用于單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的非接觸信號(hào)傳輸技術(shù)

高 巖，陳京誼，趙寅秋

(航天科工慣性技術(shù)有限公司,北京 100074)

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用于單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的非接觸信號(hào)傳輸技術(shù)

高 巖，陳京誼，趙寅秋

(航天科工慣性技術(shù)有限公司,北京 100074)

針對(duì)旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)內(nèi)使用的導(dǎo)電滑環(huán)具有壽命低、可靠性差、傳輸信號(hào)帶寬窄的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于激光通信的非接觸信號(hào)傳輸裝置，用于代替導(dǎo)電滑環(huán)傳輸電信號(hào)，可大大提高使用壽命、傳輸信號(hào)精度、可靠性和帶寬。文中詳細(xì)介紹了裝置的設(shè)計(jì)原理、技術(shù)實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證，該裝置具有RS232、RS422、CAN、TTL等多種輸入輸出接口，可滿足大部分慣導(dǎo)系統(tǒng)信號(hào)傳輸要求，有效傳輸距離為20～80mm，經(jīng)過各個(gè)環(huán)節(jié)的精密設(shè)計(jì)，可保證10-7量級(jí)的傳輸精度，通過各種測(cè)試充分驗(yàn)證了該裝置代替導(dǎo)電滑環(huán)傳輸電信號(hào)的可行性，為提高旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)的可靠性奠定基礎(chǔ)。

旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)；非接觸；導(dǎo)電滑環(huán)；激光通信

0 引言

為了提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，一般采用旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)技術(shù)以補(bǔ)償慣性元件漂移對(duì)導(dǎo)航精度的影響。該技術(shù)相當(dāng)于在慣導(dǎo)系統(tǒng)的外部添加旋轉(zhuǎn)和控制機(jī)構(gòu)，使慣性元件在慣導(dǎo)系統(tǒng)的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)產(chǎn)生的常值漂移與導(dǎo)航產(chǎn)生的誤差相互抵消。然而目前該旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)技術(shù)中普遍采用的用以傳輸供電和數(shù)據(jù)信號(hào)的導(dǎo)電滑環(huán)在旋轉(zhuǎn)時(shí)電刷觸點(diǎn)與環(huán)體接觸并產(chǎn)生摩擦，因而導(dǎo)致采用該技術(shù)的旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)具有壽命低、抗電磁干擾差、信號(hào)傳輸帶寬窄等問題，愈發(fā)不能適應(yīng)設(shè)備發(fā)展的需要[4]。

本文提出了一種以近距離無線光通信為基礎(chǔ)的非接觸信號(hào)傳輸裝置，用來代替旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)中的導(dǎo)電滑環(huán)傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)。結(jié)合現(xiàn)有的非接觸電能傳輸裝置，可完全取代導(dǎo)電滑環(huán)進(jìn)行電能和數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸。由于無線光通信是以激光為載波，通過大氣信道進(jìn)行信息傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?，只要路徑無遮擋，通過合理的電路設(shè)計(jì)和光學(xué)設(shè)計(jì)，信號(hào)就可以順利地到達(dá)另一端。且無線光通信具有速率高、頻帶寬、信息容量大等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)射、接收無需接觸，因此，可做為相對(duì)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)備信號(hào)傳輸?shù)淖罴堰x擇。

圖1 旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)一般組成Fig.1 General composition of rotating INS

1 旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)對(duì)非接觸傳輸技術(shù)的需求

一般，旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)主要由慣性元件、預(yù)處理電路、二次電源轉(zhuǎn)換模塊、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、導(dǎo)電滑環(huán)、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制電路等幾大部分。慣性元件包括加速度計(jì)和陀螺儀，用于感知運(yùn)載體的線加速度和角加速度，通過計(jì)算得到運(yùn)載體的位置、速度、姿態(tài)，達(dá)到導(dǎo)航的目的。旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)各主要組成部分電氣連接關(guān)系如圖1所示，位于旋轉(zhuǎn)端和固定端的電氣連接如供電、信號(hào)均是通過導(dǎo)電滑環(huán)來傳輸?shù)?，但?dǎo)電滑環(huán)觸點(diǎn)與環(huán)體長(zhǎng)期摩擦，會(huì)導(dǎo)致性能下降、可靠性低、抗電磁干擾能力差，對(duì)于高速的數(shù)字信號(hào)，傳輸衰減大。而本設(shè)計(jì)中的非接觸信號(hào)傳輸裝置，能夠代替導(dǎo)電滑環(huán)傳輸高速信號(hào)，彌補(bǔ)了導(dǎo)電滑環(huán)的不足。

圖2 非接觸信號(hào)傳輸裝置與旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)的連接Fig.2 Connection between non-contacted signal transmission device and rotating INS

在旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)中應(yīng)用了非接觸信號(hào)傳輸裝置和非接觸電能傳輸裝置后，組成原理如圖2所示。位于旋轉(zhuǎn)部分的旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)預(yù)處理電路和位于固定部分的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)之間的通信不再通過導(dǎo)電滑環(huán)，而是經(jīng)過非接觸信號(hào)傳輸裝置，旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)預(yù)處理電路發(fā)出的信號(hào)，經(jīng)非接觸信號(hào)傳輸裝置的旋轉(zhuǎn)端處理電路，轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，發(fā)往固定端處理電路再轉(zhuǎn)換成原來的電信號(hào)，送往導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，反之亦然。

2 非接觸信號(hào)傳輸裝置的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊總體設(shè)計(jì) 經(jīng)多方調(diào)研，為滿足大部分旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)的通訊要求，裝置至少應(yīng)具備2路RS422收發(fā)雙向接口、2路RS232收發(fā)雙向接口、1路CAN總線接口，用于導(dǎo)航機(jī)與預(yù)處理電路之間信息交互；3路TTL信號(hào)接口，用于復(fù)位和同步，RS422、RS232、CAN總線通信誤碼率不大于10-6，TTL信號(hào)波形展寬誤差不大于1μs，信號(hào)延遲時(shí)間不大于2μs。針對(duì)上述要求，選擇近距離無線光通信的方案，該方案具有成本低、安裝簡(jiǎn)單、快捷等優(yōu)點(diǎn),如圖2所示，非接觸信號(hào)傳輸裝置由固定端信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊和旋轉(zhuǎn)端信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊組成，兩端電路是一對(duì)互逆的電路處理關(guān)系，為使電路簡(jiǎn)化，采用通用設(shè)計(jì)，組成結(jié)構(gòu)相同，每塊電路均由供電單元、電平轉(zhuǎn)換單元、FPGA單元、電/光轉(zhuǎn)換單元、光/電轉(zhuǎn)換單元、光學(xué)天線等幾大部分組成。信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊組成原理如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)(固定)端信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊原理Fig.3 Principle of signal conversion module on rotating(fixed) end

2.2 信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊總體設(shè)計(jì)

2.2.1 供電單元

兩端電路均為+5V供電，功率不大于5W。

每塊電路內(nèi)部均需要+5V、+3.3V、+2.5V、+1.2V供電，其中，+5V供電直接由來自外部的+5V提供，+3.3V由LINEAR的電源芯片LT1764A-3.3產(chǎn)生，+2.5V由TI的REG1117A-2.5產(chǎn)生，+1.2V由TI的REG1117A產(chǎn)生。

2.2.2 電平轉(zhuǎn)換電路

電平轉(zhuǎn)換電路的功能是將輸入輸出的多路電信號(hào)的信號(hào)電平格式轉(zhuǎn)換成與FPGA輸入輸出端口相匹配的電平格式。

RS422電平轉(zhuǎn)LVTTL電平采用DS26C32實(shí)現(xiàn)，LVTTL電平轉(zhuǎn)RS422電平采用DS26C31實(shí)現(xiàn)，RS232電平轉(zhuǎn)LVTTL電平和LVTTL電平轉(zhuǎn)RS232電平采用MAX205實(shí)現(xiàn)，TTL電平與LVTTL電平的轉(zhuǎn)換采用SN74ALVTH16245實(shí)現(xiàn)，CAN信號(hào)與LVTTL電平轉(zhuǎn)換采用SJA1050實(shí)現(xiàn)。

2.2.3 FPGA處理單元

FPGA單元采用硬件描述語(yǔ)言，主要實(shí)現(xiàn)將輸入的多路電信號(hào)按一定碼型規(guī)則進(jìn)行編碼，編碼后以1路串行數(shù)據(jù)流按bit位1位1位輸出，輸出頻率由系統(tǒng)時(shí)鐘分頻所得，同時(shí)，F(xiàn)PGA單元接收光/電轉(zhuǎn)換單元輸出的1路串行數(shù)據(jù)信號(hào)和1路時(shí)鐘信號(hào)，將其按規(guī)則解碼恢復(fù)出原信號(hào)，解碼的時(shí)鐘由時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路提供。FPGA采用Xilinx的XCS3S250及其外圍器件組成，該器件具有功率低，響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。

為保證信號(hào)精度指標(biāo)，裝置設(shè)計(jì)中對(duì)多路(9路)輸入電信號(hào)進(jìn)行10倍過采樣，然后由FPGA把過采樣數(shù)據(jù)編碼成1路數(shù)字信號(hào)，經(jīng)電/光轉(zhuǎn)換后以光信號(hào)發(fā)出，采樣時(shí)鐘為62.5MHz，對(duì)方接收后，仍需要用62.5MHz的解碼時(shí)鐘，將數(shù)據(jù)1位1位的分配到各個(gè)電信號(hào)接口，恢復(fù)出原信號(hào)[1]。

2.2.4 電/光轉(zhuǎn)換單元

電/光轉(zhuǎn)換單元用于將編碼后的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)發(fā)射出去，由接口轉(zhuǎn)換電路、激光器驅(qū)動(dòng)電路、激光器等組成，接口轉(zhuǎn)換電路將FPGA輸出的電信號(hào)電平格式轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)電路可接收的格式提供給激光器驅(qū)動(dòng)電路，激光器驅(qū)動(dòng)電路再將輸入的信號(hào)進(jìn)行放大，驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)光，將串行脈沖碼發(fā)射出去。

接口轉(zhuǎn)換電路采用MAXINM的MAX9371來實(shí)現(xiàn)，將FPGA輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)VPECL電平輸出給后端的激光器驅(qū)動(dòng)電路；激光器驅(qū)動(dòng)電路采用MAX3738來實(shí)現(xiàn)；激光器采用半導(dǎo)體激光器，中心波長(zhǎng)為850nm，激光器內(nèi)集成監(jiān)測(cè)探測(cè)器“PD”，用來監(jiān)視激光器發(fā)光強(qiáng)弱的，驅(qū)動(dòng)器可根據(jù)激光發(fā)光強(qiáng)弱進(jìn)行功率調(diào)整。

2.2.5 光/電轉(zhuǎn)換單元

光/電轉(zhuǎn)換單元功能是接收對(duì)端光信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，此時(shí)的信號(hào)是對(duì)端經(jīng)過編碼的串行信號(hào)。電路由線性放大電路、限幅放大電路、時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路、光電探測(cè)器組成，線性放大電路將光電探測(cè)器輸出的弱電信號(hào)進(jìn)行高倍放大，能夠被后端電路識(shí)別；限幅放大電路將前端信號(hào)放大，并將信號(hào)幅度限定在后端電路可接收的范圍內(nèi)。

光電探測(cè)器采用高靈敏度的硅雪崩光電二極AD500系列，具有極高的靈敏度，可探測(cè)微弱的光信號(hào)。線性放大電路采用兩級(jí)放大，第一級(jí)為高倍數(shù)放大，第二級(jí)為低倍數(shù)放大，主要用于阻抗匹配和緩沖，放大器采用射頻放大器AD8350來實(shí)現(xiàn)，該芯片工作頻率為1.2GHz，滿足裝置的設(shè)計(jì)要求。限幅放大電路和時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路采用集成芯片ADN2814來實(shí)現(xiàn)，該芯片是AD公司生產(chǎn)的專用于時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)的器件，ADN2814可接收的輸入信號(hào)頻率為10～675MHz，無需外部參考時(shí)鐘即可將輸入信號(hào)的頻率時(shí)鐘信號(hào)恢復(fù)出來。

2.2.6 光路設(shè)計(jì)

圖4 非接觸信號(hào)傳輸光路Fig.4 Optical path of non-contacted signal transmission

光路設(shè)計(jì)主要包括光發(fā)射天線和光接收天線的設(shè)計(jì)。發(fā)射天線將激光器發(fā)出的光束進(jìn)行擴(kuò)束，以一定的發(fā)散角發(fā)射出去，若要保證足夠光功率能夠到達(dá)對(duì)端，則需盡量減小光功率的幾何損耗，由于旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，則要求光發(fā)射到對(duì)端的光斑完全覆蓋住發(fā)射天線和接收天線，即光有效區(qū)域，這樣，無論怎么旋轉(zhuǎn)，對(duì)端都能接收到光信號(hào)。設(shè)計(jì)中，發(fā)射天線由凹透鏡構(gòu)成，光經(jīng)凹透鏡天線以全角50°發(fā)射，傳輸距離為30mm，如圖4所示，光斑直徑D應(yīng)按如下公式計(jì)算

D=2Ltan25°

(1)

將L=30mm代入，得到D16mm，而設(shè)計(jì)中，發(fā)射天線和接收天線所處的光有效區(qū)域直徑為8mm，發(fā)射端與接收端在相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)的軸向偏差不大于0.1mm，因此，可順利的進(jìn)行信號(hào)傳輸。

光接收天線將對(duì)端發(fā)射過來的光進(jìn)行聚攏接收，送往光電探測(cè)器并濾波。設(shè)計(jì)中，接收天線采用凸透鏡與濾光片組合而成，濾光片位于凸透鏡與光電探測(cè)器的中間，由于激光器工作波長(zhǎng)為850nm，因此，濾光片的設(shè)計(jì)使850nm中心波長(zhǎng)的光通過，避免了其他雜散光的干擾。

3 非接觸信號(hào)傳輸裝置的測(cè)試及驗(yàn)證

裝置樣機(jī)設(shè)計(jì)完成后，需進(jìn)行全面性能指標(biāo)測(cè)試，充分驗(yàn)證其代替導(dǎo)電滑環(huán)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)信號(hào)傳輸?shù)目尚行浴?/p>

3.1 測(cè)試平臺(tái)搭建

測(cè)試平臺(tái)組成及工作原理如圖5所示。主要由工控機(jī)、直流電源、示波器三大部分組成，工控機(jī)用來提供多路接口的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的采集、測(cè)試結(jié)果顯示等，直流電源用來提供固定端信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊和旋轉(zhuǎn)端信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊的兩路+5V供電，示波器用來監(jiān)測(cè)光通信是否正常。其中，為了能夠全面測(cè)試各個(gè)輸入輸出接口的通信功能與性能指標(biāo)，工控機(jī)內(nèi)需安裝相應(yīng)的功能板卡，計(jì)算機(jī)總線采用PCI總線，功能板卡提供以下接口：

1)提供4路RS422通訊接口；

2)提供4路RS232通訊接口；

3)提供8路TTL脈沖輸出和8路32位計(jì)數(shù)器功能；

4)提供2路CAN總線通訊接口。

測(cè)試平臺(tái)與信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊模塊之間連接關(guān)系如圖5所示。

圖5 測(cè)試平臺(tái)組成及原理Fig.5 Composition and principle of test platform

3.2 測(cè)試過程及結(jié)果

模擬旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)旋轉(zhuǎn)姿態(tài)的測(cè)試工裝如圖6所示。旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)由一個(gè)三方向可調(diào)節(jié)的支架和一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的軸承來模擬，旋轉(zhuǎn)端處理電路安裝在軸承的旋轉(zhuǎn)平面上，固定工作臺(tái)由一個(gè)三方向可調(diào)節(jié)的支架來模擬，固定端處理電路就安裝在支架上。通過調(diào)節(jié)支架上的旋鈕，可以上下、前后、左右調(diào)節(jié)兩個(gè)電路板中心的相對(duì)位置，使光發(fā)射、接收天線對(duì)準(zhǔn)，保證發(fā)射出去的光斑能夠覆蓋到對(duì)端的光有效區(qū)域。

圖6 模擬性測(cè)試圖Fig.6 Simulation test

當(dāng)光發(fā)射、接收天線對(duì)準(zhǔn)后，上電，可看到示波器監(jiān)測(cè)的TTL輸入輸出波形。撥動(dòng)軸承的旋轉(zhuǎn)平面，進(jìn)行各接口功能和性能指標(biāo)的測(cè)試。

串口測(cè)試中，RS422與RS232測(cè)試同時(shí)進(jìn)行，雙向共8路，RS422波特率設(shè)置為614.4kbit/s，RS232波特率設(shè)置為115.2kbit/s，每幀數(shù)據(jù)包括幀頭、幀尾、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)和共13個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)包括1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位共10位，單次通訊不少于100000幀，重復(fù)多次，均未出現(xiàn)丟幀、錯(cuò)幀，滿足了10-6精度指標(biāo)要求。

TTL測(cè)試中，由計(jì)算機(jī)控制脈沖計(jì)數(shù)卡向每個(gè)TTL端口輸入脈沖寬度為10μs、頻率為1kHz的脈沖，同時(shí)用計(jì)數(shù)器采集脈沖頻率和脈沖寬度，電/光和光/電轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘基準(zhǔn)是62.5MHz，轉(zhuǎn)換過程中信號(hào)脈沖寬度和周期將存在最大兩個(gè)時(shí)鐘周期的誤差，而脈沖和計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘基準(zhǔn)是20MHz，按最大兩個(gè)時(shí)鐘周期誤差計(jì)算，波形脈沖寬度總的誤差最大為132ns，頻率誤差最大3Hz，實(shí)際測(cè)試單次不少于1000000個(gè)脈沖數(shù)，脈沖寬度和頻率均在誤差范圍內(nèi)。

CAN總線接口測(cè)試中，兩路CAN總線接口進(jìn)行互發(fā)互收測(cè)試，傳輸波特率設(shè)置為250kbit/s，每幀數(shù)據(jù)8個(gè)字節(jié)，單次通訊9000幀，累計(jì)通訊不少于100000幀，均未出現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤。

調(diào)整測(cè)試工裝支架，不斷改變光傳輸距離，重復(fù)上述測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明在傳輸距離為20～80mm下，傳輸精度均能達(dá)到計(jì)數(shù)指標(biāo)要求。

裝置測(cè)試驗(yàn)證后，與所內(nèi)單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)對(duì)接測(cè)試，在30mm的傳輸距離下，旋轉(zhuǎn)頻率為2r/s的轉(zhuǎn)速下，單次傳輸數(shù)據(jù)不少于10000幀，累計(jì)傳輸數(shù)據(jù)不少于10幀，均未出現(xiàn)丟幀、錯(cuò)幀，每幀數(shù)據(jù)為24字節(jié)，每字節(jié)包括1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位共10位，每幀數(shù)據(jù)為240位，不少于10000幀無差錯(cuò)，結(jié)果表明裝置具有10-7量級(jí)的傳輸精度。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了可用于單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)的近距離非接觸信號(hào)傳輸裝置，具體可提供輸入、輸出接口各不少于9路，系統(tǒng)帶寬不低于155MHz，有效傳輸距離為20～80mm，經(jīng)過各個(gè)環(huán)節(jié)的精密設(shè)計(jì)，可保證10-7量級(jí)的傳輸精度，經(jīng)過各指標(biāo)的測(cè)試，充分驗(yàn)證了該無線光通信裝置代替導(dǎo)電滑環(huán)傳輸電信號(hào)的可行性，裝置也可用于其他相對(duì)旋轉(zhuǎn)的設(shè)備中。為能徹底替代導(dǎo)電滑環(huán)，后期將繼續(xù)進(jìn)行非接觸信號(hào)傳輸及非接觸電能傳輸技術(shù)，以促進(jìn)旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)技術(shù)的大力發(fā)展。

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Non-contacted Signal Transmission Technology Used in Uniaxial Rotating INS

GAO Yan，CHEN Jing-yi，ZHAO Yin-qiu

(Aerospace Science and Industry Inertial Technology Co., Ltd.，Beijing 100074，China)

A kind of non-contacted signal transmission device based on laser communication is designed to transmit electrical signals in rotating INS instead of electric conduction link,which has some disadvantages including short life span,poor reliabilibty and narrow transmission signal bandwidth.This device can greatly improve life span, transmission accuracy, reliability and bandwidth.It’s described in this paper that the design principle,technical realization and verification method of this device.Since it has multiple input & output interfaces,such as RS232,RS422,CAN and TTL,it can meet most of the requirements of INS signal transmission.A 10-7order of magnitude transmission accuracy can be ensured through sophisticated design of each link,with the effective transmission distance of 20～80mm.The feasibility of repalcing electric conduction link with this device is fully validated through a variety of tests. And this design has laid the foundation for the reliability of INS.

Rotating INS;Non-contact;Electricconduction link;Laser communication

2015 - 03 - 02；

2015 - 03 - 20。

高巖(1975 - )，女，博士，工程師，主要從事數(shù)字通信、測(cè)控技術(shù)等方向的研究

E-mail：gaoy0630@163.com

TP291.1

A

2095-8110(2015)03-0090-06