留学工作总结

1留学工作总结苏海冰中国科学院光电技术研究所一、工作概况我是2012年10月抵到圣迭戈加州大学（UCSD）计算机科学与工程系的VLSI/CAD实验室进行访问学习的。接待我的美方教授Chung-KuanCheng不但是一个具有深厚研究功底和工程经验的科学家和讲习教授，而且曾经作为MentorGraphic的首席科学家领导过EDA平台的大项目工程实施。通过与美方研究组的交流沟通，对方也认为我们的嵌入式硬件并行处理平台研究已经达到一个较高的设计水平，尤其对高速数字设计、多单元阵列和多通道互联的高速数据处理、在FPGA内构造数据流处理机解决图像处理的邻域计算问题、通过多级硬件算法级联实现高密度运算的并行能力等方面给予了较高的评价，并表现出合作意。美方Cheng教授的主要研究方向是片上系统的高速互联、基于RLC分配网络的电源系统波动分析、编译系统的自适应数据路径算法性能估计与设计、大规模数字网络的信号完整性分析、基于延迟平衡估计和回路优化的综合布局布线方法等等，囊括了IC设计的各个设计方面和应用层次。另外由于UCSD在生物工程领域方面的优势，生物电子设备的研发也成为其关注的重点。我在Cheng教授领导的研究组所做的研究课题是“非接触生物信号传感系统中的噪声抑制技术”。传统的心电图(ECG）测试仪器在人体健康检测领域广泛使用，但这种接触性的测试设备由于需要涂抹胶质物去降低测试电极和人体皮肤之间的接触电阻以提高心电信号的质量，从而造成皮肤的刺激和不舒服；其多线的测试系统会增加额外的准备时间；并且当人体移动时也会造成多线电极的滑落和松动，影响测试的准确性。而非接触性ECG设备通过将电极嵌入/植入衣服，可以克服这些方面的问题；并且可以实现24小时的实时心电信号监测，在人体健康监护应用中有广泛的应用前景。在这个课题中，针对非接触性ECG一直未能在临床应用得到广泛使用的原因，提出了在同一个心电信号采样点同时进行数据采样的双通道结构，力图通过不同的输出结果重新恢复原始的心电信号，以消除人体移动等因素带来的噪声影响，如下图所示。这种双通道结构是在同一个PCB板的底层上存在两个心电传感2器，为了保证在信号测量上的一致性，必须使得两个传感器不受身体移动带来的PCB板旋转的影响，因此每个传感器被均匀地分成四片，交叉排列在PCB板的底层上。+_VsCp1Cinga)+_Cp2CingV2V1121212Shield1Shield2212112Channel2Channel1Vs2Vs1由于身体移动会造成电极（由一块电路底板构成）和人体皮肤构成的电容传感器Cin发生变化，从而使得后面的前端放大结果不但包含了心电信号的变化，也包含了电容传感器的变化情况，不能准确表现人体心电信号的真实情况。同时，电极与衣物、皮肤等的摩擦也会产生的静电，这种静电的电压幅度会直接淹没真实的心电信号。消除这些技术难点是这个课题面临的挑战。我与Cheng教授研究组的其他人员一起分别对人体工频噪声、电容传感器、摩擦静电进行了建模分析，并通过Matlab、Hspice等工具对数学模型和算法性能进行了验证，之后在Multisim中完成了模型的电路映射和前端放大电路的信号仿真，得到了很好的仿真结果。最后在EDA软件Dxdesigner、Expedition和Hyperlynx中完成了电路原理图、PCB板布局布线的设计和仿真，得到了较好的信号完整性、电磁兼容性的仿真结果。由于在前面完成了建模、仿真、设计等大量电子系统级设计的步骤，在后面的电路调试中就显得投掷有的、游刃有余，真实电路信号的测试和采集都取得了良好的效果。最后发表出来的文章也具备很有的学术水平和实用价值。二、所达到的研究目标通过在UCSD所做的这个non-contactECG项目，我充分感受到美国一流研究型大学在研究方法、技术路线、工程实践等诸多方面的科研理念都值得我好好学习、认真总结。本次出国访问学习，基本上在3个月时间内了解了以Cheng教授为代表的UCSD研究组开展科研的技术途径和理论思想，并用9个月时间介入到具体项目“非接触生物信号传感系统中的噪声抑制技术”的研究，积极开动3思维与国外同行进行了技术交流，看到了国外同行的成果和经验，扩宽了自己的设计思路，明白了科学研究和工程项目实践之间的联系。UCSD研究组在研究初始阶段通过建立数学模型来分析目标对象的物理状态，使用多种仿真工具来验证数学模型的正确性与近似度，在具体硬件设计之前通过模型的器件映射和有效的真实信号激励完成电路信号仿真，这些研究方法看似简单，实则是我们目前进行项目研发中经常忽略的重要步骤，也就决定了我们的研究往往处于低水平的重复和工匠式的设计。建模的意义不但使具体环节的物理意义明确，而且在其指导下的具体设计有明显的目的性和方法学。实际上，只要我们在科研中能够遵循研究指导项目开发的思想，认真对待科研过程的每个阶段，不急功近利地靠器件的堆积走到哪就算哪，在工程项目中出现高水平的原创性成果和高质量的产业化成果就是研究与项目之间相辅相成的必然结果。同时，通过与UCSD研究组的细致交流和仔细观察，我还了解到他们还在积极开展关于如何解决机械构架、散热方式、续航能力等有关可靠性与测试等的研究，并已经在低功耗设计和热分析上取得了优势成果；在电子设备的研制上有着较高的科研水平和工程能力。通过在UCSD的一年访问学习，我在理论研究方法、工程设计理念和实践能力上都有深刻的认识。为进一步系统地建立嵌入式并行处理技术的研究框架，全面开展处理器技术、存储器技术、互联技术、SOPC技术、高速数字设计技术、EDA技术、平台技术、可靠性技术、系统性能平衡与评估技术等领域的研究打下了基础。电子系统级设计的方法和理念，将是我下一步开展的电子系统研究目标。电子系统级设计发源于IC设计，是优于寄存器传输级(RTL)的更高的抽象层次，最初兴起于世界级的IC设计公司。在我看来ESL是指在做任何软硬件部分的决定之前的一个非常高的抽象层次的设计，是硬件或软件的协同设计，非常符合嵌入式并行处理系统的学科需求。模型建立和分层设计是其指导技术研究的关键所在。一个研究课题或项目系统的分解是不是达到了最合理，模型的建立至关重要，之后仿真、设计、硬件验证的多个步骤可以使我们走出研究指导项目的路子。举个例子，我在出国之前完成的多DSP+多FPGA+多互联通道的支持多模实时跟踪的硬件平台，已经能实现一定的量产，当时做了50多块板，成功率达到了98%（一块台式计算机主板含有的BGA芯片只有几块，其焊接的成功率在90%以上即认为合格）。之所以提这块板子，4是因为它是一块18层板，复杂度较高，整版有43块BGA，密度非常高，而BGA焊接又是我们的难点，也是外协中不容易控制的节点。当时感觉很不错，好像做完了一件事情。现在回想起来，实际还有很多可以深入的地方没有做到。比如为什么BGA难焊接，究竟是焊接厂家的问题还是我们设计的问题？为什么我们在EDA厂家的技术支持人员指导下，通过完成焊盘的重新设计就提高了焊接的成功率？到底焊盘的尺寸、形状、镀锡的厚度、铜皮规格的选择对BGA焊接工艺的贡献有多大，我们是不是可以进行模型建立和量化分析?另外，我们在电子系统设计的过程中是做了高速信号的信号完整性和电磁兼容性分析，但有没有考虑过分析对比不同的匹配网络对信号质量的影响程度，实没实现具体的量化，这些都是可以出原创性成果的地方，而且是具体工程应用中的成果，应该是非常有价值和显示度的。电子系统级设计从信号完整性、电磁兼容性、电源完整性、热分析、系统布局配线都有强大的EDA仿真支持平台，无论建模还是信号仿真，都是在严谨的电磁方法学和工程经验数据指导基础上完成的。这样的设计平台是我们完成高端电子产品设计的保证，电子系统级设计的方法学必将在电子系统的研制中引领我们走到更高的设计层次上。三、个人收获与体会我认识到我们缺乏与外界科研环境的交流和沟通。我出去的这一年不短也不长，说实话在技术细节上我不认为自己有多么显著的进步，但在科研思路上，尤其是在如何做科学研究与如何做工程项目上有了一个相对清晰的认识，同时与国外知名的科研型大学建立起了联系，有了广泛合作的基础。我在UCSD参与的这个ECG的小项目，分别对人体的工频噪声、电容传感器、静电噪声等做了模型分析，并且直接对后续的具体硬件设计有明确的指导作用，也体现了其很高的科研水平。这一块是我以前做设计的时候很难介入的部分，现在我是知道要这么做，因为我明确感受到它更容易从技术源头找到原创性的知识节点，提高我们的研究能力。因此我就在思考我们在科学研究中如何定位？原创性研究是不是就只能是纯理论研究？在工程研究中有没有可能出现原创性研究？如何在我们的工程设备项目中进行技术研究？以前我们的科研工作处于两种模式下，一种是完全根据技术指标从新开始设计，设计人员负荷重，调试工作量大，交付使用时问题多，设计往往局限于5低水平的重复，显现出忙乱无序的状态。一种是做模块化设计，在新项目开始后根据技术指标可以选用已有设计或对已有设计做小量改动。但这种模块化设计依重于新器件的累积，靠器件性能来提高系统整体性能。在设计上如何开展新平台的研究，如何体现有价值的科研水平，缺乏原创性的思维，长期处于追赶式的研究模式下，处于工匠式设计的阶段。实际上我们是做了很多包含研究内容的工作的，诸如信号完整性分析、电磁兼容性分析、PCB板层堆叠仿真、物理信号的时序分析、FPGA综合性能分析、图像硬件算法的并行处理方法分析等等，这些都是我们花费大量时间获得的难能可贵的经验型成果，但我们只是让经验成为了经验，最后的结果是“做了研究的事，只出了工匠的活”，可惜了。如何让我们的工程项目研发有原创性的内容，如何让做技术既有研究(research)又有工程实现(project)，这才符合一个研究所的定位。从我们的工程技术实现中发现原创性的内容，如何实现研究指导下的项目实施，是我的兴趣所在。另外，如果不能与外界保持相对广泛和频繁的交流，我们的技术发展就会有较大的难度和瓶颈，在时间上会花费较大而且不容易得到一个好的结果或效果，对科研的信心和热情也会受到抑制，又重新陷入以前的工匠式思维方式中。与外界的交流不但能让我们知道别人在做什么，学科发展在国际国内的科研领域进展到了什么程度，同时也让我们有了一个广泛合作的可能，这样一旦我们认准什么是我们的科研需要，我们就有可能、就有可资利用的资源，让我们从一个较高的起点或者说一个较快的切入方式，开展我们的研究，解决我们的科研人员遇到新问题后，一时找不到合适的方法陷入困境、疑惑，容易被习惯性的思路拉回到以前的工作方式上，从而使得已经出现的问题得不到解决，白白浪费了通过艰苦的科研开发过程得到的这些相当重要的认识。具体一点，我认为广泛与国际、国内知名的科研机构和大学进行人才交换培养，建立长期有效的纯技术层面的访学机制（排除保密因素），可以使我们起点高、切入快、成效明显，同时我们的科研人员也会更加有信心地产出他们的科研热情。