CMOS VLSI电路无时延平均功耗和有时延平均功耗之间的单调递增关系及其应用

从理论上阐述了无时延平均功耗和有时延平均功耗之间的单调递增关系,用计算速度快的无时延理想电路功耗作为计算速度慢的有时延实际电路功耗的评估标准,并给出了它在电路平均功耗快速估计、最大功耗快速估计和电路测试功耗快速优化三个领域中的应用.提出了一种先用无时延功耗对较长的输入向量对序列进行快速压缩、再用压缩序列快速模拟出平均功耗(或最大功耗)的新方法.与直接用未压缩序列进行模拟的传统方法相比,实验结果表明:对于平均功耗快速估计,在保证估计精度(误差小于3.5%)的前提下,将模拟速度提高了6～10倍;对于最大功耗快速估计,在保证估计精度(误差小于5%)的前提下,将模拟速度提高了6～8倍.在测试功耗快速优化领域,与测试功耗直接优化法和现有的Hamming距离优化法相比,无时延功耗优化法的优化效率最高,它可以用较少的时间(缩短为16.84%),取得较好的优化效果(测试功耗降低35.11%).     

一种动态CMOS逻辑电路中互连线网的功耗估计方法

提出并证明了一种简便、快速的功耗估计方法: 通过加入异或门将动态CMOS逻辑电路中的耦合电容变为接地电容, 变换后的电路与原电路具有完全相同的功耗, 从而可以采用现有的门级功耗估计工具求得整个电路的功耗. 考察了在已知节点信号概率和节点信号间相关系数的条件下, 通过相关系数法得到互连线网功耗的方法. 可以证明, 两种方法是等价的, 即加入异或门可以隐含地保证信号的相关性, 并且去耦过程毫无精度损失. 最后, 通过加入更复杂的逻辑电路, 还可以将静态CMOS电路去耦, 从而可以利用传统的动态电路的节点概率方法求出静态电路的功耗.     

优化时延和可布性的标准单元布局算法

分析了时延和可布性的关系, 提出了一个多步的布局算法来优化这两个目标. 首先, 时延驱动的布局算法找到一个全局最优解. 在第二步中, 本算法在保证不破坏时延特性的基础上提高芯片的可布性. 这个算法已经实现, 并且对若干实际电路进行了测试. 结果表明应用本布局算法最大时延值能够下降30%, 并且第二步中在保证时延值不变的情况下, 最大拥挤度下降10%.     

基于Lyapunov-Elman的网络控制系统时延预测方法

网络控制系统中的时延是影响系统性能的重要参数,针对基于Internet的网络控制系统中时延预测问题,提出一种最大Lyapunov指数与Elman神经网络结合的预测方法.首先对时延序列进行相空间重构,得到嵌入维数与延迟变量,然后通过最大Lyapunov指数方法与Elman神经网络对时延分别进行一步预测,将两种预测方法的预测结果通过不同的权值系数进行叠加得到最终的时延预测值.最后针对权值系数的寻优问题,提出一种改进的自由搜索算法,其收敛精度与速度都优于标准的自由搜索算法.仿真实验表明,相对于其它预测方法,本文的基于Lyapunov-Elman的时延预测方法具有较高的预测精度与较小的预测误差.     

一款用于多媒体处理的异构多核系统芯片的可测试性设计

随着集成电路工艺的发展,系统芯片（SoC）集成已成为超大规模集成电路的主流设计方法.SoC设计具有强调自顶向下设计、突出设计重用性、重视低功耗的特点,给集成电路的可测试性设计带来了严峻的挑战.本文针对一款用于多媒体处理的异构多核系统芯片DPU-m,提出了一套完整的可测试性设计方案,支持3种工作模式：功能模式、存储器内建自测试模式以及扫描测试模式,并进行了设计实现和评估.针对逻辑电路的可测试性设计,采用自顶向下的模块化设计思想,提出并实现了一种分布式与多路选择器相结合的测试访问机制,实验结果表明,DPU-m逻辑电路单固定型故障的测试覆盖率为98.58%,满足设计方要求;针对实速时延测试的需求,设计并实现了基于片上时钟生成器的时钟控制单元,可在片上支持不同时钟域、6种时钟频率的实速时延测试;针对存储器电路的自测试,设计并实现了串并行结合的存储器内建自测试结构,在最大测试功耗的约束下有效地减少了测试时间;进一步设计了顶层测试结果输出电路,满足了设计方要求的诊断分辨率,若以100 MHz的频率进行测试,测试时间为14 ms.     

50 GHz宽带采样电路相位误差及其不确定度的精确鲁棒估计

在50GHz宽带采样示波器的内部采样电路SPICE仿真模型的基础上,分析了内部采样电路产生相位误差的原因;定义相位误差为NTN(nose-to-nose)校准方法所获得的采样电路冲击响应相位与电路真实冲击响应相位之间的偏差,并给出了相位误差的计算方法,得出在50GHz时仿真的默认采样电路模型的相位误差为7.03°;逐一改变模型的各个参数,研究这些参数与相位误差之间的关系,在各个参数不确定度均为10%的前提下,分别量化分析采样电路每个元件参数的变化对相位误差的影响;在此基础上按照使相位误差增大或减小的趋势同时改变全部元件参数,可获得相位误差的上限和下限.基于B类估计理论,将这些参数的影响加以综合,得出模型相位误差的不确定度为1.34°.这一结论在国际上尚属首次提出,可直接应用到大信号网络分析仪简称LSNAs(large signal network analyzers)的50GHz带宽的相位校准中,具有极高的实用价值.     

基于半桥型电感测头的微位移检测技术研究

针对半桥型电感测头,设计了幅值稳定的正弦波激励信号产生单元和相应的输出信号处理电路;分析了影响测量精度的主要原因,设计了基于反馈原理的激励信号稳幅模块;通过标定实验,采用分段线性插值法进行数据处理,该电感测头在±1 mm的测量范围内,最大误差为1.2μm,线性度为0.06%,满足测量系统的要求。     

高光谱卫星海洋遥感资料辐射精度评价模型研究

对于海洋水色遥感卫星来说,辐射定标精度作为一项重要的核心指标,恰恰是目前我国自主海洋水色卫星存在的不足之处,需要对遥感器进行系统的在轨辐射测量精度评价.文中基于大气辐射传输理论开发了一套高光谱卫星海洋遥感资料辐射精度评价模型(HRSREM),可以比较精确地计算出卫星平台接收到的遥感反射率,来衡量可见光遥感数据的测量精度.通过Gordon查找表方法对HRSREM模型的大气Rayleigh散射和气溶胶散射分量的精度验证,表明模型对两种大气散射计算误差小于2%;利用海上现场ASD高光谱仪测量的天空光反射率对模型的前向散射计算结果验证,其光谱平均相对误差约5.4%;利用宽视场海洋水色扫描仪(SeaWiFS)数据对模型的大气顶遥感反射率计算精度进行验证,其相对误差小于3.5%,说明HRSREM模型对卫星遥感资料的光谱辐射测量评价具有很高的精度.利用HRSREM模型对高光谱遥感卫星Hyperion在澳大利亚附近海域测量数据进行精度估算,可见近红外波段的光谱平均相对误差约为7.3%;对中分辨率成像光谱仪(CMODIS)数据精度评价结果表明,CMODIS存在较大的测量误差,特别是近红外波段的定标系数明显偏大,需要重定标来提高定量化处理和应用水平.     

LHT-100霍尔推力器放电通道能量损耗数值计算与分析

为了对LHT-100霍尔推力器开展热分析及热设计优化,根据放电通道能量平衡关系,建立各项能量损耗微观表达式,采用PIC-MCC法对推力器工作过程进行了数值模拟,通过统计等离子体微观参数获得各项能量损耗并进行了实验验证.研究结果显示:激发损耗为51.1 W,电离损耗为66.2 W,阳极损耗为55.4 W,束流损耗为815.4 W,内壁面损耗为144.7 W,外壁面损耗为170.5 W;推力器稳定工作时有效能量损耗所占比为61.7%,耗散能量中带电粒子在壁面的能量沉积最大,等离子体产生成本次之,电子在阳极的能量沉积最小;仿真结果与测试数据具有较好的一致性,最大误差小于4.6%.研究结果为霍尔推力器放电通道能量损耗计算提供了一种新思路.     

六阶极窄带宽高温超导滤波器的研制

文中研制了一款极窄带宽的六阶高温超导滤波器,成功实现了相对带宽小于1‰的多阶高温超导滤波器的设计与制作.文中给出了极窄带宽高温超导滤波器的等效电路、理论曲线、耦合矩阵、设计过程、模拟仿真结果以及滤波器的物理电路结构,有效解决了极窄带滤波器的设计、材料与加工精度的技术难题,研制的高温超导滤波器使用蒸镀于0.5mm厚度的氧化镁(MgO)基片上的DyBa2Cu3O7双面高温超导薄膜加工制作,滤波器工作频率约为900MHz,相对带宽为0.58‰,滤波器的实际损耗小于0.6dB,带外抑制达到70dB以上,其测试曲线与模拟仿真结果很好的吻合,文中的试验结果标志着多阶高温超导滤波器可以实现的最窄带宽达到了一个新的高度.     

基于极值理论的北京市极端降水概率分布研究

以北京市作为研究区域,基于极值理论分析北京市降水极值的概率统计特征,探索不同极值分布在北京市降水极值研究中的适用性.选择北京市45个雨量站的1960~2012年汛期逐日降水数据,基于年最大值法和超门限阈值法(百分位法)筛选降水极值样本序列(AM和POT序列).利用广义极值分布(GEV)和广义Pareto分布(GPD)拟合两组样本序列,采用L矩法估计两种分布函数的拟合参数.基于Kolmogorov-Smirnov检验结果确定最优拟合分布函数,并根据最优拟合分布函数推求不同重现期水平下的降水量.结果表明:(1)除半壁店和沿河城外,AM序列的均值大于POT序列,所有站点AM序列的最小值小于POT序列;(2)GEV分布在AM序列的最优拟合分布函数中占优(40个站点,占全部站点的88.9%),而GEV和GPD分布均可用于POT序列降水极值的拟合,其中GPD分布的拟合结果较好(38个站点,占比为84.4%);(3)两种序列得到的不同重现期水平的降水量空间分布基本相似,总体上利用AM序列推求不同重现期水平下的降水量略大于POT序列,即基于AM序列推算一定重现期水平下的降水极值更有利于规避风险.     

基于支持向量机回归与分源预测法的瓦斯涌出量预测模型及其应用

针对目前瓦斯涌出量预测模型存在的局限性及精度低等问题,应用分源预测和支持向量机(SVM)的基本原理,将SVM回归与分源预测法相结合,并利用SVM对回采工作面的瓦斯涌出量进行回归分析和数值模拟,建立了SVM分源预测的数学模型,提出了SVM分源预测的新方法。数值实验表明,将训练成功的SVM模型对现场数据进行回归预测并对比预测结果与实际值发现,SVM比BP神经网络预测精度更高,训练样本期望输出与实际值的最大相对误差为1.45%,小于实际要求的5%,准确率较高,预测风险低,可以满足实际要求。     

基于超级电容器储能的光伏照明控制器研究

采用绿色环保超级电容器作为储能器件,开发出了一套带MPPT功能的太阳能照明控制器。控制器以入门级ARM7芯片LPC2103为控制核心;用MAX16834设计LED驱动电路;采用固定电压法结合变步长的扰动观察法对太阳能电池板进行最大功率跟踪,提高利用效率;通过软件设计的优化,获得更长的照明时间。通过实地测试发现,该控制器比传统的照明控制器拥有更好的利用率,具有实用价值。     

移动机器人导航规划的双向平滑A-star算法

针对主流移动机器人导航中蒙特卡罗定位(MCL)算法误差大、传统A-star规划路径实时性差且所得路线为折线的问题,提出了一种基于双向平滑A-star算法的路径规划导航策略.首先提出多传感器融合蒙特卡罗定位的位姿估计定位算法;其次通过优化A-star算法的代价函数,使其整体搜索方向变为双向从而提高算法实时性;最后采取Bézier曲线对所规划路径进行平滑优化,解决A-star算法规划路径折线多、转弯角度过小而无法满足实际物理约束的问题.仿真实验结果展示,相比传统A-star轨迹规划算法,本文算法在路径长度和时间方面分别减少12.1%, 37.2%,平均安全距离和路径平滑度分别提升35.2%, 69.9%;同时在保证的定位精度下所测试的实际实验证明了本文导航规划算法的正确性和可行性.     

芯片级布图规划中的缓冲器规划算法

文中对纳米技术下, 互连驱动的芯片级布图规划问题中的缓冲器规划问题进行了研究, 提出了基于空白区重分布(redistribution)的缓冲器规划算法; 布局中的空白区是指在布局中不被任何电路模块占用的闲置区域; 该算法充分利用布局中的空白区插入缓冲器. 在基于拓扑的布图规划表示中, 可以把电路模块和空白区相关联, 在相应区域内移动一些电路模块就可以达到重分布空白区的目的. 在进行空白区重分布的过程中, 给定布局的总面积和拓扑结构将维持不变. 通过重分布布局中的空白区, 可以增加满足时延约束的线网数目; 实验证实, 满足时延约束的线网数的增长率平均达到9%.     

基于GMM的压电驱动器磁滞特性建模及高精度抗扰跟踪控制

包含压电驱动器的微定位平台可以用于减小飞切加工中的低频误差.本文针对该平台中的压电驱动单元,提出了一种新的系统建模方法,并基于此建立了完整的高性能抗扰跟踪控制策略.首先,利用高斯混合模型(Gaussian mixture model, GMM)对压电驱动器固有的磁滞特性建模,并根据该模型进行前馈补偿,以消除磁滞非线性对控制精度的影响.其次,建立扩张状态观测器,对所有外部扰动及未建模误差进行观测与补偿,以提高系统的抗扰能力.为了进一步提高系统的跟踪精度与控制带宽,建立状态反馈与零相跟踪前馈控制策略,以优化闭环系统特性.实验结果验证了基于所提磁滞模型建立的抗扰跟踪控制方法的有效性.在0～50 Hz输入信号频率范围内,在给定的测试集内该控制策略下的系统跟踪误差小于2.2%,能够满足目标控制带宽下的高精度跟踪要求.     

最小迹扩展集员估计

针对扩展Kalman滤波器(EKF)在进行非线性估计时一致性较差的问题,提出了适于一类高阶非线性系统的最小迹扩展集员估计算法(LTESMF).该算法通过引入反馈机制实现观测更新,避免了椭球相交计算.算法用估计误差定界椭球参数矩阵的迹作为优化目标,迭代优化反馈系数.本文还提出用随机状态边界度量的收敛性来评价随机系统稳定性.并用该方法证明了LTESMF的估计误差能收敛到有界区域内.最终仿真结果表明,LTESMF的估计结果的稳态精度接近EKF,计算算效率与EKF相当,估计结果的一致性和收敛速度明显高于EKF.     

相空间重构和混沌遗传神经网络融合的矿井涌水量预测研究

为了更准确预测矿井涌水量变化,有效防治矿山水害,本文提出利用相空间重构和混沌遗传神经网络相结合的方法预测矿井涌水量。选用C-C算法确定嵌入维数和延迟时间,通过对时间序列进行相空间重构来判断涌水量时间序列的混沌特性。为避免BP神经网络极易陷入局部解的问题,采用遗传算法对混沌神经网络进行参数优化,构建混沌遗传神经网络预测模型。将构建的模型应用于某矿山-100 m水平巷道涌水量的预测,在理论预测时长内预测最大误差为3.38%,表明该方法能够反映短期内矿井涌水量变化的趋势,相比单纯的混沌BP神经网络预测模型,预测精度有所提高,可为矿山企业的灾害防治提供科学的参考依据。     

交叉敏感情况下多传感器系统的动态特性研究

讨论了具有交叉敏感的传感器组成的多传感器系统的动态特性及其对系统检测精度的影响. 提出了将该多传感器系统看作一个线性滤波器与一个无记忆非线性函数的串联系统, 即Wiener系统, 把后续的信息融合系统看作一个无记忆非线性函数与一个线性滤波器的串连, 即Hammerstein系统. 在静态标定的基础上, 用盲解卷积技术求得Hammerstein的线性滤波器系数矩阵. 针对盲解卷积技术复现信号幅值不确定性的缺点, 提出了一种根据逆滤波器系数矩阵与静态标定的线性矩阵的同一性校正滤波器系数矩阵的方法, 以获得多传感器系统的近似逆向动态模型, 提高了多传感器系统在实际检测过程中的检测精度, 降低了动态检测结果失真度, 满足了实际情况的需要. 最后的仿真结果表明, 输入信号频率接近采样频率1/10时, 用盲解卷积技术获得的幅值复现误差是未经过动态补偿的幅值复现误差的1/20, 是各传感器单独动态补偿后幅值复现误差的1/2, 快速性提高了2倍. 金属氧化物半导体甲烷传感器的动态补偿结果表明, 在温度阶跃响应下, 补偿后的甲烷检测误差小于补偿前的1/2, 因此这种方法拓宽了多传感器系统的带宽.     

基于零初值的测试加速度积分速度与位移的方法

在地震工程、结构振动控制和结构健康监测等研究领域,结构在振动过程中的位移和速度对科学研究和实际工程应用都具有重要意义.由于技术条件及环境因素限制,测试过程中获得的大多为加速度响应信号,需要通过积分获得速度及位移.但是由于初始条件的缺失,导致了测试加速度信号在积分速度和位移过程中产生明显的漂移现象.为解决此问题,本文利用结构的振动规律,在稳态振动阶段寻找速度和位移的零点,并以此作为初值进行积分,最后利用趋势项处理去除零点确定误差产生的漂移.本文数值模拟了单自由度体系和多自由度体系在简谐振动和地震动作用下的结构振动响应,并比较了计算值与准确值的最大相对误差;最后,将该方法应用于5条具有代表性的真实地震动记录,与给出的地面速度和位移进行比较,结果显示在极值处的最大相对误差均小于3%,表明该方法具有较高的计算精度和实际应用价值.