基于FPGA温度监测系统的设计.docx
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基于FPGA温度监测系统的设计
前言
电子设计自动化(EDA)是近几年发展起来的计算机软件、硬件和微电子技术交叉形成的现代电子设计技术,其含义已经不局限在当初的类似Protel电路版图设计自动化的概念,目前EDA技术更多的是指芯片内的电路设计自动化。
也就是说,开发人员完全可以通过自己设计电路来制定其芯片内部的电路功能,使之成为专用集成电路(ASIC)芯片,这就是当代的用户可编程逻辑器件(PLD)技术。
用户可以完全不懂具体的硬件电路结构,而只通过硬件描述语言就设计出功能强大的数字系统。
电子设计工程师只要拥有一台电脑、一套EDA开发工具、一块FPGA/CPLD芯片,就可以设计出所需要的专用集成电路,大大减少了开发成本和开发时间。
设计人员可以通过软件编程来修改硬件的功能,极大地提高了设计的灵活性和通用性,使电子设计变得简单快速。
这次基于FPGA温度监测系统设计的课程设计由总体框架构成下,各个部分模块的拼接与联系,在Quartus软件的基础上实现温度监测的功能。
首先硬件由DS18B20温度传感器,1602液晶,发光二极管,按键等组成;软件部分由二分频电路,键盘电路和弹跳消除电路组成;最后将硬件和软件合理的结合形成温度监测系统。
该实验采用由总到分再到总的实验模式,在总体思路下各硬件电路的实现以及软件电路的辅助之后再总的合并,即完成该课程设计。
其中软件的形成需要我们熟悉掌握Quartus软件,由原理图—程序编写—程序编译—程序修改—再次编译—管脚定义—程序下载—程序加载—硬件测试的过程。
第一章总体设计方案
1.1QuartusII软件介绍
1.1.1Quartus软件的工作界面
Quartus软件的工作界面如下图1.1所示
图1.1Quartus软件界面
1.1.2Quartus软件简介
QuartusII是Altera公司的综合性PLD/FPGA开发软件,支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL(AlteraHardwareDescriptionLanguage)等多种设计输入形式,内嵌自有的综合器以及仿真器,可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程QuartusII可以在XP、Linux以及Unix上使用,除了可以使用Tcl脚本完成设计流程外,提供了完善的用户图形界面设计方式。
具有运行速度快,界面统一,功能集中,易学易用等特点。
QuartusII支持Altera的IP核,包含了LPM/MegaFunction宏功能模块库,使用户可以充分利用成熟的模块,简化了设计的复杂性、加快了设计速度。
对第三方EDA工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方EDA工具。
此外,QuartusII通过和DSPBuilder工具与Matlab/Simulink相结合,可以方便地实现各种DSP应用系统;支持Altera的片上可编程系统(SOPC)开发,集系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑设计于一体,是一种综合性的开发平台。
MaxplusII作为Altera的上一代PLD设计软件,由于其出色的易用性而得到了广泛的应用。
目前Altera已经停止了对MaxplusII的更新支持,QuartusII与之相比不仅仅是支持器件类型的丰富和图形界面的改变。
Altera在QuartusII中包含了许多诸如SignalTapII、ChipEditor和RTLViewer的设计辅助工具,集成了SOPC和HardCopy设计流程,并且继承了MaxplusII友好的图形界面及简便的使用方法。
AlteraQuartusII作为一种可编程逻辑的设计环境,由于其强大的设计能力和直观易用的接口,越来越受到数字系统设计者的欢迎。
QuartusII提供了完全集成且与电路结构无关的开发包环境,具有数字逻辑设计的全部特性,包括:
可利用原理图、结构框图、VerilogHDL、AHDL和VHDL完成电路描述,并将其保存为设计实体文件;芯片(电路)平面布局连线编辑;LogicLock增量设计方法,用户可建立并优化系统,然后添加对原始系统的性能影响较小或无影响的后续模块;功能强大的逻辑综合工具;完备的电路功能仿真与时序逻辑仿真工具;定时/时序分析与关键路径延时分析;可使用SignalTapII逻辑分析工具进行嵌入式的逻辑分析;支持软件源文件的添加和创建,并将它们链接起来生成编程文件;使用组合编译方式可一次完成整体设计流程;自动定位编译错误;高效的期间编程与验证工具;可读入标准的EDIF网表文件、VHDL网表文件和Verilog网表文件;能生成第三方EDA软件使用的VHDL网表文件和Verilog网表文件。
1.2基于FPGA温度监测系统框图
1.2.1系统硬件原理框
设计硬件原理框如下图1.2所示
图1.2设计硬件原理框
1.2.2系统电路原理框
系统电路原理图如图1.3所示
图1.3系统电路原理图
从该硬件原理框以及电路原理图的设计可以看出基于FPGA温度监测系统的设计由LCD1602液晶显示、2或三个发光二极管、4个按键和DS18B20温度传感器通过FPGA芯片组成的系统实现温度检测功能。
在理解该系统的整体框图后,我们需要进一步了解各组成系统的硬件的使用及其功能。
第二章硬件设计
2.1FPGA芯片介绍
2.1.1FPGA芯片硬件图
FPGA芯片实物图如下图2.1所示
图2.1FPGA芯片实物图
2.1.2FPGA芯片简介
目前以硬件描述语言(Verilog或VHDL)所完成的电路设计,可以经过简单的综合与布局,快速的烧录至FPGA上进行测试,是现代IC设计验证的技术主流。
这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路(比如AND、OR、XOR、NOT)或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。
在大多数的FPGA里面,这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器(Flip-flop)或者其他更加完整的记忆块。
系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来,就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。
一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变,所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。
FPGA一般来说比ASIC(专用集成芯片)的速度要慢,无法完成复杂的设计,而且消耗更多的电能。
但是他们也有很多的优点比如可以快速成品,可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。
厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。
因为这些芯片有比较差的可编辑能力,所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的,然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。
另外一种方法是用CPLD(复杂可编程逻辑器件备)。
FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(LogicCellArray)这样一个概念,内部包括可配置逻辑模块CLB(ConfigurableLogicBlock)、输出输入模块IOB(InputOutputBlock)和内部连线(Interconnect)三个部分。
现场可编程门阵列(FPGA)是可编程器件。
与传统逻辑电路和门阵列(如PAL,GAL及CPLD器件)相比,FPGA具有不同的结构,FPGA利用小型查找表(16×1RAM)来实现组合逻辑,每个查找表连接到一个D触发器的输入端,触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O,由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块,这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。
FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的,存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式,并最终决定了FPGA所能实现的功能,FPGA允许无限次的编程.
FPGA电源要求输出电压范围从1.2V到5V,输出电流范围从数十毫安到数安培。
可用三种电源:
低压差(LDO)线性稳压器、开关式DC-DC稳压器和开关式电源模块。
最终选择何种电源取决于系统、系统预算和上市时间要求。
如果电路板空间是首要考虑因素,低输出噪声十分重要,或者系统要求对输入电压变化和负载瞬变做出快速响应,则应使用LDO稳压器。
LDO功效比较低(因为是线性稳压器),只能提供中低输出电流。
输入电容通常可以降低LDO输入端的电感和噪声。
LDO输出端也需要电容,用来处理系统瞬变,并保持系统稳定性。
也可以使用双输出LDO,同时为VCCINT和VCCO供电如果在设计中效率至关重要,并且系统要求高输出电流,则开关式稳压器占优势。
开关电源的功效比高于LDO,但其开关电路会增加输出噪声。
与LDO不同,开关式稳压器需利用电感来实现DC-DC转换。
为确保正确上电,内核电压VCCINT的缓升时间必须在制造商规定的范围内。
对于一些FPGA,由于VCCINT会在晶体管阈值导通前停留更多时间,因此过长的缓升时间可能会导致启动电流持续较长时间。
如果电源向FPGA提供大电流,则较长的上电缓升时间会引起热应力。
ADI公司的DC-DC稳压器提供可调软启动,缓升时间可以通过外部电容进行控制。
缓升时间典型值在20ms至100ms范围内。
许多FPGA没有时序控制要求,因此VCCINT、VCCO和VCCAUX可以同时上电。
如果这一点无法实现,上电电流可以稍高。
时序要求依具体FPGA而异。
对于一些FPGA,必须同时给VCCINT和VCCO供电。
对于另一些FPGA,这些电源可按任何顺序接通。
多数情况下,先给VCCINT后给VCCO供电是一种较好的做法。
当VCCINT在0.6V至0.8V范围内时,某些FPGA系列会产生上电涌入电流。
在此期间,电源转换器持续供电。
这种应用中,因为器件需通过降低输出电压来限制电流,所以不推荐使用返送电流限制。
但在限流电源解决方案中,一旦限流电源所供电的电路电流超过设定的额定电流,电源就会将该电流限制在额定值以下。
对于高速、高密度FPGA器件,保持良好的信号完整性对于实现可靠、可重复的设计十分关键。
适当的电源旁路和去耦可以改善整体信号完整性。
如果去耦不充分,逻辑转换将会影响电源和地电压,导致器件工作不正常。
此外,采用分布式电源结构也是一种主要解决方案,给FPGA供电时可以将电源电压偏移降至最低。
在传统电源结构中,AC/DC或DC/DC转换器位于一个地方,并提供多个输出电压,在整个系统内分配。
这种设计称为集中式电源结构(CPA),见左图。
以高电流分配低电压时,铜线或PCB轨道会产生严重的电阻损耗,CPA就会发生问题。
CPA的替代方案是分布式电源结构(DPA),见左图。
采用DPA时,整个系统内仅分配一个半稳压的DC电压,各DC/DC转换器(线性或开关式)与各负载相邻。
DPA中,DC/DC转换器与负载(例如FPGA)之间的距离近得多,因而线路电阻和配线电感引起的电压下降得以减小。
这种为负载提供本地电源的方法称为负载点(POL)。
目前主流的FPGA仍是基于查找表技术的,已经远远超出了先前版本的基本性能,并且整合了常用功能(如RAM、时钟管理和DSP)的硬核(ASIC型)模块。
如图1-1所示(注:
图1-1只是一个示意图,实际上每一个系列的FPGA都有其相应的内部结构),FPGA芯片主要由7部分完成,分别为:
可编程输入输出单元、基本可编程逻辑单元、完整的时钟管理、嵌入块式RAM、丰富的布线资源、内嵌的底层功能单元和内嵌专用硬件模块。
FPGA基本特点:
1)采用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路),用户不需要投片生产,就能得到合用的芯片。
2)FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。
3)FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。
4)FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。
5)FPGA采用高速CMOS工艺,功耗低,可以与CMOS、TTL电平兼容。
可以说,FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。
FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的,因此,工作时需要对片内的RAM进行编程。
用户可以根据不同的配置模式,采用不同的编程方式。
加电时,FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中,配置完成后,FPGA进入工作状态。
掉电后,FPGA恢复成白片,内部逻辑关系消失,因此,FPGA能够反复使用。
FPGA的编程无须专用的FPGA编程器,只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。
当需要修改FPGA功能时,只需换一片EPROM即可。
这样,同一片FPGA,不同的编程数据,可以产生不同的电路功能。
因此,FPGA的使用非常灵活。
2.2LCD1602液晶显示
LCD1602液晶显示实物图如右图2.1所示
工业字符型液晶,能够同时显示16x02即32个字符。
(16列2行)注:
为了表示的方便,后文皆以1表示高电平,0表示低电平。
1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5X7或者5X11图2.2LCD1602液晶
等点阵字符位组成,每个点阵字符位都可以显示一个字符。
每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用,正因为如此所以他不能显示图形(用自定义CGRAM,显示效果也不好)n1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行,每行16个字符液晶模块(显示字符和数字)。
n目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的,控制原理是完全相同的,因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。
LCD1602液晶显示管脚功能如下图2.2所示
1602采用标准的16脚接口,其中:
第1脚:
VSS为电源地。
第2脚:
VDD接5V电源正极。
第3脚:
V0为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高(对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度)。
图2.3LCD1602管脚功能第4脚:
RS为寄存器选择,高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
第5脚:
RW为读写信号线,高电平
(1)时进行读操作,低电平(0)时进行写操作。
第6脚:
E(或EN)端为使能(enable)端。
第7~14脚:
D0~D7为8位双向数据端。
第15~16脚:
空脚或背灯电源。
15脚背光正极,16脚背光负极。
1602LCD的特性:
+5V电压,对比度可调;内含复位电路;提供各种控制命令,如:
清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能;有80字节显示数据存储器DDRAM;内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM;8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM。
2.3DS18B20温度传感器
DS18B20传感器实物图如下图2.3所示
DS18B20数字温度传感器接线方便,封装成后可应用于多种场合,如管道式,螺纹式,磁铁吸附式,不锈钢封装式,型号多种多样,有LTM8877,LTM8874等等。
主要根据应用场合的不同而改变其外观。
封装后的DS18B20可用于电缆沟测温,高炉水循环测温,锅炉测温,机房测温,农业大棚测温,洁净室测温,弹药
图2.3DS18B20库测温等各种非极限温度场合。
耐磨耐碰,体积小,使用方便,封装形式多样,适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。
技术性能描述:
①、独特的单线接口方式,DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
②、测温范围-55℃~+125℃,固有测温分辨率0.5℃。
③、支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的三线上,最多只能并联8个,实现多点测温,如果数量过多,会使供电电源电压过低,从而造成信号传输的不稳定。
④、工作电源:
3~5V/DC⑤、在使用中不需要任何外围元件⑥、测量结果以9~12位数字量方式串行传送⑦、不锈钢保护管直径Φ6。
⑧、适用于DN15~25,DN40~DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温⑨、标准安装螺纹M10X1,M12X1.5,G1/2”任选。
⑩PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。
应用范围:
该产品适用于冷冻库,粮仓,储罐,电讯机房,电力机房,电缆线槽等测温和控制领域;轴瓦,缸体,纺机,空调,等狭小空间工业设备测温和控制;汽车空调、冰箱、冷柜、以及中低温干燥箱等;供热/制冷管道热量计量,中央空调分户热能计量和工业领域测温和控制。
DS18B20接线说明:
特点独特的一线接口,只需要一条口线通信多点能力,简化了分布式温度传感应用无需外部元件可用数据总线供电,电压范围为3.0V至5.5V无需备用电源测量温度范围为-55°C至+125℃。
华氏相当于是-67°F到257华氏度-10°C至+85°C范围内精度为±0.5°C 温度传感器可编程的分辨率为9~12位温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒用户可定义的非易失性温度报警设置应用范围包括恒温控制,工业系统,消费电子产品温度计,或任何热敏感系统 描述该DS18B20的数字温度计提供9至12位(可编程设备温度读数。
信息被发送到/从DS18B20通过1线接口,所以中央微处理器与DS18B20只有一个一条口线连接。
为读写以及温度转换可以从数据线本身获得能量,不需要外接电源。
因为每一个DS18B20的包含一个独特的序号,多个ds18b20s可以同时存在于一条总线。
这使得温度传感器放置在许多不同的地方。
它的用途很多,包括空调环境控制,感测建筑物内温设备或机器,并进行过程监测和控制。
DS18B20的电源也可以从外部3V-5.5V的电压得到。
DS18B20采用一线通信接口。
因为一线通信接口,必须在先完成ROM设定,否则记忆和控制功能将无法使用。
主要首先提供以下功能命令之一:
1)读ROM,2)ROM匹配,3)搜索ROM,4)跳过ROM,5)报警检查。
这些指令操作作用在没有一个器件的64位光刻ROM序列号,可以在挂在一线上多个器件选定某一个器件,同时,总线也可以知道总线上挂有有多少,什么样的设备。
若指令成功地使DS18B20完成温度测量,数据存储在DS18B20的存储器。
一个控制功能指挥指示DS18B20的演出测温。
测量结果将被放置在DS18B20内存中,并可以让阅读发出记忆功能的指挥,阅读内容的片上存储器。
温度报警触发器TH和TL都有一字节EEPROM的数据。
如果DS18B20不使用报警检查指令,这些寄存器可作为一般的用户记忆用途。
在片上还载有配置字节以理想的解决温度数字转换。
写TH,TL指令以及配置字节利用一个记忆功能的指令完成。
通过缓存器读寄存器。
所有数据的读,写都是从最低位开始。
DS18B20封装形式如下图2.4所示
DS18B20的主要特性:
1、适应电压范围更宽,电压范围:
3.0~5.5V,在寄生电源方式下可由数据线供电。
2、独特的单线接口方式,DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
3、DS18B20支持多点组网功能,
图2.4DS18B20封装多个DS18B20可以并联在唯一的三线上,实现组网多点测温。
4、DS18B20在使用中不需要任何外围元件,全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
5、温范围-55℃~+125℃,在-10~+85℃时精度为±0.5℃。
6、可编程的分辨率为9~12位,对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃,可实现高精度测温。
7、在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字,12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字,速度更快8、测量结果直接输出数字温度信号,以"一线总线"串行传送给CPU,同时可传送CRC校验码,具有极强的抗干扰纠错能力9、负压特性:
电源极性接反时,芯片不会因发热而烧毁,但不能正常工作。
DS18B20的外形和内部结构:
DS18B20内部结构主要由四部分组成:
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
DS18B20引脚定义:
(1)DQ为数字信号输入/输出端;
(2)GND为电源地;(3)VDD为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。
DS18B20工作原理:
DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同,只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同,且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。
DS18B20测温原理如图3所示。
图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。
高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变,所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。
计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。
计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当计数器1的预置值减到0时,温度寄存器的值将加1,计数器1的预置将重新被装入,计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到计数器2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性,其输出用于修正计数器1的预置值。
DS18BCD0引脚功能图下表1所示
表1、DS18BCD0引脚功能描述
序号
名称
引脚功能描述
1
GND
地信号
2
DQ
数据输入/输出引脚。
开漏单总线接口引脚。
当被用着在寄生电源下,也可以向器件提供电源。
3
VDD
可选择的VDD引脚。
当工作于寄生电源时,此引脚必须接地。
2.4发光二极管
它是半导体二极管的一种,可以把电能转化成光能;常简写为LED。
发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成,也具有单向导电性。
当给发光二极管加上正向电压后,从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子,在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合,产生自发辐射的荧光。
不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。
当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同,释放出的能量越多,则发出的光的波长越短。
常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。
发光二极管的反向击穿电压约5伏。
它的正向伏安特性曲线很陡,使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。
发光二极管电路图形符号及实物硬件图如下图2.5、2.6所示
图2.5发光二极管电路符号图2.6发光二级管实物图
发光二极管物理特性:
发光二极管的两根引线中较长的一根为正极,应接电源正极。
有的发光二极管的两根引线一样长,但管壳上有一凸起的小舌,靠近小舌的引线是正极。
与小白炽灯泡和氖灯相比,发光二极管的特点是:
工作电压很低(有的仅一点几伏);工作电流很小(有的仅零点几毫安即可发光);抗冲击和抗震性能好,可靠性高,寿命长;通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。
由于有这些特点,发光二极管在一些光电控制设备中用作光源,在许多电子设备中用作信号显示器。
把它的管心做成条状,用7条条状的发光管组成7段式半导体数码管,每个数码管可显示0~9十个数目字。
它的基本结构是一块电致发光的半导体材料,置于一个有引线的架子上,然后四周用环氧树脂密封,起到保护内部芯线的作用,所以LED的抗震性能好。
发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片,在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层,称为PN结。
在某些半导体材料的PN结中,注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来,从而把电能直接转换为光能。
PN结加反向电压,少数载流子难以注入,故不发光。
这种利用注入式电致法官原理制作的二极管叫发光二极管,通称LED。
当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压),电流从LED阳极流向阴极时,半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色
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