LED電子束輻照實(shí)驗(yàn)在線監(jiān)測系統(tǒng)

馬毅超 朱 納 黨宏社 錢 森 夏經(jīng)凱,4 王志剛劉 超 安廣朋 高 峰,4 張銀鴻

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LED電子束輻照實(shí)驗(yàn)在線監(jiān)測系統(tǒng)

馬毅超1朱 納1黨宏社1錢 森2,3夏經(jīng)凱2,3,4王志剛2,3劉 超5安廣朋3高 峰2,3,4張銀鴻3

1（陜西科技大學(xué) 西安 710021）2（核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100049）3（中國科學(xué)院高能物理研究所 北京 100049）4（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）5（天津工業(yè)大學(xué) 天津 300387）

隨著發(fā)光二極管(Light Emitting Diode, LED)應(yīng)用需求的增加，對其電子束輻照效應(yīng)的研究是目前的熱點(diǎn)，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)光二極管性能參數(shù)在輻照過程中的變化。利用小電流計(jì)、功率計(jì)、光譜儀、低壓電源等設(shè)備完成系統(tǒng)硬件搭建，以LabVIEW為開發(fā)平臺完成了對串行通訊接口RS-232、通用串行總線(Universal Serial Bus, USB)和局域網(wǎng)(Local Area Network, LAN)三種接口通信協(xié)議的軟件實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和顯示，在局域網(wǎng)內(nèi)利用遠(yuǎn)程桌面連接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。利用該系統(tǒng)完成了在1.5GeV電子束輻照過程中對GaN光電特性參數(shù)和環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、存儲和顯示。

發(fā)光二極管，電子束輻照，在線監(jiān)測系統(tǒng)

目前發(fā)光二極管(Light Emitting Diode, LED)已成為各種類型的固態(tài)光源的重要組成部分，有研究表明[1?4]，高能電子束會(huì)改變LED能級缺陷，能改變LED的發(fā)光效率，但目前LED電子束輻照性能測試系統(tǒng)由于不能進(jìn)行在線監(jiān)測，無法長期跟蹤LED特性參數(shù)隨輻照劑量的變化情況，針對同一類型的LED不同的實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論不一致，無法找到最佳的輻照劑量條件。其他類似系統(tǒng)中也存在同樣的問題，如在研究電子束輻照對苧麻纖維結(jié)晶度的影響實(shí)驗(yàn)中，需通過控制輻照時(shí)間得到多個(gè)不同的輻照劑量的樣品，再進(jìn)行紅外光譜分析，對其他輻照劑量無法分析[5]。在GaN HEMT器件電子輻照實(shí)驗(yàn)中，要輻射后才進(jìn)行器件特性測試[6]，因此為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)論可靠，對于類似實(shí)驗(yàn)都需要設(shè)計(jì)一個(gè)能長期穩(wěn)定運(yùn)行的在線監(jiān)測系統(tǒng)。

本文以輻照實(shí)驗(yàn)中使用到的各種儀器設(shè)備為基礎(chǔ)，基于LabVIEW開發(fā)平臺建立了一套LED電子束輻照實(shí)驗(yàn)在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對LED在輻照過程中光電特性參數(shù)的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測。

1 測試需求分析

測試樣品為同一批次的GaN基LED、GaAs基LED和對應(yīng)外延片，本文以GaN基LED輻照實(shí)驗(yàn)來描述該監(jiān)測系統(tǒng)。GaN基LED峰值波長450 nm，在輻照過程中需實(shí)時(shí)監(jiān)測其/特性曲線、發(fā)光強(qiáng)度、發(fā)光峰值波長。為保證LED工作的穩(wěn)定狀態(tài)，還需同步監(jiān)測LED供電電源的穩(wěn)定性。

利用IT6121B直流電源（量程為0?20 V、精度0.1 mV/0.01 mA、GPIB接口）給LED提供3.00 V工作電壓。用DM3068數(shù)字萬用表（最大10 A直流電流量程、6位半讀數(shù)、LAN接口）測量LED的工作電流。采用NOVA激光功率計(jì)（波長范圍覆蓋193?1800 nm、靈敏度10 pW?3 W、RS-232接口）測量發(fā)光強(qiáng)度。用光纖光譜儀S100（量程為190?1200nm、分辨率為6 pm、USB接口）對LED發(fā)出的光進(jìn)行波長掃描。用LTM8903溫濕度傳感器測量環(huán)境溫度和濕度。

2 硬件搭建

室溫條件下，在中國科學(xué)院高能物理研究所10#廳用能量為1.5 GeV電子束對LED樣品輻照[7]。在輻射室內(nèi)放置暗箱，并把被輻照樣品置于暗箱內(nèi)。樣品分為三組：第一組為一只LED，加電輻照發(fā)光，同步監(jiān)測其光電特性參數(shù)；為對比老化樣品，第二組為兩只LED，加電輻照發(fā)光，不監(jiān)測其性能參數(shù)；為研究加電輻照和不加電輻照效應(yīng)區(qū)別，第三組為三只LED，不加電輻照。輻照實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示，第一組實(shí)驗(yàn)樣品在輻照過程中一直保持恒壓驅(qū)動(dòng)，將直流電源、LED樣品、小電流計(jì)接為串聯(lián)回路，測量LED的工作電流；通過耐輻射光纖把LED發(fā)出的光引出到5.0 m厚隔離墻外的暗箱中進(jìn)行波長掃描和發(fā)光強(qiáng)度測量，在局域網(wǎng)內(nèi)客戶端通過遠(yuǎn)程桌面連接實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測主機(jī)的遠(yuǎn)程訪問。

圖1 輻照實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 Fig.1 Structure diagram of irradiation experiment system.

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以LabVIEW為開發(fā)工具，完成LED光電特性參數(shù)和環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的采集、顯示和存儲。根據(jù)測試要求和硬件設(shè)備工作原理，系統(tǒng)軟件總體方案如圖2所示。

軟件設(shè)計(jì)包括底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序開發(fā)。前者用于上位機(jī)對下位機(jī)設(shè)備的檢測和參數(shù)配置，完成上位機(jī)和下位機(jī)通信。其中光譜儀、溫濕度傳感器和功率計(jì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)通過VISA函數(shù)庫編程實(shí)現(xiàn)；數(shù)字萬用表根據(jù)TCP/IP協(xié)議應(yīng)編寫驅(qū)動(dòng)程序。應(yīng)用程序是根據(jù)用戶需求來設(shè)計(jì)的，一般包括數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)儲存、數(shù)據(jù)顯示和登錄用戶管理程序。

數(shù)據(jù)處理是把從設(shè)備接口讀取的字符串進(jìn)行校驗(yàn)，并根據(jù)設(shè)備采樣精度轉(zhuǎn)化為有實(shí)際含義的LED特性參數(shù)值。由于USB協(xié)議和LAN協(xié)議本身已經(jīng)包含了糾錯(cuò)和重發(fā)機(jī)制，只對從串口數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)冗余碼(Cyclic Redundancy Code, CRC)校驗(yàn)。

圖2 軟件系統(tǒng)總體框架圖 Fig.2 Overall frame chart of software system.

數(shù)據(jù)存儲是為數(shù)據(jù)查詢和分析提供依據(jù)，有文件存儲和數(shù)據(jù)庫存儲。文件存儲是本地存儲，直接把解析后的數(shù)據(jù)以.txt格式存儲在監(jiān)測主機(jī)上。數(shù)據(jù)庫存儲是為方便數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，把數(shù)據(jù)存儲到遠(yuǎn)程服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫中。

數(shù)據(jù)顯示是用波形圖的方式顯示數(shù)據(jù)，縱坐標(biāo)為采集變量值，橫坐標(biāo)為對應(yīng)的采集時(shí)間，可以直觀顯示參數(shù)隨輻照時(shí)間（輻照劑量）變化趨勢。

用戶管理模塊是出于安全性考慮，防止出現(xiàn)操作失誤，改變程序中的硬件配置參數(shù)而導(dǎo)致系統(tǒng)采集不到數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)不正常或引發(fā)安全問題，根據(jù)不同用戶分別設(shè)置權(quán)限。

為保證能實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，把從設(shè)備讀取到的數(shù)據(jù)優(yōu)先存入隊(duì)列，利用 LabVIEW的多線程并發(fā)執(zhí)行的特性，將數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理放在兩個(gè)線程中執(zhí)行，一方面避免了數(shù)據(jù)采集速度和數(shù)據(jù)處理速度不匹配造成數(shù)據(jù)丟失的情況；另一方面，由于數(shù)據(jù)采集的時(shí)間與上位機(jī)接收到該數(shù)據(jù)的時(shí)間僅存在傳輸線上的延時(shí)（傳輸距離較短，延時(shí)很?。?，可忽略不計(jì)，把數(shù)據(jù)出隊(duì)列的系統(tǒng)時(shí)間作為采樣時(shí)間，實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)數(shù)據(jù)對齊。

3.1 LED工作電流采集子系統(tǒng)

為后續(xù)數(shù)據(jù)處理分析，需要記錄輻照過程中的所有電流數(shù)據(jù)，因此利用數(shù)字萬用表設(shè)備提供的LAN接口，通過網(wǎng)線和監(jiān)測主機(jī)相連，綁定數(shù)字萬用表局域網(wǎng)IP地址，將其作為服務(wù)器端，上位機(jī)則作為客戶端[8]，基于TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)對萬用表的訪問[9]。

具體流程如圖3所示。當(dāng)啟動(dòng)采集程序時(shí)，服務(wù)器端利用TCP Listen.vi監(jiān)聽指定端口，等待被連接。成功連接后，上位機(jī)通過TCP Write.vi向下位機(jī)發(fā)送開始采集命令，進(jìn)入接收數(shù)據(jù)的就緒狀態(tài)，上位機(jī)通過TCP Read.vi讀取數(shù)據(jù)，把讀取到的數(shù)據(jù)先存入隊(duì)列。在另一個(gè)線程中，從隊(duì)列中獲取數(shù)據(jù)，同時(shí)讀取系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間，把讀取到的數(shù)據(jù)根據(jù)萬用表量程從十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換為帶有整數(shù)部分和小數(shù)部分的十進(jìn)制數(shù)據(jù)，然后利用波形創(chuàng)建函數(shù)和波形圖表函數(shù)以波形圖的形式顯示數(shù)據(jù)，利用文件I/O函數(shù)把數(shù)據(jù)存入.txt文件中。停止采集按鈕按下，向下位機(jī)發(fā)送停止采集命令，TCP連接斷開，停止向文件寫入數(shù)據(jù)。

LED未輻照前程序運(yùn)行界面如圖4所示。從圖4中可以看出，在11:00時(shí)，把電壓源設(shè)定值由(2.50V，0.0400 A)改為(3.00 V，0.0540 A)之后，電流曲線階躍上升，其他時(shí)間曲線平穩(wěn)，此時(shí)測量值5.049504×10?2A與IT6121B直流電源測得電流值0.0504 A基本一致。

圖3 LED工作電流采集子系統(tǒng)軟件流程圖 Fig.3 Software flow chart of data acquisition sub-system for the LED operation current.

圖4 LED電流監(jiān)測子系統(tǒng)界面 Fig.4 Interface of the LED current monitor sub-system.

3.2 發(fā)光強(qiáng)度采集子系統(tǒng)

利用功率計(jì)測量LED的相對發(fā)光強(qiáng)度，為存儲多個(gè)數(shù)據(jù)，利用該設(shè)備的RS-232接口，通過串行線和監(jiān)測主機(jī)相連，利用VISA庫函數(shù)編程，通過調(diào)用串口類屬性節(jié)點(diǎn)設(shè)置串口的相關(guān)屬性參數(shù)實(shí)現(xiàn)串口通信[10]。軟件設(shè)計(jì)流程圖5所示。

在進(jìn)行串口通訊前，對串口進(jìn)行初始化，使計(jì)算機(jī)串口與功率計(jì)串口參數(shù)設(shè)置保持一致[11]。利用Serial Port Init.vi節(jié)點(diǎn)完成串口配置后，利用Serial Port Write.vi把開始采集命令發(fā)送給功率計(jì)，再用Serial Port Read.vi從緩存中讀出指定長度的數(shù)據(jù)存入隊(duì)列。從隊(duì)列讀取字符串并對其進(jìn)行邏輯變化得到發(fā)光強(qiáng)度值，同時(shí)獲取當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間作為該數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間，用于顯示和存儲。顯示和存儲程序同LED電流程序。當(dāng)發(fā)出停止采集命令后關(guān)閉串口。

圖5 發(fā)光強(qiáng)度采集子系統(tǒng)軟件流程圖 Fig.5 Software flow chart of data acquisition sub-system for luminous intensity.

LED未輻照前程序運(yùn)行界面如圖6所示，從圖6中可以看出發(fā)其光強(qiáng)度不隨時(shí)間變化。

圖6 發(fā)光強(qiáng)度監(jiān)測子系統(tǒng)界面 Fig.6 Interface of luminous intensity monitor sub-system.

3.3 LED發(fā)光波長掃描子系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)中用到的光譜儀具有USB接口，利用 LabVIEW基于USB協(xié)議實(shí)現(xiàn)對光譜儀的訪問[12]。利用NI-VISA中的Driver Wizard生成.inf (Device Information File)文件，將NI-VISA和USB設(shè)備進(jìn)行關(guān)聯(lián)，指定NI-VISA為該USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序[13]。USB定義了控制、批量、中斷和同步4種數(shù)據(jù)傳輸模式，為進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸，本文采用端點(diǎn)1以中斷方式接收上位機(jī)操作命令，利用端點(diǎn)2以批量方式傳輸數(shù)據(jù)。

具體軟件流程如圖7所示。當(dāng)啟動(dòng)“開始采集”命令后，上位機(jī)先向光譜儀的端點(diǎn)1以中斷傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送開始采集命令，成功連接上設(shè)備后，上位機(jī)以批量傳輸?shù)姆绞綇亩它c(diǎn)2讀取數(shù)據(jù)，同時(shí)獲取系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)間作為該采樣時(shí)刻的時(shí)間，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示和存儲，當(dāng)觸發(fā)“停止按鈕”后，主機(jī)以中斷傳輸?shù)姆绞较蚨它c(diǎn)1發(fā)送停止采集命令，結(jié)束采集過程。

圖7 波長掃描子系統(tǒng)軟件流程圖 Fig.7 Software flow chart of wavelength scanning sub-system.

波長掃描子系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖8所示。輸入存儲文件夾路徑，程序自動(dòng)獲取系統(tǒng)時(shí)間為文件名保存波形數(shù)據(jù)。波長掃描曲線橫坐標(biāo)表示波長，縱坐標(biāo)為光強(qiáng)度，從圖8中可以看出，峰值波長為450 nm，與LED樣品峰值波長參數(shù)值450 nm一致。

圖8 波長掃描子系統(tǒng)監(jiān)測界面 Fig.8 Interface of the wavelength scanning sub-system.

3.4 數(shù)據(jù)庫操作

為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，把從不同設(shè)備讀到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫同一個(gè)表單中。為使波長數(shù)據(jù)和其它數(shù)據(jù)對齊，節(jié)約存儲空間，在波長數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫之前，對其進(jìn)行預(yù)處理，只存儲峰值波長。

本系統(tǒng)選用SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫來存儲數(shù)據(jù)，LabVIEW通過LabSQL工具包訪問數(shù)據(jù)庫[14]。

首先，在服務(wù)器端SQL Server 2000中建立數(shù)據(jù)庫，并在該數(shù)據(jù)庫中建立表用于存放輻照數(shù)據(jù)，該表共有5個(gè)字段，分別為時(shí)間、發(fā)光強(qiáng)度、峰值波長、LED工作電流、環(huán)境溫度。其次，在ODBC中指定數(shù)據(jù)源名稱和驅(qū)動(dòng)程序，通過ODBC連接LabSQL和數(shù)據(jù)庫。

以上兩步完成就可以在LabVIEW中利用LabSQL工具包訪問數(shù)據(jù)庫了，一般步驟為：創(chuàng)建連接，指定數(shù)據(jù)源名稱，輸入SQL語句，執(zhí)行命令，結(jié)果顯示，關(guān)閉連接。在本系統(tǒng)中通過SQL語句對數(shù)據(jù)庫的訪問操作主要有在數(shù)據(jù)表中插入、修改、刪除或查詢數(shù)據(jù)。

3.5 登錄用戶管理

為保證系統(tǒng)的安全性，用戶權(quán)限分為系統(tǒng)管理員和測試員，系統(tǒng)管理員可以進(jìn)行查看監(jiān)測界面并管理所有用戶，系統(tǒng)測試員能修改自己的用戶信息并查看監(jiān)測界面。具體流程如圖9所示，輸入用戶名和密碼進(jìn)行驗(yàn)證，如果用戶信息不正確的話，提示“用戶名或密碼錯(cuò)誤”，如果用戶輸入三次錯(cuò)誤的用戶名和密碼時(shí)，會(huì)提示“輸入錯(cuò)誤的用戶名或密碼次數(shù)超出限制，請聯(lián)系系統(tǒng)管理員”。當(dāng)輸入用戶名在數(shù)據(jù)庫中存在時(shí)，登錄成功并顯示用戶權(quán)限、最后登錄時(shí)間及登錄次數(shù)，并能進(jìn)行查看當(dāng)前用戶信息、進(jìn)入系統(tǒng)、修改密碼操作。

圖9 用戶登錄程序流程圖 Fig.9 Flow chart of user login program.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

繪制LED輻照之后的相對發(fā)光強(qiáng)度隨輻照時(shí)間變化曲線如圖10所示，電子束輻照可以改善發(fā)光強(qiáng)度，但是隨著輻照劑量的增加先上升后下降，存在一個(gè)最大值點(diǎn)，即在當(dāng)前能量的電子束條件下，被輻照LED可以找到一個(gè)合適的輻照劑量使其發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到極大值。輻照時(shí)間為1.20×105s時(shí)，相對發(fā)光強(qiáng)度為60.8 μW，相比于起始時(shí)間的發(fā)光強(qiáng)度55.2 μW提高了10%，如果不進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，束流停止時(shí)得到的相對發(fā)光強(qiáng)度相對于起始時(shí)間只提高了6.9%，得不到最佳輻照劑量。還存在如前文所述的情況，離線測試時(shí)，若所有輻照劑量都在極大值前和所有輻照劑量都在極大值后，得到的變化趨勢是相反的。

目前正在用該系統(tǒng)采集輻照后LED光電特性參數(shù)，至于相關(guān)樣品較具體的輻照效應(yīng)研究，后續(xù)有專門的文章討論，在此僅以GaN基LED為例表明實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)的重要性。

圖10 發(fā)光強(qiáng)度隨輻照時(shí)間變化曲線 Fig.10 Luminous intensity varying with irradiation time.

5 結(jié)語

本文基于LabVIEW建立了一套LED電子束輻照實(shí)驗(yàn)在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以對輻照過程中LED的發(fā)光強(qiáng)度、峰值波長、工作電流、環(huán)境溫濕度及低壓電源的穩(wěn)定性進(jìn)行遠(yuǎn)程在線監(jiān)測，在輻照過程中可以一直正常取數(shù)，說明該系統(tǒng)能長期穩(wěn)定運(yùn)行。

該系統(tǒng)中涉及到的三種通信協(xié)議適用于很多現(xiàn)場測量設(shè)備，在其它類似電子束輻照實(shí)驗(yàn)中，只需根據(jù)待測性能參數(shù)修改數(shù)據(jù)處理程序，其余模塊不更改就可以進(jìn)行在線監(jiān)測。

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12 S100緊湊寬測量范圍光譜儀(SolarLS公司)[EB/OL]. http://www.psci.cn/product_bak.aspx?p=7&t=28&id=129
S100 compact wide measurement range spectrometer (SolarLS)[EB/OL]. http://www.psci.cn/product_bak.aspx? p=7&t=28&id=129

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國家自然基金項(xiàng)目(No.11175198、No.11475209、No.11611130020)資助

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.11175198, No.11475209, No.1151101150)

Online monitor system for electron beam irradiation experiment on LED

MA Yichao1ZHU Na1DANG Hongshe1QIAN Sen2,3XIA Jingkai2,3,4WANG Zhigang2,3LIU Chao5AN Guangpeng3GAO Feng2,3,4ZHANG Yinhong3

1(Shaanxi University of Science and Technology, Xi'an 710021, China)2(State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics, Beijing 100049, China)3(Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)4(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)5(Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

Background: With the increasing demand of light emitting diode (LED), radiation effect of the electron beam on LED is becoming a research hotspot. Purpose: This study aim is to build up a data acquisition system for monitoring the changes of LED parameters during the irradiation process. Methods: First of all, a small current meter, power meter, spectrum analyzer, low-voltage power supply and other equipments were used to build the hardware platform. Then communication protocols for RS-232, USB and LAN interface were implemented by using LabVIEW software developing platform. Functionalities for data storage and real-time display of LED optoelectronic properties, environmental parameters and track changes of LED photoelectric parameters with radiation time were achieved through this system. Finally, remote monitoring is realized by using the remote desk process technologythe local area network (LAN). Results: The above mentioned system was successly applied to a practical irradiation experiment on LED with electron beam energy of 1.5 GeV to real-timely store and display the LED optoelectronic properties and environmental parameters during irradiation process. Conclusion: The system is reliable and suitable for monitoring changes of LED photoelectric parameters with irradiation.

LED, Electron beam irradiation, Online monitor system

MA Yichao, male, born in 1984, graduated from China Science and Technology University with a doctor’s degree in 2011, focusing on high-speed digital circuit design and ASIC design

QIAN Sen, E-mail: qians@ihep.ac.cn

TL822+.6

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.050401

馬毅超，男，1984年出生，2011年于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲博士學(xué)位，研究領(lǐng)域?yàn)楦咚贁?shù)字電路設(shè)計(jì)與ASIC設(shè)計(jì)

錢森，E-mail: qians@ihep.ac.cn

2016-01-14，

2016-03-17