低功耗设计论文
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低功耗设计论文范文第1篇
论文摘要：功耗问题正日益变成VLSI系统实现的一个限制因素。对便携式应用来说，其主要原因在于电池寿命，对固定应用则在于最高工作温度。由于电子系统设计的复杂度在日益提高，导致系统的功耗得到其主要功耗成分。其次，以该主要功耗成分数学表达式为依据，突出实现SoC低功耗设计的各种级别层次的不同方法。
引言
从20世纪80年代初到90年代初的10年里，微电子领域的很多研究工作都集中到了数字系统速度的提高上，现如今的技术拥有的计算能力能够使强大的个人工作站、复杂实时语音和图像识别的多媒体计算机的实现成为可能。高速的计算能力对于百姓大众来说是触指可及的，不像早些年代那样只为少数人服务。另外，用户希望在任何地方都能访问到这种计算能力，而不是被一个有线的物理网络所束缚。便携能力对产品的尺寸、重量和功耗加上严格的要求。由于传统的镍铬电池每磅仅能提供20W.h的能量，因而功耗就变得尤为重要。电池技术正在改进，每5年最大能将电池的性能提高30%，然而其不可能在短期内显著地解决现在正遇到的功耗问题。
虽然传统可便携数字应用的支柱技术已经成功地用于低功耗、低性能的产品上，诸如电子手表、袖珍计算器等等，但是有很多低功耗、高性能可便携的应用一直在增长。例如，笔记本计算机就代表了计算机工业里增长最快的部分。它们要求与桌上计算机一样具有同样的计算能力。同样的要求在个人通信领域也正在迅速地发展，如采用了复杂语音编解码算法和无线电调制解调器的带袖珍通信终端的新一代数字蜂窝网。已提出的未来个人通信服务PCS（Personal Communication Services）应用对这些要求尤其明显，通用可便携多媒体服务是要支持完整的数字语音和图像辨别处理的。在这些应用中，不仅语音，而且数据也要能在无线链路上传输。这就为实现任何人在任何地方的任何时间开展任何想要的业务提供了可能。但是，花在对语音、图像的压缩和解压上的功耗就必须附加在这些可便携的终端上。确实，可便携能力已经不再明显地和低性能联系在一起了；相反，高性能且可便携的应用正在逐步得到实现。
当功率可以在非便携环境中获得时，低功耗设计的总理也变得十分关键。直到现在，由于大的封装、散热片和风扇能够轻而易举地散掉芯片和系统所产生的热，其功耗还未引起多大的重视。然而，随着芯片和系统尺寸持续地增加，要提供充分的散热能力就必须付出重要代价，或使所提供的总体功能达到极限时，设计高性能、低功耗数字系统方法的需求就会变得更为显著。幸好，现在已经发展了许多技术来克服这些矛盾。
由于可以高度集成，并具有低功耗、输入电流小、连接方便和具有比例性等性质，CMOS逻辑电路被认为是现今最通用的大规模集成电路技术。下面研究CMOS集成电路的功耗组成，概述实现集成电路——SoC（System on Chip）系统的低功耗设计的诸多方法。目的在于揭示当今电子系统结构复杂度、速度和其功耗的内在联系，在及在数字电子系统设计方向上潜在的启示。
1 CMOS集成电路功耗的物理源
要研究SoC的低功耗设计，首先要物理层次上弄清该集成电路的功耗组成，其次，才能从物理实现到系统实现上采用各种方法来节省功耗，达到低功耗设计的目的。图1为典型CMOS数字电路的功耗物理组成。
（1）动态功耗
动态功耗是由电路中的电容引起的。设C为CMOS电路的电容，电容值为PMOS管从0状态到H状态所需的电压与电量的比值。以一个反相器为例，当该电压为Vdd时，从0到H状态变化（输入端）所需要的能量是CVdd2。其中一半的能量存储在电容之中，另一半的能量扩展在PMOS之中。对于输出端来说，它从H到0过程中，不需要Vdd的充电，但是在NMOS下拉的过程中，会把电容存储的另一半能量消耗掉。如果CMOS在每次时钟变化时都变化一次，则所耗的功率就是CBdd2f，但并不是在每个时钟跳变过程之中，所有的CMOS电容都会进行一次转换（除了时钟缓冲器），所以最后要再加上一个概率因子a。电路活动因子a代表的是，在平均时间内，一个节点之中，每个时钟周期之内，这个节点所变化的几率。最终得到的功耗表达式为：Psw=aCVdd2f。
（2）内部短路功耗
CMOS电路中，如果条件Vtn
一般来说，内部短路电流功耗不会超过动态功耗的10%。而且，如果在一个节点上，Vdd
（3）静态漏电功耗
静态漏电掉的是二极管在反向加电时，晶体管内出现的漏电现象。在MOS管中，主要指的是从衬底的注入效应和亚门限效应。这些与工艺有关，而且漏电所造成的功耗很小，不是考虑的重点。
表1为CMOS集成电路中主要的耗电类型。
类
型
公 式
比 率
动态功耗（switching power）
Psw=aCVdd2f
70%～90%
内部短路功耗（internal short-circuit power）
Pint=IintVdd
10%～30%
静态漏电功耗（static leakage power）
Pleak=IleakVdd
总功耗（total power）
Ptotal=Psw+Pint+Pleak
100%
（4）小结
通过设计工艺技术的改善，Pint和Pleak能被减小到可以忽略的程度，因而Psw也就成为功耗的主要因素。后面所做的功耗优化大部分是围绕这一个公式来进行的。对于SoC来说，所有的方法都是围绕着动态功耗来做文章的，因为在电路信号变化时，功耗消耗主要在电路中电容的充放电过程。如果从各个层次、各个方面尽量减少电路的充放电，将是我们关心的主题。
2 降低集成电路SoC功耗的方法
功耗对于一个便携式SoC数字系统来说尤为重要。事实上，很多便携式SoC系统的设计，是先进行功耗分析，由功耗分析的结果再来划分设计结构。可以说，功耗将可能决定一切。现在要做的是，根据功耗分析的结果，评判SoC结构，改进设计，优化方案。
SoC系统的功耗所涉及的内容十分广泛，从物理实现到系统实现都可以采用各种方法来节省和优化功耗。通过对国外大量文献的查阅，我们得到了常用的实现低功耗设计的各种较为有效的方法，如表2所列。
表2 常用实现低功耗的各种方法
类 型
采用方法
效
果
行为级（系统级）
Concurrency memor
几倍
软件代码
软件优化
32.3%
功率管理
Clock控制
10%～90%
RTL级
结构变换
10%～15%
综合技术
合成与分解逻辑
15%
综合技术
映射
门级优化
20%
20%
布局
布局优化
20%
（1）系统级功耗管理
这一部分实际上是动态功耗管理。主要做法是在没有操作的时候（也就是在SoC处于空闲状态的时候），使SoC运作于睡眠状态（只有部分设备处于工作之中）；在预设时间来临的时候，会产生一个中断。由这个中断唤醒其它设备。实际上，这一部分需要硬件的支持，如判断，周期性的开、关门控时钟（gate clock）等。
（2）软件代码优化
软件代码优化是针对ARM嵌入式处理器而言的。对于编译器来说，所起的使用不到1%，而对于代码的优化则可以产生高达90%的功耗节省。Simunic等人曾分别做过用各种针对ARM处理器的编译器进行的试验。比此的实验结果发展，风格比较好的代码产生的效果远比用ARM编译器优化的效果好。
（3）Clock控制
这是在ASIC设计中行之有效的方法之一。如果SoC芯片在正常工作，有很大一部分模块（它们可能是用于一些特殊用途中，如调试Debug、程序下载等）是乖于空闲状态的，这些器件的空运作会产生相当大的功耗。这一部分应使用时钟控制，即clock enable & disable。
（4）RTL级代码优化
与软件相似，不同的RTL（Register Transfer Level，寄存器传输级）代码，也会产生不同的功耗，而且RTL代码的影响比软件代码产生的影响可能还要大。因为，RTL代码最终会实现为电路。电路的风格和结构会对功耗产生相当重要的影响。
RTL级代码优化主要包括：
①对于CPU来说，有效的标准功耗管理有睡眠模式和部分未工作模块掉电。
②硬件结构的优化包括能降低工作电压Vdd的并行处理、流水线处理以及二者的混合处理。
③降低寄存电容C的片内存储器memory模块划分。
④降低活动因子a的信号门控、减少glitch（毛刺）的传播长度、Glitch活动最小化、FSM（有限状态机）状态译码的优化等。
⑤由硬件实现的算法级的功耗优化有：流水线和并行处理、Retiming(时序重定)、Unfolding（程序或算法的展开）、Folding(程序或算法的折叠)等等基本方法以及其组合。
（5）后端综合与布线优化
既然SoC的功耗与寄生电容的充放电有很大的关系，作为后端综合与布线，同样也可采取一些措施来减少寄存器电容。可以优化电路，减少操作（电路的操作），选择节能的单元库，修改信号的相关关系，再次综合减少毛刺的产生概率。
实际上，这一部分与使用的工具有关。与软件部分有相同之处，后端综合与布线同软件的编译差不多。软件编译的结果是产生可执行的机器代码；而RTL的综合与布线是把RTL代码编译成真实的电路。但是，后端综合与布线优化比较编译优化有更好的效果。这是因为一段RTL代码所对应的电路是可以有多种形式的；同时现有些编译器会根据设计者提供的波形，智能地修改电路（前提是最终电路的效果还是一样的），编译器就会进行相关的优化。但是后端综合的优化与RTL级代码优化和时钟控制相比，同样的RTL级与时钟优化所产生的影响要远大于用编译工具所产生的影响。
（6）功耗的精确计算
后端综合与布线工具不但可以根据基本单元提供的功耗参数进行优化，还可以根据这些参数估算出整个SoC的功耗。正因为有这样一些工具，使我们可以精确地知道我们所设计的是否达到设计要求。万一设计功耗不符合总体要求，则可能要求从系统级到物理综合布线都要做出检查与分析，做出可能的改进，尽可能地减少功耗以达到设计要求。
（7）小结
从上面的各种降低以及估算功耗的方法可以看出，SoC系统的拉耗优化涉及到从物理实现到系统实现的方方面面，是芯片设计中一个十足的系统工程。可以说，功耗可以决定一切。
结语
本文首先分析了CMOS集成电路的功耗物理组成，得到了其主要功耗成分。其次，以该主要功耗成分数学表达式为指导，突出了SoC低功耗设计的各种级别层次的不同方法。不管是现在还是将来，该领域的重要性将会日益显著。在下面的一些发展方向还将会有较大的发展：
①实现SoC系统设计的变换以及映射技术的进一步探索。
②将各种低功耗设计手段按照各性质最佳综合起来，以便使用基于人工智能的技术（如遗传算法和启发式算法等等）来研究。
③发展以实现低功耗为目的CPU指令程序的改写技术，以将其扩展到复杂SoC系统的设计中。
④进一步研究应用于SoC低功耗设计的编码和信号表示技术。
低功耗设计论文范文第2篇
【关键词】监测系统;主控板;结构设计;数据采集
1.引言
在原油输送过程中，管道经由多年冻土区，输油管道中原油温度会影响管道周围多年冻土区土壤的温度场，引起复杂的地质灾害问题，如冻胀、融沉、水土流失、边坡失稳等，对管道安全造成威胁，严重影响原油的运输。其中，不稳定斜坡是冻土区管道面临的最大威胁，极有可能造成斜坡底部管道发生屈曲褶皱变形。论文通过对冻土区斜坡失稳机理、形成过程及斜坡监测技术的分析，讨论了冻土区斜坡稳定性安全监测系统的结构设计。
管道的较大形变容易引起管道的断裂和泄露，同时由于冻土层微小的温度都会影响到石油管道的安全传输，所以要求监测系统具有±0.2℃的温度测试精度，并具有长期稳定性。在选择元器件时不仅要求各个器件达到所需精度，还要分析元器件组合的总精度。另外，由于监测仪器是在野外安装使用，环境比较复杂，而温度对于系统的工作又有很大的影响，元器件的工作温度范围需在-50℃～+50℃之间。但大多数元器件工作温度在低于零下25度以上，所以需要对系统板进行保温处理。保温处理虽能在一定时间内保证器件正常工作，但为了满足系统低功耗及工作长期稳定性，在选择元器件时，需选择温度范围较宽且温度较低也能正常工作的器件。
2.系统各功能模块结构设计
2.1 主控板结构设计
在满足低功耗、高精度及高低温适应的原则下，主控芯片选用Atmel公司ATmega128L芯片，时钟芯片选用美国DALLAS公司推出的性能比较高的DS1302，数字温度传感器选较常用的DS18B20，存储芯片选用Atmel公司推出的大容量串行数据Flash存储器AT45db161，继电器选择常用的电流为5A小型MY2NJ。其各芯片布置如图1所示，在主控板预留LCD1602的接口，在调试结束后可拔掉显示屏以降低功耗。整个主控板模块中DS1302确定数据的定时发送，AT45db161芯片将各个温度传感器收集的信息进行存储。ATmega128L具有两个可编程的串行UART，ATmega128L通过其中一个串行UART，以寻址的方式与数据采集模块中的AT89C51进行通信，控制多个数据采集模块中的一个进行温度采集。另一个串行UART与GSM模块进行通信，将采集的数据以短信形式发送至目标SIM卡。由于野外无供电条件，电源由12V的蓄电池及太阳能电池板构成，为系统提供稳定的直流电压。
2.2 数据采集模块结构设计
数据采集模块在选用各芯片时，同样满足以上所述的芯片选用原则。主控芯片选择性能及价位比较合适的由美国STC公司推出的52内核单片机，A/D转换芯片选择具有4通道单独输入的ADS8341。采集模块各芯片布置如图2所示。由于系统需要测量30个点的温度，既需要40个温度传感器。一个ADS8341有4个通道，能够连接4个温度传感器，图2中包含3个ADS8341，能够连接12个温度传感器。所以，在整个数据采集部分，要完成数据的正确采集需要有4个同类型的采集模块。
图1 主控板框图
图2 数据采集模块框图
2.3 数据远程通信系统设计
数据远程通信系统主要由GSM通信模块、上位机系统、下位机系统等组成，如图3所示。下位机系统将数据信息通过GSM模块1以短信方式发出，经过全球无线移动通信网络（GSM网络）将数据发送给GSM模块2。上位机软件将短信从GSM模块2中读取，并进行计算、分析及显示。当需要对下位机系统进行设定时，上位机软件通过GSM模块2以短信形式将命令发出，经过全球无线移动通信网络将命令发送给GSM模块1，下位机系统通过GSM通信模块1接收来自上位机的命令。
图3 数据远程通信系统框图
3.主控板电路设计
根据上面所确定的主控板系统结构，对主控板硬件电路进行设计。主控芯片ATmega128L是一款基于AVR RISC结构的低功耗CMOS8位微控制器。具有片内128KB的程序存储器（Flash）、4KB的数据存储器（SRAM）和4KB的EEPROM，有8个10位ADC通道、2个8位和2个16位硬件定时/计数器、8个PWM通道。与ATmega128A相比，ATmega128L具有较宽的供电电压（2.7～5.0V），实际应用中，可选择3.3V的供电电压以降低系统功耗。
ATmega128L的时钟源可以选取外部晶体振荡器、外部RC振荡器、内部RC振荡器等方式。其时钟源的选择可通过JTAG编程、ISP编程等方式对ATmega128L的内部熔丝位来设定。为了降低系统主控板与采集板数据通信中的误码率，ATmega128L的晶体振荡器频率选用7.3728MHz，以产生精准的9600bps波特率。
4.主控板及采集模块的PCB板设计
PCB板设计的成败直接决定了系统工作的稳定性和可靠性，在设计PCB板时，需要考虑其电磁兼容性和散热性。由于本系统所处的环境温度较低，PCB板上元器件的发热为有利因素，因此在设计PCB板时仅考虑其电磁兼容性。本系统的主控板和采集板采用了分离设计，因此各PCB基板上的元器件较少，为减低系统制作成本，选用常用的双层板设计。系统PCB板实物图如图4所示，采集板通过4个插接槽与主控板相连。
图4 系统实物图
5.结论
通过对系统硬件需求分析，对系统的主控板模块及采集模块进行设计，同时对各个模块中所需的元器件按系统所需性能及低功耗要求进行选择，并对各个元器件功能、参数进行介绍。在硬件设计中不仅对各个元器件的电路连接进行详细设计，同时考虑到供电问题，并对各模块电源供电进行详细设计，最后根据使用性将设计电路出PCB板。
参考文献
[1]何建平.青藏铁路冻土环境下浅埋给水管道保温分析研究[D].西南交通大学，2005.
[2]樊云龙，毛雪松，侯仲杰.多年冻土地区热棒路基的设计原则和方案[J].路基工程，2012（4）：148-151.
[3]靳其兵，田野，谢祖荣.单片机数据采集卡及其实时多任务机制的实现[J].自动化仪表，2002（6）：33-37.
低功耗设计论文范文第3篇
关键词：石蜡成型机，串行通信，单片机，VisualBasic
本系统的目标是:通过相关软件、硬件的设计,实现由主机(上位机)通过单片机(下位机)通讯实现对石蜡车间现场石蜡成型机工作状态的监控。即利用主机的监控软件与单片机进行通信,以实现对石蜡成型机的监控功能。本系统应具备如下功能:
(1) 界面设计清晰,功能齐全，实时准确的显示石蜡成型机所有参数及状态
(2) 上位机与下位机能进行可靠、实时的通信。
(3) 查询历史记录功能
1软硬件的选取及上下位机间通信协议的定义
基于上述目标与功能,要实现本系统,首先要解决以下几个问题:
1.1 上位机与单片机之间通信方式的选取
串行通信使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，处理的数据电压只有一个准位,因此不容易漏失数据。串行通信端口(RS-232)是每部计算机上的必要配备,它不仅实用简单,而且价格便宜。。因此本系统采用RS-232串行通信方式用于上、下位机间的通信。
1.2 监控软件开发平台的选取
VisualBasic（VB）是一种可视化的、面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言，可用于开发Windows环境下的各类应用程序。它简单易学、效率高，可以高效、快速地开发Windows环境下功能强大、图形界面丰富的应用软件系统。所以，本系统采用VB作为监控软件平台。
1.3 单片机型号以及芯片的选取
MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位具有精简指令集的、超低功耗的混合信号处理器(Mixed SignalProcessor)。由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。本系统采用MSP430单片机。
1.4 上位机与单片机之间的通信协议
Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。本系统采用Modbus通讯协议进行通讯，采用16位CRC校验以保证数据传输的准确性。
通信参数设置
低功耗设计论文范文第4篇
虽然把无线传感器网络用于消防救援领域有了很好的研究，但这些研究大多用于消防队员跟踪和搜救。英国拉夫堡(Loughborough) 大学研究小组在进行名为Secure Ad Hoc Fire and Emergency Safety Network(SafetyNet)的研究[1]，虽然可以获取并提供指定地点的环境和险情信息，但该系统需要预先在建筑物内布设传感器，这在目前的实际中有些困难。消防队员在现场执行救护任务遭遇危险时，不仅会影响整个现场的救援效率，而且会威胁到自身生命，十分不利于火灾现场的救援和调度。如果指挥中心能够观察到消防队员的实时信息，指挥人员就能在消防队员发生意外时指挥其他救援人员进行快速的相互救援。由此提出一种新型人员实时信息传输系统的设计，以CC430F5137[2]单片机为系统主芯片，通过433 MHz无线网络[3]完成利用Mesh惯性器件ADXL345三轴加速度计、DS18B20温度传感器和HM2600压力传感器等所采集到的实时信息以及其他信息例如硬件的剩余电量、剩余氧气量等信息的内部数据传输，然后通过无线Ad Hoc网络将数据发送到远程指挥中心。通过对此系统进行的数据信息传输试验，验证了此系统实现人员监测的可行性。
1 总体方案
系统结构框图如图1所示。
图1 系统结构框图
2 系统设计
通过对系统需求的分析，考虑到低功耗要求、无线传输需求、外接无线模块需求， MCU选择了TI公司的超低功耗、高性能产品的CC430[4]芯片，拥有五种低功耗模式相组合，并具有射频收发功能，其功耗仅为160 μA/MHz，可以有效地延长电池使用时间和电池寿命。Ad Hoc模块设计所用的是内嵌无线移动自组网Mesh协议的深圳捷讯易联公司的YL_1110模块。YL?1110N模块既可以作为节点设备也可以作为网关设备，可以轻松组建最小2节点到成千上万节点的Mesh网络。YL?1110N模块应用在低功耗自组网领域如传感器网络、无线抄表、智能家居等领域，具有明显的技术和价格优势。
选用ADI公司的ADXL345[5]作为三轴加速计来测定能够获取三维方向上的加速度数值，从而判断人体姿态。ADXL345可以对高达±16g的加速度进行测量，并且分辨率高达13位。温度传感器选择了DALLS公司生产的单总线温度传感器 DS18B20[6]，其分辨率可以随着编程而改变，分辨率可以为9～12位，用于实现高精度的温度检测[7]。正压式呼吸器的压力传感器选用 HM2600，具有高集成化，高稳定性的特点。使用于无腐蚀性气体或液体介质的测量，具有高低温、震动、热冲击和机械冲击等恶劣环境中的实用性。利用6个 LED灯来显示呼吸机中的剩余气量。同时加入了一个振动器，防止消防员在复杂环境中不能发现声光报警时，利用振动器的振动来警告消防员。
电源部分由于里面的芯片电压要求基本都在3.3 V，所以选用电源管理芯片RT8009作为稳压3.3 V芯片，输入电压范围从2.5～5.5 V，适合于用单节锂电池供电的便携式电子设备。外部电源考虑到便携式设计，选用了可充电的2 400 mA·h的锂电池供电。
系统信息采集硬件框图如图2所示。
图2 信息采集硬件框图
3 Ad Hoc网络路由协议
无线Ad Hoc网络是指一组无线移动节点组成的多跳的、临时性的、无基础设施支持的无中心网络。常见的Ad Hoc网络包括移动Ad Hoc网络(Mobile Ad Hoc Network，MANET)与无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)等[8]。移动Ad Hoc网络不依赖预设的基础网络设施，其组成网络的节点都具有动态组网能力，每个节点都是移动的，并且都能以任意方式利用自身的无线收发装置动态地保持与其他节点的联系。
无线Mesh网络[9?10]采用私有按需轻量动态多径路由协议，此协议是针对硬件资源条件苛刻的移动自组网设计的，适用于有移动速度和拓扑结构变化的本系统的Ad Hoc网络。Mesh路由协议会综合多种选择算法进行路由的筛选，包括距离矢量、信号质量(链路状态)和节点剩余电量?类 MMBCR(Min?Max Battery CostRouting)。
距离矢量算法根据目的地的远近来决定路径，根据距离矢量算法可以找到两个节点间的最近路径，但不一定是最佳路径。Mesh链路状态路由算法选择稳定链路虽然距离会远一些，但是能保证报文传输的可靠性和实时性。类 MMBCR路由选择需要充分考虑节点电池的电量，应尽可能避开电池电量低的节点进行路由。这样避免出现某节点由于能量过度消耗出现死亡的情况，提高移动网络的生存能力[11]。
4 Ad Hoc网络工作过程
无线Mesh网络的核心指导思想是让网络中的每个节点都可以发送和接收信号。组网模块的工作模式为使用NODE的MAC地址传输，这种工作模式下 NODE 模块报文发送的目的地址默认为ROOT模块，NODE模块会自动在从UART接收到的数据报文前添加该模块的序列号。
微控制器(MCU)通过串行接口连接Ad Hoc模块，数据端的串行数据经过微控制器的串口发送到节点(NODE)模块上。节点(NODE)开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络，每一个节点(NODE)同时是一个路由器。NODE模块会自动在从UART接收到的数据报文前添加该模块的序列号进行多次中继后和ROOT模块建立数据无线连接，然后进行Ad Hoc模块间的无线数据传输。
Ad Hoc模块工作流程如图3所示。
图3 Ad Hoc工作流程图
5 系统的监测过程
综合消防员现场情况和功耗，硬件一直保持休眠模式，本系统采用10 s发一次数据。发送端设定定时器，9 s后退出休眠，打开传感器，第10 s发送数据，发送完后进休眠。接收端第9 s退出休眠，一直等到接收到数据再进入休眠，开始计算时间。这样不仅防止了数据的丢失，并且和发送端友好地进行时序同步，还满足设备的低功耗要求。
消防员进入火场前在便携式无线监测器可以查看各个模块的电量和剩余气体可供使用时间，为了保证电子设备的正常以及电量充足。组网参数更改说明如表1所示。
6 结 论
在进行报警传输测试时，使用了5个NODE模块作为移动节点和1个ROOT模块， ROOT节点位于沈阳化工大学六号实验楼312室，5个NODE节点分别布于楼内不同位置并可不时的移动。当消防队员000002的压力值设置为3.08 MPa(低于5 MPa)，同时模拟消防队员000002跌倒时，测试结果如图4所示，报警原因是消防人员倒地，而且压力过低。控制监测器也显示声光振动警报。
图4 数据传输结果
本文提出采集系统，可以改变目前单个消防队员信息孤岛的局面。该系统在实际应用中具有很大的意义，数据的及时处理和传输在很大程度上保障了消防队员的生命安全。
参考文献
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[4] 林凡强，马晓茗.基于CC430无线传感网络实验平台的开发[J].测控技术，2012，31(8)：16?19.
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低功耗设计论文范文第5篇
【关键词】无线传感器网络；温室；农业监控系统
目前现有的很多温室环境监控技术仍采用封闭现场的监控方式，或是通过有线通信方式进行远程监控。这些方式对温室环境的监控来说存在很大先天性缺陷。众所周知，温室的监控对象的现场信息采集比较困难，因为在空间上温室范围广比较分散，而且往往远离生产管理者。在时间上，温室作物的生长周期长导致监控周期长，以上环境对温室环境信息实现长期有效的监控极为不利。
鉴于此情况，设计一种基于无线传感器网络的温室环境监控系统，就可以实现对温室环境信息的采集、处理、传输并且和Internet无缝连接的方案，可以采取在空间上分布式采集，在时间上长时间连续的采集策略。就可以满足温室监控的信息采集要求。就可以有效解决现场信息远程传输和监控的问题。
1.ZigBee简介
1.1 ZigBee的特点介绍
1.2 ZigBee拓扑结构介绍
星形拓扑由总协调器和终端节点组成。终端节点和总协调器是一一对应进行数据交换的。终端节点的数据交换只能由总协调器来完成数据中转。树形拓扑结构由三部分组成，总协调器、路由节点和终端节点。子节点只存在于总协调器和路由节点之间，终端节点没有子节点，节点都应该只和他的父节点和子节点进行数据交换。网状拓扑由总协调器、路由节点和终端节点组成。这和树形拓扑相同，其优点是自由度高的数据路由协议，路由节点相互无阻数据交换，其中某个路由发生了故障，不影响数据的传输，数据会沿着其他路由继续工作。
2.系统总体结构
本系统在网路拓扑结构上采用了星形无线传感器网络。本系统具有以下特点：系统能够根据温室环境，采集农业环境中的各种参数；在农业现场组建网络，使得形成自组织，分布式的数据采集网络，并通过无线传感器网络完成信息的汇聚、分析和发送。使网络完整覆盖监控区域，采集的信息能有效的反映农业环境的状态。选择相应的采集频率使数据在时间上完整的体现环境因子的变化规律；系统把相应的环境信息通过特殊编码的形式传输给处理单元，在传输过程中尽量使用现有的硬件、软件技术，使得信息完整而有效、减小传输中的能耗、提高网络的寿命。
如图2所示，在单温室情况下的结构原理图，多个温室监控时，所有温室的信息都被相应的汇聚节点收发和存储，最后所有的汇聚节点与远程计算机通过GPRS通信。
3.硬件设计
3.1 硬件原理
系统中环境因子采集装置是无线传感器，形成传输方便，减少布线的无线网络。系统还使用了GPRS收发装置，可以完成温室数据与上位机之间的无线交换信息和数据处理。上位机软件必须完成多个温室测量节点的信息汇总和分析，下达控制代码给下位机，实现无线数据传输和通讯协议的稳定、安全，并能实时查看下位机情况及时发现系统和数据异常。
3.2 硬件组成
本系统数据采集节点的微处理器是ATmega16L单片机，这种单片机可以扩展大量的模块，自身的片载资源丰富。具体特点如下：在1MHz的工作频率下，额定电压3V，25℃时正常状态功耗为1.1mA，空闲状态功耗为0.35mA，掉电模式小于1?A；采用精简操作指令集RISC；16K字节的可编程flash空间，独立锁定位的可选Boot代码区，8MHz晶振；与IEEE1149.1标准兼容的JTAG接口。
结合无线模块功耗和性能等其他技术参数，通过综合考虑，CC2420无线模块成为本系统的备选模块。这种无线模块符合IEEE80215.4标准，工作性能稳定，搭载很少的外部器件；支持SPI模式，与硬件连接的电路简单；工作能耗比较低，接收时电流18.8mA，发送时电流17.4mA。
根据温室实际情况与系统的可靠性，确定温室使用的种类有温度传感器、湿度传感器。通过阅读资料知道温度与湿度之间的耦合关系，为了系统的监控要求，必须一起采集温湿度。所以集成数字温湿度传感器SHT11满足这种需要。其详细特点如下：相对湿度和温度测量；露点计算功能；低功耗；尺寸小；自动休眠；长期稳定性好；数字输出。
本系统采用了成都众山科技有限公司提供的ZSD3110 GPRS DTU/RTU。该模块有标准的硬件连接电路。具体功能有：模块为了减少使用难度，内置了TCP/IP协议，方便完成点对点，点对多点等复杂的连接；性能稳定，不论在室内还是在自然条件下，都不受扰乱稳定运行，集成看门狗电路；可以不间断在线工作，各种保护措施和手段保证了运行的稳定性，心跳防断线机制、掉线实时复位、模块死机实时管脚复位机制；实现IP方式或动态IP+动态域名解析方式的模式。
4.软件设计
4.1 采集节点程序流程
传感器首先采集温室的环境参数，各节点与汇聚结点组成无线网络，信息集中到汇聚节点，在接收到总节点的命令后，控制数据信息的采集和发送；可以设定发送时间，改变采集模式、控制采集节点、非工作状态时休眠和工作时唤醒等。（如图4所示）
4.2 汇聚节点程序流程
汇聚节点主要完成的功能是，建立并维护无线传感器网络，通过接收子节点信息使其入网；利用星形网络与各个采集节点通信，收集各个节点信息并对信息进行初步处理并存储；通过GPRS模块接入GPRS网络，与远方的服务器进行通信；对信息进行解包和封装，使信息在协议之间进行转换；按时通过GPRS模块把初步处理的数据按照规定的格式发送，在特殊情况下接受并解析服务器发送来的命令，根据服务器端的命令来执行相应的任务，例如，改变采集时间和频率，挑选环境因子等。
5.总结和展望
本文介绍了基于无线传感器网络的温室环境监控系统设计方法和系统开发的主要流程。解决了传统布线繁琐，机动性差的缺点。无线传感技术应用到农业生产，为用户提供了一项创新有效的测控手段，相信将来会赢得广大用户的青睐。本系统还可以将用户端延伸和扩展到养殖场室内设备，实现饲养环境的自动控制、精准调控和远程实时监控。在局部环境测控领域应用有很好的发展前景。
参考文献
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低功耗设计论文范文第6篇
关键词:有机发光二极管;有源有机发光二极管;OLED产业
中图分类号: TN873.3 文献标识码:B
Disruptive Factors in the OLED Business Ecosystem
Antti Laaperi
(Nokia Corp., Helsinki, Finland)
Abstract:AMOLEDs have several key, potentially disruptive elements in both display and lighting technology.
Keywords:OLED; AMOLED; OLED industry
引言
美国哈佛商学院著名教授Clayton M. Christensen以“颠覆性创新理论”闻名于世,并著有《创新者的窘境》、《创新者的解答》、《应对颠覆性变革的挑战》等著作。通过大量的调研分析,他推出了两种颠覆性创新商业模式:“低端战略模式”和“新市场战略模式”。低端战略模式主要内容是以规格较低、方便实用且价格低廉的产品去满足一般消费者的需求,而这部分市场正是技术领先的行业领先者们所忽视的,“够用就好”是对这一商业模式的最好诠释;新市场战略模式是指扩大客户范围,创造新的市场机会。Christensen教授还指出,至少在近期,低端策略产品还将对主流产品市场造成极大的冲击,并且会充分引导客户需求。
早在上世纪七十年代,显示行业就爆发过颠覆性创新技术革命。在美国华盛顿和苏格兰邓迪大学的研究者们几乎同时完成了一次技术实验――将液晶单元置于TFT基板上,通过TFT控制液晶显示,从而大大提升性能参数。正是这项技术创新打破了原有的产业格局。
目前看来,虽然OLED技术被认为将是带来下一次技术创新革命的领跑者,但根据Christensen教授的理论认为,该项技术暂时未完全达到颠覆性创新技术的要求。本文将详细介绍OLED技术在颠覆性创新方面的优势。
一项新技术的出现,通过其对产业结构的影响,便可有效地衡量该项创新技术的实力。结合近期的专业学术论文,我们认为:新技术的核心实力在于它是否能够突破原有产业结构,开创新的市场领域并填补技术空白。由此可见,OLED的技术指标已经超乎寻常,例如显示光谱宽、显示色彩更加绚丽等等。然而,对于目前的产业结构,OLED尚缺少可具突破性的核心技术实力,所以预计在近十年的时间内,OLED仍难以撼动TFT液晶显示器(TFT-LCD)的主流地位。
1TFT-LCD产业现状
据不完全统计,2009年中小尺寸显示屏的市场需求量约为10.9亿,主要是手机和手持移动设备显示屏,目前这部分市场主要被TFT-LCD所占据。自21世纪初,TFT-LCD崭露头角以来,它的市场占有率急剧上升,目前已超过50%,2007年全年的市场销售量达6亿。AMOLED和TFT-LCD的光学性能相近,且前者市场潜在竞争力较大。2009年8月,韩国三星的专家们预测:到2015年,AMOLED的市场占有率将达到40%(目前仅为2.3%)。目前AMOLED已成功占领微软智能手机显示屏的市场,取得先机,同时将目标市场定位在笔记本电脑和低功耗超薄电视机。
2OLED产业现状
2000年前后,OLED由于绚丽画质、超薄体积和快速响应等优势,以替代中小尺寸TFT-LCD之势,被媒体各界大力炒作。然而在过去的十年间,TFT-LCD的画面质量持续提升,加之在大尺寸显示屏方面的投入增加,使得单位成本下降。
不可置疑,基于上述原因,OLED的颠覆性创新优势受到了TFT-LCD发展的制约。然而,OLED的技术性能指标仍然非常出色,例如,系统结构较TFT-LCD更加简单,并且长时间使用功耗低;有机发光材料的使用量仅为同尺寸TFT-LCD的1%;无需彩色滤光膜和背光单元,而彩色滤光膜正是TFT-LCD的主要成本之一。具体内容如表1所示。
目前AMOLED的成本偏高主要是由于发光材料价格和新建生产线前期资本投入较高,发光材料价格昂贵的主要原因是材料产量较低,与液晶材料的规模化生产相距甚远,此外,在OLED制成过程中,蒸镀成膜工艺会造成大量材料浪费。
3中小尺寸AMOLED
AMOLED用于手机显示屏至今已两年有余,用户对其实际表现褒贬不一。从反馈信息来看,在画面质量和功耗方面还未达到用户所期待的水平,因此很难有足够的理由说服手机制造商们放弃TFT-LCD而改选AMOLED。实际上,在浏览网页时AMOLED的功耗是偏高的,而且在户外环境下的显示效果逊于反射型TFT-LCD。为了使AMOLED更好地适用于智能手机等应用,功耗必须降低(低于TFT-LCD的水平),这项技术难关有望在2011年突破。
图1所示为TFT-LCD和AMOLED的功耗变化趋势图。AMOELD的功耗主要由显示内容所决定,播放电影时的功耗仅为最大功耗的10%,浏览网页时功耗则达到80%。AMOLED的功耗降低速度较快,主要是由于其电光转换效率有效提升――绿色磷光发光材料的应用,但是蓝色磷光发光材料由于寿命原因,目前还不具有商业价值。TFT-LCD的功耗以每年10%的速度降低,主要源于背光效率的提升。其功耗基本与显示内容无关,因此,可以在播放电影时降低整体亮度,然后通过运算局部处理,使特定部分亮度提升,既达到显示效果,又能有效降低功耗近10%,但浏览网页时此种方法收效甚微。
智能手机要求显示屏功耗低主要出于两点考虑:每天显示屏要有长时间显示动态画面,同时,用户一般希望从现有大小的屏幕上看到更多的信息内容。如果TFT-LCD性能没有得到实质性的提升,AMOLED将会逐步占领智能手机显示屏市场,并且随着产量上升,单位成本和价格也将随之下降,使优势更加明显。
3AMOLED电视
电视机的使用寿命一般比较长,且主要显示动态变化图像,拖尾和残影现象是电视的致命缺陷。
显示器或发光材料的使用寿命定义为其发光亮度衰减至初始值的一半时所经历的时间。OLED三基色发光材料的使用寿命是不同的,蓝光材料寿命低于红光和绿光材料,因此长时间使用后,显示画面会偏绿。显示器制造者们一般通过加大蓝光像素点的面积,以降低电流密度,从而达到延长使用寿命的目的。当显示屏中邻近像素点亮度出现10%的差异时,就会很容易被人眼所感知,但是50%的整体亮度衰减却不易被察觉。目前OLED的使用寿命已经可以达到10年,更多的技术问题指向了画面残影。
当需要OLED在某些固定位置持续显示快捷菜单的时候,出现了一个新的技术问题:出于高对比度的考虑,一般采用“黑底白字”的样式,但是这些固定显示位置的材料老化程度高于其它位置,以至于该位置在显示其它画面时会出现原有字样的残影。如图2所示,“camera”字样经过加速老化试验后,在色彩条纹测试画面仍然有残影,有关资料在2007年SID年会论文集中《OLED使用寿命对其应用于移动电话的影响》一文里有详细介绍,文中提及:只有当衰减率低于5%时,显示异常才不易被人眼所察觉。图2中经过6年老化试验后的测试屏,红光和绿光材料已有8.5%的衰减,蓝光已有16%的衰减,色彩条纹测试画面中“Camera”、“Options”和“Exit”的固定菜单字样残影清晰可见,因此尤其需要延长蓝光材料的使用寿命,以减轻图像“老化”现象的影响。第二幅色彩条纹测试画面是经过30年仿真老化时间后的结果,右下角的“2M”和左上角的信号图标也出现了轻微残影。
测试屏的初始亮度为250nits,经过老化试验后,测定红光和绿光材料的使用寿命为100,000小时,蓝光材料仅为50,000小时。目前多家材料研制公司投入大量资金,致力于研制更长寿命的蓝光材料,另据有关报道,使用寿命更长的蓝光材料目前已研发成功。
该试验结果表明,目前OLED材料还不能满足“黑底白字”字样长期显示的要求,以6年使用时间为例,为了不出现残影现象,材料衰减率应小于5%,也就是说,材料使用寿命应在175,000小时左右。
4AMOLED笔记本电脑
TFT-LCD的主要应用市场是笔记本电脑。迄今为止,AMOLED在浏览网页时的功耗高于TFT-LCD,且用作笔记本电脑显示器的中型尺寸AMOLED价格很高。如图1所示,功耗方面的不足将在近些年得到改善,但成本和价格问题仍是一大困扰。
针对使用寿命和材料老化问题,实验者们进行了一系列相关实验。如图3所示,按照笔记本电脑的一般使用特点,以手机的三个常用画面(两幅静态画面、一副动态画面)进行试验,并得出测试结果:红光和绿光材料的使用寿命为100,000小时,蓝光材料的使用寿命为50,000小时。
实验结果表明,经过5年的加速老化时间,红光和绿光材料的衰减率为4%,蓝光材料的衰减率为7%,在色彩测试画面几乎没有残影现象发生。继续实验至8年老化的时间点后,红光和绿光材料的衰减率为6%,蓝光材料的衰减率为11%,此时才出现轻微残影。通过实验结果初步认为:当中型尺寸的AMOLED价格下降后,将会成为笔记本电脑制造商们的首要选择。
5AMOLED电脑显示器
台式电脑显示器和笔记本电脑显示屏对使用性能的要求基本相似,只是对台式电脑显示器而言功耗不再是主要问题,而使用寿命需要更长,并且对价格更加敏感。当电脑较长时间处于无输入静态时,将会自动启动屏幕保护程序,动态画面的保护程序对保护AMOLED非常有益处。以电脑显示器模式(含屏幕保护程序)对AMOLED进行加速老化试验,如图4所示,经历10年老化时间后,红光和绿光材料的衰减率为9%,蓝光材料的衰减率为16%,且未有老化残影;6年老化时间后红光和绿光材料的衰减率为5%,蓝光材料的衰减率为10%,同样没有残影现象发生。
6OLED照明
随着电光转换效率的提升,AMOLED开始逐步被用作采光照明,而且其在照明领域的颠覆性创新甚至超越了显示领域。
AMOLED照明为室内装潢设计师们提供了一种新的采光模式――取代一般点式光源,AMOLED可制作成面光源,颜色可变调节,产品定位于高端,未来将广泛应用于室内和公共场所。
一般材料寿命为100,000小时的AMOLED照明设备,假设每天点亮12小时,则总共可使用23年,亮度半衰期约为10年,期间包括必要的保养与维修。目前AMOLED已作为背光单元,应用于TFT-LCD电视机。LED以低功耗的优势取代了灯泡和卤素灯,OLED带来的是新的采光设计思路。
7结论
结合Christensen教授的“颠覆性创新理论”,通过对TFT-LCD和OLED产业的形势分析,我们发现了一种新的颠覆性创新模式――“高端技术创新”,例如显示行业,用户所期待的新技术总是以昂贵的价格面市,并可获得成功,就像早先人们期待能够将电视挂在墙上,TFT-LCD随之应运而生,预计未来OLED电视将以体积更薄、色彩绚丽、宽视角、高对比度以及低功耗等一系列优势抢占市场。
上世纪70年代,欧美人最先发明出将TFT基板与液晶单元组合的技术专利,但真正将TFT技术产业化的国家是日本,并超越欧美等国家,引领TFT-LCD技术产业发展。TFT-LCD的最主要应用是笔记本电脑,虽然当时价格很高,并且在产品质量方面逊于CRT,但“平面显示”这一颠覆性创新技术,彻底赢得了用户的认可与接受。
AMOLED以一系列的竞争优势和高端产品的定位,对TFT-LCD产业形成了巨大威胁,从长远角度看,其成本和价格都将低于TFT-LCD。尽管在浏览网页等情况时功耗略高,但 AMOLED将以中小尺寸显示屏首先占领大量手持便携设备市场,这将促使制造者们投资力度的增大。一旦AMOLED的成本降低,它将很快被应用于笔记本电脑和台式电脑。在这些应用方面,经过初步实验后分析认为:使用寿命和残影现象已基本可以接受,但仍需进一步提升技术,持续改进。电视显示模式的实验结果表明,AMOLED在显示动态画面和固定位置标示不存在问题,但“黑底白字”的字样模式在一定时间后会产生老化残影现象,因此必须提升发光材料的使用寿命或适度降低对比度。
简而言之,近些年OLED的潜在颠覆性创新技术将在显示和照明领域得到充分发挥,在未来将大有作为,让我们拭目以待吧。
参考文献
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作者简介:Antti Laaperi,就职于位于芬兰赫尔辛基的诺基亚公司,E-mail:,。
低功耗设计论文范文第7篇
【关键词】ZigBee 物联网 智能校园 RFID
基金项目：陕西国际商贸学院校级科研基金项目支持。
ZigBee技术
ZigBee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术，主要用于近距离无线连接。有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，和目前的通信方式相比具有通信效率高等优点。ZigBee技术的发射功率低，非常省电； ZigBee协议免专利费，工作于免付费频段，成本较低；通信时延和从休眠状态激活时延短；一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络，而且网络组成灵活。此技术在工业控制、医疗监控、安防领域，物联网的无线定位等领域得到了广泛的应用。
RFID技术
射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术，是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术。可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。RFID标签具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点，可支持快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理。RFID 技术与互联网、通信等技术相结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共享。RFID 技术应用于物流、制造、公共信息服务等行业，可大幅提高管理与运作效率，降低成本。
物联网技术
物联网（Internet of Things，IOT）由美国MIT大学提出，早期的物联网是以射频识别技术为基础的物流网络，但随着技术和应用的发展，物联网的内涵发生了很大的变化。目前，物联网是通过传感器技术、射频识别技术、无线通信技术等，在物理世界实体的部署中具有一定的感知能力、计算能力和执行能力的嵌入式芯片和软件的集合，是其成为智能的物体。通过网络设备能够实现信息采集、传输和处理等能力，从而实现了物与物、物与人之间的互联。物联网是新兴的通信应用网络，物联网的核心技术是嵌入式软件、RFID、传感器及传输数据计算领域上。
“智能校园”体系构架
智能校园体现信息时代的特征，标志着速度和效率。智能型校园具有完善的通信网络提供工作的速度和效率。ZigBee技术和其他技术相比具有很大的优势，目前世界范围内的各大公司、企业都相继投入到对ZigBee技术的研究当中，此技术的研究应用能够为我们带来很大的经济、社会效益。ZigBee作为一种新兴的短距离、低速率、低功耗的无线网络技术，非常适合设计智能校园的无线传感器网络WSN。
1.智能自动点名系统。目前大部分学校教师在上课前均采用点名制考勤，一是为了督促学生充分利用上课学习时间，再者为了保证学校在校期间的安全。但教师点名考勤制度除了浪费时间外还存在着弊端，例如，刚开始上课时有的学生为了应付点名而到课，而在下课休息时又逃课，一堂课下来教师不可能多次进行点名。智能点名系统能够很好地克服以上弊端，而且不占用教室上课时间。智能点名系统由RFID电子标签身份卡、RFID阅读器、ZigBee无线网络传输等部分组成。在教室的入口处安装若干RFID阅读器，携带有RFID电子标签身份卡的学生进入教室后，ZigBee网络会将到课学生的情况通过校园网汇入到学校考勤管理系统中，表示出学生的出勤情况。上课铃声响后，学校考勤管理软件会统计出这堂课学生的到课总数和出勤率，便于校方及时了解学生的出勤情况。
2.校门出入人员监测系统。校内人员均佩戴RFID电子标签身份卡（学生卡或教师卡），在通过校门时网络摄像头进行实时监控，识别到身份识别卡后报警系统不报警，表示进入人员为本校人员，可以通过，同时系统将记录他们进入校园的时间，若进入人员没有佩戴学校身份识别卡，系统则自动报警。此功能比普通的网络摄像头多了报警功能。若有校外人员来访，通过对来访人员身份的识别或相应证件的扫描，此时相关职能部门的办公室电脑会收到来访人员的资料信息，相关职能人员可以即时对是否同意访客进入进行批示。访客登记的全过程将由摄像机进行拍摄备案，并在来访结束后，系统自动记录访客离开时间。校门出入人员监测系统除了具有身份识别的功能外还应具有图像监控功能。
结束语
ZigBee技术和其他技术相比具有很大的优势，目前世界范围内的各大公司、企业都相继投入到对ZigBee技术的研究当中，此技术的研究应用能够为我们带来很大的经济、社会效益。ZigBee作为一种新兴的短距离、低速率、低功耗的无线网络技术，非常适合设计智能校园的无线传感器网络WSN。因此研究如何利用ZigBee实现以传感器终端互联为目标的智能校园应用具有非常重要的实用价值。
参考文献：
[1]ZigBee无线通信网络调研报告[R].
[2]潘涛.基于ZigBee传感器网络的煤矿安全检测系统研究[D].兰州大学，硕士研究生学位论文，2010，10.
低功耗设计论文范文第8篇
依据耦合方式的不同WHBC可分为：①电流耦合，发射端输入人体的信号为电流信号，接收器、发射器的两个电极均需与人体直接接触；②电容耦合，发射端输入人体的信号为电压信号，接收、发射端的两个电极可不与人体直接接触。当前大部分的研究都集中于后者，因此本论文主要介绍电容耦合WHBC系统。当前被认可的基于电容耦合的人体通信机制主要有两种：静电耦合机制和把人体作为波导的电磁波传播机制，大多数WHBC模型基于这两种传输机制建立。另外还有一些WHBC模型是基于实验数据得到的，下面我们简单介绍一下当今主要的WHBC理论和模型。
1．1静电耦合机制及其物理模型
首先我们来介绍WHBC的静电耦合传输机制。发射接收信号的电路、放在人体上或者人体附近的电极、导电的人体（相当于一个电阻）、电极和大地之间的耦合电容可构成一个闭合回路。整个闭合回路可被看作为一个二端口网络，发射端的信号电极和地电极是其信号输入端，接收端的信号电极和地电极是其信号输出端，已知电路中的各电阻及电容的值，就可根据电路知识求出信号的路径损失。由于静电耦合作用（即二端口网络电路中的耦合电容）是该传输原理中的关键所在，因此称该原理为静电耦合原理。其中发送端和接收端信号电极可以直接贴在人体皮肤上或者靠近人体皮肤的邻近区域（例如紧贴衣服上），发送端和接收端的地电极悬空或者贴在皮肤上。但Luˇcev等证明信号电极直接与皮肤接触、地电极悬空的电极结构可以得到最小的路径损失。Xu等根据静电耦合机制设计了一个WHBC通信系统，其系统模型使用了有限元件建模方案。该系统模型包含了大气、人体、发射端电路和接收端电路。其中大气分为三个区：近域区、过渡区和远域区；人体模型则由手臂、胸部、腹部和脚组成，而各器官分别由对应的皮肤、脂肪、肌肉层组成。模型的仿真结果在低频和实际测得的数据相差不大，但在高频段差别就有些大，还需要仔细研究。
1．2人体作为波导的传播原理及其物理模型
有些研究人员把人体看作波导，从电磁波传播的相关原理方面建立人体信道的计算模型。发射机的信号电极与其地电极是电磁波的发射源，人体表面是人体与空气之间的边界面，信号的传输过程可看作一种特殊情况的表面波传输。已知人体表面的电介参数，根据麦克斯韦方程和人体空气边界条件可求出在人体表面各点的电场强度、磁场强度以及路径损失。Fujii等用有限差分时域方法（finitediffer－encetimedomain，FDTD）建立WHBC模型。在FDTD计算方法中，使用了日本成年男性和女性的高精度身体模型。实验中用生物组织固体人体等效模型验证文中提到的理论模型，结果虽还不错，但模型跟真实的人体毕竟不一样，该方法的有效性还需通过真实的人体加以验证。
1．3其它的WHBC传输原理和模型
近期Bae等提出了新的WHBC传输原理，该原理同样把发射端的信号电极和地电极看作电磁波的发射源，但认为仅电磁波的电场可传播信息，电磁波的磁场不起传递信息的作用，同1．2一样利用麦克斯韦方程组可得到人体表面的电强度和路径损失。论文提出的理论很新颖，能够综合现有的两套理论，但其仿真结果和实验结果在低频处却有较大的误差，还需进一步完善。Ruiz等利用实验数据建立了一个WHBC分析模型。方法是从现有的各种分布函数中选择一个与实际测得的路径损失的累积概率分布最接近的一个分布类型，然后用数学方法估计在某一确定距离下该分布类型的参数，接着求出该分布函数的参数与（发射接收）距离之间的关系，从而得到想要的模型。这种方法对硬件设计有一定的指导意义，但由于缺乏内在的物理原理的支撑，有很大的局限性。
2WHBC中的数字基带传输机
除了WHBC的传输理论有诸多进展，WHBC传输机也颇有些硕果。Lont等设计了一个数据速率可调的基于移频键控（frequencyshiftkeying，FSK）的超低功耗数字接收机。Song等则利用0．25μm标准CMOS工艺设计了一个功耗为0．2mW、速率为2Mb／s的数字传输机，其原理图。图中上半部分为发射机，下半部分为接收机。发射机由伪随机二进制序列（pseudo－ran－dombinarysequence，PRBS）产生器、二选一多路复用器和驱动器组成。PRBS是芯片测试时需要用到的功能部件。数字信号可直接通过二选一多路复用器、驱动器传到人体。接收机由接收AFE模块、CDR电路和位错误探测器组成。接收AFE模块用于放大、触发、反向从电极接收到的宽带信号，以恢复二进制数据。CDR电路模块从恢复的二进制模块中提取时钟信号并锁存数据。位错误探测器是芯片测试时需要用到的功能模块。当反向不归零制（non－return－to－zero，NRZ）数据直接输入到人体后，发射端电极产生对称的静电场（分别对应二进制数据1和0），在该静电场的激发下接收端的电极感受到一个由正负脉冲组成的微弱宽带脉冲信号，对这些信号进行放大、触发、反向的操作就可在接收端恢复输入人体的二进制数据。Song等改进了TX的结构，使用了脉冲位置调节模块，把NRZ数据的频带移到10～70MHz。Fazzi等则在RX中增加了相关电路，抑制噪声的能力更强。然而即便如此，这样的通信系统还是很容易受到外界的干扰，需要其它的技术抑制这种干扰，我们将在第3部分中进行讨论。
3WHBC中的干扰及AFH技术
3．1WHBC中的干扰
人体可被看作天线，漂浮的和接地的人体在电磁场中的谐振波长分别为人体身高的2倍和4倍，同时人体的谐振频率峰值不是尖锐的，而是宽广分布的，因此人体天线效应能够将频带分布宽广的射频信号注入到WHBC通信系统中。根据Cho等的实验结果，这些干扰信号在一些环境下（调幅射频塔或者无绳电话附近等）能够把有用的信号淹没，一般的数字传输机不能在这种变换的环境下稳定地工作，需要新的传输机来抑制这些干扰。
3．2AFH原理
WHBC中的干扰随环境变化而变化，但均只占某一有限的带宽。为了增强系统的抗干扰能力，我们把可用的WHBC总带宽根据具体的应用（数据传输速率的要求）平均分成N个不重叠的子带宽，每一个子带宽可看作一个通信频道。最开始所有的通信频道均参与信息的传输，它们均处于跳频序列之中。WHBC设备节点每隔一段时间根据一定的评判原则将跳频序列中所有的频道分为好频道和坏频道。好频道继续使用并等待下一次评判；坏频道从跳频序列中剔除，但一段时间之后系统会重新检查上次被评为“坏频道”的频道的通信质量，只要被评定为好频道，系统又会将其纳入跳频序列之中。其中频道评价准则可以使用接收的信号强度指示（re－ceicedsignalstrengthindicator，RSSI）、分组错误率（packeterrorrate，PER）和载波敏感度（carriersensing，CS）准则。使用的是PER信道评判准则，其中PSR（packetsuccessratio）为分组成功率，Ps为合格频道的PSR阈值。AFH技术源自蓝牙，但AFH在WHBC中的适应性强过蓝牙，因为一般情况下WHBC的覆盖范围仅限于穿戴者的本身，不会产生不同WHBC之间的串扰，而蓝牙ZigBee等则会因为不同设备之间使用相同的通信频道而产生动态频率干扰。Cho等就利用AFH技术设计了适用于人体通信的传输机，达到了很好的抗干扰效果。
4结束语