关键词： 低功耗   加密芯片   AES/DES/3DES算法   系统架构  

摘要： 本文通过分析主流加密芯片的认证方式,结合技术需求,完成了一款加密芯片的系统架构设计、内部关键模块设计与仿真,以及芯片量产验证等技术研发工作,设计并制备研制出一款满足多种加密认证需求的微控制器(MCU)芯片(编号PRA335)。该芯片基于华虹宏力130 nm e FLASH工艺,采用8051内核架构,实现了加密认证芯片的自主国产化,并达到了百万量级的量产出货目标。主要研究成果如下: 首先,设计了一种低功耗、低成本加密芯片MCU的系统架构,通过优化设计,实现了低功耗下的满载(FULL)、空闲(IDLE)和停止(STOP)三种工作模式。通过优化电源管理和多功能模块集成等优化设计方法,使芯片工作主频达到48 MHz,最高可超频到64 MHz,功耗为150A/MHz,通过通用输入输出端口(GPIO)和串口的复用,减少了接触点(PAD)和芯片面积,提高了性价比。研究分析了MCU芯片内部关键模块的设计,实现了多款外围电路的一体化集成和模拟电路性能优化,集成了加密认证芯片特定的总线调制模拟单元,显著提高了芯片的稳定性和集成度。 其次,针对PRA335芯片中的关键模拟电路,设计了一种在上电后能对连续比较器进行自动校准的方法,提高了频带间隙电路(BGR)的电源抑制比(PSRR),设计了新型硬件解码电路和全新的顶层保护电路,增强了芯片的稳定性和抗侵入能力。研究了特定场景下加密芯片专用码点电路,设计出具备高集成度和高速读出优点的电路。 再次,研究了PRA335芯片中关键数字电路的原理和优化设计方法。针对AES、DES/3DES标准加密算法,提出了一种硬件实现方案,支持128位、192位和256位三种密钥长度。该方案采用共享硬件资源的方法,以实现更高的数据吞吐量,并显著减少芯片面积。同时,设计了专用存储器,提高了算法运算效率。与同类功能芯片相比,该方案在芯片功耗和性能方面均有所改善。 最后,论文还探讨了芯片在完成模拟电路及数字逻辑设计后,经过数字后端和模拟版图设计生成GDS II数据的过程,并研究了全光罩的插花工艺,通过晶圆级测试验证了芯片功能,满足指标要求,积累了工程实践经验,为未来类似项目提供了指导。 通过对该加密芯片的模拟电路和数字电路进行优化设计,本文实现了该加密MCU芯片的高主频、低功耗和高性价比,解决了模拟电路优化、加密算法硬件实现以及芯片稳定性等关键问题,为低成本、低功耗加密芯片的开发提供了重要参考。

关键词： 抗量子数字签名算法   SPHINCS+   低功耗   数据流优化   软硬件协同  

摘要： 随着5G时代的发展,数字签名算法在物联网的信息安全领域中越来越重要。而量子计算的发展已经展现出了对经典密码算法的威胁,为此密码学界提出了抗量子的数字签名算法。其中基于哈希的数字签名算法最短抗量子哈希签名方案(Shortest PostQuantum Hash-Based Signature Scheme plus,SPHICNS+)目前已经被标准化,且有着相比其他类型的理论安全性优势,在物联网终端领域中实现该算法会大大强化物联网终端的抗量子安全性。 但SPHINCS+超树结构较大的计算量以及计算复杂度导致了其在物联网等资源受限场景难以实现,且目前对SPHINCS+在资源受限终端的研究较少。现有研究方案均为对内部的单个哈希运算进行专用加速电路的设计,未对SPHINCS+整体过程进行分析优化,仍然存在着“专用加速电路复用度低”和“数据流复杂”两个待解决问题。 为了解决上述问题,本文提出了一种面向低功耗设计的SPHINCS+硬件加速方案,针对SPHINCS+密钥生成、消息签名和消息校验三个运算部分,对其核心运算哈希、哈希输入预处理和校验和生成等过程通过算法层面运算融合以及硬件层面加速算子重组的方法解决“加速电路复用度低”的问题,并结合硬件的并行性进行加速实现。对其中涉及复杂数据流的核心哈希链运算过程,采用软件上调整运算顺序并结合硬件设计合理高效的并行数据流,优化其中的数据转换过程,解决SPHINCS+内部运算“数据流复杂”问题,降低访存开销。 将本研究设计的SPHINCS+硬件加速电路搭建整个片上系统(System On Chip,SOC),对其进行硬件功能验证,并构建现场可编程门阵列(Filed Programmable Gate Array,FPGA)验证平台对整个SOC进行原型验证。测试运行SPHINCS+密钥生成、消息签名和消息校验的计算速度,相比于未加速分别有着13.6×、26.2×和27.9×的加速比。在TSMC 28nm工艺以及400Mhz的工作频率条件下运行SPHINCS+时处理器核的功耗为4.73m W,能效相比中央处理器(Central Processing Unit,CPU)有着4194×的提升,且优于现有工作,适合在物联网终端等资源受限的场景进行应用。

关键词： 低功耗   蓝牙   心电信号  

摘要： 随着全球老龄化问题加剧,心血管疾病成为主要健康威胁。本文提出一种低功耗心电监护设备设计,采用特殊编码射频信号唤醒终端和蓝牙上行传输模块的休眠机制,结合休眠模式和本地存储减少数据处理功耗。本系统的核心在于低功耗通信架构,优化了传统心电监测设备的能源管理与数据处理流程。具体来说,本研究的工作可分为三个主要部分: (1)低功耗上下行通信架构:本文设计了非相干解调接收机以实现下行唤醒与判别机制,并使用低功耗蓝牙技术进行心电数据的上行传输。系统移动端利用PIE编码的Wi-Fi信号唤醒终端设备,继而通过BLE连接传输心电数据。为了降低处理Wi-Fi信号的能耗,设计了一种转换电路能直接将Wi-Fi信号转换为总线信号,从而实现下行通信并唤醒终端。当不需要进行数据传输时,BLE连接会断开,并使设备进入休眠状态,以减少能源消耗。系统仅在移动端主动进行唤醒或由于终端的实时异常检测触发数据传输时,才会通过中断方式唤醒,进而执行必要的数据处理和传输任务。 (2)低功耗心电传感终端:本文中的终端设备主要负责低功耗的数据采集、处理以及实时心电异常的初步判断。终端通过低功耗心电传感器对心电信号进行连续采样,并将数据存储在本地存储单元中,确保了数据的准确性和完整性。考虑到低功耗唤醒机制可能对系统的实时异常预警功能产生影响,本系统在硬件终端中增设了一个实时判断机制,该机制专为处理器设计旨在低计算成本用于初步判断心电信号波形是否存在异常。一旦检测到异常波形,将主动建立与移动端的通信连接,并触发移动端进行更深入的异常检测。 (3)智能远程移动端:主要负责心电波形的显示、异常诊断以及对终端工作模式的控制。移动端首先接收从心电传感硬件终端传输的心电数据包,然后对这些接收到的心电信号进行详细分析,目的是检测是否存在任何异常情况。在检测到异常情况时,远程终端将立即激活报警机制,并对终端的工作模式进行相应调整,以确保及时响应和处理潜在的心脏问题。 总体而言,本研究成功实现了一个低功耗的心脏健康状态检测系统。经过全面的评估,系统所需的功耗为10.52m W,同时其上下行通信性能以及心电信号误差均符合行业标准。

关键词： 氧化镓   场效应晶体管   增强型   可靠性   场板  

摘要： 单斜晶相氧化镓（β-Ga2O3）具有4.5～4.9 e V的超宽禁带和8 MV/cm的超高临界击穿电场强度等优异的材料特性,器件的Baliga优值分别是Si、Si C及Ga N器件的3444倍、10倍及4倍。这表明在相同击穿电压（Breakdown voltage,BV）级别时,β-Ga2O3的漂移区长度可以减小以获得更低的比导通电阻(Specific on-resistance,Ron,sp),从而实现更低的损耗以及更小的器件尺寸。同时,β-Ga2O3可以采用低成本的熔融法制造出大尺寸高品质的单晶衬底。因此,β-Ga2O3功率器件具备低Ron,sp、高BV及低成本等优势,特别适合高功率、高节能及高可靠性等应用领域。但要获得更高性能的器件并进一步挖掘β-Ga2O3理论极限,需要解决如下四个关键问题:（1）β-Ga2O3器件的BV远低于理论极限,因缺乏p型掺杂,需要设计新型结终端技术。（2）β-Ga2O3 MOSFET无法同时兼具高阈值电压(Threshold voltage,VTH)、低Ron,sp、高BV及大电流密度。（3）β-Ga2O3器件在电应力、热应力及耦合应力下的退化机制不明、退化模型缺失及无相应的可靠性加固技术。 针对以上关键问题,本文从β-Ga2O3 MOSFET结构设计、仿真研究、制造工艺、测试表征和可靠性研究全链条开展器件创新研究,提出两种新型器件结构和两种退化模型,主要创新点如下: 1.提出高压低功耗增强型栅控异质结纵向氧化镓MOSFET新结构 本文提出了实现高压低功耗纵向氧化镓功率MOSFET的新设计理念。通过在栅槽一侧的栅控NiO/β-Ga2O3异质结（Gate-controlled heterojunction,GCH）和另一侧的金属-绝缘层-半导体（Metal-Insulator-Semiconductor,MIS）构成纵向MOSFET（GCH-VMOS）。此结构兼具高VTH、高饱和电流密度和高BV等优异性能,同时制造可行性高且对工艺精度需求较低。栅极处于零偏置时,GCH和MIS结构共同耗尽导电沟道,从而实现增强型;正向阻断时,栅控异质结处于反偏状态,对沟道的耗尽作用进一步增强,从而实现低泄漏电流和高BV;导通时,MIS结构使沟道中形成电子积累层,NiO/β-Ga2O3异质结正偏有助于导电沟道扩展,从而获得高电流密度。仿真结果显示实现增强型GCH-VMOS VTH=0.6 V,Ron,sp=4.26 mΩ·cm2,最大饱和电流密度为1.5 k A/cm2,BV=2583 V,功率优值为1.54 GW/cm2,这些性能指标领先于目前增强型纵向氧化镓功率MOSFET。 2.提出并研究NiO/β-Ga2O3异质结FET（Heterojunction FET,HJ-FET）界面偶极子电离模型与电热老化技术（Electrothermal Aging,ETA） 本文创新性提出界面偶极子电离模型来同时解释NBS导致的空间电荷区变薄和复合中心浓度降低,这两种现象会分别导致HJ-FET和栅-源等效二极管电学特性负向/正向漂移。基于此模型提出的ETA技术在高温NBS下,器件的可靠性得以大幅提升。在40℃时,ETA处理后VTH的漂移率从处理前的31%降至0.4%。此外,ETA处理后的器件在200℃时也能保持2.4%的极低VTH漂移率。ETA技术的提出对于氧化镓异质结高可靠性应用成为可能,大幅推动氧化镓功率器件商业化进程。 3.研究氧化镓MOSFET在电-热应力下的退化机制并提出电离陷阱模型 本文采用测试-应力-测试方式结合迟滞测试创新性地研究了氧化镓MOSFET在栅应力和热应力下的VTH不稳定机制。在正栅极偏压应力（Positive gate bias stress,PBS）下,栅介质Al2O3中的边界陷阱捕获电子导致VTH正向漂移,随着温度的升高,激活的深受主界面态与边界陷阱将共同捕获更多的电子导致器件发生更加严重的VTH正向漂移。与PBS不同,在负栅极偏置应力（Negative gate bias stress,NBS）下,边界陷阱、界面态和体陷阱三者共同作用导致器件性能退化。本文提出了电离陷阱模型来解释器件在PBS和NBS下非统一的退化机制,通过仿真和实验的一致性验证了模型的准确性。本文创建的退化模型可区分界面态和边界陷阱有助于识别缺陷、优化器件结构和制造工艺,为提高大功率应用中β-Ga2O3 MOSFET的可靠性提供重要理论依据。 4.提出并实验研制出高压二阶栅-漏浮空场板氧化镓MOSFET新结构 本文进行创新的版图设计和高精度工艺控制,制造出多种场板组合方式的氧化镓MOSFET,重点研究了氧化镓MOSFET场板设计对击穿特性的影响。二阶栅-漏浮空场板有效优化了耐压时栅极和漏极的电场分布,其BV

关键词： 物联网   终端架构   去冗余   低功耗  

摘要： 物联网通过终端节点感知物理世界并从中获取数据,为各类数字化应用提供了基础数据来源。然而,在现有终端架构下,终端通用性与其架构低冗余矛盾突出,面临多样化应用需求,仅能沿用“传统”以微处理器为核心的嵌入式计算机系统架构,从而获取可编程定制的通用化控制和计算能力,实现多样化传感芯片控制与数据处理。但是,作为独立计算机,其架构复杂度高,功耗与成本难以优化。现有的简化终端架构的方式有两种:其一,设计专用集成电路代替微处理器实现特定功能,但该方式缺乏通用性,难以满足物联网多样化应用需求;其二,设计专用的信号转换电路,使网关能够通过无线信号直接控制终端传感芯片,从而去除终端微处理器,但是这会将原本由微处理器承载的信号交互全部转移至无线接口,导致终端通信开销激增,部署规模受限。因此,现有终端架构及其优化方案均无法满足物联网对终端节点的大规模、长期、低成本部署需求。 针对以上问题,本文提出了通用无处理器计算架构及其关键技术研究,旨在通过特殊的软硬件融合设计,将感知终端简化为网关的一种无线外设。由网关统一生成终端任务逻辑,终端则在网关的驱动下,以极简的硬件电路组合实现各类传感芯片控制及数据处理功能,从而在满足物联网多样化功能需求的同时,实现终端系统的高度降冗余与架构简化。本文的主要贡献和创新点如下: 一、提出了分层任务描述语言及其编译器,实现对感知终端多样化任务的统一描述和控制,使终端的任务逻辑可以转移至网关,从而简化终端开发步骤,降低了物联网应用开发成本,并为终端架构去冗余提供了任务逻辑支撑。 二、设计了低冗余通用任务执行电路,其作为一种感知终端专用计算电路,能够取代终端微处理器,以轻量化的电路设计实现多样化的传感芯片控制和数据处理功能,从而达到终端架构降冗余目的。 三、实现了多终端任务预测机制,实现对多个无处理器终端的并发任务调度控制,降低了上下行数据传输发生碰撞的概率,提高了系统通信资源利用率。 本文实现了原型系统,并对其进行了全面的测试。测试结果表明,与传统终端相比,本文终端的整体功耗降低了17.3%到31.9%。与C语言相比,分层任务描述语言能够使终端任务的开发时间缩短一半,代码量减少60%以上。经仿真测试,在500kbps通信速率下,系统能够容纳108个终端节点,且数据碰撞率低于10%。

摘要： The number of wireless electronic devices in the world continues to grow at a rapid pace. The wireless devices are powered by limited energy sources and require energy-efficient electronic circuitry to maximize the operating time. Radios can consume a significant share of the power budget of a wireless device. Researchers and designers have, therefore, innovated numerous ultralow power (ULP) radio transmitters and receivers. Such ULP transmitters have conventionally used mostly on-off keying (OOK), binary phase-shift keying (BPSK) or binary frequency-shift keying (BFSK). These modulation schemes enable low power consumption – even below 100 μW – as they only require low-complexity transmitter circuitry and a relatively low signal-to-noise ratio (SNR) for a given error *** thesis investigates the option of using M-ary pulse-position modulation (PPM) and differential PPM (DPPM) in ULP narrowband transmitters in lieu of the conventionally used modulation schemes. The goal is to evaluate whether or not they could achieve better energy efficiency. The benefits and disadvantages of PPM and DPPM are reviewed and their energy efficiency is compared with OOK, BPSK and BFSK in a new way. In ULP transmitters, the power amplifier and carrier synthesizer generally consume the most power. The new comparison method considers how the choice of modulation impacts the combined energy consumed by these blocks per bit. The results suggest that use of OOK, BPSK and BFSK can consume tens to hundreds of percents more energy per bit compared to PPM and DPPM. The M-ary PPM schemes are predicted to be particularly energy-efficient in low-output-power *** evaluate the energy efficiencies of transmitter implementations, a new figure of merit (FOM) is derived. In prior ULP transmitter publications, the energy efficiency FOMs have neglected the effect of noise bandwidth and the choice of modulation. However, it is practically the output power and noise bandwidth that tog

关键词： 轧机轴承   LoRa   组网   测温   RSSI室内定位   低功耗  

摘要： 茌冷轧机的关键部件中,轧机轴承扮演着重要角色。不良工况下的异常摩擦增加可能导致轴承过热,热量积累会造成轧机轴承出现热轴(过热)、烧轴(烧伤)等异常情况,最终可能导致轧机发生故障。因此,为了确保机器正常运转和及时维护,必须对轧机轴承温度实时监测。 按照信号传输的模式,将轧机轴承温度监测方式分为有线监测和无线监测两种,尽管无线监测解决了有线监测布线上的复杂性和大规模监测上的局限性,但仍需面对高功耗和传输距离受限的问题。此外,传统的测温节点在大规模部署过程中通常需要采用手动配置的方式实现测温设备与轧机轴承编号之间的匹配,这一做法不仅工作量大,而且效率低下。针对这些问题,本文设计了一种集成远距离无线通信、多节点测温、低功耗和轧机轴承编号自动匹配功能的轧机轴承实时测温系统。 本文的主要研究和设计内容如下: 1)根据系统的实际需求,设计了若干从节点和一个主节点。在无线传输距离受限的问题上,本系统选择了具有长距离、低功耗、抗干扰能力强的LoRa无线通信方式,用以实现主从节点间的信息传输。从节点负责采集轧机轴承的温度信息,利用无线通信将这些信息发送给主节点。当主节点接收到数据后,会将其转发给上位机进行处理。从节点采用电池供电,为延长其使用时间,对从节点的硬件设计和软件设计均进行了低功耗优化,实现了最低7.4μA的电流消耗。使用2300mAh的锂离子电池,在放电深度60%的条件下,可以保证从节点至少顺利工作4年。此外,为提高无线传输的距离和信号质量,本系统还对射频电路的阻抗匹配进行了分析与设计,经过测试,系统可以实现70685.83m2范围内的数据稳定传输。 2)为实现系统组网、多节点测温、低功耗和轧机轴承编号自动匹配的目标,本文提出了一种高可靠性的低功耗LoRa通信方案,并设计了轻量化的通信协议。同时,针对多从节点通信可能导致的数据传输冲突问题,本文设计了基于TDMA的无线通信防冲突机制和消息重传策略,从而提高了数据链路的稳定性,降低了数据丢包的风险。经测试,系统可以确保多个从节点与主节点之间信息传输的稳定性和准确性。此外,为强化系统的用户交互体验,本系统开发了功能丰富的上位机界面。此界面不仅支持用户以直观的方式配置通信参数,还能实时监测各从节点的在线状态、电池电量以及所属轧机轴承的编号,并基于实时数据动态生成轴承温度的曲线图,从而促进效率和精确度的双重提升。 3)鉴于冷连轧机组中轧机间的远距离分布,以及同一轧机上轴承的近距离分布特性,本系统采用了基于RSSI的室内无线定位策略,有效地实现了轧机轴承编号的自动匹配。为了提高匹配的精度,本文从测距和坐标计算两个方面对RSSI室内无线定位算法进行了优化。首先,对采集到的RSSI数据进行了卡尔曼滤波处理,降低了环境中的干扰对采集数据的影响。然后,为了提高定位精度,分析了天线角度对RSSI值的影响,并通过实验选择了最佳角度进行无线信息的传输。接着,利用二分段四阶拟合的方法建立了符合当前环境的测距模型。实验结果表明,该模型可以显著提升测距精度。此外,将本文提出的测距模型与模拟退火算法相结合进行待测节点坐标计算,相对于传统对数拟合测距模型结合质心算法的坐标求解方案,本方案的平均定位误差降低了约43.4%。最后,提出了利用室内定位技术实现轧机轴承编号自动匹配的解决方案,并通过实际测试,表明了该方案的可行性。

关键词： 室内定位   超宽带技术   低功耗   电子标签  

摘要： 目前,尽管全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)能够满足大多数日常出行需求,但在密闭室内环境中,卫星信号因建筑物遮挡和人员密集等因素难以精确定位。与此相比,超宽带(Ultra-Wide Band,UWB)技术因其低功耗、快速传输、强抗干扰性和高安全性等特点,在室内高精度定位领域展现了广泛的应用潜力。然而,作为UWB室内定位系统的移动终端,电子标签通常采用锂电池供电,其电池续航能力有限并且固化在生产阶段,随着通信频率的提高,增加的能耗会进一步缩短电池续航时间,进而降低标签的待机性能。为此,本文采用DW3220 UWB芯片、FR8016HA主控芯片和ICM40607惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)芯片设计了一款低功耗的电子标签来满足电子标签持续、稳定的续航能力要求。本论文的研究成果为: (1)通过研究UWB定位原理并调研相关UWB电子标签产品,对电子标签进行整体方案设计,包括硬件单元方案和软件单元方案。硬件单元包括硬件方案总体设计、主要芯片选型和硬件各模块电路设计;软件单元包括定位测距程序和低功耗处理程序。 (2)设计UWB电子标签的硬件电路。主要包括对超宽带无线收发模块、主控模块、运动检测模块、电源模块等电路的设计与调试。 (3)基于芯片在不同工作模式下能耗不同,对电子标签的软件部分进行低功耗方案设计,主要包括电子标签动态测距处理(间歇测距)和标签静态处理(IMU巡检)。 (4)搭建测试环境对电子标签进行测距和功耗测试,首先对电子标签的测距功能进行测试,分析测距结果,然后测试经过低功耗处理的标签分别处于运动测距状态下和静止状态下的功耗数据,最后与未做低功耗处理的标签的功耗进行对比,验证电子标签方案设计的可行性。