关键词： 无线传感网络   蓝牙   时间同步   低功耗  

摘要： 无线传感网络技术对于实现高速飞行器外表面环境温度场参数的无缆化测量具有重要研究价值。但受制于传输时延和功耗等问题,无线数据传输方式尚未在高速飞行器外表面温度监测试验中得到大范围使用。针对上述问题,提出了基于新一代蓝牙的同步、低功耗无线传感网络方案,并开展提高传输速率的研究。论文主要内容如下:首先,在分析了高速飞行器无线传感网络设计需求和性能指标的基础上,本文确定了无线传感网络的总体方案,并对无线传感网络两个关键技术进行论证。为了降低时间延时对无线传感网络多节点通信的影响,本文采用了基于多段补偿双向时钟算法的时间同步技术,通过对下一周期时钟偏移量进行预测,提前校准从而达到主从节点时钟同步的目的。在此基础上,改进传统轮询方法,提出了基于时间同步的轮询访问方式,通过发送一次同步帧,进行多次从节点轮询。通过减少传感器从节点唤醒时长,在软件方面实现了系统的低功耗设计;通过降低同步帧信号冗余量,使平均轮询周期变短,提高了有效数据的传输速率。其次,设计了无线传感网络实验系统,并对关键电路进行论述。设计了K型热电偶的调理电路,以达到冷端补偿、降低电磁干扰和提高信号增益的效果;以双晶振的模式为n RF5340芯片设计两种工况进行能量管理,正常工作时选用32MHz高速晶振,休眠时选用32.768KHz低速晶振,以实现功耗的降低;在蓝牙主节点一侧对接收的数据进行编帧,舍弃掉访问地址、校验位等,添加帧头和数据容量信息,方便读取后进行数据分析;采用文件管理的方式对存储记录模块进行设计,实现了快速提取有效数据。为验证上述内容的合理性和可行性,搭建由温度传感器、调理电路、蓝牙主从节点以及存储记录模块构成的实验测试平台,进行了节点同步性、功耗、传输速率、传输距离以及丢包率的性能指标测试。实验结果表明节点同步采样时间差小于10μs;在传输数据状态时,传感器从节点平均工作功耗为7.4036m W,使用纽扣电池(550m Ah)供电,可用246h以上,可以满足实际工作时长需求;数据传输速率可达1.375Mbps,有效传输距离可达13m,平均丢包率仅为0.0851%,实现了数据速率优于1Mbps的设计指标,满足了高速飞行器表面温度场测量对高精度与多传感器从节点同步采集的传输速率需求。

关键词： 电荷泵锁相环   宽调谐范围   相位噪声   低功耗  

摘要： 随着现代电子和成像技术的不断发展,DTOF(Direct Time of Flight)图像传感器因具有体积小、成本低、精度高、成像快等特点,近年来已经被广泛应用到各类终端设备中,同时也成为研究的热点,在DTOF图像传感器中,锁相环作为提供时钟的重要模块,其性能是决定传感器成像素质和测量精度的关键因素。 为了满足DTOF图像传感器中对宽频率范围和低功耗时钟的需求,本文基于Tower Jazz 180nm CMOS工艺设计了一款频率可调的低功耗电荷泵锁相环,具有输出频率范围宽,功耗低,锁定时间快等特点。 在设计中主要针对传统结构的电荷泵和压控振荡器进行优化和改进,电荷泵电路采用源极开关结构,将电流控制开关置于电流源管的源端,能有效抑制“电荷共享”、“电荷注入”等非理想效应,同时通过轨对轨运算放大器对充放电电流管的漏端电压进行钳位,使电荷泵在全部有效工作电压范围内实现充放电电流的精准匹配,仿真表明,电荷泵在0～1.4V的输出电压范围内,电流误差小于70n A,电流失配小于0.1%,在瞬态过程,通过添加Dummy开关将瞬态失配控制在较小值。压控振荡器采用压控电容的方式实现频率调节,为输出相对较高的频率、较宽的调谐范围和较低的功耗,压控振荡器由两级伪差分延迟单元构成,通过引入6档可选电流源阵列,在确保适中压控增益的前提下,实现对宽频率范围的输出,同时通过选择电流源阵列接入电路的大小,也能有效抑制工艺和温度对工作电流的影响。 锁相环的分频器由4级2/3预分频器和2级二分频电路级联,2分频电路分别位于两端,在降低抖动的同时能确保分频输出信号占空比为50%,通过6个可选端口,实现分频比的灵活可控,分频器最小分频比为16,最大分频比为124,采用真单相时钟(True Single Phase Clock,TSPC)结构的D触发器作为基本单元,降低了电路功耗。锁相环的鉴频鉴相器电路在输出信号与复位路径之间加入适当延迟单元,增加电路复位延时,有效克服了鉴频鉴相器的“死区效应”。锁相环采用二阶低通滤波器,通过合理选择电阻电容值,将锁相环系统零点设置在非零极点左侧,仿真得到系统相位裕度为61.2°。 后仿结果表明,在所有工艺角下,电路都能满足设计指标。电路供电电压为1.8V,当输入参考频率为25MHz时,锁相环的输出频率范围为0.95GHz～3.3GHz,在2GHz的输出频率下,电路锁定时间小于2μs,系统整体功耗为3.2m W,1MHz频偏处的相位噪声为-85.5d Bc/Hz,RMS抖动为17.1ps,版图面积为205μm×91μm。

关键词： 电子标牌   北斗导航   窄带物联网   可穿戴设备   低功耗  

摘要： 儿童防走失问题一直是社会各界关注的焦点，儿童走失、被拐卖会导致许多家庭支离破碎，一定程度影响着社会的稳定。中共中央、国务院印发《数字中国建设整体布局规划》指出要推进移动物联网全面发展，大力推进北斗卫星导航系统（BeidouNavigationSatelliteSystem,BDS）规模应用。因此将北斗与物联网融合创新，研究相应的儿童防走失设备与系统是具有实际意义的。目前市面上的儿童防走失设备多外形臃肿且待机时间较短。因此本文旨在研究设计一种以胸前徽章形式舒适佩戴、外形轻薄、具有低功耗的儿童防走失北斗电子标牌。主要用于幼儿园、小学、家庭等场景，同时也可为老人或者有易走失风险的群体佩戴，该研究具有重要的应用价值。　　本文主要针对以下三点进行研究:一是设计了一款低功耗可穿戴式的北斗电子标牌,优化了器件布局，改进了定位天线方案。创新性地以徽章的载体形式进行佩戴，外观可为校徽、学生姓名牌等形式，美观且具有良好的隐蔽性。通过合理优化器件布局，选用更适合的元器件，在保证性能与稳定性的前提下，使得电路板半径仅为19.5毫米，厚度约为5毫米，使得产品整体更加轻薄，提高目标人群的佩戴体验。同时进行低功耗长续航的设计，在硬件电路上选择低功耗元器件，并精简电路，降低总体功耗，在算法上设计了时空智能场景识别算法，通过分析佩戴者的时间、空间、速度等参量，判断佩戴者的运动状态，即处于静止、散步还是快速移动场景，从而智能选择进行定位以及向云平台上传数据的频率，并智能判断设备何时进入休眠状态何时进行唤醒。在保证定位数据准确，定位精度控制在2米以内的条件下进一步降低功耗，延长续航时间。二是设计数据通信网关软件及运营平台，实现了数据远程传输及存储管理功能。数据通信网关能够实时监听云平台推送的数据，并进行数据解析。运营平台包括地图展示以及管理平台，用户设备编号以及数据存入数据库统一管理，通过调用数据库数据使得上传的定位点能够直观地呈现在地图上，最终与上述的装置、算法等形成一套完整的系统。三是设计了可穿戴式北斗电子标牌的外观，优化了无源天线的射频电路结构，进行系统调试与应用测试，对可穿戴式电子标牌及其系统的终端模块部分、数据通信网关部分、运营平台进行了功能验证，保证用户的实际体验。　　通过相关研究与设计，使得可穿戴式北斗电子标牌能够达到轻薄且隐蔽佩戴，模块终端的电路板厚度约5毫米厚，面积约为11.9平方厘米。加入低功耗设计，续航目标达到一月以上，避免设备每天充电的烦恼。通过北斗定位芯片又能保证定位数据的准确性,定位精度在2米以内。能够实时通讯且数据传输无差错，数据能持久储存统一管理，前台显示电子地图及实时位置坐标点，为学龄前儿童、小学生等群体提供稳定可靠又具有隐蔽性的儿童防走失装置与系统。亦可为老人或者有易走失风险的群体，例如患阿尔茨海默症的群体佩戴，也可为相关机构，例如养老院等场所提供使用北斗电子标牌。最终所设计的可穿戴式北斗电子标牌及其系统能够为防止儿童、老人走失多一份保障，为减少社会走失事件的发生概率做出贡献，让更多的家庭幸福团圆。

关键词： 移动式浮标   渔业境监测   嵌入式系统   多参数   低功耗  

摘要： 我国海岸线总长3.2万多千米,海洋资源丰富,如何发展好海洋养殖业、海洋捕捞业等海洋农业,关系到国计民生;同时,在多变的世界格局及海洋渔业资源日趋短缺的情况之下,如何更高效地保护海洋渔业资源也是必须要长期考虑的问题,在这个过程中,海洋监测系统扮演了重要的一环。本文围绕这些需求,设计了一种基于浮标平台的海洋环境监测系统,通过搭载多种传感器,既可对水面环境进行监测,实现浮标的运动控制,又能通过声和磁两种手段对水下环境进行监测。具体围绕以下几个方面展开研究:一、根据浮标系统的功能需求,对各个子系统进行了划分和设计,包括主控感知系统、无线通信系统、水下监测系统、电源管理系统和推进系统,对各部分的传感器模块或组件进行了选型,随后搭建成各系统硬件电路。二、在确定系统硬件规格和安装方式后,对浮标平台的机械结构进行了设计,在此过程中,需要同时考虑到浮标结构小型化和对光伏板铺设面积的要求,在两种技术条件之间取得平衡。经综合考虑,最终将浮标直径定为1.15m,采用圆柱体设计,在水中可以保持良好的工作姿态,在实现简洁设计的同时也能满足电路模块的分块布放。各子系统统一采用了可靠的防水结构,保证了系统的安全。三、围绕浮标体内部以及浮标与岸站之间的信息交互需求设计了一套通信协议,保证了系统在大数据量传输的条件下依然可以有序运转。同时根据小型海洋浮标设计规范,对各部分数据采集频率和数据转发频率进行了设定。对于高功耗组件,按照其工作情况通过继电器对其进行开关控制,控制流程由软件实现。四、对于浮标平台的可移动性开发进行从理论到实践的探索,先类比于船舶的运动过程,将浮标按照MMG建模原理进行分块力学分析,分析其所受的流体力和惯性矩,再结合浮标参数验证,得到了移动式浮标航行控制的系统函数。设计了模糊PID控制器,在Matlab/Simulink平台上,与传统的PID控制效果进行了对比,本设计取得了较为理想的效果。五、给出了系统三大功能的测试结果,包括水面感知、水下监测和功耗状况,结果表明:整套系统的监测流程能够完全实现,系统数据通信链路畅通,可以正常交互和运转。系统的低功耗策略取得初步成功,证明系统在连续20天极端天气下能够维持正常续航,且经过具体能耗计算,理想天气条件下能够实现自供能运转。经海上联合试验,水下监测模块取得了预期结果,证明本系统可监测到15km外声源级为160d B的水下噪声。综上所述,本系统经试验验证,取得了良好的结果,具有一定的应用和推广价值。

关键词： 无线传感器网络   路灯照明控制   GA-BP神经网络  

摘要： 为建设清洁环保的智慧城市,传统调节路灯的定时控制方式,在车流量零星的深夜无法根据车流量对光照强度进行调节,造成电能的浪费。而国内外对于路灯照明系统的研究,大多只考虑单独环境参数影响,或对传感器检测技术不断精进,鲜有将多种环境参数作为输入的灯光控制系统。针对以上问题,将无线传感器网络融入路灯控制系统,以基于无线传感器网络的照明分光控制为研究方向,从无线传感器网络设计、神经网络预测模型、智慧路灯控制系统软硬件设计以及系统性能验证四个方面展开分析。 论文首先提出路灯控制系统的网络架构,根据路灯分布特点,考虑到网络通信的传输距离和传输效率,选择Zigbee作为节点间通讯协议,并使用Mesh结构的传感器网络网络拓扑结构,在此基础上对网络的MAC协议进行设计。网络通信性能测试实验结果表明,网络具有良好的数据传输特性,吞吐量、丢包率等性能指标均满足设计要求。 针对传统照明控制方式电能消耗大,路灯调光模式单一等问题,利用神经网络自我学习等特点,建立路灯调光分类模型,并通过遗传算法对预测模型进行修正。详细分析样本集处理、模型参数设计以及模型构建流程。模型验证结果表明,该模型调光策略的总体调光等级分类准确率为96.0%,具有较好的泛化能力,能够用于实际灯光调节的分类工作。 根据系统的整体结构与功能指标,搭建传感器监测节点与簇头节点硬件平台。基于此硬件平台与调光分类模型,对路灯照明控制系统软件进行设计。调光算法中加入来车唤醒机制,以解决调光不及时或灯光突变对行人和驾驶员视觉上造成的不良影响。根据此模型设计智慧路灯控制系统的软硬件平台。最终搭建从数据采集、汇聚节点到上位机程序的一整套智慧路灯分光调节系统,通过实验验证与节能效果测试,本系统对比传统路灯照明,可节约52%的电能消耗,可为智慧城市系统其他环节的设计提供参考。

关键词： 低功耗   SAR ADC   混合结构   Counting ADC   电容阵列  

摘要： 近年来,可穿戴设备将生物信息转化为数字信息,在生物医疗、人机交互等领域得到了广泛应用。因为无线充电技术尚未成熟,所以可穿戴设备长时间稳定运行依赖于设备本身的低功耗。设备中大量用于采集信息的传感器消耗能量较多,低功耗、中等精度的模数转化器(Analog-to-Digital Converter,ADC)作为传感器量化模拟输入信号的关键模块,一直是研究热点。在各种类型的ADC中,逐次逼近型(Successive Approximation Register,SAR)ADC能够在低功耗应用场景下实现中等精度的采样量化,二进制量化收敛速度能够实现很高的能效比,适用于高位量化;计数型(Counting)ADC能够实现高精度的量化,适用于低位量化。本文主要研究了SAR ADC关键模块的低功耗技术理论建模与电路设计以及低电源电压下提高ADC精度的方案,最后实现了一款低功耗12位SAR-Counting ADC。主要研究内容如下: 首先,为了解决低电源电压下采样保持电路线性度差的问题,本文设计了一种低电源电压下的高精度采样保持电路。该电路采用衬底开关、栅压自举、补偿MOS管以及传输门技术来保证传输MOS管的电阻恒定、降低电荷注入和时钟馈通带来的影响,提高了采样精度和采样线性度。采样保持电路在电源电压为1V、采样速度为200KS/s的仿真条件下,SNDR为97.6d B。 其次,本文提出了一种电容阵列以及对应的开关时序,能够降低SAR ADC功耗、提高SAR ADC动态性能以及满足Counting ADC量化对电平的需求。电容阵列包含主电容阵列和辅助电容阵列。主电容阵列用于SAR ADC量化,在最高位和次高位编码输出时,主电容阵列不消耗任何能量,相比传统的电容阵列开关时序降低了93.7%的功耗。量化过程中,除了最高位控制码会改变电容极板共模电平,其余位控制码均不会改变电容极板共模电平,对比较器设计要求更为宽松。辅助电容阵列用来对比较器的静态失调电压进行校准,在本设计中能够将比较器的静态失调电压误差减少98.5%,降低了其对细量化的影响。 然后,本文所设计的异步逻辑电路通过增加逻辑判决单元和延时单元的方式来解决SAR ADC各部分电路时序的竞争与冒险,防止ADC量化失效。能够实现SAR ADC量化结果输出、比较器使能、电容极板电平切换等动作,减少了对时钟信号的需求,有助于提高ADC工作速度。 最后,本文使用国内40nm CMOS工艺设计了SAR-Counting ADC。ADC的粗量化级和细量化级根据量化精度要求不同采用不同结构的比较器,在满足设计精度的同时节省了能耗。12位SAR-Counting ADC在1V电源电压、200KS/s采样速率、奈奎斯特采样条件下进行仿真,结果表明ADC的功耗为3.67μW,SNDR为67.6d B,功耗优值为9.2f J/conversion-step。

关键词： 读出电路   多光谱融合   像素级模数转换   低功耗  

摘要： 随着探测技术的不断提高,传统单波段探测器以及多探测器系统已经不能满足现阶段对于高精度、高集成度、低延时探测系统的要求。多光谱像素级融合探测器具有单像素融合、探测性能优异、噪声小等特点,在夜视探测和军事制导等领域均有广泛应用。而读出电路作为探测系统的核心部分,将探测信号与数字化输出联系起来,其性能将直接影响到探测系统的成像质量。因此非常有必要对多光谱像素级读出电路进行研究。针对像素级读出电路像元面积有限的特点,本论文采用了多通道位串行模数转换机制,对其进行了理论推导,并完成了像素级数字化及像元共用结构设计。根据设计指标和多通道位串行模数转换机制的特点设计了像素级读出电路的工作流程及系统架构,进而确定了读出电路的时钟频率和输出端口数量。完成了多光谱像素级读出电路系统级架构的设计。在读出电路数字控制电路设计中,采用了硬件描述语言对电路进行建模。设计了多样化的探测模式:多开窗模式、亚分辨率输出、输出精度可调等,大幅提高了探测系统的灵活性。针对像素级模数转换器的特点,设计了一种片内快速二值化的电路,大幅降低了系统功耗并提高了二值化的实时性。同时搭建了仿真测试平台,结果显示电路正常工作。为了进一步提高像素级读出电路的性能,降低系统功耗。对读出电路功耗进行了分析,并针对读出电路的特点进行研究和优化;其中重点对非均匀校正模块进行了功耗优化,针对模块的功耗来源,设计了多种低功耗的实现方式,并进行了详细对比和分析,仿真结果显示功耗大幅下降。最后采用了数字电路中常用的低功耗设计方法对读出电路进行优化。通过对以上问题的研究,完成了多光谱像素级读出电路的系统级架构及模块设计,红外设计精度达到14 bit,阵列大小为320×240;可见光设计精度达到12 bit,阵列大小为640×480,融合模式帧频达到80 Hz,并具备多样化的探测模式,功耗控制较好。为低功耗多功能的像素级读出电路打下了一定的基础。

关键词： 低压能量采集   低功耗DC-DC   Burst模式   滞环控制   自适应偏置电流  

摘要： 由于物联网、智能穿戴产品等小型电子设备的电池容量有限,它们虽然待机功耗较低,但是仍然难以在没有电源持续供电的情况下保持长时间工作。而自然环境中存在很多可以利用的绿色能量,如太阳能、热能等。通过能量采集技术可将这些能量采集用于各种低功耗小型电子设备的自供电或者电池储能,从而延长它们的续航时间。针对低压(0.8V-2.5V)输入源,本文设计了一款用于低压能量采集的低功耗DC-DC电路,该电路主要包含了低功耗Boost变换器升压电路和低功耗LDO电路两部分。本文介绍首先了Boost变换器和LDO电路的常见架构和基本工作原理,根据低压能量采集的需求,提出了前级低功耗Boost变换器与后级低功耗LDO电路级联的DC-DC电路系统方案。其次,根据低压能量采集系统输入源能量通常较低、负载电流通常断续工作的特点,确定了基于Burst模式的双重滞环控制Boost变换器的系统架构,Boost变换器会根据负载电流情况,在SLEEP模式和ACTIVE模式之间自适应切换,由于SLEEP模式下静态电流极低,Boost变换器在轻载下仍然具有较高转换效率。最后,为了满足低纹波应用场景的需要,本文进一步设计了低功耗的LDO电路,采用具有自适应偏置电流的缓冲器和“Ahuja”频率补偿方案,来保证LDO电路在较低的静态电流下仍能保持环路稳定。本文基于0.25μm BCD工艺完成了用于低压能量采集的低功耗DC-DC电路的设计和版图的绘制,仿真结果显示,在0.8V-2.5V的低压输入下,DC-DC电路均能够正常工作,其中Boost变换器的输出电压为3.6V,LDO电路的输出电压为3.3V。Boost变换器在低升压比(3.6V/2.5V)下的最大带载能力为100m A,100μA的轻载下转换效率仍然高达91.781%,峰值转换效率高于93.758%,空载时DC-DC电路整体的静态功耗约为2.3μA。最终的测试结果显示DC-DC电路的基础功能完整,芯片可以正常工作。

关键词： 下水道沼气   低功耗   无线通信技术   物联网云平台   Windows客户端  

摘要： 随着我国城市建设的发展,城市下水道的规模越来越大。但由于下水道环境的特殊性,易产生和堆积大量的沼气,而沼气具有易燃易爆特性当超过一定浓度就有爆炸的可能,给人民生活带来巨大的安全隐患。目前国内针对易燃易爆气体的检测手段多为催化燃烧式传感器,这类传感器普遍存在功耗高、抗干扰性差、寿命短等问题,且由于下水道位置的特殊性达不到实时监测的目的。为保障居民的安全,研制一套功耗低实时性强的下水道沼气检测系统至关重要。本文对沼气的组成成分进行了分析,通过对比确定了基于超声波相位差法的可燃性气体甲烷的检测方法以及采用红外吸收式传感器进行二氧化碳气体检测的方法。针对下水道的复杂结构环境,本文基于无线传感器网络和无线通信技术提出一个低功耗的远程检测系统的设计方案,该系统由检测终端、无线通信模块、协调器、物联网云平台、Windows客户端组成。检测终端负责下水道的甲烷气体及二氧化碳气体浓度的检测和数据处理,检测数据通过Zig Bee无线通信模块传给协调器;协调器通过Wi Fi无线通信模块接入互联网,利用HTTP协议将数据上传至云平台;通过云平台的触发器设置实现监测数据超出阈值时的自动邮件提醒;利用云平台的数据推送,将云平台与Windows客户端对接,实现了整个系统的数据传输。在Web云平台和Windows客户端界面实现了登陆注册、实时数据显示、历史浓度查询、超限报警通知等功能。最后在实验室环境下利用标准浓度的气体对整个系统进行测试,实验表明系统满足测量精度的需求同时实现了云平台和客户端的数据监测功能,达到预期设计目标。