关键词： 物联网技术   边坡灾害监测   阈值报警   4G模块   JY901传感器   低功耗  

摘要： 我国地形复杂,滑坡、泥石流、塌方等地质灾害频繁且严重,高等级公路的建设发展迅速,但随之带来的边坡灾害也在增多,给公路的安全运行带来了巨大风险。因此,本文设计了基于物联网技术的边坡灾害监测系统,通过公路边坡监测点倾斜角度变化对边坡安全进行评判与阈值报警,防止灾害扩大,减少人员伤亡和财产损失。针对数据的定时采集、传输、分析、管理和报警一些关键性技术问题进行研究,提出了一种集成化的监测报警系统,主要工作如下:1、以JY901传感器为基础,通过STM32F103C8T6单片机定时采集边坡监测点的角度值并对角度的变化量做出阈值判定。监测设备铺设以后将X、Y轴角度置零,安全阈值角度范围设为±3°,超出阈值范围则判定该边坡可能发生了地质灾害,通过4G模块利用TCP协议将数据上传至上位机进行报警。针对电路与PCB进行了抗干扰设计,并对数据进行滤波处理,使其可以稳定地实现角度数据、电池电压的采集。2、系统采用7.4V锂电池进行供电,每十分钟采集一组监测点的角度信息并做阈值判定:超出阈值则进行上传,在阈值范围内则将数据储存,采集六次即一小时后测量一次电池电量信息并启动4G模块将采集到的数据全部上传。JY901传感器、ADC电压测量电路和4G模块在采集和上传完成后通过软件控制使其关断,此时STM32F103C8T6单片机处于停止模式并等待下一次闹钟唤醒。3、设计了上位机软件,通过socket来获取数据,对数据进行实时处理和分析,并对上传的每组角度数据进行安全阈值判定,超出阈值则进行灾害报警,并通过多窗体设计直观、清晰地展示数据和数据分析结果。使用log4net给该项目添加日志功能,将下位机各点所上传的信息以文本的形式进行保存,以便工作人员进行查看分析。系统测试实验结果表明,监测设备可以稳定运行和进行灾害报警,其功能与性能均可以满足设计要求,所用供电电池电量可以使监测设备持续工作在一年及以上。

关键词： WM-Bus   无线抄表系统   超声计量技术   时差法   低功耗  

摘要： 随着社会和经济的发展,水务行业的智能化需求日益增长,水表作为智慧水务系统的眼睛,也在随着科技的进步逐渐的往智能化发展,传统的人工抄表方式也就不再能满足人们的需求。为了提高供水管网数据采集与传输效率,解决城市用水量日益增长带来的水资源节约和管理需求,本文设计了基于WM-Bus(Wireless Meter Bus)的无线抄表系统,用于供水管网数据的精确采集和远程无线抄表。基于WM-Bus的无线抄表系统采用了WM-Bus无线通信技术和超声计量技术相结合的设计思路,该系统由智能水表终端、集中器和综合抄表平台组成,对应物联网三层系统架构。智能水表终端选择低功耗的STM32L073VZT6芯片作为主控单片机进行设计,控制由TDC-GP22芯片和换能器组成的超声计量电路检测超声信号,并使用卡尔曼滤波算法对数据进行处理,获取稳定的测量数据,再通过时差法进行流量数据计算。集中器使用STM32L433CCU6芯片作为核心,通过WM-Bus和4G通信技术对上下行通道的数据和行为进行处理和控制,是系统通信连接的桥梁。WM-Bus无线通信模块使用TI公司的CC1350单芯片方案,基于WM-Bus的星型网络结构采用终端主动上报的组网方式进行组网通信,并对WM-Bus通信协议进行设计,实现有效的数据抄读和后期维护功能。WM-Bus无线通信模块使用T模式或C模式的工作模式进行周期性的数据上报,通信工作频段为433MHz。综合抄表平台以Web网页管理系统的形式实现,用户可以通过网页登录综合抄表平台,并实时查看智能水表终端的用水数据和信息。为了安装和使用的便利,智能水表终端采用锂亚电池进行供电,所以硬件功耗也是系统设计需要重要考量的问题。主要方案是通过选择具有低功耗工作模式的主要芯片,对没有低功耗工作模式的主要电路进行电源控制电路设计,并在软件上控制芯片工作在低功耗模式和关闭不使用的电路电源,从而实现低功耗设计。最后,通过根据设计方案搭建完整的无线抄表系统和实验环境,对系统的计量采集性能、无线抄表功能、智能水表终端硬件功耗以及系统应用功能进行测试。测试结果表明,智能水表终端的计量性能达到国家标准1级精度要求;WM-Bus能够有效、可靠的读取数据并传输,通信距离较远;硬件功耗低,电池寿命可达十几年;系统运行良好,达到了预期目标,能够实现对城市用户用水数据的精确采集和无线抄表,具有实时性高和安全可靠等特点。

关键词： 可视智能锁   图像处理   行人检测   YOLOv5算法   近场通信  

摘要： 随着社会的不断发展和科技的飞速进步，智能锁已经成为家庭安防中不可或缺的一部分。然而目前市场上现有的智能锁功能单一、固定且待机时间较短，不能满足客户的不同需求，特别是不能对长时间停留在智能锁前的行人进行整个的检测和抓拍。因此，我们设计了一款多功能低功耗的可视智能锁来满足市场上不同客户的需求。此款智能锁有密码、指纹识别、近场通信（NFC）、手机蓝牙等多种开锁方式，同时采用了两种不同的供电方式来延长其工作时间：视频模块使用锂电池供电，主板模块使用干电池供电并通过搭载的锂电池进行应急供电。我们使用开关电路和各个模块的信号作为基础设计实现了低功耗功能。此外，一旦有行人在智能锁前的监控区域内逗留一定时间，智能锁就开始工作，实现行人检测和抓拍。所有抓拍结果都会上传到云端保存，以保障用户家庭安全。本文所做的主要工作如下：　　1、智能锁的硬件设计，重点设计了视频板和主板的硬件电路。视频板以豪威科技OS02G10图像传感器，星宸科技SSC335数字信号处理器为主，并配以Wi-Fi模块Hi3861L进行无线网络通信;主板采用CCM4202S作为微控制单元。完成了这两块单板的电路原理图以及对应的印刷电路板的设计，并对最终制作完成的单板进行测试，确保其正常工作。　　2、行人检测算法的实现，以目前主流的行人检测算法YOLO（YouOnlyLookOnce）系列中的YOLOv5为基础，实现了行人检测功能。对校园、公司、医院、酒店等场景进行拍照并统计行人的识别率，验证了该算法的可行性和可靠性。　　3、智能锁的各项功能测试。测试了智能锁的指纹、近场通信（NFC）、密码以及蓝牙开锁功能，并对智能锁进行了射频测试、高低温测试、电磁兼容（EMC）测试。对智能锁的功耗进行了理论计算并检测了其实际待机天数。最后对智能锁的行人检测和抓拍功能进行了展示。　　通过以上工作，本文成功实现了智能锁的功能多样化和低功耗设计，满足了不同用户对于智能锁的需求，同时提高了用户居家安全性。这为后续智能锁的研究和设计提供了更广阔的空间。

关键词： 低压差线性稳压器   电路设计   功耗控制   瞬态快速响应   移动终端  

摘要： 随着万物互联时代的深化，为无线技术应用提供了新一轮的发展机遇。根据数据显示，全球2023年WiFi芯片的出货数量预计达到50亿颗，在这其中射频发射模块占据着核心地位。而作为电源管理芯片中具有结构简易，低成本，低功耗，输出电压稳定等特点的LDO（Low-DropoutRegulator）广泛应用在微电子系统中。因此设计为移动终端供电用的功耗低、带载能力强，瞬态响应迅速的低压差线性稳压器，具有极大的市场价值和较高的科研价值。　　本文通过介绍LDO的基本原理，在无片外电容LDO的基础下，对LDO各项性能参数对比和分析。提出一款具有低功耗且快速瞬态响应、输出电压精度高的LDO电路。首先对LDO的瞬态响应和频率稳定性方面分别介绍了三类方法，经过对比分析，提出一种基于ClassAB结构的瞬态增强电路，将其放置在第二级的源极跟随器和功率晶体管之间。在不显著增加整体电路的功耗条件下，一方面，该电路加快了功率晶体管栅极处的充放电速度，对负载端轻载和重载的切换时的建立时间和输出电压产生上冲与下冲现象时，有效缩短其建立时间，改善输出电压上冲和下冲现象。另一方面，在一定带宽范围内，通过结合Miller补偿的方式将主次极点进一步分离，提高LDO环路稳定性，并且提升电源电压纹波抑制能力。设计了一种具备低功耗的带隙基准电路，在已有的cascode结构基础下，提出带三级cascode结构的带隙基准电路，进一步提升整体系统PSRR特性。通过研究和分析在低功耗和生产良率的折中下，保证设计的带隙电路的管子不进入亚阈值区，对带隙基准电路的管子的尺寸和比例进行优化实现低功耗的性能指标。　　通过上述分析与研究，本文基于GF_CMOS_SOI—0.13um工艺，设计了一款应用于移动终端具有低功耗且瞬态快速响应的LDO电路，设计的芯片总面积为540um*1350um，其中模拟板块面积为540um*560um，输入电压范围为3.1V—5V。仿真结果显示，输出电压为2.812V，满载下的压差电压为198mV。温漂为15.04ppm/℃。低频下LDO的环路增益为92dB，相位裕度为61deg，系统单位增益带宽在2.5MHz左右。低频下LDO的PSRR为-61dB。负载电流在0-60mA范围下的负载调整率为0.15mV/mA。设计的低功耗带隙基准电路在tt工艺角下静态电流小于5uA，在整体电路空载时静态电流不超过90uA的基础下，进行轻载到满载切换，提出的基于ClassAB结构瞬态增强电路，抑制了54%的上冲电压，提升了43%的下冲电压，瞬态响应恢复时间均在1.25us以内。经过流片验证后，得到的测试结果显示，LDO的输出电压为2.84V，负载调整率为0.2mV/mA，温度漂移系数为27.08ppm。测试结果表明芯片整体性能良好，具备一定的实用性。　　提出的应用于移动终端的LDO电路具有低功耗且较好的瞬态快速响应，比较高的输出电压精度和环路稳定性。

关键词： 模数转换器   异步时序   分段电容阵列   逐次逼近  

摘要： 随着科技的发展,人们能够接收到的自然界中的信息越发多样化,这些信息以信号的方式被人们接收利用,因此,信号处理系统在生活工作中的重要性日益突出。信号处理系统中必不可少的一环是模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC),它是链接现实世界和数字领域的桥梁,在现代社会中发挥着至关重要的作用,而逐次逼近型模数转换器(Successive Approximation Register ADC,SAR ADC)以其适中的精度和速度、较低的功耗和较小的芯片面积等优点,在医用器械、便携式可穿戴设备等领域中得到广泛应用。随着时代的进步,人们对于SAR ADC的性能提出了更高的要求,使其向着更高精度、更低功耗的方向发展。SAR ADC中DAC电容阵列是限制其功耗的主要因素,比较器和采样电路会对整个系统的精度产生影响。基于此本文给出了DAC功耗的计算方法和比较器失调的解决方法,并结合本文的设计目标提出了相应的设计方案。针对传统DAC电容阵列电容多、功耗高的问题,设计了基于共模电平开关策略的分段式电容阵列,大大减小了所需电容的数量,缩小了芯片的面积,通过电容分裂的方法,避免引入共模电平产生的额外功耗,最终使DAC电容阵列整体功耗降低了55%;整体电路采用异步时序,通过电路内部直接产生比较器的工作时钟,避免引入高频时钟导致的额外功耗;采用栅压自举采样开关维持MOS管导通电阻恒定,提升采样信号线性度;采用预放大和锁存器相结合的方式,提高了比较器的比较速度,抑制了比较器的噪声和失调。本文基于Candence平台,采用65 nm工艺设计了12位SAR ADC,完成了电路和版图的绘制,在1.2 V工作电压,采样速率1 M/s,输入信号频率为98.6328125KHz时,在版图经过规则验证后,通过快速傅里叶变换,得到仿真结果:无杂散动态范围为71.1 d B,信噪比为70.1 d B,有效位数为10.93 Bit,功耗为214.6μW。

关键词： 低功耗   有机电化学晶体管   pH传感   柔性可穿戴   突触  

摘要： 高灵敏度和快速响应是衡量商业传感器的标准。由于有机电化学晶体管(OECT)具有内在的信号放大、仿生能力和机械灵活性等优点,最近在构建各种传感器时越来越受欢迎。对应于峰值跨导(g~*)的栅极偏压(V(g~*))通常被设定为基于OECT的传感器的工作点,以直观地最大化信号放大能力。在此,本文通过实验发现传感器的最敏感工作点并不与V(g~*)重合,而是落在跨导曲线相交的小范围内(V)。除了获得更高的灵敏度,使用V作为工作点还可以消除在校准传感器性能时g~*和V(g~*)随分析物浓度波动的影响。本文应用(聚(3,4-乙烯二氧噻吩):溴百里香酚蓝)修饰OECT的栅极构建刚性pH传感器,进行了pH传感。在pH2-pH8的线性范围内,灵敏度高达124m V·pH,几乎是能斯特极限的两倍,这比V(g~*)获得的灵敏度高27%。本文还使用V来模仿突触的调制神经元构建仿生的pH传感器。通过将仿生pH传感器的工作点设置在V,同时用脉冲漏极偏压刺激OECT,突触装置在pH=7时同时呈现出8.75 ms的快速响应时间的优点。该响应速度比恒电位模式的结果(62.73 s)快三个数量级,而且pH传感器的能耗可以减少99.89%。开发可穿戴传感器的需求日益增长,这种传感器可以在早期无创地检测慢性疾病的迹象,从而可能实现自我健康管理。其中,柔性和可拉伸的电化学pH传感器尤其重要。本文基于聚酰亚胺薄膜制备了柔性可穿戴pH传感器,pH传感性能和刚性相当,应用超灵敏和超快传感测试方法标定传感器,然后用标定好的传感器来测试复杂样品(人工汗液和胎牛血清),与商用传感器进行比较。获得了令人满意的回收范围,从104.14%到113.50%,相对标准偏差为2.52%到6.45%。在生物神经系统中,离子通量主导着神经可塑性的调节。受这种生物学策略的启发,提出了有机电化学晶体管用于突触行为模拟。栅极功能化修饰后,在电介质层上添加pH缓冲溶液可以不同程度地调节源漏通道层的载流子密度。本文详细讨论了pH依赖的突触反应,如抑制性突触后电流(IPSC)和成对脉冲抑制(PPD)。总的来说,本文的实验结果提出了一个有趣的新概念,即突触器件的神经形态生物感应应用。

关键词： 亚阈值   超低功耗   低压差线性稳压器  

摘要： 近年来,系统芯片(So C,System on Chips)被广泛应用于物联网节点设备,如可穿戴健康监测胸贴、电力终端计量设备等,这类设备对于降低系统功耗、增强续航能力存在迫切需求。低功耗系统通常要求数字电路工作在低供电电压的亚阈值模式,低压差线性稳压器(LDO,Low Dropout Regulator)作为电源管理系统中的重要组成部分,为So C提供稳定的电压,其性能将直接影响整个电路系统的表现。无片外电容LDO(CL-LDO,Capacitorless LDO)具有面积小、集成度高等优势,因此已成为LDO研究的热门方向。为了实现整体功耗的降低,本文对亚阈值电路的工作特性与原理进行了研究,提出了一种具有瞬态响应增强模块的超低功耗CL-LDO设计方案。本文的主要研究工作包括:(1)低功耗CMOS基准源往往需要通过引入MΩ级的大电阻实现,因此会占用较大的版图面积,本文在避免电阻以及BJT引入的情况下,设计了一款n A级的偏置电流源,实现Sub-1V的电压输出,所提出的全MOS亚阈值基准源,面积小,功耗仅为n W级。该基准电路能在0.6V-1.8V电压下正常工作,线性调整率为0.719m V/V;在-40℃-125℃范围,能输出350m V左右的基准电压,温度系数为30.06ppm/℃,电源电压抑制比为-66.06d B。(2)为了满足亚阈值So C电路的低功耗需求,设计的LDO无需引入常见电路中包含的分压电阻,通过将运放反馈端与LDO输出端直接相连,LDO的输出电压近似等于基准源所提供的极低基准电压,实现了超低功耗。本文使用的运算放大器在常见电路结构的基础上增加了反向交叉耦合的结构,通过构建反向电流增大了第一级运放的输出电阻,提高了运放的整体增益,通过合理设置主极点,避免了复杂的频率补偿电路与片外大电容,减小了面积。同时,针对低功耗LDO在快速响应方面存在的缺陷,设计了瞬态响应优化电路,在负载跳变时,更快地调节功率管栅极电压,改善了瞬态特性。电路基于SMIC 55nm CMOS工艺设计,后仿结果表明,设计的LDO在0.7V-1.8V输入电压下,能够较为稳定地输出0.35V左右的电压,线性调整率为2.121m V/V,负载调整率为0.146m V/m A,当负载在1μs内,从0.1m A跳变至5m A的情况下,下冲电压可低至30.70m V,瞬态恢复时间可以低至0.619μs。瞬态性能得到了提升。

关键词： 低功耗   物联网   CMOS工艺   接收机   射频前端   能量采集   无线功率传输   可变增益放大器   自动增益控制  

摘要： 随着近年来设备规模的迅速扩大,物联网设备急需解决生态碎片化、传输距离受限、低功耗需求提升等挑战。面向低功耗需求的物联网设备通常具有功耗低、成本低、设备规模大、流量需求低的特点,广泛应用于家居/楼宇自动化、遥控、标签读写、无线传感、智能抄表等应用。本文基于这些需求,针对低数据速率的应用,开展sub-GHz ISM/SRD频段的低功耗高性能可配置射频接收机的研究,同时研究为收发机供电的射频能量采集芯片。此外,本文针对传统接收机中常用的可变增益放大器以及自动增益控制电路展开研究及优化。对于上述研究分别进行流片和测试验证。本文的主要工作和创新点如下:(1)基于多标准、低功耗、低成本的需求,研究大增益调节范围的低功耗dB线性可变增益放大器,设计并实现两款芯片:a)对传统可变增益放大器增益调节范围受限的原因进行分析,设计一款高精度dB线性的低功耗可变增益放大器。设计一款新颖且精简的dB线性增益控制模块,并与可变增益放大器进行协同设计,实现最小化的dB线性传输路径,同时优化电路功耗、dB线性精度以及dB线性调节范围。该设计基于标准55-nm CMOS工艺进行流片验证,增益调节范围高达62.4 dB,且dB线性误差仅为±0.4 dB,此外在80 MHz的恒定带宽下功耗仅为0.96 mW,核心面积仅为0.011mm。b)设计一款带宽可配置的高PVT稳定的可变增益放大器,并实现了自动增益控制。提出双模增益调节技术以突破原有设计对最大增益以及增益调节范围的限制,实现了 68.2 dB的增益调节范围,同时进一步优化了工艺及电源电压的稳定性。设计并引入与增益无关的可配置带宽以适用不同标准下的数据速率,并实现功耗优化。基于标准55-nm CMOS工艺对本设计进行流片验证,自动增益控制电路在40～110 mV的输入摆幅下实现了恒定输出,在80～140 MHz的可配置带宽下,自动增益控制电路的功耗可调节范围为2.95～4.49 mW,核心面积仅为0.026mm。(2)基于低功耗、高灵敏度、大范围可配置的性能需求,设计并实现一款低功耗低噪声sub-GHz低中频射频接收机。首先实现了一款改进的并联负反馈低噪声放大器,基于电流复用技术以及亚阈值特性实现了低功耗以及窄带匹配,且在增益可配置的范围内实现了噪声优化。其次实现一款IQ双路无源混频器以及跨阻放大器,通过采用class-AB运算放大器以及GBW补偿电阻实现跨阻放大器的功耗优化。最后实现一款增益可调的复数滤波器以降低中频功耗,并为滤波器引入GBW补偿电阻从而进一步降低功耗。该滤波器实现了镜像抑制,提供可编程的增益及中频带宽,同时提供了带宽校准功能。基于标准0.13-μm CMOS工艺对该接收机进行流片验证,增益在-16～90 dB范围内以6 dB步进配置,在全增益范围内镜像抑制率IRR>37.1 dB,在433 MHz下噪声系数仅为2.1 dB。该接收机在1.2 V电源电压下功耗仅为3.63 mW,核心面积为2.3mm。(3)基于低功耗物联网设备存在的低功耗、低成本、远距离传输的设计挑战,设计灵敏度优化的全集成2.4 GHz射频能量采集芯片。针对适合于高灵敏度的差分交叉耦合整流器开展了研究,并提出改进的交叉耦合整流器架构。改进架构通过阈值电压优化的栅压升压电路提升灵敏度,同时引入二极管单边自偏置以抑制整流器的反向泄漏电流,从而优化效率。此外,设计了电源管理单元以解决输入环境功率突变对能量收集效率的影响。针对两款不同的整流器,结合电源管理单元设计能量采集系统,实现片上匹配的同时基于封装进行了仿真优化。基于标准40-nm CMOS工艺进行流片验证,在400 mV输出电压下的灵敏度为-14.8 dBm,峰值效率为18.2%。

关键词： 水下油气开采   全电式水下闸阀执行器   低功耗保持机构   保持力  

摘要： 在水下油气开采领域，水下生产系统的应用最为广泛，随着水深的增加以及传输距离的变长，全电式水下生产系统将逐渐取代传统的电液复合式。作为系统的最终执行单元，全电式水下闸阀执行器通过控制生产管路的通断，实现对水下油气的开采。我国在这个领域的技术尚不成熟，与发达国家存在一定的差距，开展对全电式水下闸阀执行器相关技术的研究，对于填补我国在水下油气开采领域的空白具有深远的影响。　　本文依据课题的设计指标与水下设备的实际工作环境，完成了闸阀执行器的总体方案设计。针对执行器需要具备的功能，设计了一种阀门位置可视化的位置指示机构;提出了一种将复位弹簧作为储能元件的失效-安全关断机构;为了满足闸阀执行器长期开启的需求，设计了一种低功耗保持机构，该机构以电磁铁作为驱动元件，通过螺旋传动与凸轮传动将电磁铁的驱动力转化为闸阀执行器的保持力。针对执行器电气系统的控制驱动原理，确定了控制系统与驱动系统的元件组成。　　针对本文闸阀的结构，分析闸阀启闭时阀杆受到的静载荷。以动量定理为基础，结合孔口流动的伯努利方程以及连续性方程，对稳态液动力与瞬态液动力的理论值进行分析。得到了执行器驱动闸阀时需要提供的开启力与关闭力，并以此为基础设计了复位弹簧以及驱动机构的螺纹副，确定了驱动电机与减速器的型号;设计了一种基于阻尼孔的自循环式缓冲机构，基于微元的思想，确定了满足设计指标的最佳阻尼孔直径。　　依据结构设计的结果，分析执行器低功耗保持机构的性能。首先建立其载荷模型与运动模型，得出性能评价指标与设计参数之间的关系。然后基于Morris筛选法，并结合数学软件对设计参数的影响规律与敏感度进行分析，结合优化模型与执行器尺寸的限制，确定了机构的最优设计参数。最后对加工误差的影响进行研究，利用蒙特卡洛法对其进行统计分析，得出机构在确定的设计参数与加工误差下的性能分布范围。　　根据水下设备实际的工作环境，搭建出一套相应的测试系统，针对执行器各机构所对应的各项关键功能，对研制的工程样机进行试验，验证了电气系统的监测功能与冗余功能，以及机械系统的冗余驱动、失效安全关断和阀门位置指示功能，并且，本文研制的闸阀执行器能够以一个很低的功率维持阀门长期开启，具备低功耗保持功能。