工业信息物理融合系统中智能嵌入式无线传感系统级芯片研究

The aim of this project is to explore the design techniques of the embedded intelligent wireless sensor system-on-chip (SoC) for industrial cyber-physical system, exploring integrated sensor arrays, multi-standard RF transceiver embedded signal processing, as well as the isolation of on-chip signal coupling . The key research topics will be new multi-path sensor to digital transformation, inductorless wide-band noise cancelling receiver, sigma-delta RFDACs, CPU with customized instruction-set, evaluating and isolation of on-chip signal coupling. It will be able to solve the technical difficulties in the SoC, such as low level of integration of sensors, low efficiency of analogue signal, poor noise and stability of receiver, complexity and low efficiency of RFDAC, insufficient evaluation of on-chip coupling as well as information processing. This project is essential to the design of SoC with complex applications, such as intelligent wireless system. It is related with key industrials while the theory of circuit design will be verified with chip fabrication, which makes it a significant design example of integrated circuits of industrial cyber-physical system, and a solid foundation for future commercialization and massive products in China and Zhejiang Province.

本项目拟研究工业信息物理系统中智能嵌入式无线传感系统级芯片的关键设计技术，探索系统级CMOS芯片中的全集成传感阵列和多标准无线收发机、嵌入式智能信息协同处理、片上信号干扰的评估与隔离等关键科学问题。研究内容主要包括：多路模拟传感信号到数字域的高效率转换方式；无电感的动态大带宽噪声抵消接收机；采用Sigma Delta调制技术的全数字发射机；定制指令集嵌入式CPU；片上信号耦合的评估与隔离等。本项目将解决传感器集成度低、模拟信号读出效率低、无电感无线接收机噪声性能和稳定性差、数字发射机结构复杂和效率低下、片上信号耦合严重且难以预计、信息协同处理能力欠缺等系统级芯片中长期存在的科学与技术问题，形成一种单芯片智能无线系统的设计方案。同时本项目以工业重大需求为导向，通过集成电路的验证将电路设计理论与工程实践结合，为工业物理系统的跨越式发展奠定技术基础，也为我国和我省的两化融合推进提供重要技术支持。

集成电路是现代信息技术的重要基石，本项目研究工业信息物理系统中无线传感系统级芯片的关键设计技术，重点研究高可靠性、高性能、可重构的模拟、混合信号与射频集成电路，并采用商用的CMOS工艺进行流片验证，实现了系统级方案。.项目在信号传感方面，设计了一系列的感知器件与读出电路，在高精度、低功耗、多通道、免校准（低成本）等方面有重要创新；在模拟信号处理方面，提出并实现了带有工艺偏差、温度和供电电压补偿的可控增益放大器和自动增益放大器；在无线通信方面，设计了低功耗的sub-GHz收发机可实现无线互联，并提出了多种创新的时钟、传输线和数字化的发射机方案；在系统集成方面，完成了无晶振专用计量芯片和集成灵活运算引擎的电能计量和测量芯片。.本项目所设计的全部芯片均采用国产（绝大部分基于大陆代工厂）的CMOS工艺进行了流片测试，验证了其工程实现和今后大规模量产的可行性。大量芯片的性能指标处于国内领先水平，例如：温度传感器在标准55 nm数字CMOS工艺下流片验证，面积为2400 μm2，其温度分辨率指数（FoM）为0.26 pJ·K2，达到已有的基于MOS的温度传感器设计工作中的最高水平。低功耗版本面积为0.021mm2，在-55℃-125℃范围内3σ误差为±0.6℃仅消耗2.2μW功耗，在6.4ms的转换事件中达到15mK分辨率。本射频接收机核心面积为4.8平方毫米。通过动态调节输入匹配，该设计可工作在sub-1GHz频率，实现49.5mW的低功耗。在230MHz时，该设计灵敏度为-118dBm。全数字发射机面积为0.49mm2，系统在本振信号500MHz，输入信号频率为269kHz的情况下，在带宽之内可以达到10位以上的有效位数。电表计量芯片在输入电流5000:1的动态范围内，有功能量和无功能量的计量误差均小于0.1%。满足国际标准IEC62053-21/22/23/24，并实现上述全部可配置与可编程功能。该双核DSP在409．6kHz的工作频率下，功耗仅为0.04mW。项目研发的多款芯片已经成功量产，在国家电网和GFJG领域获得大量使用，获得浙江省科技进步二等奖、北京市科技进步二等奖、国家电网科技进步一等奖、国防科技进步二等奖和军队科技进步一等奖各一项。