浅谈电力领域芯片设计分析实验室在工业芯片国产化进程中的意义

芯片被喻为“现代工业的粮食”,是一切整机设备的“心脏”,是信息技术产品最重要的核心部件;芯片产业是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。集成电路技术水平的高低和产业规模的大小已成为衡量一个国家技术、经济发展水平和国防实力的重要标志。随着工业互联网的迅猛发展,工业芯片市场需求量呈指数式增长,工控系统安全隐患日益严峻;鉴于我国工业芯片对外依存度高,核心技术受制于人,工业芯片国产化势在必行。建立电力领域检测分析实验室,进行芯片功能性能、可靠性验证,解决电力芯片设计、应用难题,服务集成电路上下游企业,构建工业芯片良好生态圈,共同促进工业芯片质量提升。

探究电力行业检测实验室CNAS认可体系的建立

电力行业的智能化水平不断提高,在强化电力系统运行效率的同时,也面临着一定的安全性与可靠性威胁,需要通过具备权威性与公信力的检测实验室进行检测,以做好安全和可靠性问题的预防纠正。本文因此就电力行业检测实验室及相应的中国合格评定国家认可委员会(CNAS)认可体系进行分析与探讨,讨论电力行业检测实验室CNAS认可体系的建立。

宽带电力线通信芯片的低功耗设计

针对宽带电力线通信芯片因工作频段宽和通信速率高而导致功耗较大的问题,在介绍宽带电力线通信单元及芯片的基础上,围绕芯片功耗的影响因素,从工作频段、物理层、MAC层及芯片级多方面详细分析了芯片的低功耗设计技术。目前宽带电力线通信芯片及模块已研发成功,测试结果表明完全满足国家电网用电信息采集系统对宽带电力线通信单元的功耗要求。

UHF RFID电子标签芯片低功耗设计及时钟树优化

超高频射频识别标签(UHF RFID)的一个重要指标是工作距离,而提高工作距离的有效方法是降低标签工作功耗。针对一款基于EPC Class-1 Generation-2/ISO18000-6C协议的RFID芯片,提出一种数字后端设计中时钟树动态功耗的优化方法,该方法可以在已完成布局布线的版图上进一步降低动态功耗。在时钟频率1.28MHz、返回频率170 kHz条件下,功耗仿真结果由1.58μW降低到1.357μW。已在TSMC 0.18μm工艺下流片,室温情况下准备阶段样品测试结果数字功耗为0.752 5μW,与后仿真结果0.750 0μW接近,实测激活灵敏度为-18.5 dBm。

基于Cortex-M3的北斗二代基带芯片设计

我国自主研制的北斗卫星导航系统,日益在经济、军事和民用领域得到越来越广的应用。本文提出并设计了基于Cortex-M3处理器的北斗接收机基带处理芯片,设计了时域频域二维并行捕获模块,同时阐述了基于Cortex-M3处理器的控制流程,包括对捕获引擎、跟踪引擎的调度,电文解调和定位解算等。本设计最后在FPGA上完成原型验证,定位结果符合算法预期。

电表用主控芯片的低功耗设计研究

智能电表的功能日趋复杂,电表要求能持续现场工作不少于5年,所以对主控芯片的功能和功耗要求都比较高。研究设计了一款新型电表用主控芯片,功能方面集成了RTC模块、LCD驱动及常用的通信接口模块,同时为了达到低功耗指标,设计了三种不同的工作模式满足电表不同应用场景下的低功耗需求。经过实测,在电表的各种工作模式下,本芯片都实现了非常好的功耗性能。

面向电力射频识别芯片的SPICE模型定制化开发

为了满足电力射频识别(RFID)芯片在-50~125℃的工作温区及高灵敏度的应用需求,定制化开发了芯片宽温区范围内高精度的MOSFET器件SPICE模型,该模型在RFID芯片关键模块中进行了验证。对器件尺寸设计、版图设计、电学性能测试、模型参数提取以及验证环节都进行了定制化开发。在器件模型参数提取环节采用了分块建模以及宏模型的建模方式同时提高了大尺寸和小尺寸器件的温度仿真精度。该模型在宽温度范围内阈值电压仿真与实测值差达到了10 mV以下,饱和电流精度在5%以下。环形振荡器的电路仿真精度相比通用模型提升了近50%,带隙基准源电路仿真精度提升了20 mV。

高性能电力线通信基带收发器的设计

电力线通信因其建议成本低、覆盖范围广,在用电信息采集系统中得到了广泛的应用,然而电力线信道具有高路损、强噪声、强干扰和严重频率性选择衰落的特性,给通信的可靠性带来了巨大的挑战。本文在分析电力线信道特性与高速电力线通信技术标准的基础上,设计出一种新的高性能的电力线通信基带收发器,该收发器通过在脉冲噪声、窄带干扰、同步、信道估计等方面采取有针对性的信号处理技术,可有效抑制和补偿电力线信道中各种干扰与噪声对信号带来的损伤与失真。仿真结果表明,在AWGN信道下,误包率为0时,信噪比高达-6.5 dB,即使在强窄带干扰和脉冲噪声信道环境下,信噪比仅降低2~3 dB。

电力线载波通信的信道估计和均衡定点化仿真分析

基于国家电网用电信息采集规范,通过对信道估计和均衡算法分析,确定了在电力线载波通信(Power Line Communication,PLC)芯片中使用最小二乘法(Least Squares,LS)信道估计算法。在算法定点化分析过程中,研究了LS信道估计定点化实现时参数的不同定点字长对系统性能的影响。综合考虑系统性能和面积的trade off(权衡),选取了芯片实现的最优定点化字长。为芯片的算法实现设计提供了一种算法分析方法。

单芯片高集成高速PCIe加密卡设计和实现

针对网络安全问题,为了提升网络数据信息的安全性,通过采用北京智芯微电子科技有限公司自主研发的高速安全芯片SC1038,实现了一种基于单芯片的高集成高可靠性的高速PCIe加密卡设计.SC1038高速安全芯片将算法、PCIe接口和MCU的功能集中到一颗芯片内,芯片支持SM1、SM2、SM3、SM4和SM7国密安全算法,同时支持DES、RSA和SHA国际安全算法,并且芯片内部具有4个独立的真随机源.芯片和上位机之间通过PCIe接口进行通讯,并包含一个基于ARC EM6结构的高性能32位处理器,用于实现PCIe通讯和算法的控制.实测结果表明,该PCIe加密卡解决方案能实现高速算法加解密运算,通过PCIe接口能达到Gbps级的算法吞吐率,具有良好的应用前景.

有界波模拟器中线缆倾角对电磁耦合的影响

电力设备中的断路器、隔离开关等一次设备与二次控保设备距离越来越小,由于一次设备操作而引起的电磁场环境突变,降低了二次设备的可靠性。例如变电站中的隔离开关在合闸和分闸时会产生瞬态强电磁脉冲,该脉冲所携带的部分能量与暴露在二次设备外部的线缆耦合,流入设备内部并对其中的电子元器件造成电磁干扰,严重时器件失效并导致设备工作异常。为探明其电磁耦合机理,本文汇总整理了不同电压等级的变电站因开关操作所产生的瞬态电磁场,提取出电磁脉冲的特征波形,利用有界波模拟器在实验室环境下近似再现了特征波形,并对线缆在有界波模拟器中的摆放形态进行了全波仿真分析,揭示了线缆摆放角度对电磁耦合的影响,为电力芯片在复杂电磁场环境下开展可靠性检测提供了理论基础。

电力无线专网中基于频谱检测的SDR技术

230 MHz电力无线专网系统作为目前电力负荷管理系统的主要构成部分之一,随着服务面的扩展和服务量的增大,传输速率低下、频谱资源浪费的缺点日益突出。频谱检测机制能够有效地搜索未使用的频谱空穴,而软件无线电可以充分利用检测到的频谱空穴并有效地提高频带利用率。提出了一种针对电力无线专网的基于频谱检测的软件无线电技术,结合电力无线专网230 MHz频段特点设计了通信系统中收发信机的数字电路,并通过MATLAB仿真验证了方案在在频谱检测上的性能表现。

基于FIB技术攻击芯片主动屏蔽层

安全芯片通常在芯片顶层布满主动屏蔽层,以防止侵入式物理探测、攻击篡改芯片部分功能模块,从而获取芯片内部存储的关键数据和敏感信息。本文提出了一种基于FIB技术攻击芯片主动屏蔽层的方法,对现有静态或动态检测的主动屏蔽层的安全芯片,均可避开主动屏蔽层的检测实施攻击。该方法简易直接,可操作性极强,对芯片的安全设计和攻击具有重要的现实意义。使用该攻击方法,成功实现对智能IC卡进行侵入式攻击,探测到芯片RAM存储器输出数据信号,并重新激活了芯片测试模式。

一种低时钟频率下UHF RFID标签芯片PIE解码电路的实现方案

对于标签芯片,降低系统时钟频率是降低功耗、提高通讯距离的最有效手段。首先从理论上按照一种等效判决方法推导出PIE解码电路的更低时钟频率,提出了一种低时钟频率下基于ISO 18000-6 TYPE C协议的UHF RFID标签芯片解码电路的实现方案。设计的解码电路大幅度降低了标签芯片解码电路功耗,提高了标签响应灵敏度。

处理器供电电源的设计

介绍了DC/DC开关稳压电源系统的设计,电源的拓扑采用全桥电路图拓扑、倍流同步整流方式。设计了一款为工业处理器供电的板载电源产品,进行了功率器件的选型并对影响电源效率的主要功率损失进行了分析,完成此款电源产品的PCB设计。最终的分析结果显示,此款电源产品的电性能参数符合客户的预期效果,并成功应用在工业处理器供电设备上。

LoRa调制及其在衰落信道下的性能分析

物联网的快速发展对于无线通信技术提出了更高的要求,专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计的低功耗广域网技术( LPWAN: Low Power Wide Area Network)快速兴起。LoRa( Low Power Long Range Transceiver)作为LPWAN 技术的典型代表,受到了广泛的关注与研究。本文对于LoRa 的物理层技术体制进行了分析,给出了其基本的数学信号处理模型,提出了基于FFT( Fast Fourier Transform)的信号解调算法,并将该调制解调技术的仿真性能与正交调制非相干检测的理论性能进行了比较,由仿真结果可以看出,两者的性能是一致的。除此之外,分析了LoRa 系统在Guassian 信道及典型衰落信道下的性能表现。

相关性动态感知的电力系统传感服务发现策略

提出了相关性动态感知的服务发现策略,根据对节点空间相关性和传感数据的时间相关性的感知,将网络中的节点划分多个逻辑区域,并结合传感节点的处理能力、缓存容量和通信范围等因素,合理地选择目录节点,并以逻辑区域的距离为参数匹配服务提供节点,从而完成整个服务发现的过程.结果表明,所提出的服务发现策略能够在不增加网络负载的情况下,有效提高服务发现的准确性和成功率.

基于无源无线传感技术的电力电缆测温装置

温度是电缆运行状态的关键参数,对电缆温度进行实时监测可有效防止事故发生,保障电力系统安全稳定运行。采用超高频RFID温度传感芯片研制一种基于无源无线传感技术的电力电缆测温装置,装置由基底、天线、RFID无源测温模块、固定基板及加固模块构成,将装置嵌入电力电缆内部来实现电缆测温。该装置的标签天线在920 MHz工作频率下在金属表面可表现其优良性能,并且具有低剖面、小尺寸、低成本的优势。该电缆测温装置能够长期、安全、有效监测电力电缆的温度变化,避免因电力电缆温度过高引发的安全隐患,为电力系统的安全运行提供技术保障。

TMR单芯片微弱电流传感器的研制

针对微弱电流的检测,提出了一种单芯片微弱电流传感器,其原理是:利用隧道磁电阻(TMR)元件作为磁场敏感元件,并将电流导体和TMR元件进行集成,以减小电流导体与磁场敏感元件的间距,提高电流测量的分辨率。结合MEMS工艺,通过优化设计TMR元件结构和电流导体结构,研制出了电流分辨率达到20μA的微弱电流传感器,为微弱电流检测提供了一种有效、廉价的解决方案。

宽带电力线载波通信系统的FFT实现

在分析了基4 FFT算法的基础上,提出了迭代计算1 024点基4 FFT的一种数字逻辑实现结构。蝶形计算单元使用共享寄存器和共享复数乘法器来减少面积,同时通过流水线设计降低延时。设计了一种存储结构通过存储器分组、交叉连接及特定的访问时序实现两路蝶形计算单元无等待访问。块浮点单元根据每次迭代计算得到的最大值实时压缩数据,提高了数据处理的动态范围。旋转因子单元通过正弦对称性,将旋转因子存储空间减小75%。通过MATLAB仿真,定点FFT的输出信噪比达50.4 dB。相应的RTL实现通过Systemverilog得以验证。采用SMIC 40 nm LOGIC0040LL标准单元库综合,在PVT为ss/0.99 V/-40℃下,最高时钟为310.5 MHz,吞吐量为2.11 Gbps,面积为161.36 kGE,功耗为10.14 mW。