導(dǎo)言：作為寫作愛好者，不可錯(cuò)過為您精心挑選的10篇低功耗設(shè)計(jì)論文，它們將為您的寫作提供全新的視角，我們衷心期待您的閱讀，并希望這些內(nèi)容能為您提供靈感和參考。

篇1

集成電路發(fā)展的見證者

時(shí)至今日,由IEEE(國際電氣電子工程師協(xié)會)舉辦的ISSCC已經(jīng)走過了57個(gè)年頭。集成電路歷史上一些里程碑式的創(chuàng)新大都會在ISSCC上首次公布:從1962年仙童公司的TTL(晶體管-晶體管邏輯)電路開辟了數(shù)字電路的集成時(shí)代,到1968年泰克公司的集成放大器將模擬電路帶入集成時(shí)代,再到1974年英特爾公司的8位處理器開啟了計(jì)算普及之門;更不用說多核、高性能CPU、低功耗技術(shù)、視頻處理器、可編程DSP(數(shù)字信號處理器)、WiFi、藍(lán)牙、CCD圖像傳感器等人們耳熟能詳?shù)男畔⒓夹g(shù)。

本次會議設(shè)有10個(gè)議題:低功耗數(shù)字技術(shù)、高性能數(shù)字技術(shù)、存儲器、模擬、射頻、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、無線、有線、圖像/顯示/微電子機(jī)械系統(tǒng)/醫(yī)療和技術(shù)方向。

根據(jù)ISSCC公布的論文統(tǒng)計(jì),來自世界多個(gè)國家和地區(qū)的半導(dǎo)體企業(yè)和高校等研究機(jī)構(gòu)共向大會提交了638篇論文,其中有210篇被大會錄用。這兩個(gè)數(shù)字分別略高于2009年的582篇和203篇,稍低于2008年的656篇和237篇。從地域上看,北美和歐洲的論文數(shù)在國際金融危機(jī)最為嚴(yán)重的2008年也處于谷底,分別為78篇和52篇,而今年則達(dá)到86篇和59篇。從機(jī)構(gòu)分布上看,在會議上達(dá)到或超過4篇的共有15家,其中英特爾以13篇位居其首,而產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界分別以51%和49%的比例在論文數(shù)量上平分秋色。

從注冊觀眾上,今年的觀眾數(shù)量較2009年提高了一成。集成電路產(chǎn)業(yè)歷來是整個(gè)IT產(chǎn)業(yè)的風(fēng)向標(biāo),此次會議在論文和觀眾數(shù)量上都有所回升,這對于整個(gè)IT產(chǎn)業(yè)是個(gè)好消息。

我國內(nèi)地是在2005年、2006年和2008年分別由新濤科技(上海)有限公司、中科院半導(dǎo)體所和清華大學(xué)實(shí)現(xiàn)了企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)和高校在ISSCC上論文的零突破。

高性能處理器龍爭虎斗

高性能處理器依舊是ISSCC的熱門之一,英特爾與AMD、IBM與Sun這兩對“冤家對手”,各自在會議上亮出自家的“鎮(zhèn)山之寶”。

32nm處理器成為英特爾與AMD比武的擂臺。英特爾在其《Westmere:32nm IA處理器家族》的論文中,披露了32nm 處理器Westmere系列的技術(shù)細(xì)節(jié)。Westmere在性能上從45nm處理器Nehalem的4內(nèi)核/8線程提升到6內(nèi)核/12線程,L3 緩存從8MB提升到12MB,晶體管數(shù)量則從7.31億個(gè)增加到11.7億個(gè)。得益于32nm制程技術(shù),6個(gè)內(nèi)核的Westmere的芯片面積(240mm2)甚至略小于4個(gè)內(nèi)核的Nehalem(262mm2)。Westmere還在電源輸入端引入了反諧振電路和LC濾波器,以降低電源噪聲對QPI總線和DDR時(shí)鐘的干擾。

AMD沒有出現(xiàn)在ISSCC統(tǒng)計(jì)的論文達(dá)到或超過4篇的統(tǒng)計(jì)名單中,它在《32nm SOI CMOS下實(shí)現(xiàn)的x86-64內(nèi)核》的論文中介紹了未來AMD 32nm處理器內(nèi)核的一些特征:采用SOI技術(shù),主頻超過3GHz,單個(gè)內(nèi)核的功耗控制在2.5W~25W之間。

在RISC處理器上,IBM了性能較之上代產(chǎn)品POWER 6有近5倍提升的處理器POWER 7,這種計(jì)算性能的大幅提升,在當(dāng)今處理器的更新?lián)Q代中還是罕見的。POWER 7擁有8個(gè)內(nèi)核,每個(gè)內(nèi)核含4個(gè)線程。POWER 7采用45nm SOI工藝,它將原有外置的L3緩存集成到芯片上,每個(gè)內(nèi)核擁有4MB的L3緩存,整個(gè)芯片的L3緩存高達(dá)32MB,芯片面積為467mm2。

被Oracle納入旗下的Sun在會上介紹了UltraSPARC家族的下一代產(chǎn)品的技術(shù)特征:采用40nm制程、16內(nèi)核、128線程。這一信息的披露給UltraSPARC的用戶帶來些許的安慰,但Sun能否將其付諸實(shí)施,那還要Oracle說了算。

英特爾還在會上介紹了采用SoC(片上系統(tǒng))技術(shù)的48內(nèi)核處理器Message passing。這款被稱之為“SCC”(單芯片云計(jì)算)的處理器,除了在數(shù)據(jù)吞吐方面獨(dú)具匠心外,其工作頻率和電壓分別設(shè)有28檔和8檔,可以分別獨(dú)立調(diào)節(jié),從而有效地降低了功耗。

綜觀高端處理器設(shè)計(jì),各家都有自己的獨(dú)門絕技,而各家共同關(guān)注的依舊是在降低功耗的同時(shí)通過增加內(nèi)核數(shù)量來提升整體性能。

低功耗處理器跨越1GHz門檻

與高端處理器將對性能的追求放在首位不同,降低功耗成為低功耗處理器的第一訴求。如今,伴隨著智能手機(jī)、消費(fèi)電子產(chǎn)品以及其他嵌入式應(yīng)用的發(fā)展,性能的提升已經(jīng)成為低功耗處理器亟待解決的問題。

以未來智能手機(jī)的需求為例,它要求具有主頻到達(dá)GHz量級,高達(dá)100Mbps的數(shù)據(jù)傳輸率,而且智能手機(jī)的總功耗應(yīng)該限制在1W水平上。通常,功耗和計(jì)算性能如同魚與熊掌一樣不可兼得。于是,一些創(chuàng)新的技術(shù)被引入低功耗處理器的設(shè)計(jì)之中。

英特爾在本次ISSCC上介紹了一種采用45nm工藝的自適應(yīng)處理器原型。這種處理器內(nèi)核應(yīng)用錯(cuò)誤診斷和錯(cuò)誤恢復(fù)電路,實(shí)現(xiàn)了降低電壓和提高主頻兩個(gè)目的,該處理器在0.8伏這個(gè)超低的、接近門限電壓的工作電壓下,性能提高了22%。與此同時(shí),該芯片1.3GHz的主頻也使得低功耗處理器的主頻突破了1GHz的門檻。

篇2

1.設(shè)計(jì)的意義

本次設(shè)計(jì)的溫度采集報(bào)警系統(tǒng)是一種能夠長期自動(dòng)工作的設(shè)備，它使用的電源為電池也可為充電電池，因此其功耗的大小直接決定了其使用的時(shí)間的長短。而且一般情況下這類系統(tǒng)的工作環(huán)境都比較惡劣，因此，對該系統(tǒng)進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)不僅便于延長使用壽命，便與安裝、管理與維護(hù)，而且由于該系統(tǒng)具有其他無人值守自動(dòng)設(shè)備相似的特點(diǎn)，對該系統(tǒng)進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)的方式方法可以應(yīng)用到其他設(shè)計(jì)中，這具有非常重要的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。本設(shè)計(jì)的應(yīng)用性比較強(qiáng)，如稍加改裝可做實(shí)驗(yàn)室溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)、倉儲溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)等。

2.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，溫度傳感器通過某種關(guān)系的換算，就可以得到溫度與輸出電壓的關(guān)系，單片機(jī)通過模擬口采集得到傳感器輸出電壓，通過設(shè)置的參考電壓就可以得到傳感器的輸入帶電壓，再通過一定關(guān)系的轉(zhuǎn)換就獲得溫度參數(shù)，將得到的溫度參數(shù)進(jìn)行分析后進(jìn)行相應(yīng)的處理，比如顯示或者報(bào)警。另外系統(tǒng)通過鍵盤輸入來完成對報(bào)警溫度的上、下限設(shè)置；通過顯示電路將得到的數(shù)據(jù)顯示出來；當(dāng)溫度超過上限和下限的時(shí)候，系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警通過驅(qū)動(dòng)一個(gè)蜂鳴器來實(shí)現(xiàn)。

本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件部分主要包括CPU處理模塊、傳感器采集模塊、鍵盤輸入模塊、電源及復(fù)位模塊[1]、報(bào)警模塊[2]、顯示模塊[3]以及串口通信模塊等。整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖如圖2-1所示：

2.2設(shè)計(jì)的基本思路

2.2.1系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)

一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的功耗受多因素的影響，主要有系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，芯片和元器件的選擇，及系統(tǒng)的工作方式等。本次設(shè)計(jì)的溫度采集報(bào)警系統(tǒng)是作為工業(yè)用表，故采用干電池或鋰電池供電，而電池的容量有限，因此本系統(tǒng)的功耗問題成為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)問題。具體設(shè)計(jì)方案如下：

（1）選擇低功耗的CPU

在一個(gè)系統(tǒng)中CPU是核心控制部分，主要工作均由其完成。其能耗也是整個(gè)系統(tǒng)中最大的一部分。目前51系列單片機(jī)[4]技術(shù)成熟，且其功能強(qiáng)大，性價(jià)比高。但相對MSP430單片機(jī)來說51系列的接口功能有限，外設(shè)電路較復(fù)雜，尤其是其功耗較大（功耗是MSP430系列的3倍左右），所以51系列不適合用在低功耗系統(tǒng)中。因此，本系統(tǒng)選用TI公司的MSP430F149型16位單片機(jī)[5]，該單片機(jī)的功能十分強(qiáng)大、開發(fā)方便而且其功耗極低是市場上倍受好評、應(yīng)用最多的一類低功耗單片機(jī)。

（2）選擇低的供電電壓[6]

在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的功耗往往和電源電壓的大小成一定比例關(guān)系，電源電壓高，系統(tǒng)的功耗相應(yīng)的也會增大，因此在功耗要求比較嚴(yán)格的低功耗溫度采集報(bào)警系統(tǒng)中，在保證功能的前提下，盡量選擇低的電源電壓。本系統(tǒng)中選用三節(jié)干電池4.5V供電。

（3）選擇低功耗器件

除選用低功耗的CPU外，其余器件也應(yīng)為低功耗型，如選用 COMS器件，它最大的優(yōu)點(diǎn)是微功耗（靜態(tài)功耗幾乎為零），其次是輸出邏輯電平范圍大，因而抗干擾能力強(qiáng)，所以 COMS 器件是低功耗電路和便攜式儀器的最佳搭檔。同時(shí)器件參數(shù)也應(yīng)低功耗。本系統(tǒng)中用的元器件都具有低壓供電、低功耗的性能。如MAX6613型溫度傳感器[7] [8]。

（4）系統(tǒng)低功耗的運(yùn)行管理

在軟件編程時(shí)選用合適的工作模式，合理利用單片機(jī)提供的閑置、掉電工作方式，盡量避免循環(huán)、查詢、動(dòng)態(tài)掃描等工作方式；對電路中的其它用電模塊進(jìn)行電源管理，即根據(jù)工作需要才接通相應(yīng)模塊的電源。

2.2.2 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

目前， 許多智能儀表均使用微機(jī)（包括單片機(jī)）作為控制系統(tǒng)。在使用時(shí)，不可避免地會受到電磁干擾。電磁干擾不但會降低儀表的使用精度， 而且常常使系統(tǒng)失靈或死機(jī)。因此， 抗干擾設(shè)計(jì)[7]是智能儀表設(shè)計(jì)的重要部分。本系統(tǒng)中抗干擾設(shè)計(jì)從兩方面來考慮，一是在硬件設(shè)計(jì)上采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣硪种坪拖蓴_， 例如合理的屏蔽、隔離、濾波、接地、布線等。另一方面是從系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上采取一定措施來提高系統(tǒng)的抗干擾能力， 即使系統(tǒng)受到干擾， 也能自動(dòng)地快速恢復(fù)正常工作。

3.總結(jié)及展望

溫度的測量控制廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)和生活中，特別是在冶金、化工、建材、食品、機(jī)械、石油等工業(yè)中具有舉足重輕的作用。結(jié)合超低功耗技術(shù)，本文運(yùn)用多種技術(shù)手段，包括電子電路技術(shù)，溫度傳感器技術(shù)，數(shù)據(jù)采集技術(shù)，單片機(jī)控制技術(shù)及數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋C合采用電子、控制等多方面的知識設(shè)計(jì)了低功耗溫度采集報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MAX6613溫度傳感器為溫度采集器，MSP430F149單片機(jī)為主控芯片，實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)采集報(bào)警。本設(shè)計(jì)僅是對低功耗溫度采集報(bào)警系統(tǒng)的一個(gè)探索性方案，經(jīng)開發(fā)還可以在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控的溫度采集報(bào)警系統(tǒng)或其他系統(tǒng)等，具有很大的開發(fā)潛力。

參考文獻(xiàn)：

[1]秦龍.MSP430單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)典型實(shí)例[M].北京：中國電力出版社，2005：119～141.

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[3]楊凌志，張愛玲.單片機(jī)的鍵盤顯示系統(tǒng)[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用，2004，17（7）：14～15.

[4]毛謙敏.單片機(jī)原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].國防工業(yè)出版社，2005，

125～149.

[5]秦建民，曾小平.MSP430F149單片機(jī)在便攜式智能儀器中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2002，18（12）：43～44.

篇3

引言

從20世紀(jì)80年代初到90年代初的10年里，微電子領(lǐng)域的很多研究工作都集中到了數(shù)字系統(tǒng)速度的提高上，現(xiàn)如今的技術(shù)擁有的計(jì)算能力能夠使強(qiáng)大的個(gè)人工作站、復(fù)雜實(shí)時(shí)語音和圖像識別的多媒體計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)成為可能。高速的計(jì)算能力對于百姓大眾來說是觸指可及的，不像早些年代那樣只為少數(shù)人服務(wù)。另外，用戶希望在任何地方都能訪問到這種計(jì)算能力，而不是被一個(gè)有線的物理網(wǎng)絡(luò)所束縛。便攜能力對產(chǎn)品的尺寸、重量和功耗加上嚴(yán)格的要求。由于傳統(tǒng)的鎳鉻電池每磅僅能提供20W.h的能量，因而功耗就變得尤為重要。電池技術(shù)正在改進(jìn)，每5年最大能將電池的性能提高30%，然而其不可能在短期內(nèi)顯著地解決現(xiàn)在正遇到的功耗問題。

雖然傳統(tǒng)可便攜數(shù)字應(yīng)用的支柱技術(shù)已經(jīng)成功地用于低功耗、低性能的產(chǎn)品上，諸如電子手表、袖珍計(jì)算器等等，但是有很多低功耗、高性能可便攜的應(yīng)用一直在增長。例如，筆記本計(jì)算機(jī)就代表了計(jì)算機(jī)工業(yè)里增長最快的部分。它們要求與桌上計(jì)算機(jī)一樣具有同樣的計(jì)算能力。同樣的要求在個(gè)人通信領(lǐng)域也正在迅速地發(fā)展，如采用了復(fù)雜語音編解碼算法和無線電調(diào)制解調(diào)器的帶袖珍通信終端的新一代數(shù)字蜂窩網(wǎng)。已提出的未來個(gè)人通信服務(wù)PCS（Personal Communication Services）應(yīng)用對這些要求尤其明顯，通用可便攜多媒體服務(wù)是要支持完整的數(shù)字語音和圖像辨別處理的。在這些應(yīng)用中，不僅語音，而且數(shù)據(jù)也要能在無線鏈路上傳輸。這就為實(shí)現(xiàn)任何人在任何地方的任何時(shí)間開展任何想要的業(yè)務(wù)提供了可能。但是，花在對語音、圖像的壓縮和解壓上的功耗就必須附加在這些可便攜的終端上。確實(shí)，可便攜能力已經(jīng)不再明顯地和低性能聯(lián)系在一起了；相反，高性能且可便攜的應(yīng)用正在逐步得到實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)功率可以在非便攜環(huán)境中獲得時(shí)，低功耗設(shè)計(jì)的總理也變得十分關(guān)鍵。直到現(xiàn)在，由于大的封裝、散熱片和風(fēng)扇能夠輕而易舉地散掉芯片和系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱，其功耗還未引起多大的重視。然而，隨著芯片和系統(tǒng)尺寸持續(xù)地增加，要提供充分的散熱能力就必須付出重要代價(jià)，或使所提供的總體功能達(dá)到極限時(shí)，設(shè)計(jì)高性能、低功耗數(shù)字系統(tǒng)方法的需求就會變得更為顯著。幸好，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了許多技術(shù)來克服這些矛盾。

由于可以高度集成，并具有低功耗、輸入電流小、連接方便和具有比例性等性質(zhì)，CMOS邏輯電路被認(rèn)為是現(xiàn)今最通用的大規(guī)模集成電路技術(shù)。下面研究CMOS集成電路的功耗組成，概述實(shí)現(xiàn)集成電路——SoC（System on Chip）系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)的諸多方法。目的在于揭示當(dāng)今電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、速度和其功耗的內(nèi)在聯(lián)系，在及在數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方向上潛在的啟示。

1 CMOS集成電路功耗的物理源

要研究SoC的低功耗設(shè)計(jì)，首先要物理層次上弄清該集成電路的功耗組成，其次，才能從物理實(shí)現(xiàn)到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上采用各種方法來節(jié)省功耗，達(dá)到低功耗設(shè)計(jì)的目的。圖1為典型CMOS數(shù)字電路的功耗物理組成。

（1）動(dòng)態(tài)功耗

動(dòng)態(tài)功耗是由電路中的電容引起的。設(shè)C為CMOS電路的電容，電容值為PMOS管從0狀態(tài)到H狀態(tài)所需的電壓與電量的比值。以一個(gè)反相器為例，當(dāng)該電壓為Vdd時(shí)，從0到H狀態(tài)變化（輸入端）所需要的能量是CVdd2。其中一半的能量存儲在電容之中，另一半的能量擴(kuò)展在PMOS之中。對于輸出端來說，它從H到0過程中，不需要Vdd的充電，但是在NMOS下拉的過程中，會把電容存儲的另一半能量消耗掉。如果CMOS在每次時(shí)鐘變化時(shí)都變化一次，則所耗的功率就是CBdd2f，但并不是在每個(gè)時(shí)鐘跳變過程之中，所有的CMOS電容都會進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換（除了時(shí)鐘緩沖器），所以最后要再加上一個(gè)概率因子a。電路活動(dòng)因子a代表的是，在平均時(shí)間內(nèi)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)之中，每個(gè)時(shí)鐘周期之內(nèi)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)所變化的幾率。最終得到的功耗表達(dá)式為：Psw=aCVdd2f。

（2）內(nèi)部短路功耗

CMOS電路中，如果條件Vtn

一般來說，內(nèi)部短路電流功耗不會超過動(dòng)態(tài)功耗的10%。而且，如果在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，Vdd

（3）靜態(tài)漏電功耗

靜態(tài)漏電掉的是二極管在反向加電時(shí)，晶體管內(nèi)出現(xiàn)的漏電現(xiàn)象。在MOS管中，主要指的是從襯底的注入效應(yīng)和亞門限效應(yīng)。這些與工藝有關(guān)，而且漏電所造成的功耗很小，不是考慮的重點(diǎn)。

表1為CMOS集成電路中主要的耗電類型。

類

型

公 式

比 率

動(dòng)態(tài)功耗（switching power）

Psw=aCVdd2f

70%～90%

內(nèi)部短路功耗（internal short-circuit power）

Pint=IintVdd

10%～30%

靜態(tài)漏電功耗（static leakage power）

Pleak=IleakVdd

總功耗（total power）

Ptotal=Psw+Pint+Pleak

100%

（4）小結(jié)

通過設(shè)計(jì)工藝技術(shù)的改善，Pint和Pleak能被減小到可以忽略的程度，因而Psw也就成為功耗的主要因素。后面所做的功耗優(yōu)化大部分是圍繞這一個(gè)公式來進(jìn)行的。對于SoC來說，所有的方法都是圍繞著動(dòng)態(tài)功耗來做文章的，因?yàn)樵陔娐沸盘栕兓瘯r(shí)，功耗消耗主要在電路中電容的充放電過程。如果從各個(gè)層次、各個(gè)方面盡量減少電路的充放電，將是我們關(guān)心的主題。

2 降低集成電路SoC功耗的方法

功耗對于一個(gè)便攜式SoC數(shù)字系統(tǒng)來說尤為重要。事實(shí)上，很多便攜式SoC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是先進(jìn)行功耗分析，由功耗分析的結(jié)果再來劃分設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。可以說，功耗將可能決定一切?，F(xiàn)在要做的是，根據(jù)功耗分析的結(jié)果，評判SoC結(jié)構(gòu)，改進(jìn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化方案。

SoC系統(tǒng)的功耗所涉及的內(nèi)容十分廣泛，從物理實(shí)現(xiàn)到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)都可以采用各種方法來節(jié)省和優(yōu)化功耗。通過對國外大量文獻(xiàn)的查閱，我們得到了常用的實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)的各種較為有效的方法，如表2所列。

表2 常用實(shí)現(xiàn)低功耗的各種方法

類 型

采用方法

效

果

行為級（系統(tǒng)級）

Concurrency memor

幾倍

軟件代碼

軟件優(yōu)化

32.3%

功率管理

Clock控制

10%～90%

RTL級

結(jié)構(gòu)變換

10%～15%

綜合技術(shù)

合成與分解邏輯

15%

綜合技術(shù)

映射

門級優(yōu)化

20%

20%

布局

布局優(yōu)化

20%

（1）系統(tǒng)級功耗管理

這一部分實(shí)際上是動(dòng)態(tài)功耗管理。主要做法是在沒有操作的時(shí)候（也就是在SoC處于空閑狀態(tài)的時(shí)候），使SoC運(yùn)作于睡眠狀態(tài)（只有部分設(shè)備處于工作之中）；在預(yù)設(shè)時(shí)間來臨的時(shí)候，會產(chǎn)生一個(gè)中斷。由這個(gè)中斷喚醒其它設(shè)備。實(shí)際上，這一部分需要硬件的支持，如判斷，周期性的開、關(guān)門控時(shí)鐘（gate clock）等。

（2）軟件代碼優(yōu)化

軟件代碼優(yōu)化是針對ARM嵌入式處理器而言的。對于編譯器來說，所起的使用不到1%，而對于代碼的優(yōu)化則可以產(chǎn)生高達(dá)90%的功耗節(jié)省。Simunic等人曾分別做過用各種針對ARM處理器的編譯器進(jìn)行的試驗(yàn)。比此的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)展，風(fēng)格比較好的代碼產(chǎn)生的效果遠(yuǎn)比用ARM編譯器優(yōu)化的效果好。

（3）Clock控制

這是在ASIC設(shè)計(jì)中行之有效的方法之一。如果SoC芯片在正常工作，有很大一部分模塊（它們可能是用于一些特殊用途中，如調(diào)試Debug、程序下載等）是乖于空閑狀態(tài)的，這些器件的空運(yùn)作會產(chǎn)生相當(dāng)大的功耗。這一部分應(yīng)使用時(shí)鐘控制，即clock enable & disable。

（4）RTL級代碼優(yōu)化

與軟件相似，不同的RTL（Register Transfer Level，寄存器傳輸級）代碼，也會產(chǎn)生不同的功耗，而且RTL代碼的影響比軟件代碼產(chǎn)生的影響可能還要大。因?yàn)?，RTL代碼最終會實(shí)現(xiàn)為電路。電路的風(fēng)格和結(jié)構(gòu)會對功耗產(chǎn)生相當(dāng)重要的影響。

RTL級代碼優(yōu)化主要包括：

①對于CPU來說，有效的標(biāo)準(zhǔn)功耗管理有睡眠模式和部分未工作模塊掉電。

②硬件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化包括能降低工作電壓Vdd的并行處理、流水線處理以及二者的混合處理。

③降低寄存電容C的片內(nèi)存儲器memory模塊劃分。

④降低活動(dòng)因子a的信號門控、減少glitch（毛刺）的傳播長度、Glitch活動(dòng)最小化、FSM（有限狀態(tài)機(jī)）狀態(tài)譯碼的優(yōu)化等。

⑤由硬件實(shí)現(xiàn)的算法級的功耗優(yōu)化有：流水線和并行處理、Retiming(時(shí)序重定)、Unfolding（程序或算法的展開）、Folding(程序或算法的折疊)等等基本方法以及其組合。

（5）后端綜合與布線優(yōu)化

既然SoC的功耗與寄生電容的充放電有很大的關(guān)系，作為后端綜合與布線，同樣也可采取一些措施來減少寄存器電容?？梢詢?yōu)化電路，減少操作（電路的操作），選擇節(jié)能的單元庫，修改信號的相關(guān)關(guān)系，再次綜合減少毛刺的產(chǎn)生概率。

實(shí)際上，這一部分與使用的工具有關(guān)。與軟件部分有相同之處，后端綜合與布線同軟件的編譯差不多。軟件編譯的結(jié)果是產(chǎn)生可執(zhí)行的機(jī)器代碼；而RTL的綜合與布線是把RTL代碼編譯成真實(shí)的電路。但是，后端綜合與布線優(yōu)化比較編譯優(yōu)化有更好的效果。這是因?yàn)橐欢蜶TL代碼所對應(yīng)的電路是可以有多種形式的；同時(shí)現(xiàn)有些編譯器會根據(jù)設(shè)計(jì)者提供的波形，智能地修改電路（前提是最終電路的效果還是一樣的），編譯器就會進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化。但是后端綜合的優(yōu)化與RTL級代碼優(yōu)化和時(shí)鐘控制相比，同樣的RTL級與時(shí)鐘優(yōu)化所產(chǎn)生的影響要遠(yuǎn)大于用編譯工具所產(chǎn)生的影響。

（6）功耗的精確計(jì)算

后端綜合與布線工具不但可以根據(jù)基本單元提供的功耗參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，還可以根據(jù)這些參數(shù)估算出整個(gè)SoC的功耗。正因?yàn)橛羞@樣一些工具，使我們可以精確地知道我們所設(shè)計(jì)的是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。萬一設(shè)計(jì)功耗不符合總體要求，則可能要求從系統(tǒng)級到物理綜合布線都要做出檢查與分析，做出可能的改進(jìn)，盡可能地減少功耗以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（7）小結(jié)

從上面的各種降低以及估算功耗的方法可以看出，SoC系統(tǒng)的拉耗優(yōu)化涉及到從物理實(shí)現(xiàn)到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方方面面，是芯片設(shè)計(jì)中一個(gè)十足的系統(tǒng)工程?？梢哉f，功耗可以決定一切。

結(jié)語

本文首先分析了CMOS集成電路的功耗物理組成，得到了其主要功耗成分。其次，以該主要功耗成分?jǐn)?shù)學(xué)表達(dá)式為指導(dǎo)，突出了SoC低功耗設(shè)計(jì)的各種級別層次的不同方法。不管是現(xiàn)在還是將來，該領(lǐng)域的重要性將會日益顯著。在下面的一些發(fā)展方向還將會有較大的發(fā)展：

①實(shí)現(xiàn)SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的變換以及映射技術(shù)的進(jìn)一步探索。

②將各種低功耗設(shè)計(jì)手段按照各性質(zhì)最佳綜合起來，以便使用基于人工智能的技術(shù)（如遺傳算法和啟發(fā)式算法等等）來研究。

③發(fā)展以實(shí)現(xiàn)低功耗為目的CPU指令程序的改寫技術(shù)，以將其擴(kuò)展到復(fù)雜SoC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。

篇4

引言

從20世紀(jì)80年代初到90年代初的10年里，微電子領(lǐng)域的很多研究工作都集中到了數(shù)字系統(tǒng)速度的提高上，現(xiàn)如今的技術(shù)擁有的計(jì)算能力能夠使強(qiáng)大的個(gè)人工作站、復(fù)雜實(shí)時(shí)語音和圖像識別的多媒體計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)成為可能。高速的計(jì)算能力對于百姓大眾來說是觸指可及的，不像早些年代那樣只為少數(shù)人服務(wù)。另外，用戶希望在任何地方都能訪問到這種計(jì)算能力，而不是被一個(gè)有線的物理網(wǎng)絡(luò)所束縛。便攜能力對產(chǎn)品的尺寸、重量和功耗加上嚴(yán)格的要求。由于傳統(tǒng)的鎳鉻電池每磅僅能提供20W.h的能量，因而功耗就變得尤為重要。電池技術(shù)正在改進(jìn)，每5年最大能將電池的性能提高30%，然而其不可能在短期內(nèi)顯著地解決現(xiàn)在正遇到的功耗問題。

雖然傳統(tǒng)可便攜數(shù)字應(yīng)用的支柱技術(shù)已經(jīng)成功地用于低功耗、低性能的產(chǎn)品上，諸如電子手表、袖珍計(jì)算器等等，但是有很多低功耗、高性能可便攜的應(yīng)用一直在增長。例如，筆記本計(jì)算機(jī)就代表了計(jì)算機(jī)工業(yè)里增長最快的部分。它們要求與桌上計(jì)算機(jī)一樣具有同樣的計(jì)算能力。同樣的要求在個(gè)人通信領(lǐng)域也正在迅速地發(fā)展，如采用了復(fù)雜語音編解碼算法和無線電調(diào)制解調(diào)器的帶袖珍通信終端的新一代數(shù)字蜂窩網(wǎng)。已提出的未來個(gè)人通信服務(wù)PCS（PersonalCommunicationServices）應(yīng)用對這些要求尤其明顯，通用可便攜多媒體服務(wù)是要支持完整的數(shù)字語音和圖像辨別處理的。在這些應(yīng)用中，不僅語音，而且數(shù)據(jù)也要能在無線鏈路上傳輸。這就為實(shí)現(xiàn)任何人在任何地方的任何時(shí)間開展任何想要的業(yè)務(wù)提供了可能。但是，花在對語音、圖像的壓縮和解壓上的功耗就必須附加在這些可便攜的終端上。確實(shí)，可便攜能力已經(jīng)不再明顯地和低性能聯(lián)系在一起了；相反，高性能且可便攜的應(yīng)用正在逐步得到實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)功率可以在非便攜環(huán)境中獲得時(shí)，低功耗設(shè)計(jì)的總理也變得十分關(guān)鍵。直到現(xiàn)在，由于大的封裝、散熱片和風(fēng)扇能夠輕而易舉地散掉芯片和系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱，其功耗還未引起多大的重視。然而，隨著芯片和系統(tǒng)尺寸持續(xù)地增加，要提供充分的散熱能力就必須付出重要代價(jià)，或使所提供的總體功能達(dá)到極限時(shí)，設(shè)計(jì)高性能、低功耗數(shù)字系統(tǒng)方法的需求就會變得更為顯著。幸好，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了許多技術(shù)來克服這些矛盾。

由于可以高度集成，并具有低功耗、輸入電流小、連接方便和具有比例性等性質(zhì)，CMOS邏輯電路被認(rèn)為是現(xiàn)今最通用的大規(guī)模集成電路技術(shù)。下面研究CMOS集成電路的功耗組成，概述實(shí)現(xiàn)集成電路——SoC（SystemonChip）系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)的諸多方法。目的在于揭示當(dāng)今電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、速度和其功耗的內(nèi)在聯(lián)系，在及在數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方向上潛在的啟示。

1CMOS集成電路功耗的物理源

要研究SoC的低功耗設(shè)計(jì)，首先要物理層次上弄清該集成電路的功耗組成，其次，才能從物理實(shí)現(xiàn)到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上采用各種方法來節(jié)省功耗，達(dá)到低功耗設(shè)計(jì)的目的。圖1為典型CMOS數(shù)字電路的功耗物理組成。

（1）動(dòng)態(tài)功耗

動(dòng)態(tài)功耗是由電路中的電容引起的。設(shè)C為CMOS電路的電容，電容值為PMOS管從0狀態(tài)到H狀態(tài)所需的電壓與電量的比值。以一個(gè)反相器為例，當(dāng)該電壓為Vdd時(shí)，從0到H狀態(tài)變化（輸入端）所需要的能量是CVdd2。其中一半的能量存儲在電容之中，另一半的能量擴(kuò)展在PMOS之中。對于輸出端來說，它從H到0過程中，不需要Vdd的充電，但是在NMOS下拉的過程中，會把電容存儲的另一半能量消耗掉。如果CMOS在每次時(shí)鐘變化時(shí)都變化一次，則所耗的功率就是CBdd2f，但并不是在每個(gè)時(shí)鐘跳變過程之中，所有的CMOS電容都會進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換（除了時(shí)鐘緩沖器），所以最后要再加上一個(gè)概率因子a。電路活動(dòng)因子a代表的是，在平均時(shí)間內(nèi)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)之中，每個(gè)時(shí)鐘周期之內(nèi)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)所變化的幾率。最終得到的功耗表達(dá)式為：Psw=aCVdd2f。

（2）內(nèi)部短路功耗

CMOS電路中，如果條件Vtn<Vin<Vdd-|Vtp|（其中Vtn是NMOS的門限電壓，Vtp是PMOS的門限電壓）成立，這時(shí)在Vdd到地之間的NMOS和PMOS就會同時(shí)打開，產(chǎn)生短路電流。在門的輸入端上升或者下降的時(shí)間比其輸出端的上升或者下降時(shí)間快的時(shí)候，短路電流現(xiàn)象會更為明顯。為了減少平均的短路電路，應(yīng)盡量保持輸入和輸出在同一個(gè)沿上。

一般來說，內(nèi)部短路電流功耗不會超過動(dòng)態(tài)功耗的10%。而且，如果在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，Vdd<Vtn+|Vtp|的時(shí)候，短路電流會被消除掉。

（3）靜態(tài)漏電功耗

靜態(tài)漏電掉的是二極管在反向加電時(shí)，晶體管內(nèi)出現(xiàn)的漏電現(xiàn)象。在MOS管中，主要指的是從襯底的注入效應(yīng)和亞門限效應(yīng)。這些與工藝有關(guān)，而且漏電所造成的功耗很小，不是考慮的重點(diǎn)。

（4）小結(jié)

通過設(shè)計(jì)工藝技術(shù)的改善，Pint和Pleak能被減小到可以忽略的程度，因而Psw也就成為功耗的主要因素。后面所做的功耗優(yōu)化大部分是圍繞這一個(gè)公式來進(jìn)行的。對于SoC來說，所有的方法都是圍繞著動(dòng)態(tài)功耗來做文章的，因?yàn)樵陔娐沸盘栕兓瘯r(shí)，功耗消耗主要在電路中電容的充放電過程。如果從各個(gè)層次、各個(gè)方面盡量減少電路的充放電，將是我們關(guān)心的主題。

2降低集成電路SoC功耗的方法

功耗對于一個(gè)便攜式SoC數(shù)字系統(tǒng)來說尤為重要。事實(shí)上，很多便攜式SoC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是先進(jìn)行功耗分析，由功耗分析的結(jié)果再來劃分設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。可以說，功耗將可能決定一切。現(xiàn)在要做的是，根據(jù)功耗分析的結(jié)果，評判SoC結(jié)構(gòu)，改進(jìn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化方案。

SoC系統(tǒng)的功耗所涉及的內(nèi)容十分廣泛，從物理實(shí)現(xiàn)到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)都可以采用各種方法來節(jié)省和優(yōu)化功耗。通過對國外大量文獻(xiàn)的查閱，我們得到了常用的實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)的各種較為有效的方法，

（1）系統(tǒng)級功耗管理

這一部分實(shí)際上是動(dòng)態(tài)功耗管理。主要做法是在沒有操作的時(shí)候（也就是在SoC處于空閑狀態(tài)的時(shí)候），使SoC運(yùn)作于睡眠狀態(tài)（只有部分設(shè)備處于工作之中）；在預(yù)設(shè)時(shí)間來臨的時(shí)候，會產(chǎn)生一個(gè)中斷。由這個(gè)中斷喚醒其它設(shè)備。實(shí)際上，這一部分需要硬件的支持，如判斷，周期性的開、關(guān)門控時(shí)鐘（gateclock）等。

（2）軟件代碼優(yōu)化

軟件代碼優(yōu)化是針對ARM嵌入式處理器而言的。對于編譯器來說，所起的使用不到1%，而對于代碼的優(yōu)化則可以產(chǎn)生高達(dá)90%的功耗節(jié)省。Simunic等人曾分別做過用各種針對ARM處理器的編譯器進(jìn)行的試驗(yàn)。比此的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)展，風(fēng)格比較好的代碼產(chǎn)生的效果遠(yuǎn)比用ARM編譯器優(yōu)化的效果好。

（3）Clock控制

這是在ASIC設(shè)計(jì)中行之有效的方法之一。如果SoC芯片在正常工作，有很大一部分模塊（它們可能是用于一些特殊用途中，如調(diào)試Debug、程序下載等）是乖于空閑狀態(tài)的，這些器件的空運(yùn)作會產(chǎn)生相當(dāng)大的功耗。這一部分應(yīng)使用時(shí)鐘控制，即clockenable&disable。

（4）RTL級代碼優(yōu)化

與軟件相似，不同的RTL（RegisterTransferLevel，寄存器傳輸級）代碼，也會產(chǎn)生不同的功耗，而且RTL代碼的影響比軟件代碼產(chǎn)生的影響可能還要大。因?yàn)?，RTL代碼最終會實(shí)現(xiàn)為電路。電路的風(fēng)格和結(jié)構(gòu)會對功耗產(chǎn)生相當(dāng)重要的影響。

RTL級代碼優(yōu)化主要包括：

①對于CPU來說，有效的標(biāo)準(zhǔn)功耗管理有睡眠模式和部分未工作模塊掉電。

②硬件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化包括能降低工作電壓Vdd的并行處理、流水線處理以及二者的混合處理。

③降低寄存電容C的片內(nèi)存儲器memory模塊劃分。

④降低活動(dòng)因子a的信號門控、減少glitch（毛刺）的傳播長度、Glitch活動(dòng)最小化、FSM（有限狀態(tài)機(jī)）狀態(tài)譯碼的優(yōu)化等。

⑤由硬件實(shí)現(xiàn)的算法級的功耗優(yōu)化有：流水線和并行處理、Retiming(時(shí)序重定)、Unfolding（程序或算法的展開）、Folding(程序或算法的折疊)等等基本方法以及其組合。

（5）后端綜合與布線優(yōu)化

既然SoC的功耗與寄生電容的充放電有很大的關(guān)系，作為后端綜合與布線，同樣也可采取一些措施來減少寄存器電容?？梢詢?yōu)化電路，減少操作（電路的操作），選擇節(jié)能的單元庫，修改信號的相關(guān)關(guān)系，再次綜合減少毛刺的產(chǎn)生概率。

實(shí)際上，這一部分與使用的工具有關(guān)。與軟件部分有相同之處，后端綜合與布線同軟件的編譯差不多。軟件編譯的結(jié)果是產(chǎn)生可執(zhí)行的機(jī)器代碼；而RTL的綜合與布線是把RTL代碼編譯成真實(shí)的電路。但是，后端綜合與布線優(yōu)化比較編譯優(yōu)化有更好的效果。這是因?yàn)橐欢蜶TL代碼所對應(yīng)的電路是可以有多種形式的；同時(shí)現(xiàn)有些編譯器會根據(jù)設(shè)計(jì)者提供的波形，智能地修改電路（前提是最終電路的效果還是一樣的），編譯器就會進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化。但是后端綜合的優(yōu)化與RTL級代碼優(yōu)化和時(shí)鐘控制相比，同樣的RTL級與時(shí)鐘優(yōu)化所產(chǎn)生的影響要遠(yuǎn)大于用編譯工具所產(chǎn)生的影響。

（6）功耗的精確計(jì)算

后端綜合與布線工具不但可以根據(jù)基本單元提供的功耗參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，還可以根據(jù)這些參數(shù)估算出整個(gè)SoC的功耗。正因?yàn)橛羞@樣一些工具，使我們可以精確地知道我們所設(shè)計(jì)的是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。萬一設(shè)計(jì)功耗不符合總體要求，則可能要求從系統(tǒng)級到物理綜合布線都要做出檢查與分析，做出可能的改進(jìn)，盡可能地減少功耗以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（7）小結(jié)

從上面的各種降低以及估算功耗的方法可以看出，SoC系統(tǒng)的拉耗優(yōu)化涉及到從物理實(shí)現(xiàn)到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方方面面，是芯片設(shè)計(jì)中一個(gè)十足的系統(tǒng)工程。可以說，功耗可以決定一切。

結(jié)語

本文首先分析了CMOS集成電路的功耗物理組成，得到了其主要功耗成分。其次，以該主要功耗成分?jǐn)?shù)學(xué)表達(dá)式為指導(dǎo)，突出了SoC低功耗設(shè)計(jì)的各種級別層次的不同方法。不管是現(xiàn)在還是將來，該領(lǐng)域的重要性將會日益顯著。在下面的一些發(fā)展方向還將會有較大的發(fā)展：

①實(shí)現(xiàn)SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的變換以及映射技術(shù)的進(jìn)一步探索。

②將各種低功耗設(shè)計(jì)手段按照各性質(zhì)最佳綜合起來，以便使用基于人工智能的技術(shù)（如遺傳算法和啟發(fā)式算法等等）來研究。

③發(fā)展以實(shí)現(xiàn)低功耗為目的CPU指令程序的改寫技術(shù)，以將其擴(kuò)展到復(fù)雜SoC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。

篇5

中圖分類號：TN783文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004373X(2008)2001005

Analysis and Comparison of Performance and Energy of Flip-flop

ZHANG Xuan，ZHANG Minxuan,LI Shaoqing

(School of Computer Science,National University of Defense Technology,Changsha,410073,China)

Abstract：The development of flip-flop′s performance and energy plays animportant part in the design of total circuit,In order to design the circuit of high performance and low energy,it seems very important to make an optimization of flip-flop's performance and energy.This paper describes all kinds of parameters of flip-flop,analyses and compares some typical flip-flops,makes a comparison of several low-energy flip-flops referred in correlative paper and makes a prospect for flip-flops.It makes a matting for reasonable utilizing flip-flop existed in the standard cell and developing flip-flop of higher performance.

Keywords：flip-flop;circuit design;low energy;performance optimization

1 引 言

時(shí)序邏輯電路由存儲電路和組合邏輯電路構(gòu)成，存儲部件保持系統(tǒng)的狀態(tài)，組合邏輯電路負(fù)責(zé)計(jì)算時(shí)序邏輯電路的下一狀態(tài)及電路輸出。觸發(fā)器作為一種存儲電路，在數(shù)字電路系統(tǒng)中起著重要作用。

依據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，觸發(fā)器可以劃分為多種不同類型。從采樣的頻率進(jìn)行劃分，觸發(fā)器可分為主從觸發(fā)器和脈沖觸發(fā)器；從時(shí)鐘控制位置的角度進(jìn)行劃分觸發(fā)器可分為動(dòng)態(tài)觸發(fā)器和靜態(tài)觸發(fā)器；從時(shí)鐘信號的多少角度進(jìn)行劃分觸發(fā)器可分為單時(shí)鐘電平和多時(shí)鐘電平觸發(fā)器；從時(shí)鐘的采樣邊沿的多少的角度進(jìn)行劃分觸發(fā)器可分為單邊沿觸發(fā)器和雙邊沿觸發(fā)器。

隨著VLSI技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)字系統(tǒng)的運(yùn)行速度和功耗要求不斷提高，對觸發(fā)器性能參數(shù)的要求也更為苛刻,要求觸發(fā)器應(yīng)該具有低功耗、短延時(shí)、較少的晶體管數(shù)目，較大的噪聲容限和比較強(qiáng)的抗干擾性等特征，這些要求中，對延時(shí)和功耗的要求尤為重要。

本文從主從觸發(fā)器和脈沖觸發(fā)器的角度，闡述各種觸發(fā)器的性能，并對一些典型的觸發(fā)器進(jìn)行分析和比較,對有關(guān)論文中提出的幾種低功耗的觸發(fā)器進(jìn)行介紹。為以后選擇使用寄存器和寄存器的優(yōu)化工作做一定的理論鋪墊。

2 觸發(fā)器性能參數(shù)及幾種典型觸發(fā)器的介紹

2.1 時(shí)間參數(shù)

描述觸發(fā)器的主要時(shí)間參數(shù)有建立時(shí)間，保持時(shí)間以及時(shí)鐘到輸出的延遲。時(shí)鐘到輸出的延時(shí)是指時(shí)鐘跳變沿到輸入數(shù)據(jù)傳輸?shù)捷敵龅难訒r(shí)；建立時(shí)間是指時(shí)鐘跳變之前數(shù)據(jù)必須有效的時(shí)間；保持時(shí)間是在時(shí)鐘跳變之后數(shù)據(jù)必須仍然有效的時(shí)間。如果數(shù)據(jù)建立時(shí)間太接近時(shí)間有效邊沿，觸發(fā)器將會失真，T為時(shí)鐘周期,必須大于等于最差的時(shí)鐘到輸出的延時(shí)的總和。

T>=TCLK-Q+TSETUP+TLOGIC+TSKEW（1）

其中，TCLK-Q為觸發(fā)器的傳播延時(shí)；TSETUP為觸發(fā)器的建立時(shí)間；TLOGIC為最大的組合CLK邏輯的延時(shí)；TSKEW為時(shí)鐘的相對的時(shí)間偏移，如圖1所示。

2.2 功耗參數(shù)

觸發(fā)器的功耗由4部分組成：短路電流功耗，亞域漏流功耗，開關(guān)過程功耗，靜態(tài)功耗。電壓越低時(shí),短路功耗的消耗就越少；電壓越高，亞域漏流功耗越少。但是隨著電壓的增高，短路功耗的增加的程度比亞域漏流功耗減少的程度要大；對于開關(guān)功耗，當(dāng)轉(zhuǎn)換頻率一定時(shí)，電壓越高，消耗的功耗越高；在觸發(fā)器中靜態(tài)功耗相對比較小，可以忽略。所以，總的來說降低電壓能減少功耗。

上面的描述可以用下式表示：把energy-per-transition定義為單個(gè)時(shí)鐘周期觸發(fā)器的能量消耗。ai－j是從狀態(tài)轉(zhuǎn)換概率；ei－j是狀態(tài)轉(zhuǎn)換消耗的能量；功耗可以通過公式表示為:

E=a0－0*e0－0+a0－1*e0－1+

a1－0*e1－0+a1－1*e1－1（2）

從上式分析可以看出，可以分別通過改變a和e來降低功耗。改變a的措施有減少觸發(fā)器的節(jié)點(diǎn)的冗余跳變，改變e的措施有降低電壓、減少電路節(jié)點(diǎn)電容以及縮減晶體管的大小。

2.3 主從觸發(fā)器

主從觸發(fā)器由2個(gè)鎖存器組成,前一級鎖存器在低（高）電平時(shí)將輸入傳至輸出,后一級鎖存器在高（低）電平時(shí)將輸入傳至輸出。典型的主從觸發(fā)器有傳輸門觸發(fā)器（TGFF）,帶門控的傳輸門觸發(fā)器（GTGFF），真單向觸發(fā)器（TSPC）和對時(shí)鐘偏差不敏感的觸發(fā)器（C2mos,MC2mos）等。TGFF的輸入信號通過反向器隔離加強(qiáng)，它是功耗、噪聲容限、速度的最好折衷，用傳輸門實(shí)現(xiàn)主從觸發(fā)器是很好的選擇。GTGFF是在TGFF的基礎(chǔ)上在主站加1個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘控制門得來的，因?yàn)橛辛藭r(shí)鐘控制門，GTGFF的功耗相對于TGFF要小些。內(nèi)部時(shí)鐘控制門減少功耗的關(guān)鍵在于內(nèi)部時(shí)鐘門邏輯和時(shí)鐘功耗開銷的折衷與平衡。TSPC避免了因時(shí)鐘偏差引起的各種問題，只用單相位時(shí)鐘來實(shí)現(xiàn)主從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使電路不產(chǎn)生競爭，單相位時(shí)鐘觸發(fā)器對局部時(shí)鐘偏差不敏感，其動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)致高開關(guān)頻率和低時(shí)鐘負(fù)載， TSPC邊沿觸發(fā)器依賴于足夠陡直的時(shí)鐘斜率以限制觸發(fā)器的透明時(shí)間（例如保持時(shí)間，在透明時(shí)間輸入可以直接傳到輸出），其上升時(shí)間必須仔細(xì)優(yōu)化。兩相設(shè)計(jì)會引起競爭問題，但也可以采用C2MOS這樣的電路技術(shù)來消除，C2MOS觸發(fā)器是把傳輸門鎖存器中連接到頂端PMOS和底端NMOS晶體管的連線去掉而得到的；偽靜態(tài)C2MOS 觸發(fā)器是在動(dòng)態(tài)C2MOS 觸發(fā)器中主從鎖存器的輸出端分別添加一個(gè)弱C2MOS 反饋而得到的；MC2MOS是通過C2MOS改進(jìn)而來，它的低功耗的反饋保證了它的全靜態(tài)操作。 PowerPC603觸發(fā)器，如圖2所示，使用傳輸門結(jié)構(gòu)，有比較快的上拉能力，反饋傳輸門用一個(gè)鐘控反相器替換，powerpc603電路結(jié)構(gòu),是傳輸門觸發(fā)器（TGMS flip-flop）和MC2mos的組合。

2.4 脈沖觸發(fā)器

脈沖觸發(fā)器也是雙站的觸發(fā)器，第一站是脈沖產(chǎn)生器，第2站是一個(gè)鎖存器。

圖3所示是半動(dòng)態(tài)觸發(fā)器SDFF的原理圖，前端是動(dòng)態(tài)的，產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘脈沖，觸發(fā)后端一個(gè)靜態(tài)的鎖存器，當(dāng)CP為0時(shí)，X為1，脈沖觸發(fā)器需要在電平無效的時(shí)候，把X點(diǎn)預(yù)充為高電平。當(dāng)CP為1，CP的信號還沒有傳到與非門時(shí)，S點(diǎn)還是打開的，如果此時(shí)D為1，X的值就可傳出去。當(dāng)3個(gè)反向器的時(shí)間過去后，CP的新值傳到與非門上，S關(guān)斷，D的值就傳不出去，這就是一個(gè)取值脈沖?；旌湘i存的觸發(fā)器（HLFF），在結(jié)構(gòu)上與SDFF相似，有一個(gè)靜態(tài)的脈沖產(chǎn)生器，此電路的建立時(shí)間可以為負(fù)，所以寄存器本身的延時(shí)很短，但是其在上升沿附近輸出可以有多次翻轉(zhuǎn)，因此不應(yīng)使用這一寄存器的輸出來驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)邏輯或作為其他寄存器的時(shí)鐘。靈敏放大器（MSAFF）是一個(gè)完全不同的脈沖觸發(fā)器，它在需要高性能或者傳送低擺幅的時(shí)候使用，它可能成為未來發(fā)展的方向之一。

主從觸發(fā)器相對脈沖觸發(fā)器來說有較好的內(nèi)部抗競爭能力，消耗較低的功耗，但是其他參數(shù)都高于脈沖觸發(fā)器。

3 比 較

在電路和系統(tǒng)級對觸發(fā)器的延時(shí)和功耗進(jìn)行優(yōu)化,對觸發(fā)器性能的提高有極其重要的作用。本文研究了幾種典型觸發(fā)器的性能，圖4［1］是對各種典型觸發(fā)器功耗的比較，該圖顯示了主從觸發(fā)器比脈沖觸發(fā)器消耗更少的能量，TGFF是消耗功耗最少的觸發(fā)器，在低能量的設(shè)計(jì)中，它是最好的選擇，它的功耗延時(shí)積比較小，TGFF是和帶內(nèi)部時(shí)鐘門觸發(fā)器比較的標(biāo)準(zhǔn)。圖5［2］是對各種觸發(fā)器毛刺功耗的比較，由于采樣時(shí)間短，脈沖觸發(fā)器消耗的毛刺功耗最?。欢?dāng)主站是透明時(shí)，主從觸發(fā)器對毛刺非常敏感；時(shí)鐘門電路要消耗很大的毛刺功耗，這是因?yàn)闀r(shí)鐘門邏輯不斷地比較輸入與輸出，它忽略了時(shí)鐘沿的跳變，傳播毛刺（時(shí)鐘的毛刺不影響觸發(fā)器的時(shí)序競爭的抗干擾性，時(shí)鐘的滯后問題是產(chǎn)生競爭的原因，解決時(shí)序競爭的辦法就是采用比較高的電壓）。圖6［3］是對幾種典型觸發(fā)器跳變概率的功耗延時(shí)積的比較，它顯示了在高跳變概率的電路中，SDFF和MSAFF擁有最好的功耗延時(shí)積，雖然它們的功耗延時(shí)積很好，但是在設(shè)計(jì)中更傾向于使用TGFF，因?yàn)門GFF的內(nèi)部競爭力很好，很適合在有時(shí)鐘滯后的大規(guī)模的電路設(shè)計(jì)中使用。（在很多的低功耗設(shè)計(jì)中，觸發(fā)器很少處在關(guān)鍵路徑上，當(dāng)建立時(shí)間沒有包含在觸發(fā)器的延時(shí)中時(shí)，觸發(fā)器的EDP的排序就會改變）。相對于主從觸發(fā)器，脈沖觸發(fā)器有更小的延時(shí)，這是因?yàn)樗慕r(shí)間很小，有的甚至為負(fù)，這使得脈沖觸發(fā)器的競爭力比較好。帶有內(nèi)部時(shí)鐘控制門的脈沖觸發(fā)器和沒有內(nèi)部時(shí)鐘控制門的脈沖觸發(fā)器相比，競爭能力（race immunity）不太好。帶有內(nèi)部時(shí)鐘門的主從觸發(fā)器和沒有內(nèi)部時(shí)鐘門的主從觸發(fā)器相比，競爭能力比較好。例如：GTGFF和TGFF相比有更好的競爭能力，而這是以增加延時(shí)為代價(jià)的。

通過對各種觸發(fā)器進(jìn)行比較，考慮到結(jié)構(gòu)、可靠性、管子數(shù)目，以功耗延時(shí)積作為重要指標(biāo)，可以知道傳輸門觸發(fā)器（TGMS）和PowerPC603觸發(fā)器是功耗延時(shí)性能最好的全靜態(tài)觸發(fā)器，并且它們在功耗延時(shí)空間覆蓋了相對較寬的范圍，PowerPC603和傳輸門觸發(fā)器具有最優(yōu)的功耗延時(shí)積；在追求高速時(shí)可考慮脈沖觸發(fā)器，例如HLFF和SDFF，SDFF因?yàn)榻r(shí)間短而成為最快的觸發(fā)器，但是它們消耗了可觀的功耗，約為傳輸門觸發(fā)器（TGMS）的2倍。而真單向TSPC和動(dòng)態(tài)傳輸門觸發(fā)器在性能上和SDFF差不多，在功耗上與傳輸門觸發(fā)器差不多，但是它們的內(nèi)部結(jié)點(diǎn)X對于漏電流和其他噪聲來源很敏感，可靠性不高，在調(diào)試模式下容易出錯(cuò)。

同時(shí)也有研究表明PowerPC603和HLFF的PDP值差不多，但是HLFF比PowerPC603更快。此電路的建立時(shí)間可以為負(fù)，所以寄存器本身的延時(shí)很短，但是其在上升沿附近輸出可以有多次翻轉(zhuǎn)，因此不應(yīng)使用這一寄存器的輸出來驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)邏輯或作為其他寄存器的時(shí)鐘。

PowerPC603和C2MOS具有最好的低功耗設(shè)計(jì)的風(fēng)格，SAFF可能是未來設(shè)計(jì)的主流，雖然SAFF在輸出端速度有瓶頸，但是它是功耗速度的好的折衷。

4 幾種改進(jìn)的觸發(fā)器的介紹

篇6

1.引言

在原油輸送過程中，管道經(jīng)由多年凍土區(qū)，輸油管道中原油溫度會影響管道周圍多年凍土區(qū)土壤的溫度場，引起復(fù)雜的地質(zhì)災(zāi)害問題，如凍脹、融沉、水土流失、邊坡失穩(wěn)等，對管道安全造成威脅，嚴(yán)重影響原油的運(yùn)輸。其中，不穩(wěn)定斜坡是凍土區(qū)管道面臨的最大威脅，極有可能造成斜坡底部管道發(fā)生屈曲褶皺變形。論文通過對凍土區(qū)斜坡失穩(wěn)機(jī)理、形成過程及斜坡監(jiān)測技術(shù)的分析，討論了凍土區(qū)斜坡穩(wěn)定性安全監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

管道的較大形變?nèi)菀滓鸸艿赖臄嗔押托孤?，同時(shí)由于凍土層微小的溫度都會影響到石油管道的安全傳輸，所以要求監(jiān)測系統(tǒng)具有±0.2℃的溫度測試精度，并具有長期穩(wěn)定性。在選擇元器件時(shí)不僅要求各個(gè)器件達(dá)到所需精度，還要分析元器件組合的總精度。另外，由于監(jiān)測儀器是在野外安裝使用，環(huán)境比較復(fù)雜，而溫度對于系統(tǒng)的工作又有很大的影響，元器件的工作溫度范圍需在-50℃～+50℃之間。但大多數(shù)元器件工作溫度在低于零下25度以上，所以需要對系統(tǒng)板進(jìn)行保溫處理。保溫處理雖能在一定時(shí)間內(nèi)保證器件正常工作，但為了滿足系統(tǒng)低功耗及工作長期穩(wěn)定性，在選擇元器件時(shí)，需選擇溫度范圍較寬且溫度較低也能正常工作的器件。

2.系統(tǒng)各功能模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主控板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在滿足低功耗、高精度及高低溫適應(yīng)的原則下，主控芯片選用Atmel公司ATmega128L芯片，時(shí)鐘芯片選用美國DALLAS公司推出的性能比較高的DS1302，數(shù)字溫度傳感器選較常用的DS18B20，存儲芯片選用Atmel公司推出的大容量串行數(shù)據(jù)Flash存儲器AT45db161，繼電器選擇常用的電流為5A小型MY2NJ。其各芯片布置如圖1所示，在主控板預(yù)留LCD1602的接口，在調(diào)試結(jié)束后可拔掉顯示屏以降低功耗。整個(gè)主控板模塊中DS1302確定數(shù)據(jù)的定時(shí)發(fā)送，AT45db161芯片將各個(gè)溫度傳感器收集的信息進(jìn)行存儲。ATmega128L具有兩個(gè)可編程的串行UART，ATmega128L通過其中一個(gè)串行UART，以尋址的方式與數(shù)據(jù)采集模塊中的AT89C51進(jìn)行通信，控制多個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊中的一個(gè)進(jìn)行溫度采集。另一個(gè)串行UART與GSM模塊進(jìn)行通信，將采集的數(shù)據(jù)以短信形式發(fā)送至目標(biāo)SIM卡。由于野外無供電條件，電源由12V的蓄電池及太陽能電池板構(gòu)成，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電壓。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊在選用各芯片時(shí)，同樣滿足以上所述的芯片選用原則。主控芯片選擇性能及價(jià)位比較合適的由美國STC公司推出的52內(nèi)核單片機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換芯片選擇具有4通道單獨(dú)輸入的ADS8341。采集模塊各芯片布置如圖2所示。由于系統(tǒng)需要測量30個(gè)點(diǎn)的溫度，既需要40個(gè)溫度傳感器。一個(gè)ADS8341有4個(gè)通道，能夠連接4個(gè)溫度傳感器，圖2中包含3個(gè)ADS8341，能夠連接12個(gè)溫度傳感器。所以，在整個(gè)數(shù)據(jù)采集部分，要完成數(shù)據(jù)的正確采集需要有4個(gè)同類型的采集模塊。

圖1 主控板框圖

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊框圖

2.3 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)主要由GSM通信模塊、上位機(jī)系統(tǒng)、下位機(jī)系統(tǒng)等組成，如圖3所示。下位機(jī)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)信息通過GSM模塊1以短信方式發(fā)出，經(jīng)過全球無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（GSM網(wǎng)絡(luò)）將數(shù)據(jù)發(fā)送給GSM模塊2。上位機(jī)軟件將短信從GSM模塊2中讀取，并進(jìn)行計(jì)算、分析及顯示。當(dāng)需要對下位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定時(shí)，上位機(jī)軟件通過GSM模塊2以短信形式將命令發(fā)出，經(jīng)過全球無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將命令發(fā)送給GSM模塊1，下位機(jī)系統(tǒng)通過GSM通信模塊1接收來自上位機(jī)的命令。

圖3 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)框圖

3.主控板電路設(shè)計(jì)

根據(jù)上面所確定的主控板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對主控板硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。主控芯片ATmega128L是一款基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗CMOS8位微控制器。具有片內(nèi)128KB的程序存儲器（Flash）、4KB的數(shù)據(jù)存儲器（SRAM）和4KB的EEPROM，有8個(gè)10位ADC通道、2個(gè)8位和2個(gè)16位硬件定時(shí)/計(jì)數(shù)器、8個(gè)PWM通道。與ATmega128A相比，ATmega128L具有較寬的供電電壓（2.7～5.0V），實(shí)際應(yīng)用中，可選擇3.3V的供電電壓以降低系統(tǒng)功耗。

ATmega128L的時(shí)鐘源可以選取外部晶體振蕩器、外部RC振蕩器、內(nèi)部RC振蕩器等方式。其時(shí)鐘源的選擇可通過JTAG編程、ISP編程等方式對ATmega128L的內(nèi)部熔絲位來設(shè)定。為了降低系統(tǒng)主控板與采集板數(shù)據(jù)通信中的誤碼率，ATmega128L的晶體振蕩器頻率選用7.3728MHz，以產(chǎn)生精準(zhǔn)的9600bps波特率。

4.主控板及采集模塊的PCB板設(shè)計(jì)

PCB板設(shè)計(jì)的成敗直接決定了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性，在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)，需要考慮其電磁兼容性和散熱性。由于本系統(tǒng)所處的環(huán)境溫度較低，PCB板上元器件的發(fā)熱為有利因素，因此在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)僅考慮其電磁兼容性。本系統(tǒng)的主控板和采集板采用了分離設(shè)計(jì)，因此各PCB基板上的元器件較少，為減低系統(tǒng)制作成本，選用常用的雙層板設(shè)計(jì)。系統(tǒng)PCB板實(shí)物圖如圖4所示，采集板通過4個(gè)插接槽與主控板相連。

圖4 系統(tǒng)實(shí)物圖

5.結(jié)論

通過對系統(tǒng)硬件需求分析，對系統(tǒng)的主控板模塊及采集模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)對各個(gè)模塊中所需的元器件按系統(tǒng)所需性能及低功耗要求進(jìn)行選擇，并對各個(gè)元器件功能、參數(shù)進(jìn)行介紹。在硬件設(shè)計(jì)中不僅對各個(gè)元器件的電路連接進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮到供電問題，并對各模塊電源供電進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，最后根據(jù)使用性將設(shè)計(jì)電路出PCB板。

參考文獻(xiàn)

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篇7

Abstract：Rescue capsule as underground emergency shelter for the cabin temperature and humidity monitoring and control，you can extend the survival time of the trapped miners.Systems based on the importance of rescue capsule and SHT75 temperature and humidity monitoring with high accuracy，small size，etc.，designed a SHT75 temperature and humidity detection system is based，and temperature and humidity testing SHT75 compensate calculated values to ensure that the rescue capsule temperature and humidity testing.

Keywords：Rescue capsule；Temperature and humidity；SHT75

1.引言

救生艙作為井下緊急避難場所，其艙內(nèi)溫度和濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，是延長被困礦工生存的工作之一。為延長救生艙備用電池的工作時(shí)間，因此要求各用電設(shè)備均低功耗。

SHT75溫濕度傳感器克服了傳統(tǒng)傳感器在檢測時(shí)溫度變化對濕度產(chǎn)生的影響且測量結(jié)束時(shí)可自動(dòng)進(jìn)行休眠模式，大大減小系統(tǒng)功耗，因此本文采用SHT75[4]作為井下救生艙溫濕度檢測傳感器并對其工作原理、電路以及數(shù)據(jù)的補(bǔ)償進(jìn)行了詳細(xì)分析與設(shè)計(jì)。

2.SHT75溫濕度傳感器

2.1 SHT75溫濕度傳感器概述

SHT75是一款集溫度、濕度于一體的傳感器，采用CMOSens技術(shù)，具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。采用兩線數(shù)字化接口，可與單片機(jī)直接相連，大大減小了電路。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 SHT75內(nèi)部結(jié)構(gòu)

SHT75具有較寬的溫濕度測量范圍。分別為-40℃～123.8℃和0～100%RH。若芯片工作在非正常條件下，則會導(dǎo)致采集的信號暫時(shí)性漂移，需要對傳感器進(jìn)行校正。在溫度為100～105℃，相對濕度小于5%RH的條件下保持10小時(shí)即可自動(dòng)校正；或者在溫度為20～30℃，相對濕度大于75%RH的條件下保持12小時(shí)。

SHT75在默認(rèn)條件下，溫濕度測量分辨率分別為14bit和12bit，但在高速測量或者超低功耗情況下，溫度和濕度采樣分辨率可分別下降為12bit和8bit。

2.2 SHT75溫濕度傳感器工作原理

SHT75溫濕度傳感器芯片上設(shè)計(jì)有傳感器穩(wěn)壓電路、信號運(yùn)算處理電器、標(biāo)定數(shù)據(jù)存儲器、溫濕度傳感元件、14位AD轉(zhuǎn)換電路和兩線數(shù)字串行接口電路，輸出信號是經(jīng)過全量程標(biāo)定和補(bǔ)償?shù)臄?shù)字信號。以I2C總線的通信方式與單片機(jī)相連，芯片內(nèi)部OPT存儲器保存有校準(zhǔn)系數(shù)。

3.SHT75與MSP430單片機(jī)電路設(shè)計(jì)

為降低系統(tǒng)功耗，本設(shè)計(jì)采用美國TI公司的超低功耗型號為MSP430F149的16位單片機(jī)與SHT75溫濕度傳感器相連接[1]，通過兩個(gè)普通IO口模擬I2C總線與傳感器通信。根據(jù)需要，在救生艙內(nèi)可安裝多個(gè)傳感器掛在IIC總線上。SHT75與MSP430F149單片機(jī)電路連接如圖2所示。

圖2 SHT75與MSP430F149單片機(jī)電路連接圖

4.溫濕度數(shù)據(jù)檢測

4.1 SHT75寄存器操作

單片機(jī)通過模擬I2C總線與SHT75進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過寫入不同的指令實(shí)現(xiàn)對SHT75的寄存器操作。SHT75寄存器指令代碼如表2所示。

4.2 溫濕度數(shù)據(jù)處理與補(bǔ)償計(jì)算

SHT75傳感器數(shù)字信號輸出時(shí)通過8bit CRC[5]校驗(yàn)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。由于通過SHT75檢測的溫濕度信號曲線為非線性，因此需要對檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償公式如下：

RHliner=c1+c2?SORH+c3?SORH2 （式1）

式中，RHliner表示檢測的線性濕度值，SORH表示從SHT75中讀取的溫度值，在測量精度為12bit時(shí)，c1為-4，c2為0.0405，c3為-2.8?10-6；在測量精度為8bit時(shí)，c1為-4，c2為0.648，c3為-7.2?10-4；

由于溫度對濕度測量會產(chǎn)生較大影響，因此在所測溫度點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算，補(bǔ)償運(yùn)算公式如式2所示。

RHtrue=（ToC-25）（t1+t2?SORH）+RHliner （式2）

式中，RHtrue為實(shí)際測量的相對濕度值，ToC為實(shí)際測量的溫度值，在測量精度為12bit時(shí)，t1為0.01，t2為0.00008；在測量精度為12bit時(shí)，t1為0.01，t2為0.00128；

在進(jìn)行溫度測量時(shí)，由于溫度傳感器具有很好的線性，可直接使用式3進(jìn)行處理計(jì)算。

式中，ToC為校正后溫度讀數(shù)，SOT為直接讀取的溫度數(shù)據(jù)，參數(shù)d1功能供電電壓有關(guān)，具體如表3所示。

參數(shù)d2在測量精度為14bit時(shí)，d2為0.01℃或?yàn)?.018；在測量精度為12bit時(shí)，d2為0.04℃或?yàn)?.072。

5.結(jié)語

本文基于SHT75溫濕度傳感器及超低功耗的MSP430F149單片機(jī)構(gòu)建井下救生艙的溫濕度檢測系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)可以較大范圍的監(jiān)測救生艙內(nèi)溫濕度，體積小、測量精度高和功耗低等，滿足井下救生艙的特殊要求。

參考文獻(xiàn)

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篇8

Zigbee是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備[1]。

ZigBee 是一種近距離、低功耗、低速率、低成本的無線傳感器網(wǎng)絡(luò), 已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用, 如溫度、濕度、氣體濃度、亮度、壓力等各種各樣小數(shù)據(jù)量信息的采集, 及傳輸可以采用這種低功耗、低傳輸速率的無線傳感器網(wǎng)絡(luò).在這些應(yīng)用場合中, ZigBee 網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有的各種無線網(wǎng)絡(luò)相比, 有著獨(dú)特的優(yōu)勢, 即低功耗、低速率、低成本[2]。 由于ZigBee 設(shè)備工作時(shí)間較短, 收發(fā)信息功耗較低且采用休眠模式, 使得它非常省電, 電池可使用長達(dá)6 個(gè)月至2 年左右. ZigBee 工作在250 kbps 的通信速率, 足已滿足低速率通信傳輸?shù)男枰? 且2.4 GHz 的工作頻段是免費(fèi)頻段[3].

設(shè)計(jì)原理

目首先，從整體來看，我們可以將目標(biāo)設(shè)計(jì)分為幾個(gè)模塊：電源模塊、主芯片模塊、天線模塊調(diào)試接口和外圍擴(kuò)展模塊[4]。其中，電源模塊、天線模塊、調(diào)試接口和主芯片模塊是必須的，可以用通常所說的”最小系統(tǒng)”來描述。外圍擴(kuò)展模塊是根據(jù)用戶的實(shí)際需求自行添加。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)一般由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和電源管理模塊四部分組成。其中，傳感器模塊負(fù)責(zé)采集監(jiān)視區(qū)域的信息并完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，采集的信息可以包含溫度、濕度、光強(qiáng)度、加速度和大氣壓力等；數(shù)據(jù)處理 模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理以及任務(wù)管理等；數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)或Sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；電源管理模塊選通所用到的傳感器，節(jié)點(diǎn)電源采用微型紐扣電池，以減小節(jié)點(diǎn)的體積[5]。

我們設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)理是以ZigBee傳輸模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的串行通信模塊，將采集到的信息數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)送出去。該節(jié)點(diǎn)包含ZigBee無線傳輸模塊、微控制器模塊、傳感器模塊及接口電路、直流電源模塊以及外部存儲器等。為了降低傳感器節(jié)點(diǎn)的成本，減小傳感器節(jié)點(diǎn)的體積，我們采用Chipcon公司推出的高度整合的SoC芯片CC2430實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸和處理功能。圖3是設(shè)計(jì)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖。下面將分別介紹無線傳感器節(jié)點(diǎn)中的幾個(gè)主要功能模塊。

功能研究

CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構(gòu)，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee 射頻前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個(gè)8位8051 MCU，具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個(gè)定時(shí)器(Timer)、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路，以及21個(gè)可編程I/O引腳。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用[6]。

當(dāng) FFD 設(shè)備(Full Function Device)在第1 次被激活后, 首先搜索其通信范圍內(nèi)已存在的網(wǎng)絡(luò), 如果找到相應(yīng)網(wǎng)絡(luò), 則通過一系列對話后, 該設(shè)備就可成為此網(wǎng)絡(luò)中的普通設(shè)備。

協(xié)調(diào)器應(yīng)用層生成的 NIME-NETWORK-FORMATION。

request 原語發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)層請求建立網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)層再通過MLME-SCAN.request 原語向MAC層請求檢測信道能量及掃描信道, 收到確認(rèn)后, 為新網(wǎng)絡(luò)設(shè)置1 個(gè)PANId (網(wǎng)絡(luò)號), 通過MLME-SET原語將PANId 設(shè)置為MAC 層macPANId, 網(wǎng)絡(luò)層再通過MLME START.request 原語向MAC 層請求運(yùn)行網(wǎng)絡(luò), 收到確認(rèn)后運(yùn)行網(wǎng)絡(luò), 網(wǎng)絡(luò)建立成功[7]。

節(jié)點(diǎn)被激活后, 如果找到已存在的網(wǎng)絡(luò), 本節(jié)點(diǎn)將根據(jù)所獲得的網(wǎng)絡(luò)信息選定1 個(gè)父節(jié)點(diǎn), 并提出入網(wǎng)申請, 同時(shí)等待父節(jié)點(diǎn)的請求響應(yīng). 當(dāng)?shù)玫皆试S后, 子節(jié)點(diǎn)將得到父節(jié)點(diǎn)分配給它的1 個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址(也稱為短地址)作為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的身份標(biāo)識, 成功建立鏈接. 加入網(wǎng)絡(luò)后, 該節(jié)點(diǎn)可以接受新節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請求. 通過一級一級的地址分配, 可以構(gòu)成較大的網(wǎng)絡(luò)[8]。

由于 CC2430 內(nèi)置了溫度傳感器, 在實(shí)驗(yàn)中搭建溫度采集的ZigBee 采用星型網(wǎng)絡(luò). 星型網(wǎng)絡(luò)的末端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送, 中心節(jié)點(diǎn)將實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與顯示. 為使各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的。數(shù)據(jù)同時(shí)使中心節(jié)點(diǎn)接收, 需要將末端節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)地址都設(shè)置為中心節(jié)點(diǎn)的本機(jī)地址. 實(shí)驗(yàn)中, 該溫度采集系統(tǒng)通信良好, 在有障礙物環(huán)境下的通信距離明顯低于在空曠的環(huán)境下, 此時(shí)可通過增模塊的射頻功率和增加中繼點(diǎn)的方法來解決.當(dāng)檢測到的溫度準(zhǔn)確度也不太高, 則需要采用更高準(zhǔn)確度的傳感器.

結(jié)語

基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、低成本、體積小的顯著優(yōu)點(diǎn)，可在特殊環(huán)境下實(shí)現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信號的采集傳輸與處理。伴隨無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和新的能量解決方案的提出，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用必將從軍事、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健、空間探索和災(zāi)害預(yù)測普及到生活中的各個(gè)領(lǐng)域。

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篇9

 

本系統(tǒng)的目標(biāo)是:通過相關(guān)軟件、硬件的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)由主機(jī)(上位機(jī))通過單片機(jī)(下位機(jī))通訊實(shí)現(xiàn)對石蠟車間現(xiàn)場石蠟成型機(jī)工作狀態(tài)的監(jiān)控。即利用主機(jī)的監(jiān)控軟件與單片機(jī)進(jìn)行通信,以實(shí)現(xiàn)對石蠟成型機(jī)的監(jiān)控功能。本系統(tǒng)應(yīng)具備如下功能:

(1) 界面設(shè)計(jì)清晰,功能齊全，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的顯示石蠟成型機(jī)所有參數(shù)及狀態(tài)

(2) 上位機(jī)與下位機(jī)能進(jìn)行可靠、實(shí)時(shí)的通信。

(3) 查詢歷史記錄功能

1軟硬件的選取及上下位機(jī)間通信協(xié)議的定義

基于上述目標(biāo)與功能,要實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng),首先要解決以下幾個(gè)問題:

1.1 上位機(jī)與單片機(jī)之間通信方式的選取

串行通信使用一條數(shù)據(jù)線，將數(shù)據(jù)一位一位地依次傳輸，處理的數(shù)據(jù)電壓只有一個(gè)準(zhǔn)位,因此不容易漏失數(shù)據(jù)。串行通信端口(RS-232)是每部計(jì)算機(jī)上的必要配備,它不僅實(shí)用簡單,而且價(jià)格便宜。。因此本系統(tǒng)采用RS-232串行通信方式用于上、下位機(jī)間的通信。

1.2 監(jiān)控軟件開發(fā)平臺的選取

VisualBasic（VB）是一種可視化的、面向?qū)ο蠛筒捎檬录?qū)動(dòng)方式的結(jié)構(gòu)化高級程序設(shè)計(jì)語言，可用于開發(fā)Windows環(huán)境下的各類應(yīng)用程序。它簡單易學(xué)、效率高，可以高效、快速地開發(fā)Windows環(huán)境下功能強(qiáng)大、圖形界面豐富的應(yīng)用軟件系統(tǒng)。所以，本系統(tǒng)采用VB作為監(jiān)控軟件平臺。

1.3 單片機(jī)型號以及芯片的選取

MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器(TI)1996年開始推向市場的一種16位具有精簡指令集的、超低功耗的混合信號處理器(Mixed SignalProcessor)。由于它具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開發(fā)手段，已成為眾多單片機(jī)系列中一顆耀眼的新星。本系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)。

1.4 上位機(jī)與單片機(jī)之間的通信協(xié)議

Modbus 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。本系統(tǒng)采用Modbus通訊協(xié)議進(jìn)行通訊，采用16位CRC校驗(yàn)以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

篇10

一、緒論

1.1 云終端概述

云終端是桌面云應(yīng)用的終端硬件承載側(cè)，它運(yùn)用自身的VDP技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)訪問后端服務(wù)器主機(jī)，將服務(wù)器的音頻視頻流通過云終端的顯示端輸出并且利用鼠標(biāo)鍵盤等設(shè)備進(jìn)行交互，使得用戶看起來獨(dú)立擁有一套完整的操作系統(tǒng)硬件和軟件。服務(wù)器側(cè)具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，一臺服務(wù)器一般可以虛擬出十幾個(gè)甚至上百個(gè)操作系統(tǒng)。

1.2 IMX6Q芯片簡介

IMX6Q系列芯片是Freescale 半導(dǎo)體公司最新推出的高性能低功耗CPU，該系列芯片包含S/D/Q等幾個(gè)不同型號，分別表示單/雙/四核芯片。芯片基于ARM CortexTM-A9架構(gòu)，兼容DDR 3-1066M、LVDDR 3-1066M、LPDDR2-1066M（單通道或雙通道）等內(nèi)存設(shè)備接口，被廣泛應(yīng)用于：筆記本、手持設(shè)備、多媒體播放等視頻終端設(shè)備。

IMX6Q具備1.2GHz主頻，32KB L1，1MB L2（共享于所有CPU核心，雙核/四核），96K超大啟動(dòng)ROM，內(nèi)部特有的16K加密RAM，多達(dá)128個(gè)GPIO口，2D/3D圖形視頻加速處理器引擎，獨(dú)立的多媒體處理器引擎IPU，獨(dú)立的視頻處理器單元VPU，性能非常強(qiáng)大。

二、云終端的總體設(shè)計(jì)

2.1 云終端的總體結(jié)構(gòu)

云終端作為桌面云應(yīng)用的終端承載體，主要的功能就是接收服務(wù)器端通過網(wǎng)絡(luò)傳過來的音視頻流，本地不需要太強(qiáng)的運(yùn)算能力。所以，CPU具有視頻流硬件解碼能力是非常重要的。而ARM類型的CPU，其本身的計(jì)算能力不強(qiáng)，功耗非常低，且一般都配有GPU單元，能夠輕易的對視頻流進(jìn)行硬件解碼。

2.2 云終端的硬件技術(shù)

對于ARM架構(gòu)的CPU，只要CPU的頻率在1GHz左右，并且具有GPU能力，就完全可以用來做云終端的主控CPU。論文中使用的硬件是基于IMX6Q進(jìn)行開發(fā)的。IMX6Q開發(fā)板里包含了非常豐富的外設(shè)，根據(jù)云終端的需求，去掉開發(fā)板中多余的模塊。

2.3 云終端的軟件技術(shù)

由于各種云桌面協(xié)議客戶端的特性，Linux云終端至少需要有如下的要求：1、需要支持各種解碼庫，最好能在庫里實(shí)現(xiàn)硬件解碼功能。2、需要支持X11。3、需要有很好的視頻播放組件。

三、基于IMX6Q處理器構(gòu)建云終端

3.1 硬件改進(jìn)

針對DEMO板和云終端的一般結(jié)構(gòu)，提出如下硬件改進(jìn)方案：

1、IMX6Q具有兩個(gè)USB2.0接口。但是一般的云終端至少需要4個(gè)或以上的USB口，所以采用一個(gè)USB口外接4口USB HUB芯片來滿足。

2、IMX6Q支持兩路10M/100M/1000M以太網(wǎng)接口，支持MII/RMII/GMII/RGMII接口，于是采用RMII接口及PHY芯片RTL8201F完成。

3、云終端一般配合顯示器使用，所以要有一個(gè)VGA接口。所以，采用THS8200芯片將IMX6Q的一路HD視頻信號轉(zhuǎn)化為VGA信號來實(shí)現(xiàn)。其中，VGA信號接入時(shí)，采用IMX6Q的I2C來讀取外部顯示器的EDID信息。

4、電源按鍵設(shè)計(jì)，給單板供電的12V全部通過mos管來控制，mos管的柵極通過按鍵和CPU的IO口相與來控制，這樣，在上電后，按下按鍵后，mos管導(dǎo)通，單板供電，CPU工作后，第一時(shí)間通過IO口控制mos的柵極，已達(dá)到持續(xù)供電的目的。

3.2 軟件改進(jìn)

IMX6Q的DEMO板已經(jīng)帶了UBOOT、Linux內(nèi)核和簡單的文件系統(tǒng)，基于這些已有的代碼，再結(jié)合2.4節(jié)的需求，需要移植一套X11圖形管理系統(tǒng)。

Ubuntu上軟件非常豐富，而且完全開源，出現(xiàn)問題后能夠充分的利用開源資源解決，非常適合做為云終端的承載OS。目前市面上的Linux云終端，也有很多都是利用的Ubuntu操作系統(tǒng)。

結(jié)論：本文首先分析了云K端的硬件架構(gòu)與軟件架構(gòu)，然后基于Freescale的IMX6Q處理器和DEMO板，從硬件、軟件兩方面進(jìn)行改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)具備連接RDP與Citrix服務(wù)器功能的云終端。