器(Multi-Pixel Photon Counter,MPPC)进行了原理、结构的学习和分析。进一步,我们对MPPC在数学上分析推导了单个光脉冲信号与一段时间内的多个光脉冲信号情况下的响应,讨论了光强、死区时间、信号宽度等参数对响应的影响,并介绍了利用等效光子阈值滤除MPPC中由背景光和暗计数引起的非信号脉冲的方法。(2)根据上一部分的分析和讨论,以结合了 PPM调制格式和MPPC的水下无线光通信系统来延长通信距离,并尝试了以极低的发射光功率在46m长的水下信道中进行通信。在基于蓝光激光和模拟输出型MPPC的水下通信试验中采用了 4阶至64阶的PPM信号和5 MHz至10MHz时隙发送频率,以最高发射光功率0.172 mW,最低发射光功率1.7μW 实现了无差错通信。同时,讨论了系统中如放大器,偏置电压等带来的问题和对通信的影响。(3)使用基于PPM调制、单颗低功率蓝光LED和含等效光子阈值的数字输出型MPPC的水下无线光通信系统进行46 m水下通信,并尝试了在5 MHz时隙发送频率下的8阶至64阶PPM信号的传输。结果以最高19.5 pW,最低3.4 pW的极低接收光功率实现了满足前向纠错条件的通信。同时通过对结果进行分析,验证了等效光子阈值设置在略低于入射光强的位置时能够有效率滤除噪声信号并简化信号幅度计算的功能。最后,对MPPC实际输出脉冲的过程模型与光子入射的理论过程模型进行了讨论,验证了弱光入射的情况下两者的高度相似性。

关键词： Microchip   RT)PolarFire FPGA   耐辐射  

摘要： 航天器电子产品的研发人员通常使用耐辐射(RT)现场可编程门阵列(FPGA)开发机载系统,以满足未来太空任务严苛的性能要求,承受剧烈的发射过程,并在恶劣的太空环境中连续可靠地运行。Microchip Technology Inc.(美国微芯科技公司)推出经优化的耐辐射RT PolarFire FPGA,为新兴的高性能太空应用市场带来具备上述功能的新产品。新款RT PolarFire FPGA可满足航天器有效载荷系统对高速数据路径的最苛刻要求,并尽可能降低功耗和发热。

关键词： 可穿戴   自体动静脉内瘘杂音   低功耗   无线传输   内瘘血栓  

摘要： 近年来,慢性肾脏病患者人数逐渐增多,其中多数患者会发展为终末期肾脏病,需要定期进行血液透析以维持生命。自体动静脉内瘘是血液透析的主要通路,但由于种种原因血管通路会生成血栓导致瘘部阻塞。而瘘部血栓堵塞会阻碍透析顺利进行,危及透析患者生命安全。早期瘘部阻塞可以通过无创溶栓方法治疗,一旦阻塞时间过长(大于48h)患者只能依靠外科手术疏通血管,这会给病人带来极大的痛苦。因此,研发可穿戴、全天候实时监测自体动静脉内瘘血栓的监测系统对瘘部血栓进行早期预警具有十分重要的意义。针对内瘘杂音信号易受环境干扰的特点,设计内瘘杂音信号采集与调理电路,实现噪声衰减与内瘘杂音信号采集;采用低噪声、高负载能力的电源芯片结合合理的电路设计,有效降低了射频电路在发送内瘘杂音数据过程中产生的系统压降和噪声对系统稳定性的影响;为避免用于传输内瘘杂音数据的无线射频信号质量不佳,使用软件仿真与矢量网络分析仪对射频电路参数进行调节,实现高质量的射频传输链路;通过分析硬件低功耗条件、研究Wi-Fi协议栈及微控制器配置方案,提出正常工作模式、低功耗深度睡眠模式、休眠模式相组合的系统运行策略,实现低功耗内瘘杂音数据采集与无丢包数据传输。通过对内瘘杂音信号进行包络提取、形态学滤波、信号微分与峰值提取获得杂音信号的峰值点,进一步由峰值点出现的时间得出内瘘杂音的波动周期,根据此周期与心率周期的关系判断瘘部血栓发生情况。本文设计的硬件设备体积为3cm×3cm×0.5cm;在1.5米范围内射频信号强度可达到-30dBm;平均工作电流在12mA左右;设备能以大于1Mbps的速率无丢包传输数据;并连续工作24小时以上。使用临床病患内瘘杂音数据对本文设计的内瘘血栓检测算法进行测试,测试结果表明算法的正确率为97.1%。

关键词： 软磁材料   功率铁氧体   低功耗   锰锌铁氧体   镍锌铁氧体  

摘要： 信息技术的发展对用于功率传输设备的器件提出了更高的要求,针对器件高频化,小型化,轻量化的需求,开发成本低廉、性能优越的高频软磁功率材料成为一大热点和难点。在所有功率软磁材料中,金属软磁因为其电阻率较低,涡流损耗较大,通常只能应用在较低频率,在1 MHz及以上的频率下,铁氧体是目前产业化中最为重要的功率传输用软磁材料。本文采用固体氧化物烧结工艺制备了在1 MHz以上使用的低功耗功率铁氧体材料。对于锰锌铁氧体,通过依次研究烧结工艺优化,主成分的选择,单种添加剂的作用和离子联合替代方法制备了能在5 MHz使用的锰锌功率铁氧体材料;对于更高频使用的镍锌铁氧体,通过主成分的研究确定了适宜的成分配比。通过对其性能的研究,得到的具体结论如下:1)在锰锌铁氧体中NiO的加入能够明显改善材料功率损耗的温度特性,其主要原因是其加入能够提高材料的截止频率,其中纳米NiO由于其扩散效果更好,能够在晶粒生长初期抑制晶粒长大,对于截止频率的提高和剩余损耗的降低效果更好。单独添加5000ppm的纳米NiO的效果最好,添加过多会导致烧结致密性降低,从而磁导率和饱和磁感应强度均有下降。2)在锰锌铁氧体中In2O3的加入能够提高烧结致密性,明显提高材料的饱和磁感应强度,从而使得材料在保持一定截止频率的条件下,能有效提高磁导率。除此之外,还能抑制晶粒内部的铁离子间的导电机制,从而提高材料晶粒内部的电阻率,降低高频使用下的功率损耗。3)通过Ca、Si、Ti、In、Ni多元离子复合添加能够从增加烧结致密度和均匀性,减少烧结过程晶粒内的气孔和晶粒间孔洞,增加晶界电阻,提高晶粒内部交换作用,调节Fe2+含量等方面改善材料的频率特性,能够综合发挥添加剂之间的协同作用,使在5 MHz的使用条件下依然保持较高的磁导率,截止频率可以高达10MHz,降低材料的功率损耗。得到的材料起始磁导率为746.21,在25℃时材料的饱和磁感应强度为515.7 mT,在100℃时材料的饱和磁感应强度为434.6 mT,材料电阻率为 6.51Ω·m,密度为4.96g/cm3,在 100℃,3MHz,10 mT的测试条件下,其功率损耗为84.4kW/m3,在100℃,5MHz,5mT的测试条件下,其功率损耗为117.9 kW/m3。4)通过对磁谱和功率损耗的分析,发现磁谱中由于畴壁共振产生的共振峰越强烈,材料在高频下的功率损耗越低。并发现通过离子联合替代方法制备的锰锌铁氧体的共振峰明显增强,其高频功率损耗也有所降低。通过损耗分离发现,共振峰的增强能够使畴壁共振导致的剩余损耗出现的频率升高,更有利于材料在接近截止频率的频率下使用。

关键词： 龙芯处理器   硅前性能分析   访存子系统模拟器   访存行为  

摘要： 硅前性能分析是处理器开发中的重要环节，在流片前通过模拟器，仿真加速平台等手段进行性能分析可以辅助微结构设计、及时发现硬件设计和代码编写中的性能问题还能对硬件设计与实现能否达到预期性能作出评估。　　本文基于龙芯3A4000FPGA验证平台从IPC、分支预测、访存、向量化等各个角度进行性能分析，结合微结构和程序热点对硬件设计改动较大的部分进行性能验证。本文中还描述了基于3A4000处理器核的访存子系统模拟器的设计与实现，并基于模拟器研究程序行为特征和访存部分微结构设计。本文的主要研究内容和创新点如下:　　比较龙芯3A3000和3A4000FPGA验证平台各个方面的性能表现，结合处理器核微结构和程序热点代码分析性能变化的原因。对比3A3000，3A4000IPC提升明显，分支误预测率显著降低，在改进校验方式和访存重定序逻辑之后回滚次数和流水线刷新次数降低极为明显。　　实现了一种踪迹驱动的核内访存子系统模拟器，通过生成和真实程序访存行为近似的虚拟指令流并在模拟器中执行可以分析访存相关的各种性能表现。　　基于模拟器对应用程序的访存行为进行研究，结合程序行为对由于猜测发射导致的性能损失提出改进方法并进行实验验证。基于模拟器对3A4000中提出的降低流水线刷新次数的改进方案进行对比验证，还对访存相关的队列大小以及内存延迟对整体性能的影响做了一定研究。

关键词： 网络爬虫   SQL注入   多线程   Word导出  

摘要： 随着互联网的发展,Web应用程序的应用普及越来越广泛,其自身存在的漏洞正面临着巨大的威胁,每年都有成千上万的针对Web漏洞的攻击事件发生。而SQL注入漏洞作为其中最常见的漏洞之一,如何发现和避免SQL注入漏洞,不仅仅是安全测试人员的重点测试对象,现如今也逐渐地被纳入开发人员的考虑范畴。本课题以中国证券登记结算有限责任公司对所属网站以及在线业务系统的安全防护为背景,着重对Web应用程序的SQL注入漏洞的检测进行研究,主要研究内容包括网络爬虫、漏洞检测、导出报告等。最终依托MFC平台开发出一款检测SQL注入漏洞的系统。本系统应用了一种简易、高效、非破坏性的SQL注入漏洞检测方法,再结合多线程技术、广度优先搜索策略,从而完成对SQL注入漏洞的检测,最终实现系统可对较大规模Web应用程序进行检测,并且系统运行效率十分突出。该系统可在分析HTML网页内容时将网页文件临时存储到本地,再将分析结果存到队列中进行多线程处理。而在漏洞显示功能中,提供了包括数据库视图、列表视图、详细漏洞信息视图等多种观察数据的视角,并且随时能够以Word格式导出漏洞信息的报告。总之,本系统在SQL注入漏洞检测方面相较于其他主流的黑盒安全扫描工具,具有针对性强、检测速率快、误报率低等特点。