發(fā)布時(shí)間：2023-01-08 14:45:54
序言：寫作是分享個(gè)人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的低功耗設(shè)計(jì)論文樣本，期待這些樣本能夠?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請(qǐng)盡情閱讀。
20世紀(jì)70年代，英特爾公司(Intel)的戈登?摩爾(Gordan Moore)預(yù)言：芯片上晶體管的數(shù)量將每隔18個(gè)月至兩年就會(huì)翻一番。這即是電腦行業(yè)在幕后稱之為的“摩爾定律”，這一定律至今依然在發(fā)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(shù)量將繼續(xù)呈指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)?？梢韵胂癫痪玫膶?lái)芯片將承受怎樣的負(fù)擔(dān)，這就需要將整個(gè)系統(tǒng)集成在一個(gè)小小芯片上的SoC(System on Chip)技術(shù)。這個(gè)激動(dòng)人心的技術(shù)將曾經(jīng)占據(jù)整個(gè)房間的龐大的計(jì)算機(jī)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(dǎo)體和集成電路為基礎(chǔ)的計(jì)算技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)，片上系統(tǒng)(SoC)技術(shù)已經(jīng)成為最重要的一項(xiàng)技術(shù)。
本書是為迎接新一代半導(dǎo)體技術(shù)來(lái)臨的巨大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)而匯集的論文集，這些論文幾乎涵蓋了SoC技術(shù)的所有相關(guān)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(zhǔn)確性，就需要擴(kuò)展各種不同的新技術(shù)，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(guò)程參數(shù)的概率性偏差，這些偏差表現(xiàn)為電路的行為偏差，也就是在大規(guī)模生產(chǎn)當(dāng)中被稱為參數(shù)出現(xiàn)誤差，Colin McAndrew的論文的另外一個(gè)貢獻(xiàn)就是研究了在電路模擬當(dāng)中的概率性偏差，這在計(jì)算效率和物理分析方面很重要，最終可能會(huì)決定設(shè)計(jì)是否可以生產(chǎn)。3．電路部件的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，在新技術(shù)快速涌現(xiàn)的當(dāng)代，對(duì)于每一種新技術(shù)都相應(yīng)重新設(shè)計(jì)電路顯然不現(xiàn)實(shí)，也為成本要求所不允許，Jose Franca的論文試圖設(shè)計(jì)出將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、放大器和濾波器集成在一起，成為一個(gè)能夠匹配很多應(yīng)用的系統(tǒng)。4．隨著芯片上晶體管數(shù)量的增加，單位面積里所聚集的晶體管數(shù)量將越來(lái)越多，密集的晶體管單位面積上的發(fā)熱將越來(lái)越巨大，這就提出了當(dāng)今非常熱門的問(wèn)題――低功耗，R.Leung的文章就涉及這個(gè)方面，試圖解決高速NO緩沖器的低功耗問(wèn)題。5.T.Yanagawa，S.Bampi和G.Wirth的文章很翔實(shí)和理性的預(yù)測(cè)了2010年的微電子技術(shù)對(duì)將來(lái)的微電子和集成電路半導(dǎo)體技術(shù)產(chǎn)生的影響。
本書適合學(xué)習(xí)和從事微電子和計(jì)算機(jī)專業(yè)的研究生和工程技術(shù)人員閱讀，同時(shí)也適合相關(guān)專業(yè)讀者參考。
丁丹，碩士生
(中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所)
關(guān)鍵詞 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；無(wú)線節(jié)點(diǎn)；振動(dòng)檢測(cè)
中圖分類號(hào)TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1674-6708（2010）33-0242-02
0引言
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由具有無(wú)線通信、數(shù)據(jù)采集和處理、協(xié)同合作等功能的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中部署到監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，負(fù)責(zé)收集和轉(zhuǎn)發(fā)信息、協(xié)作完成特定任務(wù)的主體，作為一種微型化的嵌入式系統(tǒng)，構(gòu)成了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)支撐平臺(tái)[1]。因此它對(duì)所使用的傳感器節(jié)點(diǎn)有一些嚴(yán)格的限制條件。一般而言，由于節(jié)點(diǎn)由電池供電，能源受限，所以優(yōu)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(tǒng)的器件。
1節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
本文預(yù)期設(shè)計(jì)一種新型振動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)部署后，自組織網(wǎng)絡(luò)建立無(wú)線路由，能夠?qū)崿F(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的實(shí)時(shí)感知、數(shù)據(jù)采集、無(wú)線傳輸?shù)裙δ堋Ｓ布x擇以小體積、低功耗、高精度的微型器件為主，滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)節(jié)點(diǎn)硬件的要求。
1.1節(jié)點(diǎn)硬件組成
本文自選ADXL330型三軸加速度傳感器；數(shù)據(jù)采集設(shè)備和無(wú)線節(jié)點(diǎn)直接選用美國(guó)Crossbow公司的產(chǎn)品：MDA300CA型數(shù)據(jù)采集板，IRIS無(wú)線節(jié)點(diǎn)。以上設(shè)備通過(guò)接口電路連接，組成具有信號(hào)感知、采集、無(wú)線發(fā)送功能的完整節(jié)點(diǎn)。
1.1.1 ADXL330加速度傳感器
ADXL330是美國(guó)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(diǎn)，自帶信號(hào)調(diào)理電路，在單片集成電路上實(shí)現(xiàn)三維模擬信號(hào)輸出，輸出的模擬電壓信號(hào)與加速度成正比。[2]
1.1.2 MDA300CA數(shù)據(jù)采集板
MDA300CA是在加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）嵌入式網(wǎng)絡(luò)傳感器中心（CENS）開發(fā)的多功能數(shù)據(jù)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(yīng)用。MDA300CA提供了一個(gè)高精度的模擬信號(hào)獲取手段，可以與Crossbow所有無(wú)線模塊通過(guò)51針接口相連。
1.1.3 IRIS無(wú)線節(jié)點(diǎn)
IRIS是美國(guó)Crossbow科技公司推出了一款超低功耗、更遠(yuǎn)距離傳輸?shù)臒o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)Mote模塊。IRIS用于低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，工作在2.4 GHz，支持IEEE802.15.4協(xié)議。IRIS增加的幾點(diǎn)新特性從整體上提高了Crossbow無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的性能：
1）超低功耗，休眠電流減半，更長(zhǎng)電池壽命；
2）相對(duì) MICA系列產(chǎn)品，三倍作用距離，雙倍存儲(chǔ)空間；
3）基于IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議RF發(fā)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(shù)據(jù)采集板、網(wǎng)關(guān)和軟件。
1.2 硬件連接
本文節(jié)點(diǎn)組成：與電路集成的ADXL330傳感器，MDA300CA數(shù)據(jù)采集板，IRIS無(wú)線節(jié)點(diǎn)。MDA300CA帶有螺釘式數(shù)據(jù)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(hào)，再通過(guò)51針接口與IRIS無(wú)線節(jié)點(diǎn)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(gè)引腳，兩個(gè)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(shí)現(xiàn)低通濾波功能。本文設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)主要測(cè)量中低頻信號(hào)，選取C3=C4=C5=0.01μF限制帶寬， 3dB帶寬計(jì)算公式：
1.2.2 MDA300CA與IRIS的連接
MDA300CA數(shù)據(jù)采集板與IRIS無(wú)線節(jié)點(diǎn)，都是美國(guó)Crossbow科技有限公司開發(fā)的基于WSN的硬件平臺(tái)。兩者直接通過(guò)51針接口相連，能夠互相兼容。節(jié)點(diǎn)工作時(shí)，需要加載MDA300CA數(shù)據(jù)采集板的驅(qū)動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)功能。在安裝Crossbow配套開發(fā)軟件MoteWork后，MDA300CA的驅(qū)動(dòng)在該安裝目錄下:Crossbow\cygwin\opt\MoteWork\apps\xmesh\XMDA300。
2 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集
節(jié)點(diǎn)工作過(guò)程中，傳感器感知振動(dòng)并輸出模擬信號(hào)，數(shù)據(jù)采集板MDA300CA將該信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，由節(jié)點(diǎn)無(wú)線發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)包送入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，最終上傳至用戶端計(jì)算機(jī)并顯示。
3 結(jié)論
本文提出了一種無(wú)線振動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)思路。通過(guò)設(shè)計(jì)外接接口電路，將低功耗傳感器與數(shù)據(jù)采集和無(wú)線發(fā)送模塊集成，構(gòu)成具有振動(dòng)信號(hào)感知、采集和無(wú)線發(fā)送功能的新型傳感器節(jié)點(diǎn)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該節(jié)點(diǎn)功能實(shí)現(xiàn)良好。
參考文獻(xiàn)
[1]王麗琴.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理方案研究.碩士學(xué)位論文.陜西：武警工程學(xué)院，2010.
[2]孟維國(guó).三軸加速度計(jì)ADXL330的特點(diǎn)及其應(yīng)用[J].國(guó)外電子元器件，2007，2：47-50.
關(guān)鍵詞：傳感器，電調(diào)制，非分光紅外技術(shù)，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(chǎn)生活密不可分。其含量過(guò)高不但會(huì)危害人類的健康,還會(huì)產(chǎn)生溫室效應(yīng)等不良影響；同時(shí)它在動(dòng)植物的生長(zhǎng)環(huán)境中也扮演著極其重要的角色。論文格式。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)和使用的CO2氣體傳感器主要是固體電解質(zhì)式、鈦酸鋇復(fù)合氧化物電容式、電導(dǎo)變化型厚膜式等,這些傳感器存在許多不足之處:對(duì)氣體的選擇性差、易出現(xiàn)誤報(bào),系統(tǒng)需要頻繁校準(zhǔn),使用壽命也較短。紅外二氧化碳?xì)怏w傳感器新技術(shù)國(guó)內(nèi)尚處于起步階段，于2005年才取得一定進(jìn)展實(shí)現(xiàn)了電調(diào)制，但關(guān)鍵元件仍需要進(jìn)口。而現(xiàn)行紅外二氧化碳分析儀多半存在著不僅價(jià)格昂貴，而且體積大、質(zhì)量大等缺點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和人民生活水平的日益提高以及人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，在空調(diào)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、汽車及環(huán)保等方面,對(duì)CO2氣體的濃度進(jìn)行定量監(jiān)測(cè)與控制成為日益增長(zhǎng)的需求,開發(fā)出靈敏度高、選擇性和穩(wěn)定性好、小型化、便攜式的CO2 氣體傳感器必是大勢(shì)所趨?；谶@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(shè)計(jì)方案。
2、非分光紅外吸收型氣體傳感器工作原理
任何物質(zhì)都有其特征明線光譜，相應(yīng)的也會(huì)有吸收光譜，二氧化碳?xì)怏w分子亦然。二氧化碳在紅外區(qū)有三個(gè)比較明顯的吸收譜線，一個(gè)吸收中心波長(zhǎng)位于近紅外1.573μm處（適用于光纖二氧化碳傳感器）、一個(gè)位于中紅外4.26μm處，還有一個(gè)位于14～20μm波段[1]。我們選擇中心波長(zhǎng)4.26μm處的吸收譜線作為檢測(cè)依據(jù)，因?yàn)榇瞬ǘ蔚奈兆顬閺?qiáng)烈，衰減最劇烈。根據(jù)氣體選擇性吸收理論可知，當(dāng)光源的發(fā)射波長(zhǎng)與氣體的吸收波長(zhǎng)相吻合時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振吸收，其吸收強(qiáng)度與該氣體的濃度有關(guān)，通過(guò)測(cè)量光的吸收強(qiáng)度就可測(cè)量氣體的濃度。具體是，當(dāng)一束光強(qiáng)為I0 的輸入平行光通過(guò)待測(cè)氣體時(shí)，如果光源光譜覆蓋一個(gè)或多個(gè)氣體的吸收譜線，則光通過(guò)氣體時(shí)發(fā)生衰減。根據(jù)Beer－Lambert定律，出射光強(qiáng)I 與入射光強(qiáng)I0和氣體的濃度之間的關(guān)系為
I = I0exp（－αCL）（1）
式中α為氣體吸收系數(shù)； L 為吸收路徑的長(zhǎng)度；C 為氣體的濃度。
對(duì)式（1） 進(jìn)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(guò)檢測(cè) 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(cè)氣體濃度的原理。
事實(shí)上，上述理論沒有考慮到光路干擾系數(shù)，這是一個(gè)隨機(jī)變量，采用非分光技術(shù)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(cè)量光路系統(tǒng)原理圖
3、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案及其實(shí)現(xiàn)
3.1核心技術(shù)及低功耗系統(tǒng)方案
電調(diào)制非分光紅外（NDIR）技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用的前沿技術(shù)，也是系統(tǒng)的核心技術(shù)所在。論文格式。采用非分光紅外測(cè)量技術(shù)，在實(shí)際操作中可以采用單光束雙波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)選用兩種窄帶濾光片，它們的中心波長(zhǎng)相近但一個(gè)允許待測(cè)氣體對(duì)應(yīng)的吸收波長(zhǎng)通過(guò)，而另一片則完全阻止其通過(guò)，如圖1所示，以此實(shí)現(xiàn)調(diào)制和提取濃度信號(hào)。同時(shí)，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定和測(cè)量的精度以及真正實(shí)現(xiàn)手持型便攜式，我們采用了電調(diào)制、低功耗設(shè)計(jì)方案，利用脈沖控制光源。而且在實(shí)現(xiàn)低功耗的同時(shí)也增強(qiáng)了光源的輻射特性和延長(zhǎng)了光源的壽命。電調(diào)制與非分光技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，從根本上克服了機(jī)械調(diào)制所帶來(lái)的種種缺陷：有可動(dòng)部件，需要專門的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，調(diào)制盤容易損壞，體積大不易于集成化等等。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，選用專用的電源驅(qū)動(dòng)芯片和微功耗光源，再利用微控制器實(shí)現(xiàn)脈沖調(diào)制，整個(gè)系統(tǒng)由＋5V單電源供電即可很好地實(shí)現(xiàn)手持型便攜式。
國(guó)外NDIR 儀器占有率在70 %左右,國(guó)內(nèi)NDIR 氣體分析儀的主要廠家大都采用國(guó)際上20 世紀(jì)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(jī)機(jī)械調(diào)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(guó)內(nèi)非分光紅外（NDIR）二氧化碳檢測(cè)技術(shù)研究可以說(shuō)才剛剛起步。發(fā)光光源以及濾光片鍍膜工藝是必須攻克的難關(guān)，本文不作詳細(xì)介紹，而將重點(diǎn)放在如何選擇和應(yīng)用上。
非分光紅外二氧化碳?xì)怏w傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)成主要包括：光源及探測(cè)接收模塊(傳感頭)、信號(hào)放大模塊、低通濾波模塊、A/D轉(zhuǎn)換以及由微控制器控制的人機(jī)控制和信號(hào)顯示輸出等模塊。其具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。選擇恰當(dāng)?shù)墓庠春蜑V光片以及相應(yīng)的探測(cè)器是非常關(guān)鍵的一步。從傳感器出來(lái)的信號(hào)是極其微弱的，必須對(duì)其進(jìn)行放大和濾波，在獲得較強(qiáng)的信號(hào)的同時(shí)保證盡可能地消除噪聲，達(dá)到較高的信噪比，為后續(xù)的信號(hào)處理提供真實(shí)有效的數(shù)據(jù)。微控制器負(fù)責(zé)信號(hào)的運(yùn)算和濃度的換算、自動(dòng)標(biāo)定、實(shí)時(shí)的顯示跟蹤以及實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信等等。
圖2 二氧化碳?xì)怏w測(cè)量系統(tǒng)原理圖
3.1.1 光源及其調(diào)制技術(shù)
設(shè)計(jì)中選用了PerkinElmer® 紅外光源IRL715，可以實(shí)現(xiàn)低頻電調(diào)制。由于其低壓低功耗，體積小巧，而且經(jīng)濟(jì)實(shí)用符合我們的設(shè)計(jì)要求。
1）該光源具有的性能指標(biāo)
n工作電壓為5V，
n電流為115mA±10％，
n功率為0.575±10％W，時(shí)間常數(shù)為290ms，
n輻射強(qiáng)度為0.15±10％MSCP；
n時(shí)間常數(shù)為290ms。
n工作壽命長(zhǎng)，可達(dá)40，000hs。論文格式。
2）光源的調(diào)制深度特性與工作模式的選擇
光源IRL715的在5V可調(diào)方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)條件下，4um紅外波長(zhǎng)處的調(diào)制深度特性曲線表明，調(diào)制頻率越高，調(diào)制深度越低。圖3[2]是光源在連續(xù)工作模式和間歇性工作模式下的輻射強(qiáng)度特性曲線，即老化特性。在連續(xù)工作模式，1500小時(shí)后，其輻射強(qiáng)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(qiáng)度則呈上升趨勢(shì)。因此，利用脈沖控制有利于增強(qiáng)光源的輻射特性，減緩其老化速度，同時(shí)也可提高測(cè)量的精度。對(duì)光源進(jìn)行電調(diào)制脈沖驅(qū)動(dòng)時(shí)，充分考慮了該因素。此外，驅(qū)動(dòng)電壓的大小一方面會(huì)影響到輻射強(qiáng)度，一方面也會(huì)影響到光源的功耗和壽命。恒流驅(qū)動(dòng)是設(shè)計(jì)的最佳選擇，選用恰當(dāng)?shù)碾娫葱酒陵P(guān)重要。
3）氣室設(shè)計(jì)要求
傳感器的光路系統(tǒng)因?yàn)椴捎昧朔欠止饧t外（NDIR）電調(diào)制而變得簡(jiǎn)單，只要設(shè)置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的氣室即可。原理圖如圖4所示。此外，如果需要進(jìn)一步減小傳感頭的體積，可以采用專用的光學(xué)鏡面系統(tǒng)，利用多次反射以加長(zhǎng)光程，并且可以同時(shí)加強(qiáng)輻射到探測(cè)器上的光強(qiáng)強(qiáng)度。光源的穩(wěn)定對(duì)測(cè)量的精度具有非常重要的影響，因此選用高精度穩(wěn)定性好的調(diào)整管對(duì)光源供電，再結(jié)合脈沖控制驅(qū)動(dòng)或者選用可PWM驅(qū)動(dòng)IC設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路。這樣做的目的有二：一是實(shí)現(xiàn)電調(diào)制；二是為了充分發(fā)揮光源的功效和提高發(fā)光強(qiáng)度，使光源的性能達(dá)到最佳。
圖4 光源電路及光路系統(tǒng)原理圖
3.1.2 檢測(cè)放大
紅外探測(cè)器也是該系統(tǒng)的核心元件，它在很大程度上決定了系統(tǒng)的測(cè)量精度與性能。選用PerkinElmer®配套的TPS2534作為探測(cè)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(zhǎng)為4.0um，半波帶寬為90nm，作為參考濾光片，一片中心波長(zhǎng)為4.26um，半波帶寬為180nm，作為氣體選擇濾光片，提取參考信號(hào)和氣體信號(hào)。結(jié)合光源設(shè)計(jì)光路實(shí)現(xiàn)了非分光紅外（NDIR）電調(diào)制。由探測(cè)器出來(lái)的電信號(hào)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(yùn)放作為電路的主要部件。有效提高電路的信噪比，提高測(cè)量靈敏度。
3.1.3 濾波電路
濾波電路，選擇了專用高階開關(guān)電容低通濾波IC電路分別對(duì)參考信號(hào)和氣體信號(hào)進(jìn)行放大濾波，采用8階BUTTERWORTH低通濾波實(shí)現(xiàn)，以有效的提高系統(tǒng)的信噪比。
3.1.4 前向通道、微控制器和后向通道
經(jīng)信號(hào)調(diào)理得到的模擬信號(hào)，再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，輸入微控制器，完成前向通道的設(shè)計(jì)。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)對(duì)采樣的速度要求不是很高，再考慮到測(cè)量精度的需要和為了節(jié)省單片機(jī)的口線以及跟上技術(shù)發(fā)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(fù)責(zé)信號(hào)的處理和后向通道的顯示以及數(shù)據(jù)通信。由于智能化和網(wǎng)絡(luò)化將是傳感器發(fā)展的趨勢(shì)，可增加與上位機(jī)的通信口。
3.2系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)，主要需要完成數(shù)據(jù)采集、顯示、通信、探測(cè)器溫度監(jiān)控以及光源調(diào)制和驅(qū)動(dòng)等幾大模塊的功能。
基于上述有關(guān)電源的特性的論述和要求，軟件流程如圖5：
圖5 軟件設(shè)計(jì)流程圖
4、結(jié)束語(yǔ)
該系統(tǒng)采用單＋5V電源供電，可大大減輕系統(tǒng)的質(zhì)量和減小系統(tǒng)的體積，實(shí)現(xiàn)真正意義上的便攜式，也可以作為分布式傳感系統(tǒng)和傳感器網(wǎng)絡(luò)化的傳感器，用于實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時(shí)可大大降低成本。系統(tǒng)的缺點(diǎn)由于光源特性的限制，而不能實(shí)現(xiàn)高頻調(diào)制,可以通過(guò)選用可高頻調(diào)制的光源實(shí)現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
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關(guān)鍵詞：NANDFlash，多通道流水線，大容量高速
1. 引言
本文的項(xiàng)目背景是企業(yè)一個(gè)大容量半導(dǎo)體閃存控制器的預(yù)研方案，而如何擴(kuò)大容量，提高閃存存儲(chǔ)速度是研究中的一個(gè)重要部分。以半導(dǎo)體作為記憶載體Flash芯片，比傳統(tǒng)的磁存儲(chǔ)設(shè)備更能承受溫度的變化、機(jī)械的振動(dòng)和沖擊，可靠性更高，易于實(shí)現(xiàn)高速度、低功耗和小型化，日趨成為存儲(chǔ)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(chǔ)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(yōu)點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)及多媒體消費(fèi)類電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。而現(xiàn)在單個(gè)NAND Flash芯片的存儲(chǔ)容量比較小，讀寫速度也比較慢，因此，開發(fā)出高速、大容量的存儲(chǔ)系統(tǒng)就顯得尤為重要。本文將從NAND Flash的結(jié)構(gòu)特性出發(fā)，對(duì)擴(kuò)大閃存容量，提高存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)行探討。由于NAND Flash有多個(gè)生產(chǎn)廠商，產(chǎn)品之間有一些差異，本文采用現(xiàn)在市面上流行的三星K9K8G08U0M[1]高密度NAND Flash 存儲(chǔ)芯片，這樣研究就有了很好的現(xiàn)實(shí)意義及實(shí)用價(jià)值。
2. K9K8G08U0M型NAND Flash芯片內(nèi)部組成
圖1 K9K8G08U0M芯片內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖
3. 擴(kuò)展容量--多通道高帶寬Flash存儲(chǔ)陣列
圖2 存儲(chǔ)陣列組織結(jié)構(gòu)示意圖
4 提高存儲(chǔ)速度方法探討
4.1 并行總線及并行分路技術(shù)[4]
并行總線技術(shù)亦稱拓寬總線技術(shù)，也即上節(jié)所提到的位擴(kuò)展技術(shù)，即通過(guò)拓寬數(shù)據(jù)總線的寬度實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)宏觀上的并行操作。免費(fèi)論文。比如, 由4塊8bit數(shù)據(jù)總線的芯片組成一個(gè)32 bit寬的存儲(chǔ)模塊, 它們共用相同的控制信號(hào), 包括片選信號(hào)、讀寫信號(hào)、地址信號(hào)等。免費(fèi)論文。存儲(chǔ)模塊總是被看作一個(gè)整體而進(jìn)行相同的操作, 只是數(shù)據(jù)加載的時(shí)候是不同的數(shù)據(jù)。這樣，數(shù)據(jù)量將是使用一塊芯片時(shí)的4倍, 所以理論上速度也將是非并行時(shí)的4倍。時(shí)分多路復(fù)用通信，是指各路信號(hào)在同一信道上占有不同時(shí)間間隙進(jìn)行通信，具體說(shuō)，就是把時(shí)間分成一些均勻的時(shí)間間隙，將各路信號(hào)的傳輸時(shí)間分配在不同的時(shí)間間隙，以達(dá)到互相分開，互不干擾的目的。借鑒時(shí)分多路復(fù)用通信技術(shù), 可以將輸入存儲(chǔ)系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)流看作是以傳輸一個(gè)字所需的時(shí)間為一個(gè)時(shí)間片, 不同的時(shí)間片傳輸不同數(shù)據(jù)的時(shí)分多路數(shù)據(jù)復(fù)用。這也是下面要詳細(xì)說(shuō)明流水線技術(shù)的基本原理。
4.2 多通道流水線技術(shù)
流水線技術(shù)是一種非常經(jīng)濟(jì)、對(duì)提高處理機(jī)的運(yùn)算速度非常有效的技術(shù)，它依據(jù)的是時(shí)間并行性。存儲(chǔ)系統(tǒng)采用流水處理技術(shù)有兩個(gè)前提條件：首先，在前一個(gè)I/O命令沒有完全結(jié)束之前，系統(tǒng)能獲取下一個(gè)I/O命令的有關(guān)信息；其次，不同部件應(yīng)能同時(shí)操作，資源不發(fā)生沖突。由NAND Flash的寫時(shí)序圖分析可得，NAND Flash寫入操作可分為3個(gè)步驟[3] ：首先，加載操作，即完成命令、地址和數(shù)據(jù)的載入工作；其次，自動(dòng)編程操作，即由閃存芯片自動(dòng)完成編程操作，將載入到頁(yè)寄存器的數(shù)據(jù)寫到內(nèi)部存儲(chǔ)單元的；最后，檢測(cè)操作，即在自動(dòng)編程結(jié)束后檢測(cè)寫入的數(shù)據(jù)是否正確。如果不正確，需要重新編程；如果正確，繼續(xù)下一步的操作。
在寫入自動(dòng)編程命令后，NAND Flash提供專門的R /B#輸出信號(hào)變低，指明當(dāng)前正在進(jìn)行內(nèi)部編程操作，進(jìn)入自動(dòng)編程狀態(tài)后的典型時(shí)間為700μs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)前面的加載操作部分，當(dāng)自編程操作完成后，R /B #變高，因此，對(duì)NAND Flash的操作滿足流水線要求，可對(duì)寫操作采取流水操作。免費(fèi)論文。而用幾級(jí)流水才能使得系統(tǒng)能夠最高效的運(yùn)行，下面來(lái)進(jìn)行分析：
圖3 存儲(chǔ)器寫操作流水方式
采用八級(jí)流水后的寫速度計(jì)算[3] ,寫入速度=（1頁(yè)數(shù)據(jù)量×并行操作芯片數(shù)量×流水級(jí)數(shù)）/（加載時(shí)間×流水級(jí)數(shù)+自編程時(shí)間+檢測(cè)時(shí)間），可得理論寫速度為45MB / s。
5 總結(jié)
NAND Flash存儲(chǔ)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(chǎng)。本文主要從芯片自身的結(jié)構(gòu)特性出發(fā)，從硬件的角度采用位擴(kuò)展、并行總線、及流水線技術(shù)對(duì)提高NAND Flash存儲(chǔ)容量和速度進(jìn)行了探討。同時(shí)在提高閃存容量的速度方面的探討還可以涉及到Flash糾錯(cuò)算法（ECC），地址映射表[4]，F(xiàn)lash文件系統(tǒng)優(yōu)化算法等等，這些都有待在今后的工作中進(jìn)行研究。
參考文獻(xiàn):
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關(guān)鍵詞:串口;無(wú)線;因特網(wǎng)
中圖分類號(hào):TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3044(2010)07-1596-02
在嵌入式系統(tǒng)時(shí)代,所有的設(shè)備都要網(wǎng)絡(luò)化,這是未來(lái)科技發(fā)展的趨勢(shì)。而在自動(dòng)化領(lǐng)域有成千上萬(wàn)的傳感器,控制器及其他設(shè)備。而他們之間最常用的通信接口就是 RS-232 串口。在實(shí)際工作中,筆者為了通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)讀取只有 RS-232 串口的傳感器中數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)了一個(gè)串口無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器設(shè)備。連線圖如圖 1 所示。PC 端打開串口,進(jìn)行相關(guān)的配置,即可對(duì)遠(yuǎn)端接在串口服務(wù)器上的帶串口的設(shè)備進(jìn)行讀寫等操作。
1 硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)微處理器采用的是 Atheros 公司生產(chǎn)的 MIPS32,無(wú)線基帶芯片是Atheros 公司的ROCm,它們被集成在同一個(gè)芯片上。存儲(chǔ)器芯片是SAMSUNG公司生產(chǎn)的 K5L6331CAA-D270。主要芯片都是高度集成,接線簡(jiǎn)潔,原理清晰。
1.1 MIPS32簡(jiǎn)介
本系統(tǒng) CPU 選用 Atheros 公司的 MIPS32 4KE。MIPS32 是基于以太網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的高性價(jià)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(duì)價(jià)格及功耗敏感的應(yīng)用場(chǎng)合。
1.2 無(wú)線基帶芯片
無(wú)線芯片選用了 Atheros 公司的 ROCm AR6101。Atheros AR6101有以下特點(diǎn):在IEEE 802.11g中兼容WLAN;在802.11g中數(shù)據(jù)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(wú)線電;超低功耗和能源概況;先進(jìn)的服務(wù)質(zhì)量,安全功能11e WMM QoS和11i AES, WPA, WPA2, CCXv4;VoIP時(shí)先進(jìn)的能源管理;WMM-APSD省電;高度緊湊和低成本的設(shè)計(jì)集成度;多種擴(kuò)展接口。
1.3 存儲(chǔ)器芯片
本系統(tǒng)中采用的存儲(chǔ)器是SAMSUNG公司生產(chǎn)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(chǔ)器分為 142 塊存儲(chǔ)陣列,被獨(dú)立的硬件保護(hù)。此塊結(jié)構(gòu)提供高度靈活的擦除和編程能力。器件在16bits(Word)中執(zhí)行操作或在塊中擦除,可擦除單個(gè)或多個(gè)塊。
32Mb UtRAM 是三星公司先進(jìn)的CMOS技術(shù),使用一個(gè)晶體管存儲(chǔ)單元。該設(shè)備支持4頁(yè)模式操作,工業(yè)溫度范圍和 48-ball 芯片級(jí)封裝,對(duì)用戶來(lái)說(shuō)具有靈活的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
2 軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用 ECOS 操作系統(tǒng)。其源代碼是公開的,ECOS最大的特點(diǎn)是模塊化,內(nèi)核可配置。最小版本的 ECOS 只有幾百字節(jié),非常適合小型嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。更適合于處理實(shí)時(shí)信號(hào)的設(shè)備,如移動(dòng)通信、WLAN等通信設(shè)備的開發(fā)。它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是使用多任務(wù)搶占機(jī)制,具有最小的中斷延遲,支持嵌入式系統(tǒng)所需的所有同步原語(yǔ),并擁有靈活的調(diào)度策略和中斷處理機(jī)制,因而具有良好的實(shí)時(shí)性。
2.1 軟件程序的設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)的框圖,如圖 2 所示。串口無(wú)線服務(wù)器是把從 RSC232 得到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)送到 TCP/UDP 端口,然后通過(guò)一個(gè)應(yīng)用程序或多個(gè)應(yīng)用程序傳到IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。
CONFIG是通過(guò)COM口或 WLAN 對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置,一般是對(duì)LAN、Wireless、COM口等進(jìn)行相關(guān)的配置。TRANSFER 是與設(shè)備的 COM口或 WLAN 進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。HTTPD 是基于 Web 對(duì)設(shè)備的配置和通信。底層驅(qū)動(dòng)部分,主要是完成串口驅(qū)動(dòng)和無(wú)線驅(qū)動(dòng)。
2.2 數(shù)據(jù)流程圖
整個(gè)設(shè)計(jì)方案的數(shù)據(jù)流程圖,如圖3所示。從 Start Device 開始,等執(zhí)行到 Task Dispatch 時(shí),下面有2種數(shù)據(jù)流的方式,A 流程是 HTTPD 是通過(guò)瀏覽器打開配置頁(yè)面,B 流程是通過(guò)串口進(jìn)入控制臺(tái)。
3 結(jié)束語(yǔ)
許多控制設(shè)備提供了通過(guò)RS-232串口進(jìn)行通信的能力,但是RS-232串行通信距離短。筆者所設(shè)計(jì)的設(shè)備旨在為RS-232串口設(shè)備提供聯(lián)網(wǎng)能力。在計(jì)算機(jī)集成制造或工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中,該設(shè)備用作現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備直接連接到網(wǎng)絡(luò)中。
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2013年，美國(guó)IEEE電子器件青年科學(xué)家獎(jiǎng)（IEEE EDS Early Career Award）公布獲獎(jiǎng)名單，一位中國(guó)青年學(xué)者的名字出現(xiàn)在其中，他就是北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院副教授王潤(rùn)聲。
IEEE（電氣電子工程師協(xié)會(huì)）有五十多年歷史。多年來(lái)，該協(xié)會(huì)一直致力于推動(dòng)電子和信息技術(shù)在理論發(fā)展和應(yīng)用方面的進(jìn)步，它被認(rèn)為是科技革新的催化劑，也是太空、計(jì)算機(jī)、生物醫(yī)學(xué)、電氣及電子工程領(lǐng)域的權(quán)威組織。
經(jīng)過(guò)了推薦、提名、網(wǎng)評(píng)、專家討論等考核環(huán)節(jié)后，王潤(rùn)聲成為IEEE該獎(jiǎng)項(xiàng)歷史上首位來(lái)自非美國(guó)機(jī)構(gòu)的獲獎(jiǎng)?wù)??！皩W(xué)校和實(shí)驗(yàn)室的平臺(tái)好，加上近期國(guó)家對(duì)科研項(xiàng)目的支持力度很大，甚至一些美國(guó)同行也都羨慕我們。”王潤(rùn)聲說(shuō)，“只要平臺(tái)是良性發(fā)展的、機(jī)制是不斷完善的，換作其他科學(xué)家，也一樣能取得成果、獲得獎(jiǎng)勵(lì)?！?/p>
在王潤(rùn)聲尚年輕的學(xué)術(shù)生涯中，IEEE電子器件青年科學(xué)家獎(jiǎng)是重要節(jié)點(diǎn)，直接促使他在半導(dǎo)體新器件研究領(lǐng)域的地位更加令人關(guān)注。對(duì)于這個(gè)風(fēng)華正茂的年輕學(xué)者來(lái)說(shuō)，一場(chǎng)在晶體管研究領(lǐng)域的漫長(zhǎng)巡禮才剛剛開始。
北大人的成長(zhǎng)
王潤(rùn)聲是北大“土著”，從小成績(jī)優(yōu)秀，是令人艷羨的“別人家的孩子”。起初，王潤(rùn)聲的興趣是物理學(xué)，但當(dāng)年北大物理系在安徽不招收高考生，考慮到當(dāng)時(shí)物理系與微電子系有部分課程交叉共享，王潤(rùn)聲因此認(rèn)為，由微電子專業(yè)轉(zhuǎn)向物理專業(yè)應(yīng)該“比較容易”。憑借這個(gè)樸素的判斷，王潤(rùn)聲憧憬著一個(gè)物理學(xué)家的夢(mèng)，成了北京大學(xué)2001級(jí)微電子專業(yè)的學(xué)生。然而，此后一直到他讀博乃至后來(lái)成為北大老師，他卻都沒有再換專業(yè)，反倒在微電子的路上越走越遠(yuǎn)。
王潤(rùn)聲是他這一代青年科學(xué)家成長(zhǎng)之路的典型代表：少了許多國(guó)家計(jì)劃層面的約束，基本可以輕松自由地選擇發(fā)展方向。他聰明，興趣廣，喜歡對(duì)新鮮事物躍躍欲試。在北大，他擔(dān)任了一年的乒乓球協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng)，后來(lái)又加入了學(xué)校網(wǎng)球隊(duì)。這時(shí)，王潤(rùn)聲常常思考的問(wèn)題是，“我的專業(yè)究竟有什么用？未來(lái)有什么發(fā)展？”那是青年學(xué)子一個(gè)迷茫善變的階段，他的目標(biāo)不再局限于轉(zhuǎn)戰(zhàn)物理專業(yè)，還專門用了大半年時(shí)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(yè)之路。
回憶起那段日子，王潤(rùn)聲說(shuō)，人之所以對(duì)一件事情感興趣，也許是因?yàn)椴挥妹鎸?duì)任何壓力，可以自由地做，因?yàn)槟悴槐匾蕾囘@些有創(chuàng)造性的業(yè)余愛好來(lái)謀生。但是，如果把興趣變成工作，你的愛好受到了物質(zhì)刺激，也許會(huì)發(fā)現(xiàn)自己逐漸不那么喜歡做這些事了。愛好也不再是用來(lái)放松頭腦的富有創(chuàng)造性的追求，它變成了養(yǎng)家糊口的工具。而這些壓力最終會(huì)充滿抱怨與不滿，最后你會(huì)發(fā)現(xiàn)自己不但沒有工作好，還失去了一個(gè)愛好。正如麥克勞德告誡我們的：不要把自己在閑暇時(shí)的消遣變成從早八點(diǎn)到晚五點(diǎn)要做的正常工作。經(jīng)過(guò)一番深思熟慮，王潤(rùn)聲徹底打消了轉(zhuǎn)專業(yè)的念頭，繼續(xù)學(xué)習(xí)微電子學(xué)。
2005年，王潤(rùn)聲獲推免資格，成為北大微電子專業(yè)碩士生。王潤(rùn)聲的導(dǎo)師、時(shí)任系主任的黃如教授是微納電子學(xué)領(lǐng)域的權(quán)威學(xué)者。在她的影響和指導(dǎo)下，王潤(rùn)聲開啟了一段全新的科研之旅。不久后，他的論文先后在學(xué)科頂級(jí)期刊TED和頂級(jí)會(huì)議IEDM上發(fā)表，當(dāng)時(shí)這在學(xué)生中尚屬罕見。黃如發(fā)現(xiàn)了他的天賦和科研潛力，著意栽培他;于是，王潤(rùn)聲選擇繼續(xù)攻讀微電子學(xué)與固體電子學(xué)的博士學(xué)位。
2008年，國(guó)家通過(guò)教育部“國(guó)家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生計(jì)劃”向國(guó)外輸送第二批公派研究生，王潤(rùn)聲也是其中的一員。他訪問(wèn)的是美國(guó)普渡大學(xué)（Purdue University）電子與計(jì)算機(jī)工程（ECE）學(xué)院。普渡大學(xué)的微電子專業(yè)在全美排名靠前，并且很早就與北京大學(xué)建立了交流關(guān)系?！拔沂菄?guó)內(nèi)培養(yǎng)的‘土鱉’，但在美國(guó)，我發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)微電子領(lǐng)域研究條件其實(shí)不錯(cuò);與國(guó)外同行相比，發(fā)現(xiàn)自己的專業(yè)水平也不錯(cuò)。這說(shuō)明我們國(guó)家自己培養(yǎng)的科研人員并不比別人差，因此我對(duì)自己更有信心了?！蓖鯘?rùn)聲說(shuō)。
因?yàn)樾南祰?guó)內(nèi)未完成的研究項(xiàng)目，王潤(rùn)聲在普渡大學(xué)訪問(wèn)一年后回到北大，于2010年4月師從王陽(yáng)元院士進(jìn)入博士后流動(dòng)站深造，并得到了中國(guó)博士后基金的特別資助。2012年3月，王潤(rùn)聲被聘為北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院講師。至此，他由一名北大學(xué)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(rùn)聲認(rèn)為，微電子學(xué)科發(fā)展正處于瓶頸期。最突出的表現(xiàn)是，不論個(gè)人電腦、移動(dòng)通信，還是智能手機(jī)，制造商都在拼功耗，因?yàn)楣氖悄壳白畲蟮碾y題。“什么時(shí)候一塊手機(jī)電池能用一周？”王潤(rùn)聲最大的愿望，就是在晶體管器件層面創(chuàng)新，做出更好的晶體管。“產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展不能停滯，否則就變成了傳統(tǒng)行業(yè)?！?/p>
“瓶頸就意味著新的變革即將產(chǎn)生?！蓖鯘?rùn)聲的主要工作是新型晶體管研究，這需要同時(shí)透徹了解電子學(xué)和物理學(xué)，并且及時(shí)跟進(jìn)行業(yè)前沿最新成果。近年來(lái)，以英特爾、IBM、臺(tái)積電等巨頭為代表的微納電子新技術(shù)在行業(yè)內(nèi)持續(xù)，產(chǎn)品功耗不斷降低?！皩?duì)未來(lái)，5年后、10年后的技術(shù)，該如何設(shè)計(jì)、如何制作，如何在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上創(chuàng)新？這是我們思考的主要問(wèn)題。”王潤(rùn)聲說(shuō)。
2014年，王潤(rùn)聲的“新型低功耗多柵MOS器件的實(shí)驗(yàn)與理論研究”獲2014年教育部高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)獎(jiǎng)自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，個(gè)人排名第二。這是一項(xiàng)適用于未來(lái)集成電路技術(shù)的研究，揭示了納米尺度多柵器件中的系列特殊物理現(xiàn)象及根源，提出了新的實(shí)驗(yàn)與特性表征方法，并延拓了低功耗應(yīng)用能力，得到了國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。
根據(jù)王潤(rùn)聲介紹，在技術(shù)層面降低晶體管的功耗，主要有三個(gè)方面的變革：一是做新的器件結(jié)構(gòu)，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(rùn)聲從本科畢業(yè)論文即開始針對(duì)新結(jié)構(gòu)器件展開研究。他告訴記者，這方面最有代表性的一項(xiàng)成果是從英特爾22納米技術(shù)代的CPU芯片開始采用的三維晶體管，業(yè)內(nèi)叫做FinFET，外形像魚鰭（Fin）一樣，所以叫作鰭式晶體管;這種結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的靜電學(xué)控制能力，從而功耗很低。新材料方面，從英特爾45納米技術(shù)代開始，業(yè)界采用氧化鉿取代了傳統(tǒng)的氧化硅作為柵極絕緣介質(zhì)材料，從而大大降低了柵極泄漏電流產(chǎn)生的功耗。新原理方面，目前北大正在研究利用量子力學(xué)隧穿原理改進(jìn)原有晶體管的開關(guān)機(jī)制，以期從物理本質(zhì)上進(jìn)一步降低器件功耗。
后摩爾時(shí)代的創(chuàng)新
晶體管在傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品應(yīng)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(xiàn)在已經(jīng)遇到了發(fā)展瓶頸。在后摩爾時(shí)代，除了傳統(tǒng)的應(yīng)用，晶體管還可以在物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感器、生物醫(yī)療（比如可穿戴和可植入的芯片）等新應(yīng)用中大展身手。在后摩爾時(shí)代，晶體管該如何創(chuàng)新、如何發(fā)展、如何提高性價(jià)比？王潤(rùn)聲同黃如教授等組成的團(tuán)隊(duì)針對(duì)上述問(wèn)題做技術(shù)研究，并有中芯國(guó)際等多個(gè)大型企業(yè)作為合作對(duì)象?！爱a(chǎn)業(yè)應(yīng)用是我們的最終目的。”王潤(rùn)聲說(shuō)，信息產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，而半導(dǎo)體集成電路產(chǎn)業(yè)是信息產(chǎn)業(yè)的基石，它的出現(xiàn)使電子設(shè)備向著微型化、智能化、高性能和低功耗的方向發(fā)展。
像多數(shù)科學(xué)家一樣，王潤(rùn)聲也時(shí)常陷入困境。比如“有時(shí)會(huì)陷入一個(gè)問(wèn)題，不停地繞圈”，他的經(jīng)驗(yàn)是，這時(shí)不能輕易放棄，堅(jiān)持下去才會(huì)有突破?！熬拖翊蚱古仪?。”他說(shuō)：“有的時(shí)候，某一階段練球會(huì)覺得不僅進(jìn)步緩慢、甚至還有退步，這種情況往往表明是快要‘長(zhǎng)球’了，再堅(jiān)持一下水平就會(huì)有明顯提高?！?/p>
論文摘 要：隨著因特網(wǎng)、多媒體和無(wú)線通訊技術(shù)的發(fā)展，人們與信息網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)密不可分。當(dāng)今無(wú)線通訊在人們的生活中扮演著越來(lái)越重要的角色，低功耗、微型化是用戶對(duì)當(dāng)前無(wú)線通訊產(chǎn)品尤其是便攜產(chǎn)品的強(qiáng)烈追求，作為無(wú)線通訊技術(shù)一個(gè)重要分支的短距離無(wú)線通訊技術(shù)正逐漸引起越來(lái)越廣泛的關(guān)注。本文通過(guò)Bluetooth和UWB的技術(shù)對(duì)比及多角度的分析，證實(shí)了藍(lán)牙+UWB作為下一代高速無(wú)線通訊技術(shù)的可能。
前言
目前，我國(guó)大型石化企業(yè)在廠內(nèi)的通訊方式，一般仍然采用傳統(tǒng)的有線傳輸方式，即依靠有線通訊電纜來(lái)傳輸信號(hào)，配合以傳統(tǒng)的程控交換機(jī)和防爆電話，防爆揚(yáng)聲器等等設(shè)備終端來(lái)實(shí)現(xiàn)在防爆區(qū)與非防爆區(qū)之間的通訊。這樣的通訊系統(tǒng)龐大，線纜眾多不易于人員維護(hù)，加之廠區(qū)內(nèi)部腐蝕性氣體，工作環(huán)境，自然環(huán)境等經(jīng)年累月極容易造成設(shè)備的線纜損壞，影響通訊，由于是有線電纜連接在事故發(fā)生時(shí)更加容易遭受破壞。一旦通訊中斷，對(duì)企業(yè)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(fā)展無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)在企業(yè)的應(yīng)用。 1、無(wú)線通訊技術(shù)的重要作用
石化工廠廠區(qū)面積大，人員分布散，防爆區(qū)內(nèi)移動(dòng)作業(yè)人員和零散作業(yè)人員眾多。無(wú)線通訊系統(tǒng)對(duì)滿足人員通訊需要，加強(qiáng)防爆區(qū)內(nèi)分布人員的動(dòng)態(tài)管理，優(yōu)化廠區(qū)網(wǎng)路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)安全生產(chǎn)，調(diào)度指揮的有線，無(wú)線互聯(lián)互通，相互結(jié)合的信息傳遞，保證企業(yè)安全高效的生產(chǎn)具有十分重大的現(xiàn)實(shí)意義。
2、常用的無(wú)線通訊技術(shù)分析
目前廣泛應(yīng)用的無(wú)線通訊技術(shù)主要有GPRS/CDMA、數(shù)傳電臺(tái)、擴(kuò)頻微波、無(wú)線網(wǎng)橋及衛(wèi)星通信、短波通信技術(shù)等。 2.1 數(shù)字電臺(tái)用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的工作環(huán)境，能夠提供標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口，可直接與計(jì)算機(jī)、RTU、PLC等數(shù)據(jù)終端連接，實(shí)現(xiàn)透明傳輸。數(shù)傳電臺(tái)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(qiáng)、接收靈敏度高等特點(diǎn)。數(shù)傳電臺(tái)技術(shù)比較成熟，標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。但隨著GPRS/CDMA技術(shù)的日漸成熟，相應(yīng)的設(shè)備價(jià)格的降低，使得在很多應(yīng)用場(chǎng)合中數(shù)傳電臺(tái)被GPRS/CDMA所取代。但同時(shí)，數(shù)傳電臺(tái)的相關(guān)技術(shù)也在不斷發(fā)展，智能化、網(wǎng)絡(luò)化、高帶寬的數(shù)傳電臺(tái)也不斷涌現(xiàn)。
2.2 擴(kuò)頻微波和無(wú)線網(wǎng)橋技術(shù)是近幾年興起的一門數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。擴(kuò)頻微波最大優(yōu)點(diǎn)在于較強(qiáng)的抗干擾能力，以及保密、多址、組網(wǎng)、抗多徑等，同時(shí)具有傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋面廣等特點(diǎn)，特別適合野外聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。而無(wú)線網(wǎng)橋是無(wú)線射頻技術(shù)和傳統(tǒng)的有線網(wǎng)橋技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。無(wú)線網(wǎng)橋是為使用無(wú)線（微波）進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)狞c(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)間互聯(lián)而設(shè)計(jì)。它是一種在鏈路層實(shí)現(xiàn)LAN互聯(lián)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，可用于固定數(shù)字設(shè)備與其他固定數(shù)字設(shè)備之間的遠(yuǎn)距離（可達(dá)50km）、高速（可達(dá)百M(fèi)bps）無(wú)線組網(wǎng)。這兩項(xiàng)技術(shù)都可以用來(lái)傳輸對(duì)帶寬要求相當(dāng)高的視頻監(jiān)控等大數(shù)據(jù)量信號(hào)傳輸業(yè)務(wù)。
3、短距離無(wú)線通訊技術(shù)簡(jiǎn)介
“藍(lán)牙（Bluetooth）”是一個(gè)開放性的、短距離無(wú)線通訊技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也是目前國(guó)際上最新的一種公開的無(wú)線通訊技術(shù)規(guī)范。它可以在較小的范圍內(nèi)，通過(guò)無(wú)線連接的方式安全、低成本、低功耗的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，使得近距離內(nèi)各種通訊設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)縫資源共享，也可以實(shí)現(xiàn)在各種數(shù)字設(shè)備之間的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通訊。由于藍(lán)牙技術(shù)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(dòng)通訊設(shè)備，使設(shè)備去掉了連接電纜的不便，通過(guò)無(wú)線建立通訊。 藍(lán)牙技術(shù)以低成本的近距離無(wú)線連接為基礎(chǔ)，采用高速跳頻(Frequency Hopping)和時(shí)分多址(Time Division Multi-access—TDMA)等先進(jìn)技術(shù)，為固定與移動(dòng)設(shè)備通訊環(huán)境建立一個(gè)特別連接。作為一個(gè)新興技術(shù)，藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用還存在許多問(wèn)題和不足之處，如成本過(guò)高、有效距離短及速度和安全性能也不令人滿意等。但毫無(wú)疑問(wèn)，藍(lán)牙技術(shù)已成為近年應(yīng)用最快的無(wú)線通訊技術(shù)，它必將在不久的將來(lái)滲透到生活的各個(gè)方面。
4、超寬帶(UWB)技術(shù)研究
超寬帶(Ultra-wideband—UWB)技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代末，此前主要作為軍事技術(shù)在雷達(dá)等通訊設(shè)備中使用。隨著無(wú)線通訊的飛速發(fā)展，人們對(duì)高速無(wú)線通訊提出了更高的要求，超寬帶技術(shù)又被重新提出，并倍受關(guān)注。UWB是指信號(hào)帶寬大于500MHz或者是信號(hào)帶寬與中心頻率之比大于25%的無(wú)線通訊方案。與常見的使用連續(xù)載波通訊方式不同，UWB采用極短的脈沖信號(hào)來(lái)傳送信息，通常每個(gè)脈沖持續(xù)的時(shí)間只有幾十皮秒到幾納秒的時(shí)間。因此脈沖所占用的帶寬甚至高達(dá)幾GHz，因此最大數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到幾百分之一。在高速通訊的同時(shí)，UWB設(shè)備的發(fā)射功率卻很小，僅僅是現(xiàn)有設(shè)備的幾百分之一，對(duì)于普通的非UWB接收機(jī)來(lái)說(shuō)近似于噪聲，因此從理論上講，UWB可以與現(xiàn)有無(wú)線電設(shè)備共享帶寬。UWB是一種高速而又低功耗的數(shù)據(jù)通訊方式，它有望在無(wú)線通訊領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。UWB的特點(diǎn)如下：
4.1 抗干擾性能強(qiáng)：UWB采用跳時(shí)擴(kuò)頻信號(hào)，系統(tǒng)具有較大的處理增益，在發(fā)射時(shí)將微弱的無(wú)線電脈沖信號(hào)分散在寬闊的頻帶中，輸出功率甚至低于普通設(shè)備產(chǎn)生的噪聲。 4.2 傳輸速率高：UWB的數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到幾十Mbit/s到幾百M(fèi)bit/s，有望高于藍(lán)牙100倍。 4.3 帶寬極寬：UWB使用的帶寬在1GHz以上，高達(dá)幾個(gè)GHz。超寬帶系統(tǒng)容量大，并且可以和目前的窄帶通訊系統(tǒng)同時(shí)工作而互不干擾。 4.4 消耗電能少：通常情況下，無(wú)線通訊系統(tǒng)在通訊時(shí)需要連續(xù)發(fā)射載波，因此要消耗一定電能。而UWB不使用載波，只是發(fā)出瞬間脈沖電波，也就是直接按0和1發(fā)送出去，并且在需要時(shí)才發(fā)送脈沖電波，所以消耗電能少。 4.5 保密性好：UWB保密性表現(xiàn)在兩方面：一方面是采用跳時(shí)擴(kuò)頻，接收機(jī)只有已知發(fā)送端擴(kuò)頻碼時(shí)才能解出發(fā)射數(shù)據(jù)；另一方面是系統(tǒng)的發(fā)射功率譜密度極低，用傳統(tǒng)的接收機(jī)無(wú)法接收。 4.6 發(fā)送功率非常?。篣WB系統(tǒng)發(fā)射功率非常小，通訊設(shè)備可以用小于1mW的發(fā)射功率就能實(shí)現(xiàn)通訊。低發(fā)射功率大大延長(zhǎng)了系統(tǒng)電源工作時(shí)間。 4.7 成本低，適合于便攜型使用：由于UWB技術(shù)使用基帶傳輸，無(wú)需進(jìn)行射頻調(diào)制和解調(diào)，所以不需要混頻器、過(guò)濾器、RF/TF轉(zhuǎn)換器及本地振蕩器等復(fù)雜元件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，成本大大降低，同時(shí)更容易集成到CMOS電路中。
5、結(jié)束語(yǔ)
總之，無(wú)線通訊方式由于其建立物理鏈路簡(jiǎn)單易行，成本低，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求及時(shí)調(diào)整項(xiàng)目方案，靈活性好，系統(tǒng)的功能擴(kuò)展方便，因此特別適合石化行業(yè)對(duì)通信鏈路的要求。
參考文獻(xiàn)
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關(guān)鍵詞：Link11 DSP FPGA
1、引言
現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的應(yīng)用日益廣泛，在獲取戰(zhàn)場(chǎng)信息優(yōu)勢(shì)方面發(fā)揮了極其重要的作用，成為了鏈接各種指揮控制系統(tǒng)和武器平臺(tái)的橋梁紐帶，實(shí)現(xiàn)了各兵種間的協(xié)同作戰(zhàn)，其通信的有效性、可靠性成為各國(guó)軍隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的重要保證。本文基于link11數(shù)據(jù)鏈特點(diǎn)，結(jié)合DSP和FPGA各自的特點(diǎn)，提出了一種基于“DSP+FPGA”聯(lián)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(shí)現(xiàn)方案
數(shù)字信號(hào)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(fù)雜多變的應(yīng)用場(chǎng)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(duì)固定，但速度要求較高的場(chǎng)合。本方案選擇以“DSP+FPGA”為處理核心搭建硬件平臺(tái)，充分利用兩種器件的各自優(yōu)勢(shì)。
在本方案的硬件設(shè)計(jì)中DSP選用TI公司的高性能低功耗產(chǎn)品TMS320C6713，F(xiàn)PGA選用當(dāng)今主流的XILINX公司的XC5VSX95T，內(nèi)核電壓1.0V，DAC選用AD公司的低功耗產(chǎn)品AD9736，數(shù)據(jù)位寬14位，速度可達(dá)1.2GHz。具體的方案如圖1所示。
3、DSP軟件的設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)中我們利用DSP軟件的靈活性，Link11數(shù)據(jù)鏈基帶信號(hào)的設(shè)計(jì)用DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)。Link11數(shù)據(jù)鏈基帶信號(hào)由2路或16路音頻副載波信號(hào)調(diào)制組成。其16路單音信號(hào)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(shí)現(xiàn)多普勒校正，其電平比其它數(shù)據(jù)載波單音大5～7dB。2915Hz在報(bào)頭幀時(shí)用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。在數(shù)據(jù)段，除了605Hz之外，每個(gè)數(shù)據(jù)載波單音代表2比特?cái)?shù)據(jù)信息。Link11數(shù)據(jù)鏈標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率為1200bps和2400bps，實(shí)際用1365bps和2250bps，副載波調(diào)制采用π/4QDPSK的調(diào)制方式，每個(gè)單音頻率誤差范圍保持在0.1Hz以內(nèi)。Link11數(shù)據(jù)字長(zhǎng)為24比特，并采用漢明編碼縮短碼（30，24）進(jìn)行差錯(cuò)檢驗(yàn)控制，在尾部增加6bit碼，最后組成30比特碼作為一幀進(jìn)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(jīng)過(guò)副載波調(diào)制后進(jìn)行疊加形成基帶數(shù)據(jù)的I路和Q路。具體的實(shí)現(xiàn)如圖2所示。
4、FPGA軟件的設(shè)計(jì)
Link11數(shù)據(jù)鏈路可在短波和超短波兩個(gè)波段工作，在視距內(nèi)用UHF/VHF頻段內(nèi)225～400MHz范圍內(nèi)的任一25kHz的整數(shù)倍頻率，在較遠(yuǎn)距離采用HF段內(nèi)的2～30MHz范圍內(nèi)的任一100Hz整數(shù)倍頻率。我們利用FPGA的速度優(yōu)勢(shì)，在FPGA中利用DDS技術(shù)來(lái)產(chǎn)生HF段內(nèi)的2～30MHz或者UHF/VHF頻段內(nèi)225～400MHz。
DSP中產(chǎn)生的link11數(shù)據(jù)鏈基帶信號(hào)通過(guò)DSP總線傳送到FPGA，接口選用4個(gè)RAM來(lái)實(shí)現(xiàn)。每個(gè)RAM數(shù)據(jù)位為16位，深度為4K，因?yàn)樵贒SP產(chǎn)生的基帶數(shù)據(jù)為32位，所以I路和Q路各用兩個(gè)RAM來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。DSP中產(chǎn)生的基帶數(shù)據(jù)采樣率很低，在調(diào)制前必須經(jīng)過(guò)插值，將其采樣頻率提高到與D/A轉(zhuǎn)換器相同，在對(duì)和進(jìn)行調(diào)制，相加后經(jīng)過(guò)D/A輸出。具體的方案如圖3所示。
5、結(jié)語(yǔ)
本文針對(duì)link11數(shù)據(jù)鏈的特征，充分利用DSP和FPGA各自的優(yōu)勢(shì)，建立了link11數(shù)據(jù)鏈仿真的硬件模型。利用DSP軟件的靈活性把復(fù)雜的基帶信號(hào)用DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用FPGA的速度優(yōu)勢(shì)把載波調(diào)制用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣形成了對(duì)link11數(shù)據(jù)鏈的完美仿真。
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