针对模拟存算一体芯片设计中仿真验证难题,提出一种创新的数字接口设计方案,旨在提高大规模计算场景下的仿真效率。该方案分析SRAM存算一体原理,将SPICE模型与数字控制电路结合,利用数字方法完成模拟存算一体设计的仿真验证,从而提升开发效率。为验证方案的有效性,构建评估体系,对比数字接口仿真与传统模拟电路仿真。结果显示,新方案仿真速度提升2倍以上,配置效率提升1 000倍以上,优势显著。该研究获得科技部重点研发计划 (2021YFB3601300)支持,已在180 nm工艺节点完成流片验证,证实了数字接口设计方案在大规模计算场景下仿真存算一体设计的效率优势。
基于翔腾微HKN201(NPU)构建了强实时、高并发、高性能的边缘端嵌入式智能计算系统。结合高速电路的设计理念及实际工程应用给出了电源完整性(PI)、信号完整性(SI)的基本设计方法及有效的控制措施,并进行了仿真分析,给出了仿真结果。最后对该系统进行了应用测试给出了性能指标,实验结果表明,该方案具有通用性、扩展性强、可靠性高等特点,为开展智能产品的研究提供了参考。
高精度 TDC需要低抖动、低延迟的多相时钟保证其正常工作,因此采用了多种关键技术对DLL系统的结构、电荷泵、压控延迟线、锁定检测电路等核心模块进行优化设计。亚门级延迟线技术使得DLL系统能够产生仅1.25 ps延迟的多相时钟信号;三级结构设计使得DLL系统摆脱了对高精度、高频参考时钟信号的依赖,使用100 MHz的参考时钟信号即可正常工作;电流转向、双钳位等技术的应用能够有效抑制电荷共享、沟道长度调制等非理想效应的影响,提高静态相位误差和峰峰值抖动性能。基于TSMC 65 nm的工艺,完成了电路的设计、仿真和流片验证。仿真结果表明:DLL系统能够实现设定的功能。后仿真结果为:静态相位误差约为13.1 ps,峰峰值抖动性能约为1.01 ps,系统功耗为82.5 mW。最终,测试结果表明:该系统频率范围约为50~320 MHz,锁定时间约为117.5μs。
提出一种受总电离剂量效应影响的全耗尽型绝缘体上硅背栅光电晶体管的简约模型,该模型综合考虑了器件中埋氧层内固定电荷的产生以及埋氧层下表面界面态的形成。通过该模型可建立辐照总剂量与光电晶体管阈值电压漂移之间的对应关系。将本模型结果作为阈值电压修正参数嵌入到HSPICE仿真模型BSIM-IMG中后,通过使用FDSOI背栅光电晶体管阵列代替人工神经网络图像输入层,系统研究了总电离剂量效应对器件阵列做向量矩阵乘法运算性能的影响。实验结果表明,当累积电离剂量达到600 krad(Si)时,LeNet3神经网络处理MNIST数据集的识别准确率下降至85%左右。
由于新生儿黄疸的高发病风险且传统监测手段具有局限性,为了满足临床对无创动态黄疸检测设备的需求,设计了一种可穿戴式动态黄疸水平及生理参数监测系统。该系统包括额贴式无线生理信号采集器、蓝牙通信主机和基于LabVIEW的数据分析平台。采用高度集成的MAX86916光学传感器实现4通道脉搏波信号的同步采集,通过信号分析获得胆红素、心率和血氧饱和度数据。无线通信采用内置低功耗蓝牙协议的nRF52832微控制器,将数据无线传输至蓝牙通信主机,再经由USB上传至PC机的LabVIEW程序进行显示和保存。为验证该系统的功能和性能,依次进行基本参数测试、各生理参数和商用仪器的对比测试。设备重量为13.5 g,尺寸为41 mm×29.7 mm×15.1 mm,可连续监测5 h。胆红素预测模型的检测范围为1~13 mg/dL。该系统的胆红素、心率和血氧测量均与商用仪器测试结果一致性良好(p>0.05),最大绝对误差分别为0.96 mg/dL、1 bpm和2.1%,能灵敏跟踪运动后心率降低及屏气时血氧变化情况。实验证明了系统监测黄疸、心率及血氧水平的有效性,且具有轻量化、可穿戴、多参数、无创动态检测的特点,进一步优化后有望应用于新生儿临床监测。
针对SSI协议绝对值编码器的数据读取问题,提出了一种基于DSP的SPI接口或者McBSP接口直接读取SSI协议绝对值编码器数据的方法。以TMS320F28335为主控芯片,设计了DSP与SSI协议绝对值编码器的接口电路。通过正确配置DSP的SPI接口、McBSP接口的寄存器以及处理接口数据,实现了应用DSP直接获取13位SSI协议绝对值编码器数据的目的。该方法可推广应用于DSP读取任意位数SSI协议绝对值编码器数据,具有较强的实用性。
PowerPC460是一种支持硬浮点模式的32位嵌入式处理器,包含一组32位通用寄存器和64位浮点寄存器。在处理数据运算时,GCC编译器为其生成的配套工具链默认使用浮点寄存器存取64位整型数据,由此可以减少操作指令数量和寄存器的使用数量。但是浮点寄存器和通用寄存器内的数据对齐方式不同,在整型数据使用浮点寄存器时,被访问的地址必须满足其数据类型的位宽要求,否则会出现运行时使用数据对齐异常的情况。操作系统在进行整型运算任务的上下文切换时,需要额外对浮点寄存器中的数据提供保护支持,从而产生额外的开销。提出了一种对GCC编译器指令生成模块进行优化的方法,在硬浮点模式下,使用通用寄存器处理64位整型数据运算,并且添加编译选项,保留了原有的全局优化方案。在PowerPC460板级上实验部署国产嵌入式操作系统并进行功能测试和性能测试,结果表明在功能验证正确的情况下,任务切换时间缩短了约6.3%。
针对桥梁支座倾角与应力监测中数据噪声干扰问题,设计了一种基于卡尔曼滤波的实时监测数据预处理系统。采用经典卡尔曼滤波算法对传感器采集的倾角、应力数据进行预处理,有效抑制了噪声干扰。基于FPGA的并行计算优势,实现了数据采集、滤波和传输等功能,结合上位机实时动态显示桥梁支座监测数据。实验结果表明,滤波后应力信号的信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)为32.10 dB,均方误差(Mean Square Error, MSE)为0.051 8,相关系数为0.581 1,方差比为0.701 8;倾角信号滤波后SNR为33.98 dB,MSE为0.041 8,相关系数为0.703 2,方差比为0.629 1,表明滤波算法有效抑制了噪声干扰。该系统运行稳定、可靠,可实现快速数据处理,能够满足桥梁支座倾角与应力实时监测的需求。同时,采用ASIC流程对卡尔曼滤波算法进行芯片化设计,基于180 nm CMOS工艺实现卡尔曼滤波电路,时钟频率为160 MHz,综合面积为599 131 μm2。
随着工业物联网和智能传感技术的快速发展,管道压力监测在石油、天然气、水务和城市供热等领域的重要性日益凸显。设计了一款智能管道监测表头,旨在实现高精度、实时性和智能化的管道压力监测。该监测表头集成了先进的传感器技术、低功耗无线通信模块和嵌入式数据处理系统,能够实时采集、传输和分析管道压力数据。系统采用高精度MEMS压力传感器,结合温度补偿算法,确保测量精度和稳定性。监测表头搭载了嵌入式微处理器,能够实现数据预处理和异常检测。此外,搭载RS485通信协议与标准化接口,便于与其他系统集成。实验结果表明,该智能管道监测表头在测量精度、通信距离和功耗方面均表现出色,能够满足工业现场的实际需求。
为了提升CT探测器节点的实时性、可扩展性、可靠性,结合当前滑环设备对总线通信的要求,采用CANopen 通信协议,提出一种基于CANopen协议的CT 探测器节点设计方法,选用XMC4000系列微控制器搭建节点硬件平台,进行硬件驱动和实时操作系统的适配性设计,定制化设计包含指令控制和状态反馈的对象字典,通过合理设计状态机和消息任务流程,提高了任务的实时性。测试结果表明,功能符合 CANopen 协议规范,电气特性满足电压、边沿测试、位宽测试等要求,连续传输5 156帧,成功率达到100%,具有较高的可靠性,总线延迟不超过480 ns,具有较好的实时性,设计的对象字典可以在不同硬件平台的 CT 系统进行复用和移植,实现对当前医疗设备配置文件(CiA-412)的有效补充。
介绍了一种基于MCU的时钟系统(包括时钟系统的组成成分及优缺点),提出了一种适合汽车电子MCU的时钟架构;详细介绍了整体设计框架,分析了系统的工作原理以及系统时钟与功耗之间的关系,描述了功能安全相关的时钟设计。在40 nm车规工艺库下,利用EDA仿真工具对电路进行了仿真,并在CKS32K1XX芯片项目中实现应用。
