关键词： 集成化   低功耗   宽分频比   锁相环   轨到轨运算放大器  

摘要： 随着消费类电子的市场需求逐渐扩大,出于便携性、成本和使用时间考虑,绝大多数电子设备都在向着低功耗和高度集成化的方向努力,这也对这些电子设备的时钟产生电路提出了易于集成、低功耗和高性能等要求。锁相环（Phase-locked Loop,PLL）可以给这些电子设备提供灵活稳定的时钟信号,是这些电子设备中最为重要的单元电路。相较于其他单元电路,锁相环电路在系统中占据了较大的面积,并且一些电子设备需要使用32.768k Hz晶振作为锁相环的参考时钟来减小功耗以满足长时间的使用要求。为了满足系统时钟频率的要求,需要锁相环电路的输出频率达到晶振频率的千倍。因此需要设计一款满足低频输入,并且具有集成化宽分频比特点的锁相环电路。本文正是围绕低频输入和集成化宽分频比两方面对锁相环电路进行研究。 本文从集成化宽分频比锁相环的研究意义出发,归纳了锁相环的主要类型,总结了锁相环电路的研究现状。对锁相环系统的工作原理进行了介绍,讨论了电荷泵锁相环的主要性能指标。以连续线性模型为基础分别推导了环路稳定性和瞬态响应的数学表达式,还给出了关键模块的噪声传递函数,并介绍了压控振荡器的两种噪声模型。 接着对锁相环内部关键模块的工作原理和电路架构进行了详细的说明。为了达到设计目标,采用了恒定带宽技术和电容倍乘技术,在传统电荷泵的基础上设计了一款输出电流可编程的电荷泵来实现恒定带宽。提出了一款新型低噪声轨到轨运算放大器来减小运算放大器对锁相环相位噪声的影响。对两级伪差分环形振荡器的相位噪声和起振条件进行了详细的数学推导,给出了设计时的理论指导。以2/3双模分频器为基础,设计了两个固定模数的分频器,并最终得到一款低功耗可编程分频器。同时给出了电荷泵等模块的仿真结果。 最后完成了锁相环电路的整体仿真、版图设计和优化以及后仿真。验证了锁相环的工作温度、整体功耗、面积和输出时钟抖动等关键参数,并利用Matlab软件拟合关键模块的噪声,为进一步优化相位噪声提供了方向。 本文基于55nm 1P6M CMOS工艺、2V电源电压设计了一款集成化宽分频比锁相环,输入频率为32.768k Hz,输出频率范围为16.38MHz-49.15MHz,有效分频范围500-1500,核心电路面积仅为0.15mm2。环路锁定后,2V电源电压下的整体功耗小于0.244m W,锁相环电路在1MHz频率偏移处相位噪声低于-107d Bc/Hz,工作温度范围为-40℃-125℃。

关键词： NB-IoT   蓝牙5.0   室内定位   低功耗  

摘要： 随着无线通信技术的广泛应用和物联网技术的迅猛发展,基于位置的服务作为移动互联网的基础服务之一,为人们日常生活尤其是交通出行带来了很大的便利。当前,全球定位系统(GPS)是应用最为广泛的位置服务技术之一,它在室外环境下能够实现较为精确的定位;然而,在复杂的室内环境下,由于建筑物对于卫星信号的遮挡或屏蔽,会增加定位的难度并降低定位的准确程度。此外,要保持实时性较高的的位置感知功能,终端在定位过程中的功耗是一个至关重要的指标;GPS终端由于要接收卫星信号,并时刻保持定位功能的开启,这使得它的功耗相对较大。一般来讲,部署GPS功能的可穿戴设备的电量仅仅能维持几天或更短时间,频繁的充放电或者更换设备使得GPS等定位技术在物联网的应用中存在诸多瓶颈。基于以上两点,室内定位技术的研究成为一个热门方向,如何在提高定位精度的基础上降低功耗成为解决问题的重点。在主流的室内定位方案中,基于低功耗蓝牙的Ibeacon定位方式由于其低功耗、便于部署的优势,获得了较为广泛的应用。目前市面上的蓝牙室内定位设备多采用蓝牙采集设备及通信网关+蓝牙信标的方式来获取并传输位置信息数据,虽然方案成熟但缺少灵活性,在易变化的室内环境下需要部署蓝牙网关,造成不便并影响使用。本文设计了一种基于NB-IoT的蓝牙室内定位系统,将NB-IoT模组连接到蓝牙5.0采集模块上,无需通信网关,在采集蓝牙信标数据的同时通过NB-IoT窄带物联网发送数据到后端系统,以实现一种更为便捷且易于部署的蓝牙定位方案,并利用了 NB-IoT在低功耗方面的优势,使设备在待机时的3.3伏锂电池的供电电流降至4.5μA左右,且设备尺寸较小利于携带和部署,降低了部署难度,同时避免了频繁充放电带来的较难应用的问题。本文还对定位算法进行了研究和优化,研究了基于蓝牙RSSI的测距定位算法,并验证了改进加权因子后三角质心定位算法的精度得到明显提升,同时搭建了后端位置数据处理系统和前端定位演示页面,并在实验室及楼道环境中对基于Ibeacon的蓝牙室内定位方案进行了测试,对采集到的位置信息数据进行滤波及分析。测试结果表明该系统在约0.192个/m2的蓝牙信标节点密度下,经滤波及改进定位算法后,定位的平均距离误差仅为0.7828m,完成了低功耗下的精度设计要求,满足了室内定位应用需求。根据本论文的研究成果为基础,配合厂家开发出了建筑工地的智能安全帽管理系统,应用在北京住总集团的光华里建筑工地现场,取得了良好的应用效果。

关键词： 树莓派   Python   多线程   定时任务  

摘要： Python语言功能强大，树莓派也广泛应用于高校学生的扩展学习和各种竞赛。本文利用继电器扩展板实现了一个基于树莓派的可视化开关监控软件，灵活应用Python的列表表达继电器及其状态，综合应用了多线程和定时任务，软硬结合，具有一定的趣味性和实用性，既可用于Python的教学，也可用于树莓派的扩展学习。

关键词： 教学模型机   指令生成   流水线重叠执行展示算法   计算机教学  

摘要： 随着《计算机组成原理》教学内容的不断深入,目前各高校对于CPU的教学工作也已逐步成熟。在当前CPU教学领域中,基于MIPS指令集或是基于RISC-V指令集的CPU教学模型机被广泛使用,但目前鲜有基于国产指令集所设计的教学模型机。另外随着网络技术的兴起,部分高校针对模型机的教学工具也已经由线下实验箱转到线上虚拟仿真平台,很多实验系统在一定程度上让学生更直观的了解到模型机运行时的数据变化情况,为学生进行模型机实验带来了非常多的便利,但是大部分系统在模型机执行和验证时还存在着一些不足。针对以上问题,本文基于国产指令集架构LoongArch架构进行教学模型机的研究,并在模型机执行与验证方面对当前的远程教学实验环境进行模型机实验辅助模块的设计,完成了如下工作:(1)针对目前CPU教学领域鲜有基于国产指令集教学模型机的问题,本文针对国产LoongArch架构设计出一款可供教学使用的单周期和流水线的教学模型机。在基本5级流水线教学模型机基础上加入了数据前递,分支预测等数据通路中相关问题的解决方法,最后结合Cache进行设计实现。本课题设计的模型机在教学中的表现,可以很好地让学生了解国产指令架构中复杂模型机的执行方式。(2)针对传统模型机实验系统进行模型机验证时需要手动编写测试指令用例的问题,本文提出一种随机生成+特殊情况规划的LoongArch测试指令生成方案,通过用户对测试指令序列的要求,生成可供LoongArch架构的模型机使用的指令测试序列,提高了指令生成的效率以及模型机的验证效率。(3)针对模型机执行时无法一目了然地知道指令所在的阶段的问题,在我校FPGA远程虚拟实验系统的基础上,提出一种流水线重叠执行展示算法,该算法根据实验板扫描链返回控制信号的变化,来控制模型机各阶段指令信息的可视化显示。该算法可以大大提高学生在学习流水线模型机时的效率。最后对本文设计的教学模型机及其辅助模块进行了验证,实验结果和验证结果都表明本文的设计达到了预期目标,满足日常的教学需求。

关键词： FeSiAl软磁复合材料   原位包覆   磁性能   涡流损耗   磁滞损耗  

摘要： 软磁复合材料作为电力转换和信息传输的关键材料,拥有磁致伸缩系数为零、饱和磁化强度高、磁芯损耗相对较低等综合优势,已被广泛应用于磁线圈、电感器和电磁干扰滤波器等电子设备。随着工业领域对软磁材料的需求日益升高,但是磁芯在高频下的损耗严重阻碍软磁材料的应用。为了解决气雾化FeSiAl磁芯的高损耗问题,本文从绝缘包覆过程中入手,通过解决包覆层厚度与不连续性造成涡流损耗迅速增加的问题,采用磷酸、硅酸钠及树脂制备了多重包覆层结构的新型磁粉芯;通过氧化钼原位包覆制备低损耗磁粉芯。研究结果如下:(1)采用磷酸、硅酸钠及树脂制备多重包覆层结构的新型磁粉芯。通过磷酸可在FeSiAl粉末表面形成磷酸盐绝缘层,在磷酸盐包覆层基础上制备了硅酸钠包覆层,并在这两层包覆层之后加入了硅树脂作为最后的绝缘层。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)对包覆后的磁粉进行微观形貌表征,对其内部化学成分进行分析,在高温退火后对样品磁性能的变化进行探讨。结果表明:在100 kHz、50 mT条件下,磷酸含量为3 wt.%的磁芯总损耗(P)最低,为133.98 mW/cm,在50 kHz、50 mT时总损耗(P)为53.45mW/cm,平均有效磁导率(μ)最高,为50.91。(2)采用氧化钼原位包覆工艺制备低损耗磁粉芯,钼酸铵一次分解形成氧化钼,然后进行粘结、压制成型,最后经二次热处理使氧化钼熔融原位均匀包覆在磁粉芯表面的工艺。通过在FeSiAl粉末上涂覆MoO制备磁芯并对磁性能进行分析。结果表明:在50 mT/100 kHz,400℃一次退火,700℃二次退火条件下钼酸铵含量15 wt.%的FeSiAl/MoO磁芯拥有最低磁芯损耗(P)128.8mW/cm,这是低于大多数软磁复合材料相关文献的结果。损耗分离结果表明,涡流损耗值小于磁滞损耗的1/3,证实FeSiAl颗粒表面形成了完整的绝缘层。(3)在低损耗磁粉芯氧化钼原位包覆工艺基础上,为了提升软磁复合材料的有效磁导率,通过改变钼酸铵的用量及改变磁粉粒径,来调节软磁复合材料的有效磁导率并提升磁芯的性能。结果表明:通过调节钼酸铵用量,2 wt.%钼酸铵完全包覆在FeSiAl颗粒上,在1800 MPa压力下获得优秀的磁导率(μ=61.5)、最低矫顽力(H=3.3A/m)、最低磁芯损耗(P=60.9 mW/cm)。

关键词： 丝杠支撑轴承   摩擦功耗   参数优化   温升模型  

摘要： 随着航天装备向高速、重载、高精度、高可靠性方面发展,要求航天装备用丝杠传动机构的性能也越来越高。丝杠支撑轴承是丝杠传动机构的重要部件,高速、重载等引起的轴承摩擦热对丝杠机构的温升、功耗等产生重要影响,甚至造成机构卡滞等故障,严重影响航天装备的运动性能和工作可靠性。开展丝杠支撑轴承的热特性研究,对丝杠支撑轴承的优化设计、提高丝杠传动机构及航天装备的运动精度、工作可靠性均具有重要意义。 本文以某航天装置用丝杠支撑轴承7602012为研究对象,在Hertz接触理论的基础上,建立滚动轴承力学模型,对轴承进行受力分析。为获得力学模型中轴承润滑脂拖动系数,利用润滑脂拖动力试验机研究不同转速、不同载荷条件下丝杠支撑轴承用润滑脂的拖动特性。采用局部法,建立丝杠支撑轴承各部分的摩擦功耗计算模型,分析工况参数、轴承结构参数对轴承摩擦功耗的影响规律。采用正交优化方法对轴承的结构参数进行优化。基于传热学理论,对优化后丝杠支撑轴承进行传热分析。在上述研究分析的基础上,基于ANSYS有限元分析软件,建立丝杠支撑轴承温升仿真分析模型,分析载荷、转速以及环境温度对丝杠支撑轴承温升的影响规律。最后,在轴承试验台架上对丝杠支撑轴承开展温升试验,对所建模型进行验证。 研究结果表明:1.7602012轴承所用HKD-2润滑脂的拖动系数随卷吸速度的增大而减小,随载荷的增加而增大。2.轴向载荷从4k N增大到8k N,摩擦功耗从15.8W增加到36.3W,载荷增大一倍,功耗增大2.3倍。转速从1000r/min增加到6000r/min,轴承的功耗从10.9W增大到53.5W。3.轴承的摩擦功耗随轴承沟曲率半径系数的增大而降低,外沟曲率半径系数对轴承摩擦功耗的影响大于内沟曲率半径系数;增加钢球数量能够降低轴承摩擦功耗。4.采用正交优化设计的方法对轴承的结构参数进行优化分析可以得出:对轴承摩擦功耗影响程度最大的是外沟曲率半径系数,其次是钢球个数,内沟曲率半径系数对轴承摩擦功耗影响相对较小。轴承的最优参数组合为f=0.525、f=0.535、Z=10。5.从有限元仿真结果可以看出,转速每增加1000r/min,外圈温度上升14.38℃。随着环境温度升高,轴承温度也逐渐升高。6.试验结果表明,优化后轴承外圈温度比优化前降低8℃左右,表明优化的合理性。有限元仿真得到的温升趋势与试验结果相一致;仿真结果与试验结果的最大误差为10.1%,所建模型较为合理。 本文的研究结果为丝杠轴承的温升分析、优化设计提供了理论依据。

关键词： 自动测试系统   并行测试   多线程  

摘要： 多任务并行测试可有效提高自动测试系统的测试效率。然而,在多任务并行测试环境中,因测试任务之间存在仪器竞争和抢占,因此可能引发测试数据干扰问题,进而导致系统产生错误的故障诊断结果。此外,并行执行的测试任务还可能引发线程死锁问题,进而导致系统陷入停滞状态。针对以上问题,本文的主要研究内容包括:(1)为便于并行式自动测试系统的实现,本文首先对自动测试系统的通用性实现方法进行了改进。为此,本文分析和总结了自动测试策略中各种测试步骤类型之间的共性和差异,为这些测试步骤设计了统一的数据结构,并将其组织成一个树形结构。该数据结构不仅能够清晰地表达测试步骤之间的层次和依赖关系,还能够为并行测试任务线程的执行提供指导。基于此数据结构,本文设计了支持用户自建测试策略的功能,从而改进了自动测试系统的通用性实现方法。(2)为了实现多任务并行测试的目标,本文设计了在系统主线程中开启多任务线程的程序,以及将用户自建的测试策略解析为运行程序的线程函数。线程函数的设计方法是从自动测试策略树的根节点开始遍历,直到达到树中某个叶节点。并在遍历过程中,根据当前遍历节点中存储的仪器程控信息调用相应仪器的驱动程序来实现对仪器的控制,或根据节点中存储的故障判决信息执行相应的判决操作。(3)为了避免并行执行的测试任务因对仪器资源的抢占而造成的测试数据干扰问题,本文采用了线程锁机制以确保测试任务线程能够独占地使用仪器。(4)为预防系统因线程死锁而陷入停滞状态,本文通过破坏死锁产生的必要条件中的循环等待条件来实现死锁预防。具体实现方法是为测试仪器逻辑编号,测试任务线程在获取仪器使用权时按照编号顺序进行获取。为了实现仪器的顺序获取,本文采用了快速排序算法对仪器的逻辑编号进行排序。通过实验验证和用户反馈,本文设计的并行式自动测试系统程序成功地将测试效率提高了30%以上,并且未发生测试数据干扰问题和线程死锁问题。此外,该系统还具有良好的支持用户自建测试策略的能力。

关键词： ΔΣ ADC   低功耗   高精度   摆幅增强型浮动反相放大器   宽带宽调节范围  

摘要： 当今社会,物联网市场的日益繁荣使得传感器在人类生产生活中不断普及,ADC作为其核心模块得到了广泛的关注与研究,人们对ADC在低功耗、高精度、PVT稳定、带宽可调等方面也提出了更高的要求。得益于过采样以及噪声整形技术,ΔΣADC能显著降低带内量化噪声,满足高精度的要求,因此被广泛应用在中低频高精度场合中。本文基于物联网中传感器不同的性能要求,结合动态运算放大器,研究和设计了一个低功耗、高精度且具有宽带宽调节范围的ΔΣADC。论文采用低失真的二阶前馈式级联积分器架构,并将电压求和部分与3bit异步SAR量化器组合,为ADC提供了足够的信噪比。同时根据电路实际结构,通过使用改进后的DWA模块对多比特量化带来的DAC电容间失配进行抑制。为进一步提高精度,在系统中还应用了自动调零技术、非交叠时钟以及bootstrapped开关等技术。在关键的运放设计中,通过将共源共栅管引入摆幅增强型浮动反相放大器,使得运放在保证60d B直流增益的同时还兼具较大输出摆幅;而且运放全动态的特性消除了静态电流,极大地降低了功耗,成为ADC实现带宽可调的基础。本文在TSMC 55nm CMOS工艺下进行了ADC的电路设计与版图绘制,芯片核心面积为0.24mm。芯片采用1.2V电源供电,采样频率为200k Hz,对应800Hz信号带宽。后仿结果表明,在输入频率207.5Hz,幅度-2d BFS的正弦信号下此ADC的SNDR为95.87d B,功耗仅2.51μW,实现了180.9d B的Fo M。ADC的DR为96.5d B,对应181.5d B的Fo M。同时,此ADC具有良好的PVT稳定性,且当采样频率在10k Hz至800k Hz范围内变化,对应信号带宽在40Hz至3200Hz内变化时,ADC性能基本保持稳定,具有宽达80倍的带宽调节范围。

关键词： 物联网   智慧农业   低功耗   远程升级   云平台  

摘要： 随着物联网技术的快速发展,物联网技术被广泛地应用到智慧农业中,具有广阔的应用前景。目前,大多数农业大棚采用有线传输和短距离无线传输。温室监控系统存在组网复杂、网络环境不稳定、通信距离短等问题。本文以物联网技术为核心,集合传感器、嵌入式和无线通信等技术,设计并实现了一套基于物联网的智慧农业温室检测与控制系统。 本文首先对智慧农业国内外发展现状以及相关技术进行阐述,介绍智慧农业系统的原理,结合实地需求分析采集系统存在的问题并提出解决方法,设计系统总体框架。然后介绍开发智慧农业监测系统所涉及的相关技术,主要包括智慧农业、物联网、传感器技术、云平台、无线通信技术等,概述各项技术的概念、特点和技术理论,以此明确开发智慧农业监测系统的技术方向。接着介绍智慧农业监测系统的软硬件设计,在智慧农业平台的研制过程中,本文设计并迭代了三代农业采集节点,整个系统包含农业采集节点、农业控制节点、APP以及云平台四个部分。第三代农业采集节点,硬件主要由MCU、时基芯片、NB-Io T模块和温湿度传感器构成。采集节点工作时,通过定时器和模拟开关实现5分钟定时给采集节点供电,数据发送完成后MCU发送信号给定时器,关闭模拟开关,使整个采集节点处于休眠状态,只有定时器工作,降低功耗。农业采集节点将温湿度数据传给One NET云平台,云平台通过MQTT协议将数据广播发送给手机APP和大屏终端APP。此外,采集节点实现远程IAP升级功能,大大提升设备维护的便利性。最后经过PCB投版和焊接后,完成智慧农业大棚检测控制系统的搭建,对各个模块的功能进行测试。 在农业大棚种植中应用物联网技术可以极大地提高农业种植地智能化程度,系统可实时监测大棚内作物的生长状况,并自动对温度、湿度等环境因素做出相应调整,有效的降低人力物力,提高生产效率。本文将物联网技术与大棚种植相结合,设计了一套完整的基于物联网的智慧农业大棚监控系统,系统具有稳定性好、可远程升级、功耗低、成本低等优点,并在蒲城县某农业大棚中实地安装运行。