發布時間：2023-01-08 14:45:54
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領域的橋梁，我們為您精選了8篇的低功耗設計論文樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發，請盡情閱讀。
20世紀70年代，英特爾公司(Intel)的戈登?摩爾(Gordan Moore)預言：芯片上晶體管的數量將每隔18個月至兩年就會翻一番。這即是電腦行業在幕后稱之為的“摩爾定律”，這一定律至今依然在發揮著作用。但是，如果“摩爾定律”一直有效，那么小小芯片上的晶體管數量將繼續呈指數級的增長。可以想像不久的將來芯片將承受怎樣的負擔，這就需要將整個系統集成在一個小小芯片上的SoC(System on Chip)技術。這個激動人心的技術將曾經占據整個房間的龐大的計算機變得如今只有小拇指的指甲那么大小。正如很多專家所言，自從以半導體和集成電路為基礎的計算技術出現以來，片上系統(SoC)技術已經成為最重要的一項技術。
本書是為迎接新一代半導體技術來臨的巨大的設計挑戰而匯集的論文集，這些論文幾乎涵蓋了SoC技術的所有相關主題。具體為：1．為了使器件模型不斷地降低成本，還必須滿足其準確性，就需要擴展各種不同的新技術，ColinMcAndrew的論文就是面向二極管的模型，Matthias Bueher和Christian Enz的論文解決了MOS管的模型。2．解決過程參數的概率性偏差，這些偏差表現為電路的行為偏差，也就是在大規模生產當中被稱為參數出現誤差，Colin McAndrew的論文的另外一個貢獻就是研究了在電路模擬當中的概率性偏差，這在計算效率和物理分析方面很重要，最終可能會決定設計是否可以生產。3．電路部件的設計復雜性，在新技術快速涌現的當代，對于每一種新技術都相應重新設計電路顯然不現實，也為成本要求所不允許，Jose Franca的論文試圖設計出將數據轉換器、放大器和濾波器集成在一起，成為一個能夠匹配很多應用的系統。4．隨著芯片上晶體管數量的增加，單位面積里所聚集的晶體管數量將越來越多，密集的晶體管單位面積上的發熱將越來越巨大，這就提出了當今非常熱門的問題――低功耗，R.Leung的文章就涉及這個方面，試圖解決高速NO緩沖器的低功耗問題。5.T.Yanagawa，S.Bampi和G.Wirth的文章很翔實和理性的預測了2010年的微電子技術對將來的微電子和集成電路半導體技術產生的影響。
本書適合學習和從事微電子和計算機專業的研究生和工程技術人員閱讀，同時也適合相關專業讀者參考。
丁丹，碩士生
(中國科學院計算技術研究所)
關鍵詞 無線傳感器網絡；無線節點；振動檢測
中圖分類號TN91 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2010）33-0242-02
0引言
無線傳感器網絡是由具有無線通信、數據采集和處理、協同合作等功能的無線傳感器節點組成的網絡。傳感器節點是無線傳感器網絡中部署到監控區域內，負責收集和轉發信息、協作完成特定任務的主體，作為一種微型化的嵌入式系統，構成了無線傳感器網絡的基礎支撐平臺[1]。因此它對所使用的傳感器節點有一些嚴格的限制條件。一般而言，由于節點由電池供電，能源受限，所以優先使用低功耗微型器件，只是在其功能不能滿足要求的條件下才考慮傳統的器件。
1節點設計
本文預期設計一種新型振動傳感器節點，當節點部署后，自組織網絡建立無線路由，能夠實現振動信號的實時感知、數據采集、無線傳輸等功能。硬件選擇以小體積、低功耗、高精度的微型器件為主，滿足無線傳感器網絡對節點硬件的要求。
1.1節點硬件組成
本文自選ADXL330型三軸加速度傳感器；數據采集設備和無線節點直接選用美國Crossbow公司的產品：MDA300CA型數據采集板，IRIS無線節點。以上設備通過接口電路連接，組成具有信號感知、采集、無線發送功能的完整節點。
1.1.1 ADXL330加速度傳感器
ADXL330是美國模擬器件公司（ADI）推出的MEMS三軸加速度傳感器。該器件具有尺寸小、功耗低的特點，自帶信號調理電路，在單片集成電路上實現三維模擬信號輸出，輸出的模擬電壓信號與加速度成正比。[2]
1.1.2 MDA300CA數據采集板
MDA300CA是在加州大學洛杉磯分校（UCLA）嵌入式網絡傳感器中心（CENS）開發的多功能數據采集板。由于具有微型螺釘連接方式使其更適合于自定義傳感器類應用。MDA300CA提供了一個高精度的模擬信號獲取手段，可以與Crossbow所有無線模塊通過51針接口相連。
1.1.3 IRIS無線節點
IRIS是美國Crossbow科技公司推出了一款超低功耗、更遠距離傳輸的無線傳感器網絡Mote模塊。IRIS用于低功耗無線傳感器網絡，工作在2.4 GHz，支持IEEE802.15.4協議。IRIS增加的幾點新特性從整體上提高了Crossbow無線傳感器網絡產品的性能：
1）超低功耗，休眠電流減半，更長電池壽命；
2）相對 MICA系列產品，三倍作用距離，雙倍存儲空間；
3）基于IEEE802.15.4/ZigBee協議RF發送器，工作在2.4-2.4835GHz，全球兼容的ISM 波段；
4）即插即用，可連接Crossbow所有傳感器板、數據采集板、網關和軟件。
1.2 硬件連接
本文節點組成：與電路集成的ADXL330傳感器，MDA300CA數據采集板，IRIS無線節點。MDA300CA帶有螺釘式數據接口，與傳感器PCB各引腳連接，為其提供電源并接收模擬輸出信號，再通過51針接口與IRIS無線節點連接。
1.2.1 ADXL330-PCB與MDA300CA的連接
將ADXL330電路集成在PCB上，共有5個引腳，兩個固定孔。其中，T1= Vcc（+2.0V~+3.6V），T2=GND，T3=XOUT，T4=YOUT，T5=ZOUT，T6、T7為電路板固定孔。C1、C2為電源去耦電容。C3、C4、C5實現低通濾波功能。本文設計節點主要測量中低頻信號，選取C3=C4=C5=0.01μF限制帶寬， 3dB帶寬計算公式：
1.2.2 MDA300CA與IRIS的連接
MDA300CA數據采集板與IRIS無線節點，都是美國Crossbow科技有限公司開發的基于WSN的硬件平臺。兩者直接通過51針接口相連，能夠互相兼容。節點工作時，需要加載MDA300CA數據采集板的驅動才能實現功能。在安裝Crossbow配套開發軟件MoteWork后，MDA300CA的驅動在該安裝目錄下:Crossbow\cygwin\opt\MoteWork\apps\xmesh\XMDA300。
2 節點數據采集
節點工作過程中，傳感器感知振動并輸出模擬信號，數據采集板MDA300CA將該信號進行模數轉換，由節點無線發送模塊將數據包送入無線網絡，最終上傳至用戶端計算機并顯示。
3 結論
本文提出了一種無線振動傳感器節點的設計思路。通過設計外接接口電路，將低功耗傳感器與數據采集和無線發送模塊集成，構成具有振動信號感知、采集和無線發送功能的新型傳感器節點，經實驗驗證，該節點功能實現良好。
參考文獻
[1]王麗琴.無線傳感器網絡密鑰管理方案研究.碩士學位論文.陜西：武警工程學院，2010.
[2]孟維國.三軸加速度計ADXL330的特點及其應用[J].國外電子元器件，2007，2：47-50.
關鍵詞：傳感器，電調制，非分光紅外技術，朗伯-比爾定律
1、引言
眾所周知二氧化碳（CO2）是大氣重要組成成分之一,與人們的生產生活密不可分。其含量過高不但會危害人類的健康,還會產生溫室效應等不良影響；同時它在動植物的生長環境中也扮演著極其重要的角色。論文格式。目前國內生產和使用的CO2氣體傳感器主要是固體電解質式、鈦酸鋇復合氧化物電容式、電導變化型厚膜式等,這些傳感器存在許多不足之處:對氣體的選擇性差、易出現誤報,系統需要頻繁校準,使用壽命也較短。紅外二氧化碳氣體傳感器新技術國內尚處于起步階段，于2005年才取得一定進展實現了電調制，但關鍵元件仍需要進口。而現行紅外二氧化碳分析儀多半存在著不僅價格昂貴，而且體積大、質量大等缺點。隨著科學技術的不斷發展和人民生活水平的日益提高以及人們對環境保護的日益重視，在空調、農業、醫療、汽車及環保等方面,對CO2氣體的濃度進行定量監測與控制成為日益增長的需求,開發出靈敏度高、選擇性和穩定性好、小型化、便攜式的CO2 氣體傳感器必是大勢所趨。基于這一理念作為一種嘗試，提出一種紅外吸收型便攜式CO2氣體傳感器并給出其軟硬件設計方案。
2、非分光紅外吸收型氣體傳感器工作原理
任何物質都有其特征明線光譜，相應的也會有吸收光譜，二氧化碳氣體分子亦然。二氧化碳在紅外區有三個比較明顯的吸收譜線，一個吸收中心波長位于近紅外1.573μm處（適用于光纖二氧化碳傳感器）、一個位于中紅外4.26μm處，還有一個位于14～20μm波段[1]。我們選擇中心波長4.26μm處的吸收譜線作為檢測依據，因為此波段的吸收最為強烈，衰減最劇烈。根據氣體選擇性吸收理論可知，當光源的發射波長與氣體的吸收波長相吻合時，就會發生共振吸收，其吸收強度與該氣體的濃度有關，通過測量光的吸收強度就可測量氣體的濃度。具體是，當一束光強為I0 的輸入平行光通過待測氣體時，如果光源光譜覆蓋一個或多個氣體的吸收譜線，則光通過氣體時發生衰減。根據Beer－Lambert定律，出射光強I 與入射光強I0和氣體的濃度之間的關系為
I = I0exp（－αCL）（1）
式中α為氣體吸收系數； L 為吸收路徑的長度；C 為氣體的濃度。
對式（1） 進行變換得到，
C = ln( I0/ I) / (αL)（2）
從式（2）可知，如果L、α 已知，那么，通過檢測 I 和 I0 就可以得到氣體的濃度C。這就是利用光譜吸收檢測氣體濃度的原理。
事實上，上述理論沒有考慮到光路干擾系數，這是一個隨機變量，采用非分光技術可有效地消除光路干擾這一因素。其原理框圖如下圖1所示。
圖1 非分光紅外測量光路系統原理圖
3、系統硬件設計方案及其實現
3.1核心技術及低功耗系統方案
電調制非分光紅外（NDIR）技術是當前應用的前沿技術，也是系統的核心技術所在。論文格式。采用非分光紅外測量技術，在實際操作中可以采用單光束雙波長實現，即通過選用兩種窄帶濾光片，它們的中心波長相近但一個允許待測氣體對應的吸收波長通過，而另一片則完全阻止其通過，如圖1所示，以此實現調制和提取濃度信號。同時，為了系統的穩定和測量的精度以及真正實現手持型便攜式，我們采用了電調制、低功耗設計方案，利用脈沖控制光源。而且在實現低功耗的同時也增強了光源的輻射特性和延長了光源的壽命。電調制與非分光技術的實現，從根本上克服了機械調制所帶來的種種缺陷：有可動部件，需要專門的馬達驅動，調制盤容易損壞，體積大不易于集成化等等。為了實現設計目標，選用專用的電源驅動芯片和微功耗光源，再利用微控制器實現脈沖調制，整個系統由＋5V單電源供電即可很好地實現手持型便攜式。
國外NDIR 儀器占有率在70 %左右,國內NDIR 氣體分析儀的主要廠家大都采用國際上20 世紀80 年代初的紅外氣體分析方法,如采用鎳锘絲作為紅外光源、電機機械調制紅外光、采用薄膜電容微音器或InSb 等作為傳感器等。因此，在國內非分光紅外（NDIR）二氧化碳檢測技術研究可以說才剛剛起步。發光光源以及濾光片鍍膜工藝是必須攻克的難關，本文不作詳細介紹，而將重點放在如何選擇和應用上。
非分光紅外二氧化碳氣體傳感器系統的設計構成主要包括：光源及探測接收模塊(傳感頭)、信號放大模塊、低通濾波模塊、A/D轉換以及由微控制器控制的人機控制和信號顯示輸出等模塊。其具體的系統結構圖如圖2所示。選擇恰當的光源和濾光片以及相應的探測器是非常關鍵的一步。從傳感器出來的信號是極其微弱的，必須對其進行放大和濾波，在獲得較強的信號的同時保證盡可能地消除噪聲，達到較高的信噪比，為后續的信號處理提供真實有效的數據。微控制器負責信號的運算和濃度的換算、自動標定、實時的顯示跟蹤以及實現與計算機的數據通信等等。
圖2 二氧化碳氣體測量系統原理圖
3.1.1 光源及其調制技術
設計中選用了PerkinElmer® 紅外光源IRL715，可以實現低頻電調制。由于其低壓低功耗，體積小巧，而且經濟實用符合我們的設計要求。
1）該光源具有的性能指標
n工作電壓為5V，
n電流為115mA±10％，
n功率為0.575±10％W，時間常數為290ms，
n輻射強度為0.15±10％MSCP；
n時間常數為290ms。
n工作壽命長，可達40，000hs。論文格式。
2）光源的調制深度特性與工作模式的選擇
光源IRL715的在5V可調方波信號驅動條件下，4um紅外波長處的調制深度特性曲線表明，調制頻率越高，調制深度越低。圖3[2]是光源在連續工作模式和間歇性工作模式下的輻射強度特性曲線，即老化特性。在連續工作模式，1500小時后，其輻射強度降到初始值的95％左右，之后基本保持并略有回升。而在間歇性工作模式（工作1秒，停5秒），其輻射強度則呈上升趨勢。因此，利用脈沖控制有利于增強光源的輻射特性，減緩其老化速度，同時也可提高測量的精度。對光源進行電調制脈沖驅動時，充分考慮了該因素。此外，驅動電壓的大小一方面會影響到輻射強度，一方面也會影響到光源的功耗和壽命。恒流驅動是設計的最佳選擇，選用恰當的電源芯片至關重要。
3）氣室設計要求
傳感器的光路系統因為采用了非分光紅外（NDIR）電調制而變得簡單，只要設置一個標準的氣室即可。原理圖如圖4所示。此外，如果需要進一步減小傳感頭的體積，可以采用專用的光學鏡面系統，利用多次反射以加長光程，并且可以同時加強輻射到探測器上的光強強度。光源的穩定對測量的精度具有非常重要的影響，因此選用高精度穩定性好的調整管對光源供電，再結合脈沖控制驅動或者選用可PWM驅動IC設計驅動電路。這樣做的目的有二：一是實現電調制；二是為了充分發揮光源的功效和提高發光強度，使光源的性能達到最佳。
圖4 光源電路及光路系統原理圖
3.1.2 檢測放大
紅外探測器也是該系統的核心元件，它在很大程度上決定了系統的測量精度與性能。選用PerkinElmer®配套的TPS2534作為探測元件。該熱電堆傳感器為雙元傳感，配備了兩片不同的濾光片，一片中心波長為4.0um，半波帶寬為90nm，作為參考濾光片，一片中心波長為4.26um，半波帶寬為180nm，作為氣體選擇濾光片，提取參考信號和氣體信號。結合光源設計光路實現了非分光紅外（NDIR）電調制。由探測器出來的電信號極其微弱，前置放大電路的作用舉足輕重，因此選用了低噪聲、高精度、低溫度飄移的運放作為電路的主要部件。有效提高電路的信噪比，提高測量靈敏度。
3.1.3 濾波電路
濾波電路，選擇了專用高階開關電容低通濾波IC電路分別對參考信號和氣體信號進行放大濾波，采用8階BUTTERWORTH低通濾波實現，以有效的提高系統的信噪比。
3.1.4 前向通道、微控制器和后向通道
經信號調理得到的模擬信號，再由A/D轉換器轉換成數字信號，輸入微控制器，完成前向通道的設計。因為本系統對采樣的速度要求不是很高，再考慮到測量精度的需要和為了節省單片機的口線以及跟上技術發展的步伐，選用了串行16位ADC。
微控制器則選用了常用的AT89C52作為核心處理器，負責信號的處理和后向通道的顯示以及數據通信。由于智能化和網絡化將是傳感器發展的趨勢，可增加與上位機的通信口。
3.2系統的軟件實現
系統的軟件實現，主要需要完成數據采集、顯示、通信、探測器溫度監控以及光源調制和驅動等幾大模塊的功能。
基于上述有關電源的特性的論述和要求，軟件流程如圖5：
圖5 軟件設計流程圖
4、結束語
該系統采用單＋5V電源供電，可大大減輕系統的質量和減小系統的體積，實現真正意義上的便攜式，也可以作為分布式傳感系統和傳感器網絡化的傳感器，用于實時、遠程監控。同時可大大降低成本。系統的缺點由于光源特性的限制，而不能實現高頻調制,可以通過選用可高頻調制的光源實現。
參考文獻
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[5] 王幸之. AT89系列單片機原理與接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社. 2004，
關鍵詞：NANDFlash，多通道流水線，大容量高速
1. 引言
本文的項目背景是企業一個大容量半導體閃存控制器的預研方案，而如何擴大容量，提高閃存存儲速度是研究中的一個重要部分。以半導體作為記憶載體Flash芯片，比傳統的磁存儲設備更能承受溫度的變化、機械的振動和沖擊，可靠性更高，易于實現高速度、低功耗和小型化，日趨成為存儲器的主流。它分為NOR 和NAND兩種類型。與NOR型相比，NAND型具有存儲密度更高、功耗更低、芯片引腳兼容性更好和成本效益更高等優點，在計算機及多媒體消費類電子產品中得到廣泛應用。而現在單個NAND Flash芯片的存儲容量比較小，讀寫速度也比較慢，因此，開發出高速、大容量的存儲系統就顯得尤為重要。本文將從NAND Flash的結構特性出發，對擴大閃存容量，提高存儲技術進行探討。由于NAND Flash有多個生產廠商，產品之間有一些差異，本文采用現在市面上流行的三星K9K8G08U0M[1]高密度NAND Flash 存儲芯片，這樣研究就有了很好的現實意義及實用價值。
2. K9K8G08U0M型NAND Flash芯片內部組成
圖1 K9K8G08U0M芯片內部邏輯結構圖
3. 擴展容量--多通道高帶寬Flash存儲陣列
圖2 存儲陣列組織結構示意圖
4 提高存儲速度方法探討
4.1 并行總線及并行分路技術[4]
并行總線技術亦稱拓寬總線技術，也即上節所提到的位擴展技術，即通過拓寬數據總線的寬度實現數據宏觀上的并行操作。免費論文。比如, 由4塊8bit數據總線的芯片組成一個32 bit寬的存儲模塊, 它們共用相同的控制信號, 包括片選信號、讀寫信號、地址信號等。免費論文。存儲模塊總是被看作一個整體而進行相同的操作, 只是數據加載的時候是不同的數據。這樣，數據量將是使用一塊芯片時的4倍, 所以理論上速度也將是非并行時的4倍。時分多路復用通信，是指各路信號在同一信道上占有不同時間間隙進行通信，具體說，就是把時間分成一些均勻的時間間隙，將各路信號的傳輸時間分配在不同的時間間隙，以達到互相分開，互不干擾的目的。借鑒時分多路復用通信技術, 可以將輸入存儲系統的高速數據流看作是以傳輸一個字所需的時間為一個時間片, 不同的時間片傳輸不同數據的時分多路數據復用。這也是下面要詳細說明流水線技術的基本原理。
4.2 多通道流水線技術
流水線技術是一種非常經濟、對提高處理機的運算速度非常有效的技術，它依據的是時間并行性。存儲系統采用流水處理技術有兩個前提條件：首先，在前一個I/O命令沒有完全結束之前，系統能獲取下一個I/O命令的有關信息；其次，不同部件應能同時操作，資源不發生沖突。由NAND Flash的寫時序圖分析可得，NAND Flash寫入操作可分為3個步驟[3] ：首先，加載操作，即完成命令、地址和數據的載入工作；其次，自動編程操作，即由閃存芯片自動完成編程操作，將載入到頁寄存器的數據寫到內部存儲單元的；最后，檢測操作，即在自動編程結束后檢測寫入的數據是否正確。如果不正確，需要重新編程；如果正確，繼續下一步的操作。
在寫入自動編程命令后，NAND Flash提供專門的R /B#輸出信號變低，指明當前正在進行內部編程操作，進入自動編程狀態后的典型時間為700μs，遠遠超過前面的加載操作部分，當自編程操作完成后，R /B #變高，因此，對NAND Flash的操作滿足流水線要求，可對寫操作采取流水操作。免費論文。而用幾級流水才能使得系統能夠最高效的運行，下面來進行分析：
圖3 存儲器寫操作流水方式
采用八級流水后的寫速度計算[3] ,寫入速度=（1頁數據量×并行操作芯片數量×流水級數）/（加載時間×流水級數+自編程時間+檢測時間），可得理論寫速度為45MB / s。
5 總結
NAND Flash存儲密度大，功耗小，可靠性高，體積小重量輕且成本也在不斷降低，今后擁有非常廣闊的市場。本文主要從芯片自身的結構特性出發，從硬件的角度采用位擴展、并行總線、及流水線技術對提高NAND Flash存儲容量和速度進行了探討。同時在提高閃存容量的速度方面的探討還可以涉及到Flash糾錯算法（ECC），地址映射表[4]，Flash文件系統優化算法等等，這些都有待在今后的工作中進行研究。
參考文獻:
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[2] 張銳.高速大容量存儲系統的研究和設計. 航空計算技術, 2008. 7.
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關鍵詞:串口;無線;因特網
中圖分類號:TP393文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)07-1596-02
在嵌入式系統時代,所有的設備都要網絡化,這是未來科技發展的趨勢。而在自動化領域有成千上萬的傳感器,控制器及其他設備。而他們之間最常用的通信接口就是 RS-232 串口。在實際工作中,筆者為了通過無線網絡讀取只有 RS-232 串口的傳感器中數據,設計了一個串口無線網絡服務器設備。連線圖如圖 1 所示。PC 端打開串口,進行相關的配置,即可對遠端接在串口服務器上的帶串口的設備進行讀寫等操作。
1 硬件設計
本系統微處理器采用的是 Atheros 公司生產的 MIPS32,無線基帶芯片是Atheros 公司的ROCm,它們被集成在同一個芯片上。存儲器芯片是SAMSUNG公司生產的 K5L6331CAA-D270。主要芯片都是高度集成,接線簡潔,原理清晰。
1.1 MIPS32簡介
本系統 CPU 選用 Atheros 公司的 MIPS32 4KE。MIPS32 是基于以太網應用系統的高性價比 32 位 RISC 微控制器,MIPS32 4KE 為低功耗高性能的 32 核。最適合用于對價格及功耗敏感的應用場合。
1.2 無線基帶芯片
無線芯片選用了 Atheros 公司的 ROCm AR6101。Atheros AR6101有以下特點:在IEEE 802.11g中兼容WLAN;在802.11g中數據速率為 6-54 Mbps、在802.11b中速率為 1-11 Mbps。150 MHz 的 MIPS R4KEm 處理器;集成支持802.11b/g MAC/基帶處理器和無線電;超低功耗和能源概況;先進的服務質量,安全功能11e WMM QoS和11i AES, WPA, WPA2, CCXv4;VoIP時先進的能源管理;WMM-APSD省電;高度緊湊和低成本的設計集成度;多種擴展接口。
1.3 存儲器芯片
本系統中采用的存儲器是SAMSUNG公司生產的 K5L6331CAA-D270。它是由 64Mb(4Mbx16) NOR Flash 和 32Mb(2Mbx16) UtRAM 組成。
NOR Flash 是由單一 3V 電源供電。該存儲器分為 142 塊存儲陣列,被獨立的硬件保護。此塊結構提供高度靈活的擦除和編程能力。器件在16bits(Word)中執行操作或在塊中擦除,可擦除單個或多個塊。
32Mb UtRAM 是三星公司先進的CMOS技術,使用一個晶體管存儲單元。該設備支持4頁模式操作,工業溫度范圍和 48-ball 芯片級封裝,對用戶來說具有靈活的系統設計。
2 軟件設計
本系統采用 ECOS 操作系統。其源代碼是公開的,ECOS最大的特點是模塊化,內核可配置。最小版本的 ECOS 只有幾百字節,非常適合小型嵌入式系統的開發。更適合于處理實時信號的設備,如移動通信、WLAN等通信設備的開發。它的另一個優點是使用多任務搶占機制,具有最小的中斷延遲,支持嵌入式系統所需的所有同步原語,并擁有靈活的調度策略和中斷處理機制,因而具有良好的實時性。
2.1 軟件程序的設計
軟件設計的框圖,如圖 2 所示。串口無線服務器是把從 RSC232 得到的數據通過無線發送到 TCP/UDP 端口,然后通過一個應用程序或多個應用程序傳到IP網絡設備。
CONFIG是通過COM口或 WLAN 對設備進行配置,一般是對LAN、Wireless、COM口等進行相關的配置。TRANSFER 是與設備的 COM口或 WLAN 進行數據的傳輸。HTTPD 是基于 Web 對設備的配置和通信。底層驅動部分,主要是完成串口驅動和無線驅動。
2.2 數據流程圖
整個設計方案的數據流程圖,如圖3所示。從 Start Device 開始,等執行到 Task Dispatch 時,下面有2種數據流的方式,A 流程是 HTTPD 是通過瀏覽器打開配置頁面,B 流程是通過串口進入控制臺。
3 結束語
許多控制設備提供了通過RS-232串口進行通信的能力,但是RS-232串行通信距離短。筆者所設計的設備旨在為RS-232串口設備提供聯網能力。在計算機集成制造或工業自動化領域中,該設備用作現場設備直接連接到網絡中。
參考文獻:
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申明:本網站內容僅用于學術交流，如有侵犯您的權益，請及時告知我們，本站將立即刪除有關內容。 王潤聲（右）在美國接受IEEE獎項并與電子器件協會（EDS）主席合影
2013年，美國IEEE電子器件青年科學家獎（IEEE EDS Early Career Award）公布獲獎名單，一位中國青年學者的名字出現在其中，他就是北京大學信息科學技術學院副教授王潤聲。
IEEE（電氣電子工程師協會）有五十多年歷史。多年來，該協會一直致力于推動電子和信息技術在理論發展和應用方面的進步，它被認為是科技革新的催化劑，也是太空、計算機、生物醫學、電氣及電子工程領域的權威組織。
經過了推薦、提名、網評、專家討論等考核環節后，王潤聲成為IEEE該獎項歷史上首位來自非美國機構的獲獎者。“學校和實驗室的平臺好，加上近期國家對科研項目的支持力度很大，甚至一些美國同行也都羨慕我們。”王潤聲說，“只要平臺是良性發展的、機制是不斷完善的，換作其他科學家，也一樣能取得成果、獲得獎勵。”
在王潤聲尚年輕的學術生涯中，IEEE電子器件青年科學家獎是重要節點，直接促使他在半導體新器件研究領域的地位更加令人關注。對于這個風華正茂的年輕學者來說，一場在晶體管研究領域的漫長巡禮才剛剛開始。
北大人的成長
王潤聲是北大“土著”，從小成績優秀，是令人艷羨的“別人家的孩子”。起初，王潤聲的興趣是物理學，但當年北大物理系在安徽不招收高考生，考慮到當時物理系與微電子系有部分課程交叉共享，王潤聲因此認為，由微電子專業轉向物理專業應該“比較容易”。憑借這個樸素的判斷，王潤聲憧憬著一個物理學家的夢，成了北京大學2001級微電子專業的學生。然而，此后一直到他讀博乃至后來成為北大老師，他卻都沒有再換專業，反倒在微電子的路上越走越遠。
王潤聲是他這一代青年科學家成長之路的典型代表：少了許多國家計劃層面的約束，基本可以輕松自由地選擇發展方向。他聰明，興趣廣，喜歡對新鮮事物躍躍欲試。在北大，他擔任了一年的乒乓球協會會長，后來又加入了學校網球隊。這時，王潤聲常常思考的問題是，“我的專業究竟有什么用？未來有什么發展？”那是青年學子一個迷茫善變的階段，他的目標不再局限于轉戰物理專業，還專門用了大半年時間跑到中文系聽課，甚至還打算考到中文系讀研。他困惑于選擇，思考一條最適合自己的專業之路。
回憶起那段日子，王潤聲說，人之所以對一件事情感興趣，也許是因為不用面對任何壓力，可以自由地做，因為你不必依賴這些有創造性的業余愛好來謀生。但是，如果把興趣變成工作，你的愛好受到了物質刺激，也許會發現自己逐漸不那么喜歡做這些事了。愛好也不再是用來放松頭腦的富有創造性的追求，它變成了養家糊口的工具。而這些壓力最終會充滿抱怨與不滿，最后你會發現自己不但沒有工作好，還失去了一個愛好。正如麥克勞德告誡我們的：不要把自己在閑暇時的消遣變成從早八點到晚五點要做的正常工作。經過一番深思熟慮，王潤聲徹底打消了轉專業的念頭，繼續學習微電子學。
2005年，王潤聲獲推免資格，成為北大微電子專業碩士生。王潤聲的導師、時任系主任的黃如教授是微納電子學領域的權威學者。在她的影響和指導下，王潤聲開啟了一段全新的科研之旅。不久后，他的論文先后在學科頂級期刊TED和頂級會議IEDM上發表，當時這在學生中尚屬罕見。黃如發現了他的天賦和科研潛力，著意栽培他;于是，王潤聲選擇繼續攻讀微電子學與固體電子學的博士學位。
2008年，國家通過教育部“國家建設高水平大學公派研究生計劃”向國外輸送第二批公派研究生，王潤聲也是其中的一員。他訪問的是美國普渡大學（Purdue University）電子與計算機工程（ECE）學院。普渡大學的微電子專業在全美排名靠前，并且很早就與北京大學建立了交流關系。“我是國內培養的‘土鱉’，但在美國，我發現國內微電子領域研究條件其實不錯;與國外同行相比，發現自己的專業水平也不錯。這說明我們國家自己培養的科研人員并不比別人差，因此我對自己更有信心了。”王潤聲說。
因為心系國內未完成的研究項目，王潤聲在普渡大學訪問一年后回到北大，于2010年4月師從王陽元院士進入博士后流動站深造，并得到了中國博士后基金的特別資助。2012年3月，王潤聲被聘為北京大學信息科學技術學院講師。至此，他由一名北大學生變成了北大的老師，成為一名“徹底”的北大人。
瓶頸與變革
王潤聲認為，微電子學科發展正處于瓶頸期。最突出的表現是，不論個人電腦、移動通信，還是智能手機，制造商都在拼功耗，因為功耗是目前最大的難題。“什么時候一塊手機電池能用一周？”王潤聲最大的愿望，就是在晶體管器件層面創新，做出更好的晶體管。“產業技術發展不能停滯，否則就變成了傳統行業。”
“瓶頸就意味著新的變革即將產生。”王潤聲的主要工作是新型晶體管研究，這需要同時透徹了解電子學和物理學，并且及時跟進行業前沿最新成果。近年來，以英特爾、IBM、臺積電等巨頭為代表的微納電子新技術在行業內持續，產品功耗不斷降低。“對未來，5年后、10年后的技術，該如何設計、如何制作，如何在傳統的基礎上創新？這是我們思考的主要問題。”王潤聲說。
2014年，王潤聲的“新型低功耗多柵MOS器件的實驗與理論研究”獲2014年教育部高等學校科學技術獎自然科學一等獎，個人排名第二。這是一項適用于未來集成電路技術的研究，揭示了納米尺度多柵器件中的系列特殊物理現象及根源，提出了新的實驗與特性表征方法，并延拓了低功耗應用能力，得到了國際半導體產業界的關注。
根據王潤聲介紹，在技術層面降低晶體管的功耗，主要有三個方面的變革：一是做新的器件結構，二是用更合適的材料替換原有材料，三是改變其工作原理。王潤聲從本科畢業論文即開始針對新結構器件展開研究。他告訴記者，這方面最有代表性的一項成果是從英特爾22納米技術代的CPU芯片開始采用的三維晶體管，業內叫做FinFET，外形像魚鰭（Fin）一樣，所以叫作鰭式晶體管;這種結構具有很強的靜電學控制能力，從而功耗很低。新材料方面，從英特爾45納米技術代開始，業界采用氧化鉿取代了傳統的氧化硅作為柵極絕緣介質材料，從而大大降低了柵極泄漏電流產生的功耗。新原理方面，目前北大正在研究利用量子力學隧穿原理改進原有晶體管的開關機制，以期從物理本質上進一步降低器件功耗。
后摩爾時代的創新
晶體管在傳統的電子產品應用中，遵循著名的“摩爾定律”不斷地等比例縮小以提高集成度，但如前所述，現在已經遇到了發展瓶頸。在后摩爾時代，除了傳統的應用，晶體管還可以在物聯網、智能傳感器、生物醫療（比如可穿戴和可植入的芯片）等新應用中大展身手。在后摩爾時代，晶體管該如何創新、如何發展、如何提高性價比？王潤聲同黃如教授等組成的團隊針對上述問題做技術研究，并有中芯國際等多個大型企業作為合作對象。“產業應用是我們的最終目的。”王潤聲說，信息產業已經成為國民經濟的支柱產業之一，而半導體集成電路產業是信息產業的基石，它的出現使電子設備向著微型化、智能化、高性能和低功耗的方向發展。
像多數科學家一樣，王潤聲也時常陷入困境。比如“有時會陷入一個問題，不停地繞圈”，他的經驗是，這時不能輕易放棄，堅持下去才會有突破。“就像打乒乓球。”他說：“有的時候，某一階段練球會覺得不僅進步緩慢、甚至還有退步，這種情況往往表明是快要‘長球’了，再堅持一下水平就會有明顯提高。”
論文摘 要：隨著因特網、多媒體和無線通訊技術的發展，人們與信息網絡已經密不可分。當今無線通訊在人們的生活中扮演著越來越重要的角色，低功耗、微型化是用戶對當前無線通訊產品尤其是便攜產品的強烈追求，作為無線通訊技術一個重要分支的短距離無線通訊技術正逐漸引起越來越廣泛的關注。本文通過Bluetooth和UWB的技術對比及多角度的分析，證實了藍牙+UWB作為下一代高速無線通訊技術的可能。
前言
目前，我國大型石化企業在廠內的通訊方式，一般仍然采用傳統的有線傳輸方式，即依靠有線通訊電纜來傳輸信號，配合以傳統的程控交換機和防爆電話，防爆揚聲器等等設備終端來實現在防爆區與非防爆區之間的通訊。這樣的通訊系統龐大，線纜眾多不易于人員維護，加之廠區內部腐蝕性氣體，工作環境，自然環境等經年累月極容易造成設備的線纜損壞，影響通訊，由于是有線電纜連接在事故發生時更加容易遭受破壞。一旦通訊中斷，對企業的事故救援，員工的人身安全，都造成巨大的損失。所以要大力發展無線通訊網絡在企業的應用。 1、無線通訊技術的重要作用
石化工廠廠區面積大，人員分布散，防爆區內移動作業人員和零散作業人員眾多。無線通訊系統對滿足人員通訊需要，加強防爆區內分布人員的動態管理，優化廠區網路結構，實現企業安全生產，調度指揮的有線，無線互聯互通，相互結合的信息傳遞，保證企業安全高效的生產具有十分重大的現實意義。
2、常用的無線通訊技術分析
目前廣泛應用的無線通訊技術主要有GPRS/CDMA、數傳電臺、擴頻微波、無線網橋及衛星通信、短波通信技術等。 2.1 數字電臺用于點對點或點對多點的工作環境，能夠提供標準RS-232接口，可直接與計算機、RTU、PLC等數據終端連接，實現透明傳輸。數傳電臺的傳輸速率從1200～19.2Kbit，傳輸距離20～50公里。具有抗干擾能力強、接收靈敏度高等特點。數傳電臺技術比較成熟，標準統一。但隨著GPRS/CDMA技術的日漸成熟，相應的設備價格的降低，使得在很多應用場合中數傳電臺被GPRS/CDMA所取代。但同時，數傳電臺的相關技術也在不斷發展，智能化、網絡化、高帶寬的數傳電臺也不斷涌現。
2.2 擴頻微波和無線網橋技術是近幾年興起的一門數據傳輸技術。擴頻微波最大優點在于較強的抗干擾能力，以及保密、多址、組網、抗多徑等，同時具有傳輸距離遠、覆蓋面廣等特點，特別適合野外聯網應用。而無線網橋是無線射頻技術和傳統的有線網橋技術相結合的產物。無線網橋是為使用無線（微波）進行遠距離數據傳輸的點對點網間互聯而設計。它是一種在鏈路層實現LAN互聯的存儲轉發設備，可用于固定數字設備與其他固定數字設備之間的遠距離（可達50km）、高速（可達百Mbps）無線組網。這兩項技術都可以用來傳輸對帶寬要求相當高的視頻監控等大數據量信號傳輸業務。
3、短距離無線通訊技術簡介
“藍牙（Bluetooth）”是一個開放性的、短距離無線通訊技術標準，也是目前國際上最新的一種公開的無線通訊技術規范。它可以在較小的范圍內，通過無線連接的方式安全、低成本、低功耗的網絡互聯，使得近距離內各種通訊設備能夠實現無縫資源共享，也可以實現在各種數字設備之間的語音和數據通訊。由于藍牙技術可以方便地嵌入到單一的CMOS芯片中，因此特別適用于小型的移動通訊設備，使設備去掉了連接電纜的不便，通過無線建立通訊。 藍牙技術以低成本的近距離無線連接為基礎，采用高速跳頻(Frequency Hopping)和時分多址(Time Division Multi-access—TDMA)等先進技術，為固定與移動設備通訊環境建立一個特別連接。作為一個新興技術，藍牙技術的應用還存在許多問題和不足之處，如成本過高、有效距離短及速度和安全性能也不令人滿意等。但毫無疑問，藍牙技術已成為近年應用最快的無線通訊技術，它必將在不久的將來滲透到生活的各個方面。
4、超寬帶(UWB)技術研究
超寬帶(Ultra-wideband—UWB)技術起源于20世紀50年代末，此前主要作為軍事技術在雷達等通訊設備中使用。隨著無線通訊的飛速發展，人們對高速無線通訊提出了更高的要求，超寬帶技術又被重新提出，并倍受關注。UWB是指信號帶寬大于500MHz或者是信號帶寬與中心頻率之比大于25%的無線通訊方案。與常見的使用連續載波通訊方式不同，UWB采用極短的脈沖信號來傳送信息，通常每個脈沖持續的時間只有幾十皮秒到幾納秒的時間。因此脈沖所占用的帶寬甚至高達幾GHz，因此最大數據傳輸速率可以達到幾百分之一。在高速通訊的同時，UWB設備的發射功率卻很小，僅僅是現有設備的幾百分之一，對于普通的非UWB接收機來說近似于噪聲，因此從理論上講，UWB可以與現有無線電設備共享帶寬。UWB是一種高速而又低功耗的數據通訊方式，它有望在無線通訊領域得到廣泛的應用。UWB的特點如下：
4.1 抗干擾性能強：UWB采用跳時擴頻信號，系統具有較大的處理增益，在發射時將微弱的無線電脈沖信號分散在寬闊的頻帶中，輸出功率甚至低于普通設備產生的噪聲。 4.2 傳輸速率高：UWB的數據速率可以達到幾十Mbit/s到幾百Mbit/s，有望高于藍牙100倍。 4.3 帶寬極寬：UWB使用的帶寬在1GHz以上，高達幾個GHz。超寬帶系統容量大，并且可以和目前的窄帶通訊系統同時工作而互不干擾。 4.4 消耗電能少：通常情況下，無線通訊系統在通訊時需要連續發射載波，因此要消耗一定電能。而UWB不使用載波，只是發出瞬間脈沖電波，也就是直接按0和1發送出去，并且在需要時才發送脈沖電波，所以消耗電能少。 4.5 保密性好：UWB保密性表現在兩方面：一方面是采用跳時擴頻，接收機只有已知發送端擴頻碼時才能解出發射數據；另一方面是系統的發射功率譜密度極低，用傳統的接收機無法接收。 4.6 發送功率非常小：UWB系統發射功率非常小，通訊設備可以用小于1mW的發射功率就能實現通訊。低發射功率大大延長了系統電源工作時間。 4.7 成本低，適合于便攜型使用：由于UWB技術使用基帶傳輸，無需進行射頻調制和解調，所以不需要混頻器、過濾器、RF/TF轉換器及本地振蕩器等復雜元件，系統結構簡化，成本大大降低，同時更容易集成到CMOS電路中。
5、結束語
總之，無線通訊方式由于其建立物理鏈路簡單易行，成本低，可以根據現場需求及時調整項目方案，靈活性好，系統的功能擴展方便，因此特別適合石化行業對通信鏈路的要求。
參考文獻
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關鍵詞：Link11 DSP FPGA
1、引言
現代戰爭中，戰術數據鏈的應用日益廣泛，在獲取戰場信息優勢方面發揮了極其重要的作用，成為了鏈接各種指揮控制系統和武器平臺的橋梁紐帶，實現了各兵種間的協同作戰，其通信的有效性、可靠性成為各國軍隊戰斗力的重要保證。本文基于link11數據鏈特點，結合DSP和FPGA各自的特點，提出了一種基于“DSP+FPGA”聯合仿真的方案，并且給出了硬件和軟件的解決方案。
2、硬件實現方案
數字信號處理的核心器件為DSP和FPGA，DSP采用軟件編程，因此具有高度的靈活性，多用于處理復雜多變的應用場合；FPGA又稱為“可編程硬件”，處理速度較高，多用于處理流程相對固定，但速度要求較高的場合。本方案選擇以“DSP+FPGA”為處理核心搭建硬件平臺，充分利用兩種器件的各自優勢。
在本方案的硬件設計中DSP選用TI公司的高性能低功耗產品TMS320C6713，FPGA選用當今主流的XILINX公司的XC5VSX95T，內核電壓1.0V，DAC選用AD公司的低功耗產品AD9736，數據位寬14位，速度可達1.2GHz。具體的方案如圖1所示。
3、DSP軟件的設計
在設計中我們利用DSP軟件的靈活性，Link11數據鏈基帶信號的設計用DSP來實現。Link11數據鏈基帶信號由2路或16路音頻副載波信號調制組成。其16路單音信號頻率為605Hz，935Hz，1045Hz，1155Hz，1265Hz，1375Hz，1485Hz，1595Hz，1705Hz，1815Hz，1925Hz，2035Hz，2145Hz，2255Hz，2365Hz，2915Hz，其中605Hz單音用于實現多普勒校正，其電平比其它數據載波單音大5～7dB。2915Hz在報頭幀時用于實現數據同步。在數據段，除了605Hz之外，每個數據載波單音代表2比特數據信息。Link11數據鏈標準傳輸速率為1200bps和2400bps，實際用1365bps和2250bps，副載波調制采用π/4QDPSK的調制方式，每個單音頻率誤差范圍保持在0.1Hz以內。Link11數據字長為24比特，并采用漢明編碼縮短碼（30，24）進行差錯檢驗控制，在尾部增加6bit碼，最后組成30比特碼作為一幀進行傳輸和接收。這30比特信息分成15組，每組包含2比特信息，經過副載波調制后進行疊加形成基帶數據的I路和Q路。具體的實現如圖2所示。
4、FPGA軟件的設計
Link11數據鏈路可在短波和超短波兩個波段工作，在視距內用UHF/VHF頻段內225～400MHz范圍內的任一25kHz的整數倍頻率，在較遠距離采用HF段內的2～30MHz范圍內的任一100Hz整數倍頻率。我們利用FPGA的速度優勢，在FPGA中利用DDS技術來產生HF段內的2～30MHz或者UHF/VHF頻段內225～400MHz。
DSP中產生的link11數據鏈基帶信號通過DSP總線傳送到FPGA，接口選用4個RAM來實現。每個RAM數據位為16位，深度為4K，因為在DSP產生的基帶數據為32位，所以I路和Q路各用兩個RAM來實現數據的傳送。DSP中產生的基帶數據采樣率很低，在調制前必須經過插值，將其采樣頻率提高到與D/A轉換器相同，在對和進行調制，相加后經過D/A輸出。具體的方案如圖3所示。
5、結語
本文針對link11數據鏈的特征，充分利用DSP和FPGA各自的優勢，建立了link11數據鏈仿真的硬件模型。利用DSP軟件的靈活性把復雜的基帶信號用DSP來實現，利用FPGA的速度優勢把載波調制用FPGA來實現，這樣形成了對link11數據鏈的完美仿真。
參考文獻
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