关键词： 动态称重   压电效应   能量收集   低功耗   无线传输  

摘要： 交通运输牵连着各地文化和经济的发展脉络,是国家大力发展的基础行业,但同时也滋生了很多超限超载现象。动态称重作为治理这一现象的方式已然发展了几十年,但依旧存在着成本较高、安装检修困难、布线工程繁琐、破坏路面结构严重等问题,针对以上问题,通过比较选材、小型化设计、无线数据传输、压电能量收集等研究方法解决上述不足,设计一款基于压电效应的自供能无线动态称重传感器节点。具体研究内容有以下几个方面:(1)综合分析国内外路面动态称重和压电能量收集方面的研究现状,决定了传感器节点的总体框架和设计要点,并对压电效应和称重原理进行了阐述。(2)通过比选各种压电材料、压电陶瓷和结构构型,压电传感单元结构最终确定为并联连接方式的三PZT-5H型压电陶瓷堆栈式,然后运用workbench软件对其进行静力学应力应变仿真,最后对多个压电传感单元进行封装设计。(3)无线称重传感模块的设计细分为信号采集、核心处理、数据传输三模块,分别研究设计了这三个模块的主要硬件和相关电路,并制作实物电路板,然后用实物搭配万能试验机做相关无线传输实验。(4)分析压电发电特点为高电压非稳态交流电,选择有整流降压功能的LTC3588-1为能量收集电路和磷酸铁锂电池为储能元件,然后利用万能试验机对传感器节点施加递增载荷,测试其压电性能和LTC3588-1能量收集电路的实用性。在相同假设条件下,对电子元器件的消耗能量和LTC3588-1的收集能量做了一个功耗分析计算,计算结果显示后者更大,证明了自供能的合理性。

关键词： 电机驱动芯片   优化设计   双边电荷泵   H桥架构   栅极电压  

摘要： 电机驱动芯片作为智能功率集成电路领域中非常重要的组成部分，凭借体积小、实用性高等优势，在工业、航天、医疗等领域都有广泛地应用。现代电机驱动芯片的研究主要集中于保证高可靠性的前提下，提高驱动效率和芯片的集成度，低功耗及小型化是当前电机驱动芯片的发展趋势，因此从该角度对电机驱动芯片进行深入研究具有重要意义。　　本文首先分析了电机驱动芯片中输出电路、驱动电路和温度检测电路的基本原理，对功率管的动态工作过程、电荷泵损耗和温度检测误差等重要影响因素进行了设计优化，然后确定了功率驱动级双边电荷泵H桥架构以及各种保护功能。双边电荷泵架构采用高低边电荷泵分别产生H桥高低边功率管所需的栅极电压，为高边NMOS功率管的栅极提供高于功率电压VM的驱动电压，并在低压情况下为低边NMOS功率管提供合适的栅极电压，使功率管始终工作在深线性区。同时，设计了高精度低功耗的温度检测电路，利用电阻对BJT的高阶温度特性进行补偿。典型情况下，温度检测电路最大误差为0.83℃，测温电路功耗仅为3.21μW，保持高精度的同时减小了电路的自身功耗，可以保障电机驱动芯片实现精准的温度检测。　　本文基于 0.18μm 35V BCD 工艺完成了低压有刷直流电机驱动芯片的电路搭建，芯片采用双电源供电模式，支持恒压和脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）两种控制方式，并具有IN1/IN2和EN/PH两种控制逻辑。通过Cadence软件对芯片进行整体仿真和版图设计后，进行了流片验证和板级测试。测试结果表明，逻辑电源VCC最低可工作在1.8V，功率电源VM最高可工作在11V，功率管导通电阻仅为0.3Ω，输出电流峰值可达 1.8A。同时，芯片内部集成的过温、过流及欠压等保护电路能保障芯片工作的可靠性。综上所述，本文设计的电机驱动芯片能正确实现所设计的功能，并且芯片的性能参数都满足设计指标，对电机具有良好的控制效果。

关键词： OpenWSN   WISA470射频芯片   低功耗   时间同步   时隙跳频  

摘要： 工业有线网络部署的成本与现场安全问题使得工业网络走向“无线化”。然而,工业现场设备有限的硬件资源、有限的能量供给以及对突发事件的实时传输要求对工业无线网络的部署带来挑战。作为众多工业无线网络标准所采用的技术,时隙跳频(Time Slotted Channel Hopping,TSCH)使得工业无线网络具有低功耗与高可靠的传输性能,从而满足了工业现场部署对设备以及网络的要求。时间同步技术是工业无线传感器网络中的关键技术,决定着网络是否可以可靠传输,及保持低功耗。无线传感器网络庞大而复杂,一般选择分布式方法构建网络,即时隙跳频网络。本文主要研究时隙跳频网络中的时间同步问题。主要工作内容如下:首先,基于加州大学伯克利分校创建的名为Open WSN的项目,于自主开发平台(STM32F103RCT6+WISA470)上实现了网络同步、设备加入和时钟同步。经过实验得出,在多跳网络中时间同步偏差叠加,最终会导致“时钟振荡”的发生。因此需要修改时间同步算法,引出接下来的自适应时间补偿同步协议。其次,本文在硬件节点上使用了种基于自适应时间补偿的低开销单跳同步算法,利用同步间隔与同步“保护时间”之间的关系,自适应的调整数据包同步间隔。相对于无时间补偿的同步方法,自适应时间补偿算法可以减少44%的同步数据包的发送次数,与此同时还可以保持节点之间100微秒以内的同步精度。针对温度对节点时钟的影响,该算法利用温度传感器采集的信息实时监测温度变化对时钟漂移的影响,当温度差值变化超过阈值时,节点采取重置同步间隔的方式来重新启动自适应时间补偿同步算法。再次,面对多跳的情景,在这个硬件平台上使用了一种抑制时钟偏差传递的跟随式多跳网络时钟协调同步算法。通过时隙跳频信标帧向周围节点广播自身的同步时刻信息,节点在时钟源邻居节点同步(同步精度最高的时刻)之后,立即与时钟源节点进行同步,从而获得100微秒内的时间同步精度。多跳网络协调同步算法解决了在部署时,由于同步时刻随机的原因,导致距离全网时钟源较远的节点的时钟偏差超出“保护时间”,并因此失去同步的问题。综上,论文对面向工业物联网应用的TSCH模式的时钟同步问题进行了较为深入的研究,结合前人提出的自适应时钟同步算法,通过实验测试表明,这种方法可以充分降低硬件节点的功耗,并提升通信的可靠性。

关键词： 物联网   能量收集   多源微能量   最大功率点追踪  

摘要： 随着物联网技术的普及和发展,各种物联网设备已逐渐出现在生活的方方面面,传统的电池供电由于不能长期供能、环境污染等局限性,已不适用于数量庞大的物联网设备。从周围环境中采集各种微能源为物联网设备供电已成为新兴的研究方向和研究热点,能量收集也成为实现低功耗物联网的关键技术之一。单一能源提供的能量是有限的,并且非常容易受到工作环境的影响,而多源能量收集系统可以并行收集多种微能源,提供更为稳定的能量。本文基于0.18μm CMOS工艺,设计了一个能够并行收集机械能和光能的多源微能量收集电源管理系统。机械能、光能都有各自的能量调节电路,两种能源可以并行、分别收集。机械能收集电路采用容值较大的存储电容C和迟滞比较器实现超低频的Buck转换器,具有可靠性强、功耗低等优点。通过采用低频的Boost转换器和超低功耗的控制模块,实现超低功耗的光能收集电路。为提高光能收集效率,周期性采集光伏发电机的开路电压,遍历查找表得到阻抗匹配时Boost转换器对应的占空比,实现最大功率点追踪,具有结构简单、功耗低等优点。系统借助机械能实现系统的自启动,无需借助外部能源。本文采用0.18μm CMOS工艺进行仿真设计及流片,系统版图面积为1.1mm*1.3mm。测试结果表明:摩擦纳米发电机整流输出功率低至15μW,系统仍能够实现自启动;摩擦纳米发电机整流输出功率在15μW～3.8mW范围内,光伏发电机输出功率在50～500μW范围内,系统能够并行、分别收集机械能和光能;光伏发电机的开路电压为2.1V,等效内阻为3300Ω时,Boost转器的峰值效率为76.2%;最大功率点追踪模块在不同光照强度下都保持良好的性能。

关键词： RC振荡器   调频   低压   低功耗  

摘要： 在EEPROM的各种应用方案中,其读写功能的速度是一个重要的参数指标,因此振荡器被广泛用作控制设备的片内和片外的时钟源。随着集成电路技术的不断发展,对振荡器的性能、稳定性、功耗、面积等方面提出了越来越高的要求,对振荡器的设计提出了更高的挑战。越来越多的研究人员现在正尝试设计新的电路结构,希望能在不同振荡器的性能特征之间找到一个平衡点。然而,传统RC振荡器的性能受到温度和电源电压等因素的影响,这将会导致其工作频率变得不稳定,例如有时候会产生跳变的情况。近年来,关于RC振荡器的研究很多,这些研究都是为了降低RC振荡器的功耗,提高其频率稳定性。随着芯片集成度的提高和应用范围的扩大,片上时钟的高精度和良好的稳定性显得非常重要。然而,随着智能设备的快速发展,对EEPROM芯片的低功耗和低成本的要求越来越高,因此片上时钟的集成需要考虑到成本问题。尽管晶体振荡器具有较高的精度和稳定性,但它不适合片上集成,所以RC振荡器就成为了首选。本文旨在基于已有的EEPROM芯片设计一个低压低功耗的的含有带隙基准源的RC振荡器选频电路。本文采用ASMC 0.15μm工艺,基于Cadence Virtuoso平台设计了一款低压低功耗的可以调频的RC张弛振荡器,完成了振荡器的功能仿真和版图设计,在TT工艺角,温度范围从-40°C变化到135°C下,振荡器可以工作的最低工作电压为1.3V,并且在电源电压为5V情况下,可以调节电路的频率4MHz到16MHz频率可调,温度系数为9.516ppm/°C,最低消耗的功耗仅为39μW。版图设计方面,最终的面积为171.2μm*170.6μm,并且进行DRC和LVS的检查。综上所述,本文所设计的基于EEPROM的时序模块电路,在工艺、温度、电源电压影响下仍能够具有稳定的频率输出。

关键词： 密文语音检索   无监督学习哈希   深度特征提取   B+树动态索引   DGHV算法   多线程  

摘要： 随着云存储和互联网技术的高速发展,对多媒体数据共享需求明显增加,因语音具有丰富的语义信息,经常会发生隐私泄露的现象。基于内容的密文语音检索是音频/语音检索等应用场景保护用户隐私与安全检索的关键技术,用于满足用户对云端海量密文语音数据的快速、安全、精确检索的需求。目前,现有的有监督学习方法需要使用海量的标签信息,耗费大量人力、物力。为了解决有监督学习方式需要使用标签信息,获取标签困难的问题。论文主要利用深度神经网络模型、无监督学习哈希、索引构建、B+树索引、全同态加密、多线程等关键技术,对基于无监督学习哈希的密文语音检索方法进行了研究。主要研究工作如下:1.为了解决现有DGHV全同态加密算法加解密效率低、密文拓展量大、只能是单比特加密形式等问题,提出一种基于多线程的语音DGHV全同态加密方案,并设计了一种基于多对一的语音全同态加密方案模型。首先完成语音数据的预处理,然后将预处理后的语音数据按比特拆解成二进制串,通过将拆解后的语音数据转换成矩阵进行循环加密处理。最后采用多线程技术并发地对语音数据进行加密。实验结果表明,该方案具有较高的安全性和加解密效率,能够抵抗各种常规攻击。2.为了解决现有密文语音检索方法利用的有监督学习需依赖大量的人为注释数据,语音数据标签信息获取困难,且存在隐私易泄露、检索效率较低等问题,提出一种高效且保护隐私的无监督深度哈希语音检索方法。首先,利用上述语音加密方案构建密文语音库并上传至云服务器。然后,提取语音的时间序列特征并送入无监督深度哈希学习框架Res Net18-GRU中学习语音的紧凑哈希二值码,并将哈希二值码与对应的密文语音建立一一映射关系。最后,引入预训练机制来提高无监督学习网络模型的训练准确率。检索时,采用归一化汉明距离进行检索匹配。实验结果表明,该方法具有较高的检索精度、检索效率和安全性,可适用于海量无标签数据的安全高效检索。3.随着云端语音数据的不断增长,现有语音检索系统的索引动态策略更新难以满足用户的实时检索需求,以及为了避免语音数据的隐私泄露,提高检索精度与效率,提出一种基于无监督深度哈希和B+树动态索引的高效密文语音检索方法。首先利用上述语音加密方案构建密文语音库。然后,利用上述Res Net18-GRU学习语音的紧凑二值码上传至B+树索引表,并将哈希二值码与对应的密文语音建立一一映射关系。最后利用外部B+树索引技术对B+树索引表实现了索引动态更新。实验结果表明,该方法的检索精度达到95.84%以上,与采用哈希索引表的检索方法相比,检索效率得到了极大的提升,且有效地保证了云端语音数据的安全性。

关键词： 数字集成电路   低功耗设计   软硬件协同处理   动态电压频率调节  

摘要： 当前,新一轮产业融合和科技革命孕育兴起,智慧经济蓬勃发展,国家电网大力发展“泛在电力物联网”建设,其中智能电表通过采用高速电力线载波和无线信道(HPLC+HRF)双模通信技术解决单一通信方式所产生的数据传输准确性和实时性问题,但是双模通信智能电表采用实时工作机制使得系统功耗大幅增加。为了适应低碳节能趋势,提高能源利用率,必须降低系统功耗,而降低系统功耗的关键是解决双模通信芯片低功耗问题。本文以双模通信芯片HPLC通信部分为例,阐述芯片的低功耗设计与实现。具体研究内容如下:1、调研低功耗高速电力线载波通信与无线通信双模通信芯片在智能电表中的应用需求以及低功耗技术发展情况。基于双模通信芯片中HPLC通信部分的性能指标,对HPLC通信芯片完成从应用层到物理层的低功耗设计。通过软硬件协同处理设计,提供从接收模式或发送模式到SLEEP模式或STOP模式的切换机制,实现应用层和网络层的低功耗设计。与芯片强耦合的MAC层(介质访问控制层)采用信标时隙增加网络基准时钟实现睡眠模式和定时唤醒机制;PHY层(物理层)根据收发数据链路的的工作状态和数据通路划分功能模块,采用流水线控制方式实现各功能模块的门控时钟插入,降低信号收发过程功耗。2、在前端设计方面,将整个芯片划分四个电压域,减少单电压域供电造成的功率损耗。结合动态电压调节技术,采用高效率电源转换器电路,实现电源转换器的能耗效率管理,冗余功耗降低10%。结合频率调节技术,整个芯片采用四个不同频率的时钟源,各时钟源及其分频时钟匹配和切换至系统模块,完成高频和低频工作电路的合理划分;对整个芯片的时钟网络进行层次化门控时钟配置,在时钟树路径关键节点插入门控时钟单元,降低了全时钟路径翻转率,实现动态功耗的优化,典型电路Modem模块整体动态功耗优化了6.2%。3、在后端物理设计方面,通过优化布线规则和时钟单元以及采用CCOPt(时钟同步优化)技术优化时钟树,使得时钟偏差优化了41%,时钟树面积优化了25%,总功耗优化了14.4%。在布局布线阶段,使用EDA工具有效规划器件和模块摆放位置,减少长走线,实现芯片版图设计。完成TT(1.10V/25℃)和ML(1.21V/125℃)两个工艺角下不同工作模式的功耗后仿真验证。4、芯片基于TSMC 40nm LP eFlash工艺实现,采用QFN68封装。芯片功耗测试数据表明,在室温25℃和3.3V电压下,芯片接收模式功耗为0.09W,发送模式功耗为0.13W,满足预期功耗指标。通过比较功耗的仿真结果和测试结果可得两者误差小于5%,本文的低功耗设计实现具有一定的工程借鉴意义。

关键词： SerDes   SST驱动器   低功耗   摆幅调谐   阻抗校准  

摘要： 随着全球对智能手机、电脑、智能穿戴设备等移动终端需求的不断增加,集成电路规模持续扩大,大量信息数据也随之产生。在此蓬勃发展的背景下,大规模的信息数据交互急需一种能够实现高速率、高质量数据传输的接口技术。因此,集成电路业界提出了SerDes(Serial-Deserial)高速串行接口,以解决传统并行接口在高速率传输场景下无法应用的问题。SerDes接口通常由发送端和接收端组成,对于SerDes发送端而言,传统SST(source-series-terminated)发射机具有功率效率高、技术可拓展性好的优点,但是难以实现灵活均衡配置以及独立阻抗调谐的特性限制了其应用范围。为解决这一问题,本文在传统SST电路拓扑结构基础上进行改进,通过增加基于开关的分流引脚来实现灵活的摆幅调谐,为特定信道损耗提供相应电压摆幅。同时,基于预编码电路与分流引脚,完成可编程前馈均衡器的设计,并通过最优化设计减小功耗。最终,成功设计了一款传输速率可达2.7Gbps的SerDes发射机。 本文基于TSMC 40nm工艺,设计并实现了支持e DP协议、传输速率为2.7Gbps的SerDes发射机。该发射机具有低功耗、低抖动、可灵活调节输出摆幅与均衡增益等特点,且适用于不同信道衰减条件;在不同PVT环境下,该发射机均可完成输出阻抗校准。本文主要内容包括以下几点: (1)设计时钟生成电路,其中通过电荷泵锁相环产生2.7GHz基准时钟信号,并对基本时钟进行处理,为发射机各子模块提供所需时钟信号。 (2)设计并串转换电路,通过半速率传输结构将并行信号转换为两路奇偶序列串行信号,并输出两抽头2.7Gbps全速率串行数据流。 (3)设计堆叠式SST驱动器,在传统SST拓扑结构的基础上进行改进,采用增加基于开关的分流引脚以及预编码电路,完成输出摆幅的灵活可调,并降低功耗。 (4)设计两抽头前馈均衡器(Feed Forward Equalizer,FFE),在驱动器设计基础之上,通过预编码电路以及数字配置实现去加重增益灵活可调,满足不同信道衰减要求,且提高功率效率。 (5)设计阻抗校准电路,根据驱动器具体设计,为保证传输数据的信号完整性,降低信号反射,阻抗校准电路将补偿PVT变化导致的输出阻抗变化,保证输出阻抗与信道特征阻抗匹配。 (6)完成电路版图设计与后仿真,在电路设计通过前仿真后进行电路整体版图设计与优化,最终后仿真表明本文发射机设计满足设计指标。在电源电压为1.1V的情况下,单端输出电压摆幅满足可调至100m V、150m V、200m V的要求,均衡增益在不同输出摆幅下可灵活调节,不包括锁相环模块发射机功耗最高仅7.18m W,数据抖动在不同仿真条件下均小于0.15UI。

关键词： CMOS图像传感器   低功耗比较器   带宽有限预放大   两步式SSADC  

摘要： 近年来,CMOS图像传感器的成像技术得到迅速发展,已广泛应用于各成像领域。低耗能、低成本和高质量的CMOS图像传感器一直是国内外的研究热点,为了提高电子产品的成像质量、降低成本、减小体积,不断提高和改进CMOS图像传感器的低功耗设计具有十分重要的意义。在CMOS图像传感器的功耗方面,ADC模块的功耗占传感器功耗的50%以上,列并行SSADC具有结构简单、面积小、功耗低、斜坡可多列共用等优势,是目前CMOS图像传感器中最常用的结构。基于此,本文设计了一款10-bit低功耗列并行两步式SS ADC。首先,本文设计了一款低功耗比较器,在不降低比较器时钟频率的前提下,从比较器工作理论出发,使用传统的预放大+动态锁存器结构,降低预放大带宽来降低功耗,为了减小带宽限制引起的精度误差,通过扩展斜坡范围补偿比较器误翻转导致计数器错误计数;不改变ADC的量化范围的前提下,采用两步式结构进行补偿,在降低功耗的同时,提高了转换速度。对于两步式ADC结构误差,本文采用了基于冗余位的校0准方式。最后设计了一个高位量化的5-bit电阻分压型斜坡发生器和低位量化的6-bit电流舵型斜坡发生器,提供给比较器的斜坡产生模块,两次比较共用一个比较器,进一步节省面积,降低功耗。该10-bit低功耗列并行两步式SS ADC电路设计采用UMC110nm CMOS工艺,完成原理图和版图设计,在时钟频率为20MHz、电源电压为3.3V/1.2V前提下,前仿真得到静态特性 DNL 为 0.2LSB/-0.3LSB;INL 为 0.5LSB/-0.2LSB:在 208kS/s 的采样频率,输入正弦信号频率为20.52kHz下,动态特性ENOB为9.79bit,SFDR为78.7dB,THD为-66.6dB,SNR为63.0dB,SNDR为60.8dB,比较器的平均功耗约为102.9μW,与前置预放大带宽满足的比较器相比,功耗降低了约40%。后仿真得到,静态特性DNL为0.3LSB/-0.5LSB,INL 为 0.6LSB/-0.3LSB,动态特性 ENOB 为 9.36bit,SFDR 为 76.0dB,THD为-64.4dB,SNR为59.5dB,SNDR为58.2dB,单列电路的平均功耗约为153.2μW,单列版图面积为469.1 15μm×19.68μm。

关键词： BLE Mesh   占空比   低功耗   端到端时延  

摘要： BLE Mesh是一种基于低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy,BLE)的组网标准化建议,它实现了多对多的通信,扩大了蓝牙的覆盖范围,可以应用于控制、监视和自动化系统等场景。在BLE Mesh标准规范中,节点一般需要依靠电源供电,但在很多应用场景中,节点只能依靠电池供电。为了减少节点的能耗,可以让节点以占空比(Duty-Cycle,DC)模式工作,即周期性地开启射频进行数据传输,然后关闭射频进入休眠来降低能耗。但是,节点在休眠时无法收到邻居节点发送的消息,也就不能对消息进行中继转发,影响了源节点向目的节点传输消息的成功率。针对此问题,本文设计了一个基于占空比模式的BLE Mesh数据传输协议,并对其进行性能分析与参数优化,具体研究内容如下: 针对占空比模式下发送的消息不能确保被邻节点收到的问题,本文引入了Circle发现模型,设计了一个基于占空比模式的BLE Mesh数据传输协议。首先,设计了中继节点的工作模式。根据设定的占空比,中继节点周期性地打开射频,扫描信道一段时间。当接收到转发消息时,转入发送状态,以设定的间隔和次数发送消息。其次,基于Circle发现模型,确定了中继节点的扫描周期、扫描窗口和发送周期的长度,并根据上述参数值确定了消息发送的次数。按照上述参数设置,可以确保转发的消息能够被邻节点收到。仿真结果表明,不同网络拓扑下,基于占空比模式的BLE Mesh的数据包投递率均能达到93%以上,而且随着网络的节点增加,网络连通性增强,数据包投递率进一步增大。 由于广播冲突是影响数据包投递率的一个主要原因,故本文分析了广播冲突概率,进一步分析了一个节点中继的投递率与其邻节点数量之间的关系,建立了数据包投递率的理论模型。此外,低占空比会造成较大的端到端时延,为了均衡占空比与端到端时延,本文提出了一种参数优化方法。首先,建立了一个占空比模式下的端到端时延和节点占空比的理论分析模型,其中端到端时延可以是端到端最大时延或者是端到端期望时延。其次,对于给定节点占空比,为了最小化端到端延迟,通过求解模型得到了最优的扫描周期、扫描窗口和发送周期等参数。最后,通过比较理论分析和仿真实验结果,验证了所提出方法的有效性。