关键词： 低压差线性稳压器   低功耗   动态零极点补偿   高精度  

摘要： 随着人工智能设备的快速发展,对电源管理类芯片需求逐渐上升,凭借其低功耗、低噪声、高稳定性的优势,低压差线性稳压器（Low Dropout Regulator,LDO）在电源管理类芯片中脱颖而出。基于某公司市场产品定位需求,设计一款低功耗高精度LDO芯片电路,应用于超长待机时间的便携式电子设备中。 该芯片在输入电压1.7V～7.5V宽范围内,采用耗尽管做耐压管,实现高、低压下电路正常工作。针对低功耗LDO设计需求,设计MOS管工作在亚阈值区的基准电流源结构,输出23n A偏置电流,使LDO各模块电路工作在亚阈值区。同时,将过流保护与短路保护负载支路共用,在过温保护电路中嵌入软启动电路,降低支路电流。采用米勒补偿与动态零极点补偿相结合的方式,解决了低功耗LDO的稳定性问题,负载电容仅需要100p F,减小了芯片的面积。采用过压保护与米勒电容耦合方式,提高了低功耗下LDO的瞬态响应能力,最大可支持250m A负载电流。利用工作在亚阈值区的电压模带隙基准结构,产生零温度系数基准电压,保证LDO产生高精度输出电压。为了提高LDO的抗电源干扰能力,采用内部电源供电的方式对误差放大器及带隙基准模块进行单独供电。加入一种新型的防倒灌电路,避免电源接反时导致功率管损坏。 基于TSMC 0.18μm BCD工艺,进行芯片电路设计,利用virtuoso平台spectre工具进行电路参数仿真,结果表明,芯片过温保护阈值为158℃,温度迟滞范围31℃;芯片具有超低静态电流1.14μA,VINOUT+VDropout时,静态电流为642.717n A;关断电流小于764n A;低频下1k Hz频率处PSRR小于-75.968d B,具有较强的电源抑制能力;线性调整率小于0.52m V/V;负载调整率小于0.009m V/m A;压差电压小于135m V;1μs内负载电流由100μA跳变至250m A所引起的下冲电压为613m V,瞬态响应时间为0.19ms;1μs内负载电流由250m A跳变至100μA所引起的过冲电压为496m V,瞬态响应时间为0.231ms。同时,完成版图绘制及验证,LDO整体版图面积为532μm×547μm,通过提取寄生参数对版图进行后仿真,结果表明,压差电压小于144m V;线性调整率小于0.6m V/V;负载调整率小于0.0091m V/V;低频下1k Hz频率处PSRR小于-67d B;静态电流低至1.28μA以下,VINOUT+VDropout时,静态电流为637.489n A;关断电流小于762n A;1μs内负载电流由100μA跳变至250m A所引起的下冲电压为701m V,瞬态响应时间为0.25ms。后仿真结果与前仿真结果基本一致,仿真结果表明设计的LDO电路达到预期性能指标。

关键词： 葡萄糖传感器   低功耗   报警   血糖监测系统  

摘要： 煤炭是关乎社会经济和人民生活质量的重要资源,煤矿工人安全一直是各国煤矿生产的重中之重。但目前的煤矿安全监测系统更多的是监测井下环境和机械设备运行等参数,对井下人员生理信息的监测较少。血糖作为生理信息的一种,当它出现异常时,可能会影响矿工的工作状态,导致煤矿事故的发生。目前常用的血糖检测方法包括实验室化验和便携式血糖仪,其存在不便携带、操作繁琐、有创等不足,不能满足矿工井下血糖监测的需求。因此,有必要设计一款用于矿工血糖检测的便携设备。而基于设备便携的要求,降低系统功耗,延长工作时间将十分重要。针对以上问题,本文设计了一款基于葡萄糖传感器的低功耗矿工血糖监测系统。 本文首先调研了低功耗技术与葡萄糖检测技术的国内外研究现状。接着总结了常见的低功耗方法,明确了低功耗系统的整体设计原则,结合硬件和软件措施降低系统功耗,并对监测系统的硬件做了选型与设计,确定了系统整体框架。在此基础上,设计了各模块的硬件电路与软件程序。其中,通过电源电路提供各模块工作电压和基准电压;STM32F103C8T6单片机使用I2C协议与葡萄糖检测电路进行通信,设置传感器工作参数和跨阻抗放大器增益倍数;经单片机ADC采集与葡萄糖浓度成正比的电压信号,并将采集的数据转换为葡萄糖值。考虑井下实际工作环境,系统在井下监测到血糖异常时,只使用蜂鸣器报警,无需将数据上传到井上控制中心就可以提醒矿工脱离作业;当矿工在井上使用监测系统时,可用蓝牙发送葡萄糖浓度数据到手机,便于矿工了解具体的血糖水平。最后,制备可穿戴葡萄糖传感器作为监测系统的前端,验证了所制备的葡萄糖传感器性能;将传感器与硬件电路结合,对整个低功耗系统进行测试,并汇总分析实验结果。 经系统测试,本课题设计的低功耗矿工血糖监测系统各项功能均可正常运行;系统的葡萄糖溶液校准实验可得校准曲线R2为0.987,表明系统具有较好的精度;血糖监测系统在采用低功耗状态后,功耗为未采用时的六分之一,证明系统功耗得到了有效降低。该系统具有良好的应用前景,为煤矿井下工作人员感知自身血糖状况提供了一种好方法。 图61表14参94

关键词： 电子烟   温度控制系统   模糊PID控制   嵌入式系统  

摘要： 本文针对电子烟温度、功率输出控制方法中存在的控制精度低、响应速度慢、温度传感器部署困难等问题，应用经验建模法建立了电子烟加热电路的数学模型;采用实验建模法建立了加热丝阻值-温度模型;利用模糊比例积分微分（ProportionIntegrationDifferentiation,PID）控制算法优化了电子烟温度功率输出控制系统;设计了低功耗电源电路，降低了静态电流;通过硬件与程序设计与实际测试验证了本系统的控制效果。　　首先，基于电子烟基本加热电路，通过经验建模法对系统加热过程中的温度数据进行观察计算，构建了电子烟温度控制数学模型;基于模糊算法优化设计了模糊PID控制器，并利用MATLAB搭建了经典PID和模糊PID两种控制模型,通过仿真对比两种控制器的控制效果，证明模糊PID控制器的响应速度，超调抑制与抗干扰性能均优于传统PID控制器。　　其次，设计了低功耗电子烟硬件电路，该电路系统包括主控及外围电路、加热及电流采集电路、低功耗电源电路、电池管理电路、OLED显示屏电路;加热及电流采集电路通过微控制器实现对输出温度和功率的控制;独特的电源电路与按键电路相结合，实现了静态功耗的降低;采集放大电路实现了对电流的精确采集;通过电池管理电路实现了对锂电池的充电过程管理;利用按键和OLED显示屏电路完成用户交互。　　再次，采用加热模型与模糊PID控制算法设计了电子烟软件系统。其中，初始化程序对系统的端口、外设与系统默认状态进行初始化配置。输出控制程序通过电流信息计算得到温度与功率信息，利用模糊PID控制器实现温度与功率的闭环控制。功能模式程序通过判断用户操作逻辑实现点火、修改温度或功率输出参数与开关机操作。异常状态检测与处理程序能及时发现并处理异常情况。显示程序通过模拟集成电路总线（Inter-IntegratedCircuit，I2C）通信控制OLED显示屏显示系统信息，方便用户掌握电子烟的工作状态。　　最后，设计了温度与功率控制测试、系统功耗测试与短路保护测试，测试结果表明:本文设计的电子烟相较于市场同类产品具有更的静态功耗表现，模糊PID控制算法对电子烟的加热温度、输出功率具有良好的控制效果。

关键词： 序列比对   SIMD   条纹矢量化   差值递归关系   多线程   POA  

摘要： 从中心法则来看,DNA序列是生物的起点,是遗传信息的重要载体,因此对于生物信息学来说,进行DNA序列比对,能够为发现和挖掘DNA序列中的结构、功能和进化信息提供基础。全局DNA比对旨在寻找两个完整核苷酸序列之间的最佳比对,通常用于比较两个基因组之间的同源性和检测基因组结构变异。Needleman-Wunsch(NW)算法为全局对齐奠定了基础,长期以来一直是应用最广泛的方法。然而,随着第三代测序技术的进步,虽然NW算法在实现最佳比对结果方面表现出色,但它需要大量的时间成本。许多旨在加速全局对齐的优化工作通常从三个角度进行:利用单指令多数据(SIMD)并行计算,增加SIMD操作中的并行量,或者利用多线程进行序列内或序列间加速。然而,没有一种方法将这三个方面结合起来构建超快速的成对序列比对(PSA)和多序列比对(MSA)算法。我们开发了一种称为TSTA的方法,它集成了所有三个视角,以高速执行动态编程的Active-F循环条纹矢量化,提供准确的对齐结果。此外,我们在多序列比对中采用了偏序比对(POA)策略。 我们的结果表明,在成对序列比对中,将差分递归关系、主动-F循环条带矢量化和多线程相结合,可以显著加速,并且在使用POA时大大减少了多序列比对的时间开销。对于成对对齐,与其他基于SIMD和线程的方法相比,在“非回溯”模式下,TSTA实现了1.4至5.2倍的加速度,而在长读取的“回溯”模式中,它实现了1.2至2倍的加速度。在多序列比对中,与使用POA的其他方法相比,TSTA实现了1.6到5倍的加速。 综上所述,TSTA是一个在长DNA序列上有很大加速效果的双、多序列比对算法,这不仅对生物信息学的下游分析提供基础,而且为其他比对算法开发人员提供了有价值的思路和见解。

关键词： 语音活动检测   关键词检测系统   短时能量   短时过零率   双门限检测  

摘要： 语音活动检测（Voice Activity Detection,VAD）是指从一段语音信号中检测出语音段和非语音段的一种语音信号处理技术。其常被当作声学系统的开关,被广泛应用于语音识别系统或关键词检测系统中,语音活动检测的准确性直接影响到后续语音识别系统或关键词检测系统的识别准确率,因此如何提高语音活动检测芯片的检测准确率成为了智能感知研究领域的一个热点之一。随着物联网的发展,语音活动检测模块被广泛应用于仅依靠电池供电的边缘智能终端设备中,且采集这些声音片段的传感器始终处于常开状态（Always On）,因此如何降低语音活动检测电路模块的功耗,从而降低关键词检测系统的功耗,成为了智能感知研究领域的另一个热点。本文以低功耗混合信号域VAD设计为研究重点,进行了芯片设计并成功的在TSMC 180nm工艺下流片。最后对所设计芯片进行了测试子板PCB和测试方案的设计。 本文首先对语音信号的产生机理和常见的语音活动检测算法中遇到的问题和算法原理进行了调研,通过在芯片识别准确率、功耗和算法复杂度之间折衷考虑。并基于所采用算法以模拟特征提取的方式对低功耗混合信号域VAD模块进行了实现,之后对电路测试所需的PCB进行了设计,本文的主要研究内容和成果如下: 1.通过MATLAB对芯片所采用的算法进行了建模,并在传统原理的基础上做了小的改进,提高了算法在低信噪比环境下的鲁棒性。实验结果表明,在10d B的非特定噪声环境下,算法建模后识别准确率达到了97%。 2.基于TSMC 180nm工艺对低功耗混合信号域VAD模块进行设计,优化其晶体管参数确保电路功能正确使芯片能够产生相应的脉冲信号,其中高电平的脉冲信号代表语音信号,低电平的脉冲信号代表非语音片段。芯片总功耗为14.4u W,总面积为0.029mm2。相较于其他实现的方案,由于没有引入ADC,所以整个系统功耗更低。且芯片面积较小。 3.对低功耗混合信号域VAD的各个模块和整体的版图进行了分析和设计,完成了所设计芯片的整体版图,并进行了后仿真,最后成功投片。 4.设计了芯片测试所需的PCB子板和测试方案。

关键词： 低功耗蓝牙自组网   Fruitymesh   拓扑结构   路由策略  

摘要： 低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy,BLE)技术因其低能耗和低成本的特性,在无线通信领域占据重要地位。随着低功耗蓝牙自组网(BLE Mesh)技术的发展,网络的可扩展性和通信范围得到显著提升。针对BLE Mesh网络中的组网和数据传输问题,本文重点研究基于路由的通信策略,并提出一种基于网状拓扑结构的有限泛洪路由策略。该策略旨在提升高动态节点环境下数据传输的稳定性以及降低因网络堵塞而导致的数据传输时延。 首先,对BLE Mesh网络技术在通信领域中的关键作用与路由算法的工作原理进行分析。深入研究Fruitymesh的网络拓扑动态建立以及路由维护机制,为进一步优化BLE Mesh网络的路由策略和提升其在高动态节点环境下的性能奠定理论基础。 其次,基于Fruitymesh组网思想重点对拓扑结构建立机制进行优化改进。对聚类评分函数的参数实施归一化处理并通过多组测试实验对权重进行精确调整,提高网状拓扑中边缘节点的连通性。同时设计聚类验证模块,确保节点能够及时更新网络信息,增强高动态节点环境下网络数据传输的可靠性。 在优化后的网状拓扑结构基础上提出一种有限泛洪路由策略。设计基于多因素的路由选择评分机制,实现对传输数据路径的动态选择。配合重复数据检查模块以及生存时间(Time To Live,TTL)机制,进一步减少网络中重复数据包数量,提升网络数据传输效率。 最后,对所提有限泛洪路由策略进行仿真与平台实验验证。通过与传统泛洪路由策略在网络抗毁性、数据包投递率、网络中数据包数量以及传输时延等关键性能指标进行对比分析,结果表明有限泛洪路由策略在高动态节点环境下能够增强网络数据传输稳定性,提升数据传输效率。实验证明所提算法的有效性和先进性。