基于虛擬儀器的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)臺的改進(jìn)與實(shí)現(xiàn)

汪 鑫, 雷 勇, 涂國強(qiáng), 張科比, 焦 洋

(四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，成都 610065)

基于虛擬儀器的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)臺的改進(jìn)與實(shí)現(xiàn)

汪 鑫, 雷 勇, 涂國強(qiáng), 張科比, 焦 洋

(四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，成都 610065)

遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)臺實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室的資源共享，成為目前高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中的熱點(diǎn)。針對遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)臺應(yīng)用需求量大而成本較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，提出了一種新型構(gòu)建方案。該方案主要利用單片機(jī)C8051F020代替數(shù)據(jù)采集卡作為系統(tǒng)的測控核心,通過單機(jī)和多機(jī)通信相結(jié)合的通信方式，可以實(shí)現(xiàn)客戶端遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)操作多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目標(biāo)。利用Internet以及LabVIEW實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)通信和平臺交互。最后結(jié)合濾波電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路、電平轉(zhuǎn)換電路等，使用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)終端遠(yuǎn)程采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，搭建實(shí)驗(yàn)電路，觀測實(shí)驗(yàn)過程。實(shí)驗(yàn)表明：新的方案不僅大大的降低了成本，也提升了系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性，滿足了目前教學(xué)實(shí)驗(yàn)改革的需求。

虛擬儀器； 單片機(jī)； 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)臺； 多機(jī)通信

0 引 言

近年來,國內(nèi)外的高校針對實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的匱乏而學(xué)生需求不斷增長的現(xiàn)狀，提出了網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念，開展了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室方面的研究并取得了一定的進(jìn)展。在國內(nèi)，已有部分高校初步建立了用于教學(xué)和科研的虛擬實(shí)驗(yàn)室。而針對虛擬儀器的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)臺的大多數(shù)設(shè)計(jì)方案是基于數(shù)據(jù)采集卡來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，但由于LabVIEW對數(shù)據(jù)采集卡的兼容性和穩(wěn)定性的要求較高，大多數(shù)都會采用NI數(shù)據(jù)采集卡[1-3]。而此類數(shù)據(jù)采集卡不僅價(jià)格昂貴，功能單一，數(shù)據(jù)采集通道有限，因此必須結(jié)合單片機(jī)或其他設(shè)備進(jìn)行操作?？紤]到本文所涉及的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較多，實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜，測量數(shù)據(jù)范圍較寬，如果采用數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對于批量生產(chǎn)而言對成本的要求非常高。單片機(jī)是目前應(yīng)用非常成熟的高度集成化的芯片，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，串口通信，電路驅(qū)動等多種功能。因此使用單片機(jī)代替數(shù)據(jù)采集卡，作為系統(tǒng)控制核心并完成數(shù)據(jù)采集等功能，再結(jié)合自動控制技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，視頻監(jiān)控技術(shù)，虛擬儀器技術(shù)等，不僅可以降低成本節(jié)約經(jīng)費(fèi)，也可以完善實(shí)驗(yàn)臺功能簡化結(jié)構(gòu)。

1 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)臺利用虛擬儀器、單片機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)等平臺，使用戶可通過互聯(lián)網(wǎng)終端訪問遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室，并可自主選擇實(shí)驗(yàn)操作，提交參數(shù)設(shè)定以及觀察實(shí)時(shí)反饋的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)臺整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要分成客戶端層，服務(wù)器層，主機(jī)層，從機(jī)層。利用Internet網(wǎng)絡(luò)用戶可以在客戶層訪問到服務(wù)器的數(shù)據(jù)，服務(wù)層作為客戶層與主機(jī)層之間通信的橋梁，根據(jù)客戶層的要求收集數(shù)據(jù)并反饋結(jié)果。主機(jī)層采用多機(jī)通信方式控制著從機(jī)層中各個(gè)從機(jī)，實(shí)施實(shí)驗(yàn)操作從而獲得測量結(jié)果[4-6]。具體實(shí)施方案是利用單片機(jī)的ADC模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過單片機(jī)I/O控制繼電器動作，從而搭建出不同的實(shí)驗(yàn)電路。LabVIEW與單片機(jī)通過串口連接，通過可視化的圖形界面進(jìn)行虛擬操作，而不同操作對應(yīng)不同指令，由此實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作。且此系統(tǒng)正在專利申請中。

圖1 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)臺整體結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括元件伏安特性實(shí)驗(yàn)、戴維寧定理、疊加定理、日光燈及功率因數(shù)提高、三相交流電路、三相異步電動機(jī)及繼電接觸器控制等基本電路實(shí)驗(yàn)。 針對不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，電路設(shè)計(jì)有所不同，但基本都由五大模塊組成，分別是數(shù)據(jù)檢測模塊，通信模塊，控制模塊，監(jiān)視模塊，交互模塊。模塊化的設(shè)計(jì)使實(shí)驗(yàn)臺具有可擴(kuò)展性強(qiáng)，操作方便的特點(diǎn)[7]。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。主控芯片選擇的是來自Silicon Laboratories公司的C8051F020,是一款完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片。具有高速CIP-51內(nèi)核，多通道帶PGA的12位ADC，多類型串行接口等主要特性，完全符合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的功能和精度要求。單片機(jī)C8051F020作為控制核心主要應(yīng)用于通信、數(shù)據(jù)采集、控制等模塊。通過主機(jī)的雙串口將服務(wù)器與從機(jī)中的各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相連，服務(wù)器又通過互聯(lián)網(wǎng)與遠(yuǎn)程客戶端相連，這樣的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，并保證了實(shí)驗(yàn)過程的實(shí)時(shí)性和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 通信模塊

UART串行總線通信是一種廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)距離，低頻率，低成本的串行傳輸接口。常用的接口標(biāo)準(zhǔn)包括RS232、RS485、RS422等。采用RS232接口標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際應(yīng)用過程中受到的干擾較大，不利于數(shù)據(jù)傳輸，而RS485采用差分方式可以使傳輸更為穩(wěn)定有效。由于實(shí)驗(yàn)臺通信結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制項(xiàng)目眾多，故主要采用RS485接口標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合多機(jī)通信方式進(jìn)行通信[8]。實(shí)驗(yàn)臺通信過程包括服務(wù)器與主機(jī)通信，主機(jī)與從機(jī)通信。服務(wù)器與主機(jī)采用串行通信方式，并利用芯片MAX3232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，主機(jī)與從機(jī)以及從機(jī)之間的通信主要利用MAX485將單片機(jī)的RS232接口轉(zhuǎn)換成RS485接口。如此，一個(gè)主機(jī)可以同時(shí)訪問多個(gè)從機(jī)，使通信更加靈活[9-10]。C8051F020共有兩個(gè)UART(UART0和UART1),它們的功能用法完全相同，因此以UART0為例，UART0是一個(gè)具有幀錯(cuò)誤檢測和地址識別硬件的增強(qiáng)型串行口，并支持多處理器通信。由于MAX485工作在半雙工方式，而UART工作在全雙工形式，故與單片機(jī)的UART相連的時(shí)候需用單片機(jī)的一個(gè)引腳P71來控制數(shù)據(jù)傳送方向[11]。

2.2 控制模塊

遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)臺涉及到的控制電路較多，主要有繼電器控制電路切換，步進(jìn)電動機(jī)帶動滑動變阻器。

2.2.1 繼電器控制電路切換

繼電器是具有隔離功能的自動開關(guān)元件，可以實(shí)現(xiàn)控制電路和實(shí)驗(yàn)電路的電氣隔離，從而降低干擾。同時(shí)C8051F020的P0～P3端口(共32個(gè)I/O引腳)都可以按位尋址，那么利用單片機(jī)的I/O引腳以及相應(yīng)的驅(qū)動電路最多可以控制32個(gè)繼電器開關(guān)。 繼電器驅(qū)動電路由兩個(gè)電平轉(zhuǎn)換器ULN2803和一個(gè)鎖存器74HC573組成，主要為了增強(qiáng)I/O接口驅(qū)動能力并提高輸出電壓以便于控制繼電器的開關(guān)。

2.2.2 步進(jìn)電動機(jī)帶動滑動變阻器

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要遠(yuǎn)程改變負(fù)載的阻值。要實(shí)現(xiàn)此功能可以采用數(shù)字電位器，但由于數(shù)字電位器的工作電流最多只能達(dá)到幾mA，而實(shí)際電路的工作電流可能達(dá)到幾百mA，所以決定采用傳統(tǒng)的機(jī)械電位器，即將步進(jìn)電動機(jī)和滑動變阻器的轉(zhuǎn)軸連接在一起，通過單片機(jī)的I/O發(fā)出指定數(shù)量的方波信號以及輸出電平高低來控制步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動角度和方向從而改變電阻值。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要由數(shù)據(jù)預(yù)處理部分以及單片機(jī)內(nèi)部ADC組成。C8051F020內(nèi)置的ADC0子系統(tǒng)包括一個(gè)12位分辨率、10萬次/s、8通道的逐次逼近寄存器型ADC,一個(gè)可編程增益放大器(PGA0)和一個(gè)9通道的可編程模擬多路選擇器(AMUX0)。PGA對信號的放大倍數(shù)由軟件編程決定，根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的需求可以將增益設(shè)定為0.5、1、2、4、8或16。ADC0的基準(zhǔn)電壓采用外部電壓源，從而達(dá)到可測的電壓范圍0～3.0 V。數(shù)據(jù)預(yù)處理部分主要由高精度的運(yùn)算放大器，變壓器，電流互感器等器件組成。直流實(shí)驗(yàn)主要采用差動比例放大電路和濾波電路采集數(shù)據(jù)，而在測量交流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)(如日光燈實(shí)驗(yàn)，三相電動機(jī))需要利用變壓器和互感器起到降壓變流和電氣隔離的作用，使之達(dá)到ADC有效測量范圍。在實(shí)際操作中，數(shù)據(jù)采集精度可以達(dá)到1 mV，完全符合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)程序編寫

單片機(jī)程序主要分成主機(jī)程序和從機(jī)程序。主機(jī)主要實(shí)現(xiàn)的功能是搭建服務(wù)器與從機(jī)之間數(shù)據(jù)交換的橋梁。而從機(jī)程序不僅僅需要識別主機(jī)發(fā)出的指令，更要將數(shù)據(jù)采集的結(jié)果反饋給主機(jī)，同時(shí)根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)電路切換，數(shù)碼管顯示等功能。單片機(jī)程序主要由三大模塊構(gòu)成，初始化模塊包括時(shí)鐘設(shè)置，端口設(shè)置，以及外設(shè)的初始化設(shè)置等。功能性模塊包括串口通信，AD及DA轉(zhuǎn)換，步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動，數(shù)碼管顯示，指示燈顯示等。附加模塊包括延時(shí)模塊，數(shù)制轉(zhuǎn)換模塊等。以串口通信和AD轉(zhuǎn)換程序?yàn)槔榻B。

3.1.1 基于UART的多機(jī)通信

遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)臺的數(shù)據(jù)交換主要分為4層結(jié)構(gòu)，分別為遠(yuǎn)程客戶端，服務(wù)器，一個(gè)主機(jī)，多個(gè)從機(jī)。遠(yuǎn)程客戶端通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)出控制指令，服務(wù)器接收命令之后，呼叫從機(jī)響應(yīng)，從機(jī)判斷是否被呼叫，一旦呼叫成功指定從機(jī)返回確認(rèn)收到，從而由多機(jī)通信轉(zhuǎn)變成單機(jī)通信。

C8051F020的UART提供4種工作方式，在多機(jī)通信中，通常選擇方式3，通過第9位數(shù)據(jù)位和單片機(jī)串口地址識別硬件支持一個(gè)主機(jī)與多個(gè)從機(jī)之間的多機(jī)通信。通過串口遠(yuǎn)程控制多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并完成多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)操作步驟，因此需要對每一個(gè)實(shí)驗(yàn)從機(jī)進(jìn)行地址編碼，也要對操作步驟編碼，便于主機(jī)識別。同時(shí)，不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采集的數(shù)據(jù)長度不一致，那么在數(shù)據(jù)兩端需要設(shè)定開始標(biāo)志和結(jié)束標(biāo)志[12]。最終形成的通信協(xié)議以及通信過程如圖3所示。

圖3 通信過程

3.1.2 12位數(shù)據(jù)采集模塊ADC

ADC0的最高轉(zhuǎn)換速度為10萬次/s，啟動轉(zhuǎn)換方式共4種，為了實(shí)現(xiàn)定時(shí)的連續(xù)轉(zhuǎn)換選擇方式4，即定時(shí)器的溢出啟動轉(zhuǎn)換。AD數(shù)據(jù)處理程序采用中斷方式可以減少CPU的負(fù)擔(dān)，在中斷程序中將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理并存儲在指定數(shù)組中。只要中斷開啟，數(shù)組中的數(shù)據(jù)就可以不斷刷新，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

3.2 LabVIEW程序編寫

LabVIEW的主要有兩方面的功能。①利用串口通信實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行截取、轉(zhuǎn)換、判斷、顯示、存儲，生成報(bào)告等。②利用LabVIEW的Web發(fā)布工具實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)頁訪問，并使用基于TCP/IP的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議DSTP的DataSocket技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信[13-15]。由此，用戶不僅僅可以在遠(yuǎn)程客戶端的網(wǎng)頁瀏覽器實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的通信，也可以實(shí)時(shí)控制電路獲得數(shù)據(jù)，給用戶呈現(xiàn)實(shí)際操作電路的的真實(shí)感。

為了避免控制命令的發(fā)送和使用錯(cuò)誤，將控制參數(shù)的指令和數(shù)據(jù)捆綁在一起，即在服務(wù)器收到數(shù)據(jù)時(shí)通過預(yù)先設(shè)定的規(guī)則對數(shù)據(jù)進(jìn)行截取，避免通信過程中出現(xiàn)不可預(yù)知的錯(cuò)誤[16]。

4 實(shí)驗(yàn)效果

遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)臺一共設(shè)計(jì)了6個(gè)電路實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，改進(jìn)之后的實(shí)驗(yàn)臺外觀更加簡潔直觀。圖4為部分電路實(shí)驗(yàn)操作界面，包括一階RC電路、疊加原理、三相異步電動機(jī)及繼電接觸控制、三相交流電路。

本文以實(shí)驗(yàn)1為例展示項(xiàng)目改進(jìn)之后的效果。實(shí)驗(yàn)1包括電阻伏安特性曲線測量、二極管正反向特性曲線測量、電壓源伏安特性曲線測量3個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。首先使用賬號登錄系統(tǒng)，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)界面如圖5所示，選擇元件伏安特性實(shí)驗(yàn)。用戶可以自主選擇界面上的按鈕操作。首先點(diǎn)擊‘開始實(shí)驗(yàn)’，在‘程控電源輸出調(diào)節(jié)’輸入電壓值，然后點(diǎn)擊‘改變參數(shù)’，即可在LabVIEW界面上就可以看到實(shí)際測得的電流和電壓值。圖6為實(shí)驗(yàn)的實(shí)物界面圖，同時(shí)從實(shí)際電路中可以看到開啟實(shí)驗(yàn)后對應(yīng)電路的指示燈亮起，實(shí)際測量實(shí)驗(yàn)臺數(shù)據(jù)與界面顯示數(shù)據(jù)完全一致，用戶完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量之后即可點(diǎn)擊生成excel表格并保存。完成實(shí)驗(yàn)之后點(diǎn)擊結(jié)束實(shí)驗(yàn)即可進(jìn)行下一步操作?？梢杂^察到改進(jìn)之后的系統(tǒng)在用戶體驗(yàn)上不會受到任何影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量的精度也滿足基本要求，并且保證了實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚍€(wěn)定有效地進(jìn)行。

圖5 元件伏安特性實(shí)驗(yàn)labview界面

5 結(jié) 語

以虛擬儀器和因特網(wǎng)為基礎(chǔ)建立的遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)臺實(shí)現(xiàn)了校內(nèi)儀器設(shè)備及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的共享，開放式課程和開放式實(shí)驗(yàn)相結(jié)合為用戶提供更好的學(xué)習(xí)平臺。為了改善虛擬實(shí)驗(yàn)臺目前發(fā)展現(xiàn)狀，提出了一種成本低，可擴(kuò)展性強(qiáng)的改進(jìn)方案，即在LabVIEW和Internet的物理基礎(chǔ)上，利用高度集成的單片機(jī)代替昂貴的數(shù)據(jù)采集卡，將數(shù)據(jù)采集、繼電器控制、多機(jī)通信等功能結(jié)合成一體，有效節(jié)省了成本，也提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。用戶僅用聯(lián)網(wǎng)終端即可訪問遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室，并可自主選擇實(shí)驗(yàn)操作，提交參數(shù)設(shè)定及實(shí)時(shí)觀察反饋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過實(shí)驗(yàn)證明改進(jìn)之后的系統(tǒng)在通信和測控等方面都能達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。同時(shí)可通過此平臺采集實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)，依據(jù)對數(shù)據(jù)處理分析從而改進(jìn)和完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核方法、內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)。

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[13] 張 茜，雷 勇. 基于虛擬儀器技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2013(9): 90-93.

[14] 孫道讓，劉蘊(yùn)紅. 基于LabVIEW和IAP的單片機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程, 2011(20): 177-180.

[15] 陶方華，張艷榮. 基于DataSocket技術(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 四川兵工學(xué)報(bào), 2011(5): 83-84.

[16] 羅 建，雷 勇，黃 昊，等. 基于LabVIEW的遠(yuǎn)程電機(jī)實(shí)驗(yàn)臺的構(gòu)建[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2014(3): 122-125.

The Improvement and Implementation of Remote Experimental Platform Based on LabVIEW

WANG Xin, LEI Yong, TU Guoqiang, ZHANG Kebi, JIAO Yang

(School of Electrical Engineering and Information， Sichuan University, Chengdu 610065, China)

Remote experimental platform implements the resource sharing of laboratory, and becomes the focus of research in the laboratory construction of colleges and universities. The remote experimental platform has great application demands, but high cost and complex structure. A new system construction program is proposed in the paper, it is highly scalable, easy to operate. Single chip microcontroller (SCM) C8051F020 (DAQ) is used to substitute the data acquisition card, and served as detection and control core of the system. Based on SCM communication of single-computer communication and multi-computer is realized, and various experimental projects of client goals are completed by remote real-time operation. It can achieve communications and interaction online by the Internet and LabVIEW. Then combining with the filter circuit, stepper motor drive circuit, level conversion circuit, etc., users can collect remotely experiment data through any network terminal, set up the circuit, and observe the experiment process. Finally, experiments show that the new scheme not only greatly reduces the cost, but also improves the system performance and stability, it can meet the demands of the reform in experiment teaching at present.

virtual instrument; single chip microcomputer; remote experimental platform; multi-computer communication;

2016-11-15

四川大學(xué)新世紀(jì)教改工程項(xiàng)目(五期)(2011010811)

汪 鑫(1993-)，女，重慶人，碩士生，主要從事虛擬儀器實(shí)驗(yàn)、信號檢測等方面的研究。

Tel.：18200280053;E-mail: 458657109@qq.com

雷 勇(1966-)，男，四川內(nèi)江人，教授，主要從事電工理論與新技術(shù)、智能測試及控制、機(jī)器人等方面的教學(xué)與研究。

E-mail: yong.lei@163.com

TP 391.9

A

1006-7167(2017)08-0125-04