关键词： 机器视觉   缺陷检测   多线程   ROI提取   深度学习  

摘要： 工厂流水线上,汽车马达的表面异常检测方式是通过人工目检来判断,工人仅凭经验在较短时间内识别几个常见的缺陷,检测精度和准确率不高。本文研究将机器视觉技术引入到自动化缺陷检测活动中,考虑到马达自身形状的特殊性,采用机器人抓取马达绕拍的图像采集方案,实现马达六个面图像的采集。本文主要从系统硬件搭建、系统软件设计和检测算法开发三大部分进行介绍,最后对检测算法的检测效果进行实验验证,并给出满足产线节拍要求的部署方案。 系统硬件的搭建包括硬件选型和工装夹具的设计,选择合适的相机和打光方案,能够确保获取高质量的原始图像。详细阐述了相机及镜头、LED光源、机械手气缸、工控机、显示器和路由器的选型过程,并对使用的KUKA机器人性能参数进行描述,以便实验平台的搭建布置。设计的检测系统模型采用了1台机器人、2个相机和3个光源,利用Solid Works软件运动仿真了机器人30个拍照点位的轨迹。 系统软件基于Windows 64位操作系统,采用Python语言进行开发,采用多线程并行的方式进行控制,包括系统通信控制模块和检测算法模块两部分。通信程序作为主线程,要实现上位机分别与机器人、相机和光源控制器的通信控制;检测程序作为子线程,包括初始化部分、图像预处理部分和检测算法部分。 根据马达表面缺陷的特点和检测的难易程度,设计了检测算法三大模块,包括感兴趣区域(Region of Interest,ROI)提取算法、基于传统视觉的缺陷检测算法和基于深度学习的缺陷检测算法。其中,基于传统视觉的缺陷检测算法用以检测Pin针形态、正面铭牌印刷、O型圈外露、定子壳划痕和定子壳螺钉等缺陷;基于深度学习的缺陷检测算法用以检测拱形定位孔、圆型定位孔、热熔胶、卡扣和输出螺纹等缺陷。

关键词： 农田监测   LoRaWAN   MQTT   低功耗  

摘要： 随着物联网技术的发展,农业也向智能化和现代化方向转变。通过传感器和无线通信技术实现对农田环境的监测,及时获取农业环境信息对农业生产至关重要,有助于用户做出更科学的决策。然而,Zig Bee、Wi-Fi、4G等传统无线通信技术在通信距离、功耗、传输质量和组网等方面存在诸多限制,难以满足大面积农田环境监测的需求。本文综合嵌入式技术和无线通信技术,设计了基于LoRaWAN的低功耗农田环境监测系统。该系统的覆盖范围广、功耗小、成本低、对蜂窝信号依赖小,可以很好的解决上述农田环境监测存在的问题。本文主要工作和创新点如下:(1)针对传统数据采集设备功耗高和传输质量差的问题,设计了用于农田监测的低功耗数据采集终端和网关。对数据采集终端及网关的硬件电路进行了专业的低功耗设计,同时应用了低功耗数据采集技术和深度休眠技术,并针对不同传感器在功耗方面进行特定的优化,使数据采集终端在数据发送时,电流均值降至13.63m A。2000m Ah电池工作年限可达2～3年,系统成本得以降低。(2)针对常规数据采集软件通用性差和高度依赖蜂窝信号的问题,设计了专用于农田环境监测的嵌入式软件。该软件能够自动识别和适配不同的传感器并实现数据采集,同时通过深度休眠技术来控制单片机的休眠,降低了系统功耗。此外,在嵌入式软件上实现了基于LoRaWAN技术的数据传输,使系统的数据采集终端和网关之间的通信不依赖蜂窝信号。只需网关处于蜂窝信号的覆盖范围内,系统就可以实现远距离的数据传输,避免了农田环境监测系统对蜂窝信号的高度依赖。(3)本文在完成低功耗数据采集终端、网关与嵌入式软件的基础上,实现了农田环境信息的采集与传输,并设计了可视化云监测平台进行显示。该平台实时汇总监测的所有环境数据,并将数据以文本和图形的方式显示,方便用户及时的获取农田环境信息。此外,该平台还具有历史数据查询及警告功能,方便用户对农田环境数据进行分析决策,从而实现对农田环境的智能化管理。本文研发的农业低功耗墒情传感器已经在呼伦贝尔农垦集团大河湾农场、安徽芜湖稻麦轮作无人化农场基地、安徽亳州玉麦豆轮作无人化农场示范基地进行了示范应用,效果良好。图[52]表[11]参[77]

关键词： 时间序列预测   LSTM神经网络   注意力机制   多线程   深度学习  

摘要： 随着办公逐渐呈现智能化趋势,工作中信息的传递也逐渐转变为数字形式,人们对下载文件的各类需求逐渐升高,如何高速下载也成为近些年的技术热点。本文以某公司局域网下载系统为背景,研究了一种基于下载速度预测的多线程分段下载算法,以提升文件下载速率,增加下载过程抗灾性,节约下载时间。本文完成的主要工作有:首先,以时间序列预测为研究对象,构建了名为PA-LSTM的时间序列预测方法,用于下载速度的预测。在该方法中,使用CEEMDAN对数据进行预处理,同时通过PSO算法调整时间注意力机制权重。实验数据表明,PA-LSTM方法在时间序列预测的RMSLE以及MAE评价指标上优于目前较优的ConvLSTM方法,能够较为准确预测未来下载速度的变化,其中RMSLE指标较ConvLSTM相比降低了 0.009,MAE指标较ConvLSTM相比降低了 0.003。同时,以实际下载文件为背景,人工搜集、筛选大量真实下载数据,构建了不同带宽和网络环境下的下载速度数据集,一共包含8种类别,7534条下载速度数据,用于PA-LSTM的训练与测试。其次,构建了一种新型的多线程分段下载的方法。该方法中,不同线程运行不同下载链接,对于每个下载链接用PA-LSTM预测未来平均下载速度,用灰色模型解决数据预测冷启动问题,根据预测结果给下载的文件按比例分配不同数量的数据块,以减少下载过程中线程切换和分配数据块的时间。该下载方法可以充分利用每个下载链接的实际下载速度,从而大幅提升文件总体下载速度,节约下载时间,符合未来的文件下载趋势。最后,在PA-LSTM下载速度预测方法以及多线程分段下载方法的基础上,本文使用了 Electron、JavaScript、以及Vue等相关技术,设计并开发了基于下载速度预测的多线程分段下载系统,并实现了下载链接下载、BT 下载、下载监控、下载队列存储等相关功能。本系统操作简单、实用性强、使用范围广,具备一定的使用价值。

关键词： 超声波流量计   充电时间测量单元   dsPIC33EV   时差法  

摘要： 超声波流量计凭借其非接触、易于安装和不改变流体运动状态等优点,被广泛应用于井下石油测量分析。然而,常见的以GP21为时间测量芯片的时差法超声波流量计,在进行井下流量测量时,具有硬件电路模块过多,且功耗相对较高的缺点。针对这一问题,本文设计了一款低功耗小型化的井下超声波流量计。首先,基于时差法超声波流量测量的研究。采用了低功耗芯片ds PIC33EV作为系统的主控芯片,选用其内部的充电时间测量单元(CTMU),对超声波在流体中传播的顺逆流时间进行测量。根据低功耗芯片的选型和CTMU技术测时间的原理,设计了井下超声波流量测量系统的硬件电路控制模块和基于CTMU的超声波时间测量模块。结果表明,该设计用一个芯片同时实现了两个电路模块的功能,能够有效的改善了系统的功耗,减少了硬件电路模块。在此基础上,基于超声波的传播特性,以低功耗和小型化的要求为前提,设计了超声波信号驱动电路、接收放大电路和信号调理电路。利用AD软件绘制出了井下测量硬件电路原理图,焊接电路制板(PCB)。此外,针对井下超声波流量测量时,流量计不易随时查看测量数据的问题,设计了数据存储和传输电路。利用LabVIEW软件进行井上上位机处理系统的设计,将测量数据传输到上位机,进行数据处理。根据所选芯片参数和性能,设计了相应的软件程序,对设计的电路模块进行调试。最后,通过搭建室内试验平台,经过多次反复的试验测量,结果证实了本文设计的超声波流量计具有低功耗小型化的性能。且测量系统稳定性高,精度满足设计要求,对后续的研究具有重要的意义。

关键词： 自适应电压调节技术   低功耗设计   关键路径时序监测   自适应电压调节总线  

摘要： 随着半导体制造工艺的迅速发展,构成数字电路系统的晶体管的特征尺寸越来越小,在相同面积上集成的晶体管数量呈数量级上升,导致芯片单位面积上的功耗不断增加,并使芯片系统的能耗问题成为影响半导体行业发展的重要因素。为了保证数字电路系统在工艺、电压、温度(Process,Voltage,Temperature,PVT)偏差以及设备老化损耗等因素的影响下能正常工作,芯片设计者通常在设计阶段预留一定的时序余量,但同时造成了芯片功耗及性能的浪费。自适应电压调节(Adaptive Voltage Scaling,AVS)技术作为一种能够监测芯片系统时序并实时调控供电电压的低功耗方法,能够有效降低甚至消除在设计阶段保留的设计余量,从降低电路系统工作电压的角度来达到降低功耗的目的。本文基于降低芯片功耗的需求,对芯片中关键路径的时序信息的获取展开研究,设计了一种基于间接时序监测的AVS结构,并使用AXI协议改进传统的自适应电压调节总线(AVSBus),完成片上系统与负载点电源控制设备的点对点通信。本文的主要工作及创新如下:1、提出了一种基于间接时序监测法的自适应电压调节方法。本文通过串联反相器的方法构建延时链,在对数字负载和反相器延时链进行时序分析的基础上,确定了延时链的长度,以实现对关键路径延时变化特性的模拟,结合AVSBus最小粒度的电压读写确定时序余量监测延时链的长度。使用触发器构建了一种轻量化的时序监测单元,通过采样反相器延时链特定位置的信号翻转情况,间接获取关键路径的时序信息,解决了直接在关键路径末端插入时序监测单元导致的设计困难和结构复杂的问题。2、结合AXI协议改进了传统的自适应电压调节总线。本文在使用verilog实现传统AVSBus的基础上,使用AXI协议对AVSBus进行了接口转换,并采用AXI协议中的VALID/READY握手机制加强片上系统对通信的控制,同时设计了相应的局部寄存器文件以及传输数据的帧结构,使用3位循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check,CRC)码校验传输数据,通过AVSBus从机再同步机制恢复线路噪声以及其他人为因素导致的错误状态。3、对设计的AVS系统进行了功能验证和性能评估。搭建了基于通用验证方法学(Usual Validation Methodology,UVM)的模块级验证平台,完成了设计代码的功能验证。基于某厂家12nm工艺对设计模块进行了逻辑综合,总的综合面积开销为2656.85μm。收集了验证测试覆盖率,并使用PTPX对不同工作频率下的自适应电压调节电路以及数字负载进行了功耗分析,当工作频率从1.3GHz下降到0.8GHz时,最多取得了53.4%的功耗收益。

关键词： 模拟前端   自平衡桥   加速度计   低功耗   电容读出电路   低噪声  

摘要： 随着当前物联网云计算技术的飞速发展,传感器成为了当前的热门话题。其中,加速度计是一种测量物体加速度的惯性传感器,在许多领域中受到广泛的应用。特别是电容式硅微加速度计,由于其精度高、功耗小、噪声低、易于集成等特点,在众多领域中起到了不可替代的作用。同时在移动/可穿戴式物联网对超低功耗的应用要求下,使得设计与电容式硅微加速度计适配的超低功耗高性能模拟前端电路具有重要意义。本文基于当前国内外的研究现状,采用SMIC(中芯国际)0.18μm CMOS工艺,研究和设计了一款低功耗低噪声硅微加速度计模拟前端集成电路,其主要包括由运算放大器和电平移位器构成的模拟前端核心电路和增益控制级模块。其中,模拟前端核心电路采用拥有高线性度且不需要载波驱动的自平衡桥架构,实现低功耗条件下电容信号检测和电压输出转换,同时配合前馈降噪技术以及相关双采样技术以实现低噪声和高分辨率的设计目标。基于自平衡技术的模拟前端核心电路转换输出电压信号通常较小,经增益控制级可实现电压信号的放大,以满足后续模数转换器的最大量程输入。增益控制级同时利用相关双采样技术以降低运算放大器的失调以及电路中的低频噪声,使电路拥有更好的噪声性能。仿真结果显示,模拟前端电路在总功耗265n W,增益控制级放大倍数为3倍时,可以将频率为100Hz,动态电容峰值为0.1p F,静态电容为1 p F的加速度计电容信号转换为预期的电压信号。并且等效输入噪声为45.11a F/Hz@100Hz,满足100a F的电容识别度指标。本文所设计的硅微加速度计模拟前端电路具有低功耗低噪声和高分辨率的特点,拥有广阔的应用市场前景。

关键词： 本质安全型   气体超声流量计   二重转压   阻抗匹配   低功耗  

摘要： 为减少天然气在贸易过程中因计量器具精度差而产生的纠纷,许多国家将精度高、量程宽、压损小的气体超声波流量计作为天然气贸易的标准计量工具。但天然气属于易燃易爆气体,对气体超声波流量计的防爆性能要求极高,其中本质安全型防爆形式因其重量轻、尺寸小、成本低等优点成为气体超声波流量计防爆的首选方式。但本质安全设计会限制气体超声波流量计系统的整体能量,导致其流量测量精度随之下降。为解决气体超声波流量计的本质安全性能和流量测量精度无法兼备问题,本文进行了以下研究:（1）对气体超声波流量计的供电系统进行了本质安全设计,为增强供电系统的保护性能,设计了基于LTC4364芯片的二级过压过流保护电路;针对其主控制板需多电压供电及供电电池能量有限的问题,提出了基于二重转压的本质安全供电方案,提高了电源电压转换效率,延长了供电电池的使用时间。（2）对气体超声波流量计的驱动电路进行了本质安全设计,在变压器前后级电路中,增加了限流电阻和稳压模块限制变压器的储能。为降低激励信号从形成到换能器接收过程中的能量损耗,提高信号质量,对换能器的阻抗匹配电路进行了研究,提出了改进型的LC阻抗匹配电路,并验证了该电路的有效性。（3）在气体超声波流量计的回波信号处理以及降低系统功耗方面进行了本质安全性能优化。设计了回波信号的阻抗匹配、放大、滤波电路,提高了回波信号的信噪比。降低系统功耗方面,在软件上采取了减少采样次数、限制采样开启时间和设置测量周期的措施;在硬件上进行阻抗匹配设计提高能量利用率,并且采用超低功耗可关断芯片为核心构建各电路模块,降低系统的静态功耗。（4）本文完成了本质安全气体超声波流量计样机的研制,通过对样机进行本质安全校核及性能测试,结果表明:样机在本质安全性能上达到了EXiaⅡB T4的防爆等级,且供电电池使用时间可达到3年以上;对样机进行了流量检定实验,结果表明:样机在1～180m/h的流量范围内可达到1.0级的仪表精度。

关键词： 低功耗模块   扫描链   可测性设计   统一功耗格式   自动测试向量生成  

摘要： 随着半导体技术的不断发展,芯片规模和工作频率越来越大,从而带来了严重的功耗问题。为了解决这个问题,人们广泛应用低功耗技术到芯片设计中。但是,低功耗技术的应用使得芯片的测试环境更加复杂,测试模式下错误的功耗配置会直接导致测试失败。同时,由于工艺尺寸的不断缩小,芯片内部出现的物理缺陷也导致产品失效的问题日益突显,对芯片可测性的要求也越来越高。目前,针对低功耗模块电路的可测试性设计尚未有统一的解决方案,迫切需要开展相关研究。 本文以一个含有低功耗模块的IP核为基础,在完成测试架构设计的基础上提出了一种基于统一功耗格式(UPF)的可测性设计与验证方案。该方案可有效提高测试模式下功耗配置识别的效率,从而解决低功耗模块测试困难、迭代次数多的问题。本文主要工作和创新之处如下: (1)基于低功耗模块IP核的的特点、测试难点和测试需求,采用自顶向下的设计方法,开展了可测性电路的设计研究。该可测性电路包含以下基本组件:联合测试工作组(JTAG)模块、片上时钟控制(OCC)模块以及内嵌式确定性测试(EDT)模块。其中,JTAG网络用于解决测试模式下信号配置的问题,并可扩展内部测试寄存器。OCC电路可解决不同测试模式和测试阶段下时钟切换的问题。EDT电路通过解压与压缩逻辑扩展了内部扫描通道,提高了芯片测试效率。设计完成后,使用仿真工具对其进行仿真验证以确保其功能正确。 (2)基于扫描测试技术原理,采用单电压域扫描测试法,开展了基于UPF的可测性实现研究。首先对待测IP进行UPF设计实现,待测IP核采用多电压域设计技术。通过插入电源开关单元实现电压域的关断功能。通过在电压域之间插入隔离单元、电平转换单元解决不同电压域间信号传输问题。论文采用UPF进行低功耗模块设计实现,随后在其基础上完成可测性设计实现。针对每个电压域单独插入扫描链,完成单电压域下的扫描链实现,消除低功耗模式下不同电压域之间扫描单元的串扰问题。通过插入Wrapper结构提高了IP核各个子模块端口间互联逻辑的可控性与可观测性。通过对各个模块嵌入EDT逻辑实现对子模块的独立控制。结合UPF完成功耗感知(Power Aware)自动测试向量生成(ATPG)实现。 (3)基于Power Aware ATPG仿真和功耗仿真结果,开展关于Power Aware ATPG验证、覆盖率、功耗分析研究。结果显示Power Aware仿真可以快速的定位到功耗模式配置错误的问题,能够保证在生成传统的故障模型测试向量的同时确保芯片测试在当前的功耗模式配置下可以良好的完成。覆盖率和功耗分析结果显示wrapper结构对于SAF模型和TDF模型而言可以分别提高3%和1.5%的测试覆盖率,EDT低功耗模式对于SAF模型和TDF模型而言可以分别降低23%和19%测试功耗。单电压域扫描链结构对测试覆盖率影响不大,但基于不同电压域的分块测试可以降低23%峰值功耗和21%的平均功耗。 本文研究的低功耗模块IP核的可测性设计与验证方法具有较强的通用性,对其他具有低功耗模块芯片的可测性设计具有一定的参考意义。

关键词： 火险环境感知设备   WSN   LoRa   低功耗   NB-IoT   森林火灾  

摘要： 林火监测是实现森林火灾“早发现”的关键环节,森林火灾信息感知则是开展林火监测的四种能力之一。在当前森林火险环境感知领域,常规的方案有:基于3S技术的环境气象因子反演手段评估森林火险,但由于卫星空间分辨率与其重访周期无法平衡,导致森林火险评估的准确度差;利用可见光与热红外成像结合的视频监控技术进行火灾监视,但它易受云雾干扰,且存在明显的滞后性问题,无法实现“早发现”;基于Zig Bee的WSN地面系统实现对森林火险的感知,但却存在着林下通信距离很短和抗干扰能力差等显著缺点,大范围部署时成本巨大。因此,构建新型的大范围、远距离、高精准性的实时森林火险环境感知系统十分重要。本文利用LoRa无线通信技术和NB-IoT物联网技术开展面向复杂林区火险环境感知的无线传感器网络集成设计,通过对节点硬件电路和嵌入式软件控制流程算法的设计,构建了具有智慧感知、信息收集、局部决策、协同调控等优点,能够实现感-传-控应用目的的火险环境感知方案。本文的工作与成果可以概括为:(1)对基于WSN的火险环境感知的设计需求进行了分析和说明,分析了实现该感知系统所需要采集的环境因子种类以及适合复杂林下环境的射频和物联网通信方式,接着对设计原则和总体框架进行了详细的阐述,最后从嵌入式硬件平台和软件平台两方面对本方案的设计内容进行了介绍。(2)对各类节点的功耗进行了具体且全面的分析,并给出了不同电路的能耗计算方法,还提出了延长节点工作寿命、优化节点能耗的多种方案:在硬件电路方面,提出了通过程控开关控制能耗、使用中断-触发唤醒电路优化网络的响应时间、引入无线电唤醒技术解决突发状况下的网络唤醒等能耗控制方案;在软件算法方面,设计了利用火险预测模型调整环境因子采样率、根据时间和空间自适应原则动态调整节点休眠时间和射频信号收发功率等能耗优化方案。此外,为了保障节点工作的稳定性和持久性,还给出了节点(即设备)在野外环境下的多种防护举措。(3)从功能、性能以及整体稳定性三个方面开展相关测试,通过室内室外实验的方式对网络的主要指标进行定性或定量的描述。测试了该WSN系统在林下环境因子智能感知和采集、节点自组网、区域定位和上传数据至云服务器等方面的实际效果,以及在系统中引入优化策略后节点的功耗控制情况和系统稳定性。在这些测试结果进行分析和评价后,还提出了一些有助于节点性能完善和高效部署的建议,如射频天线的指向问题、区域内节点数量计算问题、网络工作寿命预测问题等。

关键词： 低功耗   门控时钟   UPF   多电压   门控电源   多阈值  

摘要： 随着集成电路的工艺节点越来越小,片上集成度和规模大幅提升,一颗芯片上集成的门级单元可达上亿个,加上芯片运行时需要的时钟频率显著增加,由此带来的功耗密度增大和总功耗过大等问题越来越严重。另外电源电压和晶体管阈值电压的降低使芯片的漏电流显著增加,这些客观情况造成的结果是功耗已达到芯片可接受的极限。功耗问题会给芯片带来诸多不利影响。高功耗容易使芯片在运行期间温度过高,而温度过高会使芯片的性能下降,并且降低芯片的可靠性。为了降低芯片温度需要提高成本使用陶瓷封装,甚至需要复杂昂贵的散热器和冷却系统。高功耗也会缩短便携式设备(如手机、平板等)的电池寿命,会增加大型计算机、服务器等大型电子设备的供电成本。如今,功耗问题已成为集成电路设计中与性能、面积同样重要的因素,是衡量芯片商业价值的重要指标。本文首先介绍低功耗技术的研究背景与意义,然后详细分析芯片的功耗来源,并研究现今主流的低功耗设计方法,包括实现方式较为简单的时钟门控技术和多阈值电压技术,还有实现多电压和门控电源技术需要使用的基于UPF的低功耗设计方法,最后基于实习公司的一个SoC项目进行低功耗设计,然后查看设计结果是否符合预期。进行门控时钟和多阈值电压设计时,采用原本的设计架构和传统的设计流程即可实现这两种技术。但是在进行多电压和门控电源设计时,必须要规划电源域和采用特殊低功耗单元,所以本文首先介绍统一功率格式UPF标准和使用UPF进行低功耗设计的流程,然后在本SoC项目原本的架构上规划出新的低功耗设计架构并编写UPF文件,再进行基于UPF文件的DC综合并查看综合结果,最后对综合后的网表+UPF’和综合前的RTL代码+原始UPF做形式验证。本设计的综合报告表明相关结果符合预期,使用低功耗技术可显著降低电路功耗,形式验证结果表明综合前后电路的逻辑功能一致。