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关键词： Electronic design automation   Graph neural networks   High-level synthesis   Reinforcement learning   Machine learning  

摘要： With the ever-increasing applications comes the realization that efforts and complexity for developing hardware to keep pace with such compute demands are growing at an even faster rate. And, the problem goes further. As the target cadence of Moore’s law is already slipping, more burden is placed on the design methodology to achieve the “equivalent scaling”. The proliferation of everywhere machine learning (ML) reveals its multi-faceted role: the killer applications that pull transition to novel hardware and compute paradigms (i.e., system for ML), and the important boosters to design methodology that push toward automated and agile hardware development (i.e., ML for system). Aiming to foster the virtuous cycle between ML and hardware, my research features hardware agile development empowered by ML and studies how to infuse intelligence, improve agility, and eventually enable no-human-in-the-loop automation for scalable and efficacious hardware development flow by synergistic investigation across algorithm, architecture, and electronic design automation (EDA). Specifically, we investigate how different ML techniques can be applied for (1) fast and accurate design evaluation, (2) efficient and scalable design optimization, and (3) high-quality and productive design verification. In design evaluation, we leverage the inherent graph structures of data flow graphs and circuits and explore how domain knowledge can be infused into graph neural network (GNN)-based models, so that we can reconcile timeliness, accuracy, and generalization capability in high-level synthesis (HLS) and logic synthesis performance predictions. In design optimization, we exploit deep reinforcement learning for flexible, scalable, and automated design exploration in HLS resource allocation and workload placement optimization, which is efficient in large search spaces and can be transferred to new designs. In design verification, we utilize the message-passing mechanism in GNN computation to imitat

关键词： 荧光检测   实时PCR   共聚焦光路   硬件电路设计  

摘要： 核酸检测广泛应用于临床诊断、生物分析、环境监测等领域,对疾病诊断和基础研究具有重要意义。随着新冠肺炎疫情的爆发,对样本快速、高通量检测的需求急剧增加。与传统核酸检测方法相比,自动化核酸检测系统具有低成本、节省时间和便携等优点。本课题组为突破传统核酸检测技术的局限,研制了一种基于实时PCR(Polymerase chain reaction)的便携式核酸检测系统,用于传染病病原体的即时检测。该系统包含一体化的核酸检测卡盒和用于驱动卡盒的便携式检测装置,可以实现“样本入,结果出”的全自动检测。为了保证系统的紧凑,在有限的空间内集成了光学、温度和运动控制模块,用于核酸的提取、纯化、扩增和检测。其中荧光模块是最重要的模块之一,因为它的性能直接影响检测结果的精确度和灵敏度。 基于以上背景,为便携式核酸系统设计了一种高集成度和高灵敏度的一体式双通道荧光模块,其硬件主要由几何光路和控制电路组成。其中光路结构基于共聚焦原理,将两组不同波长的激发-发射光路耦合在一起,所有的光学元件可以放置在三维打印的框架盒体之中,与电路板焊接之后成为光电一体的荧光模块,提高了模块的集成度。硬件电路包括微控制器外围电路、光源驱动和光电信号处理电路。其中对于激发光源,采用电流-光强双反馈的发光二极管(Light emitting diode,LED)驱动电路,从而提高激发光源的稳定性。对于光电信号,采用光电二极管前置放大电路以及相应的滤波电路采集微弱的荧光信号并提高信噪比。所有光学和电子元件都集成在一个55 mm×45 mm×15mm的金属盒中,从而屏蔽环境中的电磁干扰。为了适应各种荧光染料或探针的激发和发射,一共组装了两个不同的模块:模块1#:470 nm/525 nm,570 nm/630 nm;模块2#:520 nm/570 nm,630 nm/690 nm。 电路测试结果表明,激发光源光强可达427μW,5 s内波动±0.07%,10 min内波动±0.11%。使用荧光素钠溶液测试470 nm激发光通道的检测灵敏度,检测限为0.077n M。最后,将这两个模块集成到课题组自研的便携式系统中进行乙肝病毒浓度梯度检测和新冠假病毒不同基因靶点的多重检测。本文设计的荧光模块可以完成实时PCR检测并具有良好的检测性能。

关键词： 示波分析仪   多通道同步   高速并行数据处理   USB通信   任意波发生  

摘要： 在许多高速信号测试领域,如雷达、通信和集成电路等,不仅要求测量分析仪器具有高指标、多功能的技术性能,还要求设备具有便携化、轻型化的特点以适应多种测试环境。然而,传统的台式数字示波器性能较高,但具有体积大、笨重、成本高等缺点,无法适应外场测试。因此为给小空间、多参数、高灵活度的电子系统分析场合提供一种多功能的综合测试解决方案,本文设计了一种基于USB 3.0的便携式高速信号示波分析仪,它不仅具有2GHz采集带宽,6.4GSPS实时采样率、12bit垂直分辨率的采集性能,还具有任意波形发生、自动低功耗调节、多机同步等功能和小巧、轻便的机身设计。本文的主要研究内容如下:1.完成系统方案与硬件电路设计。以系统性能指标和功能需求为目标,确立以ADC+FPGA+DAC为核心结构的系统方案。通过对采集性能、功耗、体积、成本等因素的综合考虑完成系统核心器件选型,据此提出了模数转换、数据处理、数据通信等方案和电路设计。围绕便携式、低功耗的研究需求设计了紧凑型电路结构和可控电源管理电路。2.完成数据采集和波形发生逻辑设计。在FPGA接收端配置JESD204B IP核建立传输链路,完成对8路、12.8Gb/s的高速采集数据接收和解析。设计双向数据通信结构,完成FPGA与上位机高效稳定的数据交互。基于DDS原理设计了一种任意波形发生器,采用一种多项式分段拟合算法对输出幅度进行校正,并设计一种任意波触发功能,拓展了示波分析仪的测试能力。最后设计一种基于功能匹配的动态低功耗管理方法,满足整机低于35w的功耗设计要求。3.完成示波分析仪多机同步系统设计。设计了一种多芯片同步算法实现主从时钟系统同步,提出了一种误差估计和调节模型校正多机时钟偏斜问题。基于两级触发方案提出了主从控制的触发结构,通过触发控制信号同步与校正设计实现同步触发精度满足±100ps的指标要求。提出对数据延迟进行调节的设计以解决数据在传输过程中的亚稳态问题。本文最后对示波分析仪各系统指标和设计功能进行测试与验证,测试结果表明,示波分析仪达到最高实时采样率6.4GSPS、模拟带宽2.2GHz、任意波带宽110MHz、多机同步精度±80ps等设计指标和便携式机身,核心指标高于同类型最新产品是德P924x A系列USB示波器,完成了高水平示波分析仪的研究目标。

关键词： 热电偶温度采集   冷端补偿   多通道   信号调理   电压测量  

摘要： 热电偶传感器是一种基于热电效应实现温度测量的传感器,其测量原理为将热电效应电势差和冷端补偿两部分合成得到被测温度值。该传感器常用在发动机检测、冶金、生物和农业等行业,在这些应用中通常存在着多测温点、宽测温范围和多种热电偶类型使用的情况,基于这些场景,热电偶采集系统应运而生,大大提高了用户测量的便利性。随着技术的发展和国际形势的变化,对国内热电偶采集系统的研究提出了多通道、高精度、高分辨率、快速测量和支持多种热电偶类型的要求。因此本文以高精度和多通道为核心,就高精度热电偶采集系统的硬件设计和实现开展了研究,并且提出一种实现高精度热电偶采集的硬件系统,其具备48个通道,测温范围覆盖-200～1820℃,温度准确度最高达±0.25℃。主要研究和创新内容如下:1、高精度信号调理和采集设计。首先根据不同电压档位和温度测量的精度要求,利用继电器和模拟开关组合的方式,设计程控增益电路;设计信号输入端的低通滤波器以及可编程滤波器以提高信噪比;设计多路复用电路和采集电路分组形式。2、冷端补偿设计和优化。热电偶采集的误差除了电势差测量的误差之外,还包括冷端温度的误差。通常的热电偶采集仪器冷端补偿结构非常简单,仅通过温度传感器和热电偶插座冷端电极接触的方式连接,该方式存在冷端温度响应时间较长的问题,并且容易受到外界干扰。为此,本文设计了专用的冷端补偿结构,自主设计热电偶插座和等温块,提高导热速率和热容,减小对外界干扰的敏感度和提高冷端温度响应速度。3、多通道切换控制设计。在多通道分时复用电路中,因为所选模拟开关通道数不足,所以采用了多片拼合方式,但这种方式在两片模拟开关之间切换时会带来信号干扰问题,为了解决这一问题,提出了一种片间切换的控制方法。最终,搭建测试平台,通过系统的测试验证,温度测量和电压测量的精度和范围以及各项功能均满足预期目标。

关键词： 无人车   硬件设计   轨迹跟踪   路径规划   自主避障与导航  

摘要： 本课题以初步设计的六轮分布式驱动无人车为研究对象,研究了六轮无人车控制系统的关键技术,设计并实现了一套具有通信功能的无人车远程遥控系统,对六轮无人车的速度控制和轨迹跟踪控制方法进行了研究,对避障与导航方法中的路径规划技术进行算法改进,最后基于ROS完成了无人车的自主导航与避障仿真。具体内容如下:(1)对无人车控制系统关键技术进行分析,研究了无人车运动控制、避障算法和路径规划算法的理论知识,并从中总结提取出本课题的研究方向和路线,介绍了研究无人车控制系统的必要工具ROS操作平台,为后续研究打下了一定了知识理论。(2)对六轮无人车进行硬件设计,首先对系统主要硬件进行选型,对所需的重要电路进行了设计,在控制方面编写电机控制程序,搭配电机驱动电路实现了六个电机独立驱动;对传感器进行选型并设计了数据采集程序,利用云平台技术实现了数据的无线传输;最后搭建了无人车硬件平台,基于Arduino开发板实现了对无人车的远程控制和数据的实时监测。(3)对无人车控制方法进行研究,设计了模糊PID控制算法,通过粒子群优化算法对模糊PID控制算法进行参数整定和优化,通过仿真验证了提出的算法相较于传统算法超调量更小、上升时间与调节时间更短、稳定性更高、控制更加精确的优点。在轨迹跟踪方面,设计了LQR算法,基于前馈控制器实现了无人车对预期轨迹的准确跟踪,基于MATLAB/Simulink建立无人车模型并进行了仿真。(4)针对无人车自主避障与导航技术,对A~*算法和DWA算法进行了改进。通过改进代价函数对传统A~*算法进行了优化,优化后的A~*算法在规划路径长度、规划时间及路径拐点等方面数据都明显减少,提高了搜索效率。通过改进评价函数优化了传统DWA算法,使得规划路径更短、规划时间更少、路径更加平滑。(5)在ROS系统中,搭建仿真实验平台,构建SLAM二维栅格地图,对AMCL算法进行了研究,然后在地图中对无人车进行AMCL定位,将改进的A~*算法与改进的DWA算法相结合,对已知栅格地图中的无人车自主避障与导航进行了仿真实验,证明了改进算法的可行性。

关键词： 可穿戴   传感器   PPG   硬件设计  

摘要： 目前可穿戴式实时心血管监测设备大多基于单一波长光电容积脉搏波(Photoplethysmography,PPG)传感技术,通过特定波长发光二极管(LightEmitting Diode,LED)照射皮下血管后,利用光电传感器采集反射光信号并经过模数信号处理实现。随着PPG信号的研究深入,发现人体皮肤及血管特性使得特定生理信息在不同波长的PPG信号中信息量不同,单波长PPG信号越来越难以满足多种生理信息的分析研究。多波长PPG信号具有两个或两个以上波长的PPG信号,可以反映更多的血液动力学信息。然而目前面向多波长PPG的微控制器设计,市面上尚未存在统一的设计模型,存在功耗高、时序复用复杂的问题。针对以上问题,本文设计一款面向多波长PPG信号采集的微控制器。主要研究内容如下:(1)面向多波长PPG信号采集需求,选用ARM Cortex-M0内核和AMBA总线,设计了微控制器时钟及复位、电源管理、系统安全模块、多波长PPG信号采集定时模块、多波长LED驱动模块、多波长PPG信号模数转换模块等。(2)验证了面向多波长PPG信号采集设计模块,采用SystemVerilog搭建软件验证平台,对设计模块进行功能仿真验证。系统安全模块、多波长PPG信号采集定时模块、多波长LED驱动模块、多波长PPG信号转换模块验证覆盖率分别为97%,98%,98%,99%。基于Xilinx Zynq 7000评估板搭建硬件验证平台,对MCU进行门级网络部署,利用JLINK命令及ARM调试工具验证了微控制器设计完整性。(3)仿真综合了面向多波长PPG信号采集的微控制器,基于180nm标准CMOS工艺库开展逻辑综合,综合报告显示总体逻辑门面积为1.5mm。1.35V电压下,芯片工作频率为64MHz,总体功耗约为10.43mW,实现了降低功耗的设计目标。综上,本文设计的微控制器集成多波长PPG信号采集定时、多波长LED驱动、多波长PPG信号转换模块,可实现多波长PPG信号采集控制及信号处理,促进了基于多波长PPG信号的可穿戴式实时心血管监测设备的发展。

关键词： 频控阵天线   波束优化   蜉蝣算法   硬件设计  

摘要： 频控阵通过在各天线阵元发射信号载频上添加不同的微小频偏，使频控阵形成的波束具有角度、距离、时间依赖性，相较于波束不包含距离和时间变量的相控阵，频控阵在安全通信和抗干扰等领域拥有更多的应用优势。然而传统的频控阵存在距离与角度的耦合问题，导致波束能量不聚焦，并且目前频控阵在硬件实现上的研究较少，缺乏简单有效实现频率分集思想的方法。为了解决这些问题，本文提出了一种基于蜉蝣算法优化频偏的均匀圆形频控阵，同时设计了一款基于DDS和PLL的频控阵发射系统，主要工作如下：　　1.提出了一种基于蜉蝣算法优化频偏的均匀圆形频控阵。通过优化频率偏移量的值可以使波束能量集中于目标区域、降低旁瓣能量，而该优化频率偏移量的值的问题可以转化为数学上的非凸问题，再利用蜉蝣算法解决该问题。在均匀圆形频控阵上的优化结果显示，提出的优化方法与线性频偏和对数频偏法等传统非线性频偏方法相比，拥有更窄的波束宽度，且拖尾现象更小，半波束宽度在水平角维度为 37°，在俯仰角维度为20.2°，在距离维度为 4×103m，在水平角—距离维度的波束方向图最大归一化旁瓣幅值为-24.1dB，同时消除了线性频偏均匀圆型频控阵波束方向图距离上的模糊性，综合来看蜉蝣算法优化频偏的均匀圆形频控阵所形成的波束性能较为优越。　　2. 研制了基于 DDS 和 PLL的频控阵发射系统。为了获得 8 路低相位噪声的高频信号，采用“环内-环外混频锁相环+DDS频率合成”方案，环外采用锁相环PPL1电路将100MHz时钟信号变频得到8.8GHz信号，环内8条链路通过DDS直接合成25MHz+n?20kHz信号,与通过锁相环PLL2获得的800MHz信号在锁相环内混频滤波取下变频得到8.2G+n?4MHz（n=0~7）信号。将环内、环外的输出信号混频滤波取上变频信号，最终在Ku波段获得8路基础频率17GHz每路具有4MHz频偏的频控阵发射系统，并将信号通过微带天线发射，用喇叭天线接收进行了实测。结果表明，在主瓣抗干扰方面，频控阵比相控阵更具有优势，其瞬时主瓣抑制比可以达到20dB。

关键词： 箱式变电站   内部环境监测系统   传感器   硬件设计   系统移植  

摘要： 箱式变电站作为一种特殊的变电站,是一种集成高压开关设备、电力变压器、低压配电装置的紧凑式配电设备。随着电子设备、电气设备数量的快速增长,用电量急剧增加,箱式变电站的负载也相应增加。在此背景下,箱式变电站的安全性和可靠性成为亟需解决的问题。 箱式变电站监控系统通常采用监视与控制通用系统(Monitor and Control Generated System,MCGS)监测电能参数。随着集成电路技术和传感器技术的发展,箱式变电站环境监测技术应用逐渐广泛。与传统的箱式变电站监控技术相比,内部环境监测系统可以完成对箱式变电站工作环境各参量的实时监控,从而提高箱式变电站的安全性、可靠性。箱式变电站内部环境监测系统已成为变电站研究的热门方向。 本文从箱式变电站工作环境出发,分析了内部环境监测系统应用需求,根据应用需求完成了箱式变电站内部环境监测系统硬件架构和软件系统的设计。系统采用应用端数据采集、处理和控制,提高了系统处理应急问题的实时性。针对基于中央处理器MCU STM32F103的系统方案,进行了硬件电路设计与优化,包括温度、湿度、震动、烟雾和电能参数的传感器模块硬件电路和接口电路设计;监测系统显示模块、通信模块、控制模块和电源模块硬件电路设计。基于硬件系统方案,对嵌入式实时操作系统(Micro COS II,μCOS II)操作系统进行了针对监测系统的移植,提高了操作系统编译效率。详细研究了传感器监测环境参量和电信号特性关系的对应理论,完成了外部环境采样和数据处理的对应。重点开展了湿度采集处理过程中的补偿算法参数优化,通过采用Levenberg-Marquardt算法优化了修正公式中的参数,提高了温度信息检测精度。 最终,对箱式变电站内部环境监测系统进行了实况测试对比,包括对温度、湿度、烟雾传感器的测试,环境参量测试误差均在0.5%以内,满足环境参量监测要求。对电能参数进行了实际测试对比,低压侧电压最大误差为0.09 V,电流最大误差为0.05A,满足设计需求。 本文设计建立的内部环境监测系统完成了对温度、湿度、烟雾、震动和电能参数箱式变电站的内部环境监测,测试误差较小,有预警功能,满足设计要求,可以有效提高箱式变电站的安全性和可靠性。

关键词： 感觉统合训练产品   硬件设计   软件开发   多动症儿童   需求分析  

摘要： 儿童心理健康水平是评估我国“大健康、大卫生”服务能力的标准之一。ADHD全称为注意缺陷多动障碍也就是俗称的多动症，该疾病作为儿童心理疾病之一长久以来困扰着多动症患儿及其家庭。　　本文意在研究设计多动症儿童感觉统合训练产品，从交互设计的角度入手，以交互设计中的PACT-P系统为参照，结合ADHD儿童训练行为层级分析得出心理模型，建立ADHD儿童感觉统合训练产品设计模型和设计流程。围绕设计模型和设计流程进行设计实践。按照流程，首先对儿童多动症康复产品进行了市场调研和竞品分析，调研的具体工作包括市场分析、产品分类、产品功能等，同时开展用户研究，对象为多动症患儿及其父母，研究的方法包括查阅资料、问卷、电话访谈和用感觉统合训练心理模型对患儿进行分析，绘制用户旅程图，建立用户画像等以此得出用户需求;其次在获取了用户需求后对收集到的需求进行了功能转化，最终设计完成一套软硬件结合的儿童多动症感觉统合训练产品，硬件设计包括CMF分析，尺寸分析，电路仿真等，软件设计包括交互流程设计，游戏策划，高保证设计等;最后对设计出的产品进行了实验验证，实验主要测试产品的有效性。最终实验数据显示产品有效，且数据显著性有效。数据对产品的有效性做出了一定的支撑，验证了本次设计方案的合理性。　　通过设计理论和设计实践的结合应用为ADHD儿童提供一定的康复训练帮助,增强其训练过程的体验感，也给相关研究人员提供参考。