高能效无线传感节点芯片关键技术研究与实现

发布时间：2020-02-27 10:58

【摘要】：近些年,随着现代社会的不断发展以及全球人口老龄化的加剧,传统的医疗服务模式遇到了不少挑战。新颖的无线体域网技术给医生和患者提供了极大地便利,其不仅提升了医疗服务质量,还相对降低了医疗支出。无线体域网的实时性和准确性、长程性、便捷性以及低成本性都要求无线传感节点芯片必须实现低成本制造、低功耗运行。然而,无线传感节点芯片在低功耗实现方面面临着诸多问题和挑战。首先,处理低频信号时芯片能效非常低,如何提高和实现低频生物信号处理的能效是我们遇到的第一个挑战。接着,射频发送功耗占据了无线传感节点的主要功耗,如何花费较少的能量来压缩射频模块传送的数据量,从而使得总功耗降低是我们遇到的另一个挑战。最后,传统的片上存储器在低电压下无法正常工作,如何设计低电压运行的高能效无线传感节点片上存储器也是重要挑战。针对这些问题,本论文对低功耗高能效无线体传感节点芯片技术做了深入的分析和研究,有如下创新成果：第一,提出了可配置串并度的芯片功耗优化策略,有效地降低了芯片处理低频生物信号的功耗。该策略针对生物信号的低频特点,提出了通过调整不同计算串并度,获得最优功耗的方法。测试结果表明,芯片采用该策略可使相关部分能耗最大可减少90%以上。第二,设计和实现了异步流水的压缩感知编码器,达到了低功耗低成本的数据压缩目的。设计首次将压缩感知算法用准延时不敏感电路映射成硬件,并采用了双轨全异步存储器。该编码器采用全定制设计方法实现,芯片最低电压可达240mV,使压缩电路能耗降低33.3%,实现心电信号压缩比7.5。第三,设计和实现了低电压高能效片上存储器,其能效指标具有显著的领先优势。该设计提出了高能效的读字线共享技术和双复制位线延时技术,同时采用了全静态读电路和非最小沟道长度存储单元等技术。芯片测试表明,最低工作电压320mV,每操作功耗为0.94pJ,其归一化能耗低了25%。最后,本论文关于未来高能效无线传感节点芯片提出了三点工作展望,首先,建立无线传感节点的精确功耗模型,使节点的功耗达到最优化。第二,模拟电路实现压缩感知算法,使采样和压缩过程融为一体,进一步降低实现成本和功耗成本。第三。采用诸如MEM relay的新型低漏电器件,降低芯片的静态功耗,提升设计能效。
【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN929.5;TP212.9

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