多源能量收集电源管理电路的研究与设计
这是一篇关于电源管理,能量收集,自适应导通时间,最大功率追踪,异步时钟信号控制的论文, 主要内容为无线传感器、可穿戴电子设备、物联网设备由环境能量供电时无需频繁更换电池,降低了成本,因此环境能量收集技术成为了国内外研究的热点。单源能量收集系统应用场合有限,而多源能量收集系统能很好克服这一缺陷。电源管理系统能把来自换能器的不均匀能量通过存储到电池中转化为稳定电压为负载供电实现系统的长时间运行。本文基于0.6μm HV CMOS工艺设计了一种可以同时对压电、光电进行高效收集的多源能量收集电源管理芯片。本文设计的多源能量收集电源管理芯片主要分为光电全局最大功率追踪电路、压电接口电路与DC-DC转换器三个部分。为了减少阴影对太阳能板收集光能的影响,光电全局最大功率追踪电路采用了定时扫描法进行最大功率追踪。该全局最大功率追踪电路通过脉冲积分法对不同光电输入电压下的输入功率进行比较,提高了光电最大功率追踪精度。仿真结果表明,在P-V曲线存在多个极值点时仍能实现对光电的最大功率追踪并且最大功率追踪电路最高追踪精度能达到99.9%。压电接口电路采用了能高效收集压电能量的电容同步开关结构将能量源输入的交流电转为直流电。为提高其电容电压翻转效率,所设计的压电接口电路改进了开关阵列将翻转电容接在输入源与地之间,减少开关数量,降低了每次电压翻转时对开关的驱动损耗,并且通过电压选择电路将输入源中的较低电压接地防止开关误导通。所设计的压电接口电路中峰值检测电路的检测结果不仅用于控制电容电压翻转,还用于控制替换二极管的开关实现能量源对负载的充电,降低电路的能量损耗。仿真结果表明,所设计的压电接口电路不仅实现了74%的电压翻转效率,而且能在开路电压最低为2.2V的压电输入下实现自启动。在此基础上,本文设计了一种低静态功耗的高效DC-DC转换器为负载进行供电。该转换器采用升降压结构,通过将多余电荷存储到电池中动态匹配输入输出功率之间的差异,提高了能量利用率。同时,该转换器通过调节开关导通时间与开关工作频率扩大了输出功率范围,在重载下降低开关驱动损耗,在轻载下减小输出纹波并降低传输损耗。并且,该转换器在输入输出功率较低时能控制电路进入睡眠模式,降低电路的静态功耗,实现系统的长时间运行。最后,绘制了系统的整体版图并对其进行了后仿真。后仿真结果表明,在正常工作时系统的静态电流为7.6μA,而输入输出功率较低时系统进入睡眠模式,使静态电流降低为3μA。同时收集压电和光电能量时系统的能量收集效率最高能达到91.6%。
低功耗人脸识别门禁系统的设计与实现
这是一篇关于低功耗,人脸识别,电源管理,门禁系统,嵌入式系统,ARM的论文, 主要内容为近年来,人脸识别技术已从学术研究逐步迈向了实用化,在楼道监视、办公出入口以及门禁系统等区域都有着广泛的应用。人脸识别有着快速直观、非接触体验、采集设备成本低等优点,比虹膜、指纹、语音等生物识别技术更为方便友好。如今市面上人脸识别系统大部分都基于PC平台,不仅不便携、功耗高,而且价格贵,应用场合有着很大的局限。因此,设计高性能、功耗低、成本低、安全可靠的人脸识别门禁系统有着很强的现实意义和宽阔的市场空间。本文在查阅大量相关文献后,分析了人脸识别技术以及门禁系统的研究现状和存在的一些问题,为了达到实用型低功耗实时人脸识别系统的目标,设计了一款基于人脸识别的双核低功耗门禁系统。本文主要从系统架构、芯片选型、电源管理、软硬件低功耗设计以及产品低功耗等多方面进行阐述,主要工作如下:(1)通过系统需求和设计指标给出了低功耗人脸识别门禁系统的总体方案,搭建了“双核”低功耗人脸识别软件、硬件系统架构。选用具有硬件加速功能的主控芯片AM437x,完成具有登记、识别、删除等完整功能的人脸识别模块,外接ATmega8实现对模块的控制操作,实现“双核”低功耗解决方案,使得智能门禁即使在恶劣环境下,也可长时间高效率工作。(2)硬件和软件方面的低功耗设计。硬件低功耗主要通过围绕处理器的特点和提供的外围接口选用低功耗的器件和芯片、采用分区分时供电方式来实现。根据系统的具体需求选取了够用的晶振频率,设计了合理的供电电路和外围设备电路;软件低功耗主要通过充分利用单片机和外围芯片的低功耗运行方式、设计合理的程序设计来实现,主要从电源管理、休眠模式方面对主芯片进行了低功耗的软件设计,然后介绍利用心跳电源管理技术实现的嵌入式系统的总体低功耗设计,最后针对其他外围设备进行了低功耗的软件流程设计。(3)研究了人脸识别算法,详细介绍了系统所用Real AdaBoost人脸检测算法与Uniform LBP识别算法,在ARM中集成算法,完成了门禁系统的底层与应用界面层的开发,设计出功能明确,结构清楚,扩展好,易维护的界面,可以实现在应用界面调用算法的功能。(4)最后,对系统进行了功能测试和低功耗测试,该系统具备实现自动人脸识别系统所需要的完整软硬件功能,可以完成人脸的注册、删除和认证识别等功能,认证通过可驱动电机工作,并能根据不同的状态做出相应的声光提示等。实验测试表明,系统的待机电流可以达到1.51μA,8节干电池使用寿命为638天,极大地减少了系统功耗,达到了预期目的,为人脸识别技术在嵌入式系统上的应用提供了一套较好的软硬件设计方案,进而提高了整个产品的使用寿命,大大节约了使用成本。
适用于光遗传刺激的可植入式无线能量传输系统
这是一篇关于无线能量传输,光刺激,非对称耦合结构,参数优化,电源管理的论文, 主要内容为基于光遗传学的长期植入医疗方法已经成为研究人体神经性疾病的研究主流。该类应用的植入装置功率需求低,尺寸趋于微型化,注重减少患者术后的异物感。常用的供电方案为电池和有线电源,这类直接接触类电源的长期工作易对患者的身体组织产生负面影响。因此,非对称无线电力传输(WPT)技术成为植入式医疗的最佳能源解决方案,但其传输性能对匹配程度的变化非常敏感。为了解决上述无线传输的稳定性问题,本文通过仿真和实验研究了适用于植入式光刺激的三端无线能量传输系统。本文根据耦合模理论分析了提升电能传输性能的关键要素,并结合电路理论建立了三天线非对称谐振电路耦合模型。为了提升传输稳定性,提出了超材料(MTM)中继天线的应用方案。具体的仿真和实验工作包括:利用高频有限元仿真软件平台Ansys Electronics搭建了二端口网络模型,并从安全性和实用性的角度对WPT系统的电感的结构参数做了系统性优化。随后,配合低功率损耗的LCC-S谐振补偿网络分别构建了三天线和双天线的耦合模型,由传输系数S21计算出最高传输效率分别为56.25%和46.24%,这一结果证明了MTM构成中继天线可以提升传输性能。针对便携性和实用性考虑,本文设计了一个能稳定输出13.56MHz,29.15Vp-p正弦信号的电源管理平台,用作发射天线的外部电源。该平台包括具备家庭电源和备用电源自动切换功能的DC-DC模块,信号发生及前级运算放大功能的信号源输出模块,后级功率放大功能的功放模块,通过解除严苛的供电设备对系统使用的限制,提高了电源对突发情况的应对能力。其次,为了模拟植入人体的光刺激实验,本文研制了具有良好生物兼容性的光刺激设备并配置了具备功率接收和信号控制功能的接收模块,从而形成完整的体内驱动设备。此外还开发了移动端应用程序,可实现对光源的远程光刺激功能。最后将这些模块化设计进行组合式应用,成功搭建出了本文提出的可植入式无线光刺激系统。在评估了未对准条件下体内设备的工作状态后发现,在接收天线相对发射天线的偏移距离小于20mm,传输距离小于25mm范围内的特定位置,可满足接收模块的正常供电需求。因此,该系统在周期型植入式医疗领域中具有广泛的应用前景。
混凝土机械智能作业感知系统开发与应用研究
这是一篇关于混凝土机械,智能作业感知系统,北斗高精度定位技术,电源管理,可靠性设计的论文, 主要内容为机械制造行业的发展对我国国民经济的发展起着重要的作用,我国高质量的发展要求,信息技术和机械制造行业的深度融合成为未来发展的趋势。混凝土机械智能化作为机械行业智能化发展的重要领域,研制以高精度定位技术、多传感器融合技术、车联网通信技术、智能辅助驾驶技术和智能控制技术等关键技术为核心的北斗智能终端及大数据平台,实现混凝土机械智能作业感知系统的应用成为混凝土机械智能化发展研究的重要课题。本文结合混凝土机械智能作业感知系统发展的现状和趋势,翻阅了国内外相关的研究资料,结合智能作业技术的难题,对混凝土机械智能作业感知系统展开深入的研究。综合运用北斗卫星导航技术、高精度定位技术、智能辅助驾驶技术、物联网车载智能网关技术等前沿技术手段,通过分析混凝土机械智能作业感知系统各层面的需求,基于统一设计原则、高安全性及高可靠性原则以及先进性原则,对混凝土机械智能作业感知系统的硬件性能参数的核心模块、通信和定位模块、蓝牙功能、总线接口、预留调试接口及LED灯、锂电池充电管理进行了设计,尤其是对系统的电源管理方案和可靠性进行了设计,针对系统的耗电情况引入更为节能的单片机型号,计算睡眠模式下的能耗合理选择电池的容量,提高系统的电源管理。为了进一步提高产品的可靠性,对元器件、电源、电磁兼容和安规、环境适应性、可生产性、可测试性和可维护性方面都进行了设计。基于混凝土机械智能作业感知系统软件的功能需求,对卫星定位、CAN接口软件、模式管理的功能进行了设计和测试,以达到软硬件匹配的目的。最后用感知系统产测软件、卫星导航模拟器、高低温试验箱和电磁兼容测试设备,对混凝土机械智能作业感知系统相关功能进行了检验测试,感知系统要求的设计功能均能实现,性能稳定,达到设计指标要求。本文的研究力求通过混凝土机械和新一代信息技术的融合,通过数据采集,进行大数据分析,搭建智能服务体系和平台,实现客户在产品运用、运营、维护、维修的便捷、高效,将智能化服务应用于整个产品生命周期,以数据驱动经营,实现混凝土机械真正的全面智能化管理。同时希望本文的研究能够为混凝土机械智能作业感知系统制造企业和科研院所提供借鉴和启示。
混凝土机械智能作业感知系统开发与应用研究
这是一篇关于混凝土机械,智能作业感知系统,北斗高精度定位技术,电源管理,可靠性设计的论文, 主要内容为机械制造行业的发展对我国国民经济的发展起着重要的作用,我国高质量的发展要求,信息技术和机械制造行业的深度融合成为未来发展的趋势。混凝土机械智能化作为机械行业智能化发展的重要领域,研制以高精度定位技术、多传感器融合技术、车联网通信技术、智能辅助驾驶技术和智能控制技术等关键技术为核心的北斗智能终端及大数据平台,实现混凝土机械智能作业感知系统的应用成为混凝土机械智能化发展研究的重要课题。本文结合混凝土机械智能作业感知系统发展的现状和趋势,翻阅了国内外相关的研究资料,结合智能作业技术的难题,对混凝土机械智能作业感知系统展开深入的研究。综合运用北斗卫星导航技术、高精度定位技术、智能辅助驾驶技术、物联网车载智能网关技术等前沿技术手段,通过分析混凝土机械智能作业感知系统各层面的需求,基于统一设计原则、高安全性及高可靠性原则以及先进性原则,对混凝土机械智能作业感知系统的硬件性能参数的核心模块、通信和定位模块、蓝牙功能、总线接口、预留调试接口及LED灯、锂电池充电管理进行了设计,尤其是对系统的电源管理方案和可靠性进行了设计,针对系统的耗电情况引入更为节能的单片机型号,计算睡眠模式下的能耗合理选择电池的容量,提高系统的电源管理。为了进一步提高产品的可靠性,对元器件、电源、电磁兼容和安规、环境适应性、可生产性、可测试性和可维护性方面都进行了设计。基于混凝土机械智能作业感知系统软件的功能需求,对卫星定位、CAN接口软件、模式管理的功能进行了设计和测试,以达到软硬件匹配的目的。最后用感知系统产测软件、卫星导航模拟器、高低温试验箱和电磁兼容测试设备,对混凝土机械智能作业感知系统相关功能进行了检验测试,感知系统要求的设计功能均能实现,性能稳定,达到设计指标要求。本文的研究力求通过混凝土机械和新一代信息技术的融合,通过数据采集,进行大数据分析,搭建智能服务体系和平台,实现客户在产品运用、运营、维护、维修的便捷、高效,将智能化服务应用于整个产品生命周期,以数据驱动经营,实现混凝土机械真正的全面智能化管理。同时希望本文的研究能够为混凝土机械智能作业感知系统制造企业和科研院所提供借鉴和启示。
基于大小电池的时空电源管理优化与系统
这是一篇关于MCSA,基于MDP的结构相似度算法,软件定义电池,电源管理的论文, 主要内容为移动设备仍然处于快速发展过程中,而锂电池能量密度的提升速度却越来越慢,并逐步趋近于其理论极限,电池服务时间成为制约移动设备发展的关键因素。在电池材料本身还没有取得突破性进展的情况下,本文从电池系统层面提高电池效率,延长电池服务时间。本文提出了全新的大小(big.LITTLE)电池架构,并实现了基于大小电池的时空电源管理优化与系统,主要工作如下:第一、根据不同特性的电池适用于不同的工作流,将这种电池与工作流之间的偏好转化为电池模式和用户模式之间的匹配,并引入计算机领域的算法进行预测选择。在此基础上,提出了大小电池架构,这是一种全新的可重构电池系统,可以充分发挥各种电池的优势。第二、在大小电池架构上,实现了细粒度地大小电池电源管理,形成了完整的时空电源管理框架,该框架运用时空调度策略(Space-time Scheduling Strategy,SST)给各个区域选择供电电池。SST分为时间策略和空间策略。时间策略是一个MDP+MCSA双层选择策略,第一层,使用MDP模型拟合实际工作流,实现预测未来的工作状态。为了加快MDP的预测速度,将经典MDP模型转化为二分MDP模型,并引入结构相似度算法进一步缩小图规模。第二层,在第一层MDP模型预测结果的基础上,使用MCSA算法在全局范围内选择节能收益最大的K个状态,即Top-K。在时间策略预测出的Top-K个状态中,再运用空间策略。空间策略将整个移动设备划分为多个区域,使用结合收益大小的空间选择规则来最终决定各个区域的供电电池。第三、在实验设备PYNQ上搭建了完整的时空电源管理系统,并使用自主设计的毫秒级电池切换器进行实验,在多种工作负载下的实验表明,相比于不做任何优化的单电池供电模型,SST将电池服务时间平均提升了128%。另外,SST尤其适用于功耗波动剧烈的工作流、多进程支持后台程序运行的工作流和外接芯片(如WiFi芯片和5G芯片等)的工作流。
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