2024年, 第45卷, 第3期　
刊出日期：2024-06-10

  

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大规模集成电路设计、制造与应用
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  一种采用分段电容DEM方法的噪声整形SAR ADC^*

  张云博, 国长宇, 钟国强, 申人升

  微处理机. 2024, 45(3): 1-4. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-2279.2024.03.001

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  针对传统动态元件匹配（DEM）方法所需硬件资源较多的问题,设计一种二阶误差反馈噪声整形SAR ADC。该设计采用分段电容以减小DAC阵列规模及误差反馈环路电容的容值,缩减整体电路的面积。在此基础上形成一种应用于分段电容阵列的DEM方法,以较小的电路复杂度为代价,减轻电容失配对信噪失真比（SNDR）等性能参数的影响。仿真结果表明,在0.3%的电容失配下,所设计的噪声整形SAR ADC采用8位电容阵列即可实现70.9 dB的SNDR,所需面积仅为0.019 mm²。
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  一种应用于反熔丝FPGA的快速启动电荷泵设计

  代志双, 赵桂林, 曹振吉

  微处理机. 2024, 45(3): 5-8. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-2279.2024.03.002

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  针对传统Dickson结构电荷泵升压较慢,在用户模式下降低反熔丝FPGA工作速度,以及造成电路工作时序混乱的问题,在传统结构的基础上设计一种快速启动的电荷泵电路。该电路在常见的振荡器、非交叠时钟产生电路、主体电荷泵电路之外增设时钟信号增强电路以及0 V产生电路。以时钟信号增强电路,加快电荷的转移速率,实现电荷泵快速升压;0 V产生电路实现高压模块与低压模块的有效隔离,在编程模式下起到电路保护作用。基于CMOS工艺,在全局等效负载条件下进行仿真实验,结果表明改进后的电荷泵输出达到稳定的时间比原电路缩短了57.6%。实际流片后,电路功能测试正常。
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  基于32位MCU的FPGA远程调试和固化系统设计

  刘帅, 张磊

  微处理机. 2024, 45(3): 9-12. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-2279.2024.03.003

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  在很多领域中,采用传统USB-JTAG接口进行FPGA调试和固化程序的模式受到很大限制,例如受到传输距离过长、调试接口被外壳封住等原因无法正常操作,且每次操作只能针对单个FPGA,效率较低。为解决此类问题,提出一种基于32位微控制器（MCU）的FPGA远程调试和固化系统。设计通过以太网实现FPGA远程调试和固化功能;将主控芯片集成在FPGA板卡上,主控芯片与FPGA通过JTAG及SPI接口连接,另一端通过以太网连接计算机设备,实现远程调试和固化功能。本设计增加了FPGA调试的便利性,提高了程序固化效率,具有较强的扩展性。
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  一种低噪声可编程斩波电流反馈仪表放大器

  王群虎, 辛晓宁, 任建, 陈疆川

  微处理机. 2024, 45(3): 13-16. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-2279.2024.03.004

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  针对应用于Sensor AFE的可编程增益仪表放大器的低频噪声干扰问题,设计一款低噪声可编程增益斩波电流反馈仪表放大器。该设计采用斩波技术实现对以1/f噪声为代表的低频噪声的抑制。在设计中加入数模转化器,通过电流叠加的方式实现对传感器失调的补偿,解决由传感器失调导致仪表放大器性能下降的问题。采用可编程电阻网络,实现可编程增益放大,提升仪表放大器的通用能力。仪表放大器基于TSMC 0.18 μm工艺,供电电压为2.7~3.6 V,通过调节电阻网络,实现16~2048倍放大,另外在传感器失调补偿范围和等效输入参考噪声参数上也较为理想。
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  基于锂电池均衡保护芯片的电压采样电路设计

  孙广绪, 辛晓宁, 任建, 田菲

  微处理机. 2024, 45(3): 17-21. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-2279.2024.03.005

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  针对锂电池均衡保护问题,设计一种基于锂电池均衡保护芯片的电压采样电路。采用主动均衡的方式对锂电池进行均衡保护。电压采样电路采样两节锂电池电压以监测锂电池的差异性,并通过8位逐次逼近型数模转换器进行数据转换。运用均衡控制逻辑分析转换的数据,对锂电池执行均衡保护。采用华虹NEC 0.18μm BCD工艺进行设计并通过仿真验证。仿真结果表明,电压采样电路有较高的电压采样精度,逐次逼近型数模转换器的有效位数等指标均有优秀的性能表现。本研究能够可靠地采样各电池的电压,适用于锂电池均衡保护芯片的应用场合,有利于延长电池组的使用时间。
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  采用Mash2-1架构的高精度Sigma-Delta ADC设计

  于凯至, 辛晓宁, 任建, 卢苡

  微处理机. 2024, 45(3): 22-25. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-2279.2024.03.006

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  鉴于模数转换器（ADC）在芯片和混合信号处理领域举足轻重的作用,为探索进一步提高模数转换器精度的可能性,满足当今应用系统对模数转换精度的新需求,设计一款基于 Mash2-1 级联架构的sigma-delta ADC。设计采用TSMC 180 nm CMOS工艺,在完成调制器电路的同时,使用Verilog代码方式实现了配套的误差消除以及数字抽取滤波器。对调制器进行了建模及非理想因素的分析,并通过使用斩波调制技术等手段对电路的非理想性进行优化。经仿真验证,结果表明,本设计在3.3 V电源、27 ℃工作环境、TT 典型工艺条件下,表现出优异的信噪比,总谐波失真等性能指标也较理想,适用于高精度、低失真的应用场合。
微机网络与通信
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  基于JESD204B确定性延迟的多芯片同步自动校正设计

  李林泽, 陈超, 魏亚峰, 俞宙, 王健安

  微处理机. 2024, 45(3): 26-30. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-2279.2024.03.007

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  针对高速模数转换器JESD204B接口多芯片同步系统在稳定性、可靠性和可重复性上面临的确定性延迟问题,提出一种解决方案。该方案基于子类1同步原理,通过自动校正参考时钟相对于器件时钟的建立保持时间,以及利用确定性延迟原理实现可重复确定性延迟的自动校正。采用可调SYSREF延迟与模数转换器内部检测机制自动校正技术,确定最优延迟时刻,实现多片模数转换器的固定相位采样。在可编程逻辑芯片接收端自动校正数据到达与本地多帧时钟的相对位置,从而建立稳定、可重复的确定性延迟。本设计有助于多芯片同步系统更好地应对恶劣环境和自身敏感的延迟变化。
微机软件
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  基于密集混合注意力和全局补偿的 图像去雨网络^*

  盖勇刚

  微处理机. 2024, 45(3): 31-34. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-2279.2024.03.008

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  针对现有图像去雨算法提取雨线特征效果不佳导致雨纹残留的问题,提出一种基于密集混合注意力和全局补偿的图像去雨网络。通过多层卷积运算,提取输入雨天图像的浅层特征。融合密集连接与残差网络的优势,引入多注意力机制,设计密集残差注意力模块,以此实现特征循环利用并捕获图像的多尺度特征。加入全局补偿模块以确保特征图像提取的全面性。通过卷积层重建特征,得到清晰且无雨的图像。实验证明,所提出的算法优于现有的经典和新颖算法,能有效清除雨痕,并提升图像的整体视觉感受。
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  一种基于颜色通道运算的去背景方法^*

  李凤坤, 张永

  微处理机. 2024, 45(3): 35-38. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-2279.2024.03.009

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  为降低实时图像识别中去背景方法的计算复杂度以提升用户体验,基于通道运算,提出一种轻量级的去背景方法。研究围绕通道运算的概念和相关性质,利用彩色图片各通道之间的关系,通过简单算术、关系运算即可实现目标像素点的选择,避免使用空间距离公式、梯度等较为复杂的计算形式,有效降低了计算复杂度。理论与实验结果均表明,在前景主色调单一的应用场景下,该方法能够在较低的计算复杂度下选取目标像素,高效地实现去背景,在与图片处理相关的实时智能应用中,有助于提高用户体验。
微机应用
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  基于NDIR的甲烷气体传感器设计与测试^*

  王琛, 邢海霞, 李晓干

  微处理机. 2024, 45(3): 39-42. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-2279.2024.03.010

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  针对目前非分光红外CH₄气体传感器灵敏度较低且响应时间较长等问题,设计一款基于光电导原理的CH₄气体传感器。该传感器主要由PbSe光导型红外探测器、信号处理部分电路、光源驱动部分电路及光路气室组成,通过分析气体浓度与探测器输出信号之间的关系,拟合浓度输出关系方程,以实现检测功能。通过实验,在室温下对不同浓度气体进行检测,结果表明该传感器的输出误差、最低检测限、最低响应时间等参数表现良好,可在1000 cm³/m³范围内对气体实现有效测量。
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  智能学习桌升降系统关键技术研究^*

  刘金鹏, 贺怡豪, 王梦超, 张珊珊

  微处理机. 2024, 45(3): 43-46. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-2279.2024.03.011

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  针对智能学习桌升降系统在使用中存在的问题,对现有产品加以改进,提出一种智能学习桌系统的设计方案。新设计引入超声波测距控制转台,实现升降系统所需调整高度的自动检测。作为关键技术,根据升降系统的工作特点,引入编码单元,采用位置环闭环的方式以及积分分离PID控制策略,进一步优化升降系统调节过程。通过实验验证了该方案的合理性。本方案实现的智能学习桌设计简单,成本低廉,适用性广,可为同类产品的设计开发提供思路。
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  基于FPGA的水下机器人视觉检测系统^*

  乔路宽, 刘爱民, 王子君, 王宇琛, 刘尧

  微处理机. 2024, 45(3): 47-51. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-2279.2024.03.012

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  为应对水下机器人视觉检测中面临的实时性、准确性和可靠性上的挑战,提出一种基于FPGA的水下机器人视觉检测系统。该系统将先进的图像处理技术与FPGA的并行处理能力相结合,实现高效实时的水下环境视觉检测。通过对硬件和软件的设计优化,确保系统在水下图像定位识别、电子防水、能源持续、照明、动力和通信等多方面发挥作用。实验验证显示该系统能够精确识别水下目标,对于提升水下机器人视觉检测技术的性能,推动其在实际应用中的广泛部署具有重要意义。
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  基于树莓派和GD32的移动网络摄像头设计^*

  高菲, 田华, 仇永祺

  微处理机. 2024, 45(3): 52-55. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-2279.2024.03.013

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  为解决传统摄像头固定位置带来的监控盲区和视角限制问题,设计一款可通过网络远程监控、改变视角和移动的网络摄像头。系统基于BCM2711芯片的树莓派4B作为主控制器,协同子控制器GD32F103RCT6,实现摄像、遥控移动和数据编解码上行下发等功能。服务器采用Nginx及其子模块RTMP提供多媒体推流服务,用户通过终端APP播放视频流。树莓派通过Wi-Fi实时监听用户端APP的按钮点击事件,实现麦克纳姆轮移动和摄像云台角度控制。经过联调测试,移动网络摄像头可以实现远程实时操控,有效弥补了传统摄像头的不足,具有广阔的市场应用前景。
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  基于i.MX8M的远程医疗监控系统设计

  郭书杰

  微处理机. 2024, 45(3): 56-59. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-2279.2024.03.014

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  为提高医疗资源利用率,设计一款远程医疗监控系统。系统具有对心电监护、呼吸频率、血氧饱和度、心率、体温及环境温度等多种信息的监护能力,医护人员可以借此使用多种终端来查询和监视病人的体征信息与环境信息,并具有单向视频、双向语音通话功能,能够便捷地实现患者与医护、患者与家属等之间的沟通。系统以i.MX8M Mini嵌入式应用处理器作为主控制器,完成图形界面、多媒体数据处理、以太网数据传输控制等任务。使用STM32作为传感器数据采集控制器,实现对多种传感器数据采集、控制和处理;选用SPI、SDIO等高速片间总线进行数据通信。系统能够减少医护人员的工作量,缓解因医护人员不足导致的就医压力。
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  地铁站低压供配电线路连锁故障自动检测方法

  杨卫

  微处理机. 2024, 45(3): 60-64. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-2279.2024.03.015

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  鉴于地铁站供配电线路布线复杂、交叉连接众多,为降低故障检测难度,针对其中可能存在的短路、接地故障、过载等多种故障类型,设计一种地铁站低压供配电线路连锁故障自动检测方法。通过故障分析,预判线路断开后出现连锁过载效应的线路的电压特征,根据电压特征变化判定连锁故障的起始环节。构建自动检测方法,在起始环节范围检测供配电线路连锁故障零序电压峭度,实现连锁故障高效检测。对比实验结果表明：该方法能准确检测故障发生时的电压波动情况,证明了所设计方法的有效性,且自动检测精准度更高,能够应用于实际运营中。