2024年第10期-《电子技术应用》杂志

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2024年第10期

刊出日期：2024-10-06

邮发代号： ISSN 0258-7998

CN11-2305/TN

邮发代号：2-889

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综述与评论

智算操作系统发展路径研究

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245364

作者：石里男1，2，韩乃平1，齐璇1，刘乙钧3

作者单位：1.麒麟软件有限公司；2.天津市操作系统重点实验室； 3.国际关系学院国际政治系

摘要：当前，人工智能作为信息产业新质生产力的典型代表，已成为世界主要国家提升国家竞争力、维护国家安全的重大战略，而算力短缺正在成为制约我国人工智能发展的关键瓶颈。针对目前国产化算力存在的生态碎片化问题，提出打造以具备AI增强的通用服务器操作系统为基础、以智算平台为使能的智算操作系统，更好地支持AI应用的开发和运行，以满足我国人工智能发展的算力需求。围绕智算平台的重要组成部分，详细说明了异构资源调度器和AI编程框架的国内外发展现状，同时对异构算力的管理调度与分布式训练的发展情况进行了分析。在阐述国内外AI服务器市场情况和异构算力资源管理已成现实的基础上，指出我国AI算力发展的现状，并通过系统梳理我国对操作系统发展的相关支持政策，进一步印证了研制智算操作系统的可行性和必要性。继而重点解析了智算操作系统两大组成部分通用服务器操作系统的AI增强和智算平台的主要功能，对智算操作系统的技术突破和创新发展提出了建议。

关键词：
智算操作系统

算力

异构资源调度器

AI编程框架

服务器操作系统

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微电子技术

一种采用高阶曲率补偿的带隙基准源

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245083

作者：黄朝轩1，2，李现坤1，魏敬和1，2

作者单位：1.中国电子科技集团第五十八研究所；2.集成电路与微系统全国重点实验室

摘要：基于0.18 μm BCD工艺，提出了一种具有较低温度系数的高阶曲率补偿带隙基准源。在基本Kuijk带隙基准的结构基础上，利用VBE线性化法来进行高阶曲率补偿，同时保证流过补偿双极晶体管的电流也得到高阶补偿，两次高阶补偿使得带隙基准源的温度系数更低。根据仿真结果，该带隙基准电压在-55°C ~ 125°C温度范围内，输出电压的最大压差为0.376 6 mV，温度系数为1.762 ppm/°C，低频时电源抑制比（PSRR）为-73.9 dB。该带隙基准源已应用于某一高精度的低压差线性稳压器（LDO）中。

关键词：
带隙基准源

高阶曲率补偿

温度系数

电源抑制比

VBE线性化

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面向芯片设计的Python系统级自动化工具开发

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245084

作者：陈三伟，李进财，张婷，邱丹，江林

作者单位：中国电子科技集团公司第五十八研究所

摘要：近年来，随着技术的快速发展，芯片的功能日益复杂化，其集成度也在持续提升。芯片系统级设计成为了芯片开发中的关键环节，它要求将CPU、总线、存储器以及各类外设等众多子系统集成到一起，并确保这些不同的组件可以无缝通信和正确协同工作，系统顶层的集成工作非常繁琐且易错。为了减少传统手动管理的方式带来的效率低和风险高等问题，介绍了一种利用Python开发的自动化设计工具应用于系统集成的方式，并探讨了该工具在自动化集成过程中所展现的显著优势。

关键词：
自动化设计

Python

芯片

系统级设计

工具开发

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可由异步时钟驱动的高可靠性低功耗WDT

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245067

作者：梁浩，俞小平，陈士金

作者单位：无锡中微爱芯电子有限公司

摘要：看门狗定时器（WDT）已成为当前MCU系统中不可缺少的一部分。但随着MCU系统功能的增加，对于传统的WDT，由于其不能对异步驱动时钟进行处理或不能在低功耗模式下（系统时钟及外设时钟停止）运行，已经不适用于部分功能复杂的MCU。设计的WDT定时器对异步输入时钟及其衍生信号进行了优化，从而使其可由同步或异步时钟进行驱动，并能在低功耗模式下运行。

关键词：
WDT定时器

异步电路

低功耗电路

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一种车规级LED驱动芯片的电流检测电路

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.244897

作者：应科炜

作者单位：络明芯微电子（厦门）有限公司

摘要：为了使车规级LED驱动芯片满足ISO 26262功能安全要求，设计一种高精度LED电流检测电路。在传统LED恒流驱动输出电流检测电路的基础上，在电流复制模块加入负反馈环路，实现了对检测电流的精确复制，避免传统电流检测电路的采样误差，提升了电流检测的准确度。同时新电路采用采样管和功率管串联结构，减小电流漏检测的情况发生，扩大了有效检测的覆盖率。该LED电流检测电路采用SMIC 0.18 μm CMOS 工艺进行设计，测试结果表明，在5 mA~60 mA的LED电流范围内，检测精度可达±1%。

关键词：
车规级LED驱动

输出电流检测

功能安全

负反馈环路

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测控技术与仪器仪表

基于超御PLC的风力发电机主控设计与研究

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245157

作者：刘晨旭，黄传虎，马达，林浩

作者单位：中电智能科技有限公司

摘要：风力发电在我国发展迅猛，是国家电力能源的重要组成部分，风电系统的安全对国家基础能源设施安全具有重要的意义。风力发电机主控系统的核心控制器依赖进口，主要包括德国倍福、奥地利巴合曼等，底层CPU芯片均为进口产品。关键核心器件严重受制于人，对风电行业的平稳发展和国家重要电力基础设施的安全运行构成严重威胁。超御PLC作为自主安全工控核心产品，构建以新能源为主体的新型电力系统，解决关键技术“卡脖子”问题，是贯彻新发展理念，落实国家双碳目标的关键举措。研究设计基于超御PLC的风力发电机主控系统，是落实国家能源设施安全，实现自主安全的关键举措。

关键词：
风电

国产PLC

风力发电机组主控系统

超御PLC

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基于MBSE的核电厂应急预案系统的顶层需求分析与接口设计研究

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245149

作者：方思聪1，2，侯嘉伟1，戴浩1，2，祁蔚1，2，黄尚龙1

作者单位：1.中核武汉核电运行技术有限公司；2.中核核工业仿真技术重点实验室

摘要：在核电领域，任何意外情况都可能引发严重的后果，因此，制定科学、有效的应急预案系统是保障核电安全不可或缺的一环。作为一种先进的系统工程方法，基于模型的系统工程（MBSE）以其系统化、模型化、可视化的优势，为核电应急预案系统的设计与实施提供了新的思路和方法。探讨了MBSE在核电厂应急预案系统设计中的初步应用，分析了核电应急体系的关键要素以确定其与MBSE方法论的契合度，利用MBSE方法论进行了顶层需求的承接。针对应急体系接口问题，构建了核电应急体系各组成部分之间的交互模型。结果表明，MBSE可以提高核电厂应急预案系统设计便利性和开发效率。

关键词：
基于模型的系统工程

核电厂应急预案

需求分析

接口设计

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通信与网络

基于IR-UWB的高吞吐量、低延时MAC协议硬件设计

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245170

作者：刘灏，林敏，郑立寅，于泽

作者单位：上海大学通信与信息工程学院

摘要：针对IEEE 802.15.4高速数据传输的应用场景，提出一种具有高吞吐量和低延时特性的定制化MAC协议。基于HRP UWB PHY对数据传输模型和吞吐量深入分析，并结合MAC协议的冲突避免载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid，CSMA-CA）和保障时隙（Guaranteed Timeslot，GTS）实时传输的特性，设计了该机制有效的管理流程。最后在Vivado中使用Verilog HDL对MAC控制器进行硬件设计和验证。仿真结果表明，与经典IEEE 802.15.4 MAC协议相比，该MAC控制器的吞吐量提高了26%，同时数据传输时延降低了17%。

关键词：
IEEE802.15.4

高速数据传输

高吞吐量

低延时

MAC协议

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基于时空扩散的输电走廊图像火灾预警方法

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245382

作者：唐冬来1，田富强1，何鹏2，谷波1，田攀1，李军1，阮正平1

作者单位：1.四川中电启明星信息技术有限公司；2.重庆邮电大学通信与信息工程学院

摘要：为解决输电走廊图像火灾预警误报率高的问题，提出了一种基于时空扩散的输电走廊图像山火预警方法。首先，采用脉宽调制整流感应取电互感器方式实现摄像头取电。其次，对采集图像进行预处理，消除图像噪声对模型火灾识别带来的影响，并提取输电走廊图像特征，建立正常样本库；在此基础上，通过正常样本比对，筛选出异常样本，并结合时空扩散方法分析烟雾时间维度的形态变化情况，进而识别火灾。最后，在某供电公司的实际应用中，该方法的火灾识别准确率为98.7%，所提方法能有效区分云彩和火灾烟雾特征，实现输电走廊穿越森林火灾的精准识别。

关键词：
时空扩散

输电走廊

图像

火灾预警

烟雾特征

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基于LoRa的无线传感网络设计

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245408

作者：余欣如，苏淑靖，蔡磊

作者单位：中北大学仪器与电子学院省部共建动态测试技术国家重点实验室

摘要：有线传感网络成本高、布线复杂、维护扩展困难，大部分无线传感网络在功耗与传输距离间难以平衡。针对以上问题提出基于LoRa的远程无线传感网络。基于扩频技术的LoRa具有极强的抗干扰穿透能力和很广的网络覆盖范围，结合MAC层的防碰撞机制和功率自适应算法的复合组网协议，可实现多终端情况下时延0.01 s的1 km内可靠无线通信。

关键词：
无线传感网络

LORA

防碰撞机制

功率自适应

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计算机技术与应用

基于零信任模型的细粒度数据库安全控制方法

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245019

作者：安宁，许文静，刘珠慧，秦文远

作者单位：国务院国有资产监督管理委员会干部教育培训中心

摘要：随着数据库技术的快速发展，对数据处理能力和效率的要求导致许多传统的安全技术失效，尤其是在数据安全领域，数据安全对于数据库的使用变得极其重要。提出了一种新的数据库安全控制方法，该方法包括三个步骤——基于零信任的用户上下文识别、细粒度的数据访问认证控制和基于全网络流量的数据访问审计，以识别和拦截数据库环境中的风险数据访问。这种基于零信任模型的细粒度数据库安全控制方法为提高数据库安全性提供了有力的支持。

关键词：
数据库

数据安全

零信任模型

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新型电力系统下基于改进灰狼算法的用户购电策略研究

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245003

作者：冯迎春1，陶力2，3，刘敦楠2，范洁1，高博1，刘胥雯1

作者单位：1.江苏电力交易中心有限公司；2.华北电力大学； 3.北京科东电力控制系统有限责任公司

摘要：随着我国新型电力系统建设不断加快，售电侧改革不断深入，零售市场竞争日趋激烈，大电量互动用户作为用电规模较大的市场主体，在购电决策时需要制定合理的策略，以实现利益最大化。基于改进的灰狼优化算法提出了购电优化决策模型。首先，从绿电消纳权责、临时用电需求、可控用电计划和总电费最低化等方面对购电决策合理设计；然后，基于组合不同的零售套餐，构建了改进的灰狼优化算法对购电决策模型进行迭代求解出最优策略。算例的结果表明此购电策略的有效及合理性，可以有效释放电力体制改革红利。

关键词：
购电策略

零售套餐

绿电消纳

需求响应

灰狼优化

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基于改进Mask R-CNN的非结构环境小目标语义分割算法

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245136

作者：何兆蓉，郭健，徐琦，韩锐

作者单位：南京理工大学自动化学院

摘要：计算机视觉对于小目标物体语义识别在非结构环境下有着较好的工程应用前景，但由于小目标零部件结构多变、样本少、环境复杂，传统方法对小目标分割识别的准确率较低。针对此问题，设计了一种基于注意力机制的Mask R-CNN改进模型。在原网络结构的基础上将FNP与融合注意力模块相结合，提出了一种A-FNP模块。以空间卫星作为非结构环境实验场景，对卫星帆板以及爆炸螺栓进行实验。实验结果表明，该方法对卫星帆板及其零部件的识别准确率提高了5.36％，相较于原模型优势显著。

关键词：
语义分割

注意力机制

MaskR-CNN

非结构环境

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基于自主安全的算力基础设施总体架构设计

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245310

作者：杨元瑾1，何刚2，阮志成1

作者单位：1.中电长城网际系统应用有限公司；2.中电算力科技应用（宁夏）有限公司

摘要：面对新科技革命和产业变革的全球算力竞争，提出的自主安全算力基础设施架构设计整合了云计算、自主安全芯片、操作系统和全流程立体安全防护体系，构建了绿色、先进、安全的多元异构大数据底座。系统深度融合高性能计算、边缘计算和人工智能，实现资源池和高性能算力共享，为计算任务提供弹性、自动化和高性能支持。在安全架构上，通过等保2.0“合规防御”“自主安全”和“可信计算”体系，构建了算力平台的安全综合防御体系，强调数据安全和隐私保护。该基础设施为国家和企业在全球算力竞争中提供了可持续、自主安全的高性能计算支持，推动数字经济和产业变革快速发展。

关键词：
算力

自主安全

架构设计

PKS

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嵌入式技术

基于泰芯TX8M2260的矢量变频器

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245153

作者：南余好，周崇熙，俞建定

作者单位：宁波大学信息科学与工程学院

摘要：针对传统矢量变频器成本高、结构复杂等问题，设计了一种基于TX8M2260微控制器的矢量变频器设计方案，该方案充分利用了TX8M2260的高性能低功耗特性以及其特有的硬件加速单元（MDU），并且采用了一种结构紧凑、成本效益高且高度集成化的硬件架构。通过对基于FOC理论的控制算法的实施和对硬件设计的优化，提出的矢量变频器在TX8M2260平台上进行了实现和实验验证。实验结果表明，所设计的矢量变频器成功实现了要求的各项功能，并具有良好的动态性能和稳定性，这进一步证实了这种矢量变频方案的方便有效。

关键词：
矢量变频器

TX8M2260

硬件加速单元

FOC控制算法

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采用SSI协议实现的通信控制器设计

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245379

作者：张晖，杨兆峰，张鑫刚，王琦，薛培

作者单位：无锡华普微电子有限公司

摘要：提出一种部署在FPGA器件的SSI通信方法，应用在数据传输领域。SSI通信控制器采用高频时钟同步边沿检测原理对输入时钟信号进行采样，实现数据接收时通信速率的自动兼容功能。通过测量10 Mb/s通信速率时硬件接口时序参数，验证控制器IP功能正常且信号质量良好，采用仿真测试分析控制器IP读、写操作时有效通信带宽都达到设定通信带宽的99.9%以上，验证控制器性能能够满足通信接口需求。

关键词：
SSI

通信控制器

信号边沿检测

FPGA

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电路与系统

面向密码芯片设计阶段的仿真侧信道安全性分析方法研究

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245035

作者：沈炜，刘诗宇，杨光，李东方

作者单位：中国航天科工集团第二研究院706所

摘要：密码芯片是密码算法实现的重要载体，在信息系统中承担了加解密、签名、认证等功能，侧信道分析是检测密码芯片安全性的重要手段，当前行业内通常采用专用设备进行侧信道分析，该方法存在发现时间晚、修复成本高、硬件设备昂贵等问题。研究面向密码芯片设计阶段的能量采集与侧信道分析方法，采用EDA工具在设计阶段对密码芯片的RTL代码进行功能仿真，通过分析仿真生成的波形记录文件，实现对能量迹的模拟和采集。采用Welch t检验、KL散度和相关能量分析方法，实现了对芯片RTL代码的泄漏检测、泄漏定位和侧信道攻击。通过对AES-128 RTL设计的仿真实验，证明了该方法能够正确地反映能量泄漏情况，且能够在不借助专用硬件设备的条件下实现对密码芯片早期设计阶段的侧信道泄漏安全风险检测。

关键词：
密码芯片

仿真功耗

泄漏检测

能量侧信道攻击

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超低杂散多级反馈带通滤波器设计

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245103

作者：于吉刚，符超

作者单位：中国电子科技集团公司第五十八研究所

摘要：针对于高精度数据采集系统的测试和测量中，高质量的带通滤波器是非常关键的部分，然而，使用无源元器件实现低频高质量的滤波器需要大电感，尺寸和成本都令人望而却步。采用高性能全差分音频放大器OPA1632D设计了六阶有源1 kHz带通滤波器。该带通滤波器采用多级反馈设计，原理结构简单，设计成本低廉，使用TINA-TI仿真测试效果较好，实际应用于高性能模拟数字转换器AD7961前端滤波测试，SNR与SFDR动态指标接近手册理论值。仿真和实践证明该滤波器的设计满足高精度的数据采集前端滤波的使用需求。

关键词：
带通滤波器

音频放大器

OPA1632

多级反馈

AD7961

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一种PCIe转RapidIO扩展卡设计与实现

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245160

作者：张恒，王琪，郁文君

作者单位：中国电子科技集团公司第五十八研究所

摘要： RapidIO总线是一种广泛应用于嵌入式系统内部互联的高性能互联总线，具有高带宽、低延迟、支持多处理器等特征。针对目前市面上大多数处理器不支持RapidIO 总线的问题，基于国产PCIe转RapidIO控制器设计了一款PCIe扩展卡，详细介绍了该PCIe扩展卡各模块硬件设计方案，并搭建测试环境对RapidIO总线的眼图和DMA传输性能进行测试。经测试，当RapidIO总线传输速率配置为5 Gb/s时，RapidIO总线DMA读写速率分别为1 677 MB/s 和1 711 MB/s。