測量儀器儀表設(shè)計和實(shí)現(xiàn) 機(jī)械制造專業(yè)

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1、摘要 測量儀器儀表包括壓力測量儀器的總的發(fā)展趨勢是高性能、數(shù)字化、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化。氣缸壓力表對汽車有著重要意義，氣缸壓力是發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的一個重要參數(shù)，傳統(tǒng)的指針式壓力表存在指針擺動誤差較大等固有缺陷，而本文所涉及到數(shù)控壓力表系統(tǒng)是將單片機(jī)作為自身的主控內(nèi)核，并且通過數(shù)字化的液晶顯示器作為其顯示端口，對所有目標(biāo)的數(shù)控都實(shí)現(xiàn)了基于單片機(jī)的智能化模式。而且也可以讓用戶得到準(zhǔn)確度很高的數(shù)據(jù)信息。 本文有關(guān)設(shè)計的最直接目的就是要在減少設(shè)備投入和所占用空間的前提下，全面提升該設(shè)備的使用廣泛性以及自身系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，精確性和可靠性電池供電、長壽命、低功耗、低成本數(shù)字式、耐震壓力表的設(shè)計目的出

2、發(fā)具有一定的使用價值。 本論文所設(shè)計的相關(guān)儀表測量系統(tǒng)在收集壓力數(shù)據(jù)信息時所依靠的主控核心為MSP430單片機(jī)，并且通過和液晶顯示器的共同搭配來實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的收集和展現(xiàn)功能。這里所依靠的這一款MSP430單片機(jī)在計算速度，能耗和設(shè)備開發(fā)簡易程度方面都有著很明顯的優(yōu)勢，這也讓整個控制系統(tǒng)的設(shè)計流程變得更加簡單易行。經(jīng)過調(diào)試的結(jié)果表明該設(shè)計方案可行，能過實(shí)現(xiàn)汽車氣缸壓力檢測采集和顯示。 關(guān)鍵詞：電子式氣缸壓力表，單片機(jī)，壓力信息采集 第一章緒論 1．1壓力與壓力測量 單位面積物體表面所承受的針對這一物體所施加的力叫做壓力。 這樣的力大抵可以分為絕對壓力和相對壓力兩種類型，其中的絕對壓力

3、指的是流體所受到的單向的壓力。而相對壓力則是兩兩壓力之間產(chǎn)生的力量差；通常來講，即時的現(xiàn)場大氣壓可以作為一項可以參照的壓力標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)絕對壓力減去參考壓力得到的壓力差為正值時，那么對應(yīng)的相對壓力即為表壓（gauge pressure）；若絕對壓力減去參考壓力得到的壓力差為負(fù)值，則相對壓力就可被稱為負(fù)壓或者真空度。 針對壓力的計量單位會因為其使用的不同科目而有所差別，目前國際通用的壓力計量單位是帕斯卡；在熱工學(xué)所需要的所有參數(shù)中，壓力參數(shù)的地位十分重要，在工業(yè)生產(chǎn)，日常生活乃至科學(xué)研究的過程中經(jīng)常都要用到各種氣壓和液壓的相關(guān)測量活動。針對壓力測量的需求和實(shí)踐充斥著我們的日常生活，可以說每時每刻都在

4、進(jìn)行，不管是何種領(lǐng)域只要存在著對氣壓乃至液壓的具體使用，那么壓力的測量必然相伴出現(xiàn)；對各類壓力的測算和操控是多種智能化自動化的工業(yè)生產(chǎn)控制在實(shí)現(xiàn)過程中不可缺少的一環(huán)；不管是車船飛機(jī)這樣的交通手段，還是醫(yī)療天氣乃至空調(diào)制冷這樣的生活必需，無數(shù)的領(lǐng)域內(nèi)部都會使用到壓力測量。而且一部分的另類測量活動和壓力測量之間可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化和互換。比如測量儲油罐內(nèi)部原油的具體數(shù)量時，就可以通過對罐底油壓測量結(jié)果的運(yùn)算而獲得具體結(jié)果。 在工業(yè)活動中對液壓或者氣壓進(jìn)行工業(yè)自動化測量時就需要用到壓力測量儀表（壓力表或者壓力計），這種測量表不僅可以顯示或記錄即時的壓力數(shù)據(jù)，還可以和警示或者控制設(shè)備搭配使用。 1643年

5、，意大利人托里拆利首先測定標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓力值為760毫米汞柱，奠定了液柱式壓力測量儀表的基礎(chǔ)。1847年，法國人波登(Eugene Bourdon)制成波登管壓力表，由于結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用，很快在工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用，一直是常用的壓力測量儀表。 誕生于上世紀(jì)初的遠(yuǎn)傳壓力表和電接壓力表將一直以來的壓力數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送和對超標(biāo)壓力的警示和管控難點(diǎn)予以攻克。 基于各類彈性零件在壓力作用下會產(chǎn)生形變的原理研制出來的壓力測量儀表即為彈性式壓力測量儀表。按照內(nèi)部配備的彈性零件的種類來劃分，則這一類壓力測量儀表包括彈簧管式、膜片式、膜盒式以及波紋管式幾類。如果按照相應(yīng)的功效進(jìn)行劃分則可以被分為遠(yuǎn)傳式，電接點(diǎn)式和指示

6、式三類。彈性式壓力測量儀表的最大優(yōu)點(diǎn)在于簡便但是耐用的結(jié)構(gòu)材質(zhì)以及很寬廣的壓力測試范圍，因此也是多類型壓力測量表中最為普遍應(yīng)用的種類。 電子測量式壓力表的內(nèi)核部件主要是壓力傳感器，在測量時會將自身感受到的被測試壓力通過一定規(guī)律的電信號加以反映。其具體可分為壓力傳感器，壓力變送器和數(shù)字式壓力表三類。如果輸出的電信號屬于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格(4～20mA直流電流、1～5V直流電壓)，時，則該設(shè)備為壓力變送器，如果將傳感器和信號處理系統(tǒng)以及顯示屏配合使用，則該設(shè)備為電子數(shù)字壓力表。如果將控制和記錄裝置和壓力表本身裝配到一起，則整套壓力測量設(shè)備就擁有了對數(shù)據(jù)收集處理以及打印以及控制方面的多項自動化功能。 目前

7、存在著多種多樣的壓力傳感器，具體而言包括電位器類、壓阻類、霍爾類、電感類、電壓類以及振動類等。這些傳感器的精準(zhǔn)程度可以達(dá)到0.01級別，測壓跨度可以為10pa到700pa不等。 1．2壓力測量的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 壓力測量的大范圍實(shí)踐應(yīng)用催生了大量的多種類壓力測量需求，這也間接推動了壓力測量活動的不斷進(jìn)步。除了校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)化壓力測量以外，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)探索中，彈性和電子式壓力測量儀表依然是最為廣泛使用的兩類儀表。雖然多年的演進(jìn)過程讓彈性壓力測量儀表有了很大的適用范圍和足夠成熟的制造技術(shù)，但是它在現(xiàn)今不斷提升的自動化進(jìn)程影響下已經(jīng)難以獲得更大的發(fā)展前景，其地位也開始逐漸被電子式壓力測量儀

8、表所取代，而以傳感器及二次儀表技術(shù)為代表的電子式壓力測量儀表的相關(guān)技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)取得了巨大的飛躍。 作為一種讓無數(shù)人高度關(guān)注的高新技術(shù)，傳感器技術(shù)的發(fā)展速度可以用難以置信來形容，而且它已經(jīng)成為了當(dāng)今科技飛躍的重要代名詞。和傳感器技術(shù)有關(guān)的多種新型材料和工藝流程同樣被嫁接到了壓力傳感器的研發(fā)過程當(dāng)中，其中光導(dǎo)纖維、陶瓷材料、單晶硅、多晶硅、碳化硅、藍(lán)寶石、金剛石等材料得到廣泛的應(yīng)用，在半導(dǎo)體集成電路制造中應(yīng)用的微機(jī)械加工技術(shù)。 壓力傳感器的應(yīng)用發(fā)展條件因為不同的適用領(lǐng)域而出現(xiàn)了多頭發(fā)展的趨勢。例如：高溫壓力傳感器就適用于對高溫度目標(biāo)的壓力測量以及在高溫工作環(huán)境下進(jìn)行測量，這里提一下由德國IME

9、S公司開發(fā)的HTT-01高溫傳感器，這樣的傳感器在耐熱、抗沖擊、抗循環(huán)負(fù)載等方面有著很強(qiáng)的優(yōu)勢，而且作為一種膜式應(yīng)變傳感器的HTT-01可以承受高達(dá)1700℃的高溫，因此其具體應(yīng)用地點(diǎn)也為諸如往復(fù)壓縮機(jī)、汽柴油引擎氣缸以及高壓燃料系統(tǒng)這樣的高溫高壓目標(biāo)。 有時為了檢測高速變化的動態(tài)壓力趨勢，就需要用到具備高動態(tài)性質(zhì)的壓電式傳感器，該類型傳感器具有小巧簡單的外部構(gòu)造，在無需外接電源的狀態(tài)下就可以呈現(xiàn)足夠的高精準(zhǔn)性和相應(yīng)頻率，可以測量動態(tài)壓力趨勢，因此其應(yīng)用目標(biāo)基本上都屬于空氣動力，爆炸學(xué)以及引擎內(nèi)燃壓力的測量等等。有效測量范圍為∞700pa到0再到70mpa不等，并能達(dá)到千分之一的精準(zhǔn)度。

10、將壓力數(shù)據(jù)通過光波進(jìn)行輸送的光纖壓力傳感器對于電磁和電氣擾動，以及靜電和腐蝕性物質(zhì)有著很好的抵抗力，而且不會產(chǎn)生靜電打火，所以十分適合于在高壓和燃爆系數(shù)高的環(huán)境中進(jìn)行測量。而且其架構(gòu)簡單，并且有很好的精準(zhǔn)度和靈敏性，這種適合于微小空間測量的特性讓其被廣泛關(guān)注并得到了全面提升。 美國Micron Instruments生產(chǎn)的MPl00、MPl01型壓力變送器就是兩類適用于微小空間工作的小型壓力傳感器，其不到一毫米的通徑讓它在極小的空間內(nèi)暢行無阻。 齊平膜傳感器適合于對粘稠物體的壓力測量；量程0-25pa的超低壓力傳感器和700mpa量程的超高壓力傳感器可以用于大范圍的壓力測量；另外還存在著抗

11、腐蝕以及多相流狀態(tài)的壓力傳感器等。 與壓力傳感器不分伯仲的壓力二次儀表同樣也取得了飛躍式的發(fā)展，這里提到的二次儀表屬于扣掉敏感零件之后執(zhí)行壓力信號擴(kuò)張、轉(zhuǎn)化、傳送和展示功能的相關(guān)零部件，不過在實(shí)踐過程中，部分壓力測量儀表的敏感零件和二次儀表是不可分割的。對于二次儀表的發(fā)展趨勢，大體可以被概括為標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化五點(diǎn)。 (1)標(biāo)準(zhǔn)化 這一條主要指的是標(biāo)準(zhǔn)化的輸出信號模式，普通的壓力傳感器所輸出的信號都十分微弱，甚至還會出現(xiàn)傳輸?shù)姆蔷€性狀態(tài)，所以基于提升采集和顯示傳感器所輸出數(shù)據(jù)的便捷性考慮，就西藥通過信號調(diào)理線路將傳感器所輸出的壓力信號轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化的，適用于復(fù)雜即時工業(yè)

12、生產(chǎn)活動所使用的測量控制專用型號。這樣的標(biāo)準(zhǔn)型號可以讓采集控制系統(tǒng)的具體設(shè)計過程內(nèi)不用考慮壓力傳感器本身的激勵和信號輸送模式以及其輸送范圍和非線性狀態(tài)，這樣的標(biāo)準(zhǔn)模塊化處理讓整個系統(tǒng)設(shè)計過程更加快捷。 (2)數(shù)字化 除了上面提到的信號標(biāo)準(zhǔn)化以外，二次儀表還呈現(xiàn)出了數(shù)字化的發(fā)展趨勢，具體而言就是未來的二次儀表輸出的內(nèi)容將更多以數(shù)字量而非模擬量的模式呈現(xiàn)，數(shù)字將會成為顯示和輸出的主流，這樣一來，放大電路，AID轉(zhuǎn)換和微型CPU將會被加裝進(jìn)入壓力傳感器模塊。讓壓力測量信息通過數(shù)字化模式基于某一類通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)對象為主控計算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，這樣一種把各類數(shù)字化的傳感器輸出信號基于現(xiàn)場總線相互連接的模式

13、，以必然是未來測控系統(tǒng)的一種發(fā)展主流。 (3)集成化、智能化 基于傳感器和微型控制設(shè)備技術(shù)的演進(jìn)，以及不斷推進(jìn)的測壓系統(tǒng)智能集成化水準(zhǔn)，讓智能集成傳感器的構(gòu)成發(fā)生了巨大的變化，從簡單的傳感裝置發(fā)展成為了將傳感裝置，信號調(diào)理線路，微信CPU以及輔助配件共同架構(gòu)的芯片集成塊，這樣的芯片集成塊在某些時候還會加裝多類型敏感配備，從而在診斷矯正、溫度補(bǔ)償、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)通訊乃至多類型數(shù)據(jù)測定方面都有了用武之地，而且在成本和產(chǎn)量的優(yōu)化上也有了不可比擬的優(yōu)勢。舉例來說，美國LUCAS、NOVASENSOR公司開發(fā)的血壓傳感器現(xiàn)在就已經(jīng)達(dá)到了周產(chǎn)萬只的規(guī)模。 (4)網(wǎng)絡(luò)化 基于測控系統(tǒng)的多通道架構(gòu)需求

14、，網(wǎng)絡(luò)化也是壓力測量模塊在未來的一個必然發(fā)展趨勢，而且這樣的趨勢因為現(xiàn)場總線的出現(xiàn)而變得更加明顯，需要說明的是現(xiàn)場總線在全球自動化領(lǐng)域的地位已經(jīng)炙手可熱。所謂的現(xiàn)場總線，就是連接現(xiàn)場各類智能儀表和主控設(shè)備兩者之間的一種雙邊開放式數(shù)字多站點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)，這一系統(tǒng)的存在讓測控系統(tǒng)的現(xiàn)場架構(gòu)變得更有靈活性，數(shù)字化的信號在現(xiàn)場總線內(nèi)部不會產(chǎn)生任何損失，所以更方便于搭建散布式的壓力測控系統(tǒng)。 1.1本課題研究背景及意義 隨著人類社會的發(fā)展,汽車已成為人們出行的必要工具,而隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展,汽車在使用過程中,隨著使用時間的延長或行駛里程的增加,其故障也會頻繁出現(xiàn),為了確定汽車在使用時技術(shù)狀況良好,就

15、要求我們對汽車的各項使用性能做檢測。氣缸壓力是發(fā)動機(jī)一個十分重要的數(shù)據(jù),它能決定發(fā)動機(jī)的多項性能發(fā)揮，可以說與大多數(shù)的發(fā)動機(jī)性能之間都有著很大的關(guān)系。氣缸的壓力只要達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，那么就可以從規(guī)范角度否定掉所有的發(fā)動機(jī)性能。汽車發(fā)動機(jī)的動力水準(zhǔn)和經(jīng)濟(jì)程度和氣缸壓力的水準(zhǔn)成正相關(guān)，一旦下降必然會讓汽車本身動力困難且更加耗油，還會帶來一連串的故障。 而隨著科技的進(jìn)步，相應(yīng)的基礎(chǔ)檢測設(shè)備也應(yīng)同步升級和高效應(yīng)用。傳統(tǒng)的指針式氣缸壓力表存在指針擺動誤差較大，讀數(shù)不直觀不便捷等固有缺陷，已不適用汽車氣缸壓力的檢測，而電子式數(shù)顯壓力表數(shù)據(jù)讀取高效便捷，有更好的穩(wěn)定性，精確性和可靠性，更可以減小體積和擴(kuò)大適用范

16、圍。 本課題設(shè)計的電子式氣缸壓力表針對現(xiàn)代汽車的檢測與維修，在現(xiàn)有成熟技術(shù)和成本控制理論的基礎(chǔ)上來對氣缸壓力數(shù)據(jù)的收集輸送以及顯示問題加以解決。 1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀 汽車發(fā)動機(jī)氣缸壓力信號的采集，就是通過傳感器的相關(guān)技術(shù)在不拆裝汽車發(fā)動機(jī)的原則下驗證發(fā)動機(jī)的具體性能并實(shí)現(xiàn)對故障點(diǎn)及其產(chǎn)生原因的排查。在很早一段時間里，采集汽車發(fā)動機(jī)氣缸壓力的信號的活動因為當(dāng)時不發(fā)達(dá)的傳感器和電子測量水平的緣故面臨著很大的困難。對汽車發(fā)動機(jī)故障的判斷主要都依靠人力來進(jìn)行。處于汽車維修工序一線的人員在自身維修經(jīng)驗的引導(dǎo)下，通過聽，觸或者發(fā)動的方式來檢測汽車的性能和故障點(diǎn)，因此工作人員的經(jīng)驗很大程度上決定了檢測

17、活動的準(zhǔn)確程度。雖然這樣的檢測無需太多的高科技設(shè)備儀表就可以輕松完成，但顯然存在著低效率，長時間和易誤判的嚴(yán)重缺點(diǎn)。 后來，一些針對汽車壓力傳感器以及引擎的測量設(shè)備儀表在電子測量技術(shù)的演進(jìn)過程中被人們運(yùn)用于實(shí)踐活動。即指針式氣缸壓力表，極大的提高了檢測效率，上世紀(jì)80年代的微控制裝備，信號處理以及自動化浪潮催生了以微控設(shè)備為核心的汽車性能測試和故障排查系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在獲取傳感器輸出的各類性能信息之后，通過對信息的放大調(diào)理進(jìn)行相關(guān)的采集和處理流程，從而通過相應(yīng)的處理結(jié)果來檢測汽車發(fā)動機(jī)的即時運(yùn)轉(zhuǎn)情況。 1.3課題研究的主要內(nèi)容和論文內(nèi)容安排 1.3.1 研究內(nèi)容 1）對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集顯示

18、系統(tǒng)進(jìn)行探討，做出初步設(shè)計 2）根據(jù)初步設(shè)計，以單片機(jī)為數(shù)據(jù)采集基準(zhǔn)部件，從傳感器輸出的氣缸壓力信號經(jīng)過預(yù)處理及A/D轉(zhuǎn)換顯示到液晶屏上 3）根據(jù)模塊，電路設(shè)計，制作數(shù)據(jù)采集與顯示 4）編寫適當(dāng)程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與顯示 1.2.2 論文內(nèi)容安排 第一章為緒論部分，簡要闡述該課題的研究背景與意義第～章簡述了壓力測量的發(fā)展歷史，壓力測量在生產(chǎn)生活中的重要作用，壓力測量儀器的分類及各自的特點(diǎn)，舉例說明了壓力測量儀器的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了壓力測量儀器的主要發(fā)展趨勢和方向。 第二章為系統(tǒng)總體設(shè)計方案 第三章為系統(tǒng)硬件設(shè)計部分。設(shè)計系統(tǒng)內(nèi)部的硬件電路，對MSP340單片機(jī)及其外圍電路的設(shè)計模式進(jìn)

19、行了介紹 第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計，細(xì)節(jié)化設(shè)計了系統(tǒng)的軟件流程。 第五章調(diào)試系統(tǒng)。本次設(shè)計方案通過調(diào)試證明了可行性。 第六章為總結(jié) 第二章系統(tǒng)總體設(shè)計方案 2.1設(shè)計需求分析 1、系統(tǒng)硬件具有便攜性、低功耗的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對氣缸壓力傳感器輸出信號的調(diào)理和采集。 2、能對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。 數(shù)字壓力表基本模塊 2.2設(shè)計思路 對系統(tǒng)的總體設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的全局化目的，通過初期的硬件篩選確認(rèn)了一個簡單的系統(tǒng)設(shè)計方案，并且在后期加入了硬件可行程度的考量。在反復(fù)的論證以后，總體設(shè)計方案內(nèi)部的數(shù)字壓力表的內(nèi)核的單片機(jī)部件選擇美國德州公司生產(chǎn)的MSP430低耗能單片機(jī)，并

20、相應(yīng)遴選了同樣具備耗能和投入相對較低的儲存裝置，放大裝置以及液晶顯示器等一系列元件（具體選擇對象見3.1）,以下為總設(shè)計方案。 圖2.3是本系統(tǒng)的基本組成架構(gòu)，壓力傳感器和放大器的所需要控制和電能均來源于處于處于核心地位的單片機(jī)，傳感器發(fā)出的壓力信號在經(jīng)過電信號轉(zhuǎn)化以后，會被放大器擴(kuò)大到足以使和A/D轉(zhuǎn)換的電壓幅度，這一電壓會在430單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器上進(jìn)行轉(zhuǎn)化并最終形成所需要的數(shù)字量。然后數(shù)字量會在單片機(jī)內(nèi)部經(jīng)過基于外部儲存的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的運(yùn)算過程得到相應(yīng)的壓力數(shù)據(jù)并在液晶顯示器內(nèi)部加以顯示。在運(yùn)算過程中，測量數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)壓力數(shù)據(jù)之間會相互對應(yīng)，外設(shè)的儲存裝置內(nèi)部存儲有備用的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。經(jīng)過穩(wěn)壓

21、處理以后的電池將長期安裝在儀表內(nèi)進(jìn)行為單片機(jī)，顯示器以及存儲設(shè)備提供電能的工作。 2.2 Fig．2．3 Schematic Diagram ofthe System Design 圖2.4為全局化的軟件方案，在通電初始化結(jié)束以后，系統(tǒng)會斷掉傳感器和放大器的電源同時進(jìn)入功率節(jié)省模式，之后進(jìn)入同先期設(shè)置的采樣時間相匹配的延時循環(huán)，這一循環(huán)的及時過程將維持一個采樣周期。之后系統(tǒng)將從功率節(jié)省模式中退出并同時將電能接入傳感器和放大器進(jìn)行測量和A/D轉(zhuǎn)化，以及數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理和顯示器顯示，測量顯示完成后將跳回節(jié)電模式并循環(huán)進(jìn)入下一采樣周期，如此重復(fù)整個的運(yùn)作過程。 3．1元件選擇 功率節(jié)省和省

22、錢亦是元件遴選的唯一準(zhǔn)側(cè)，基于前文可知，基于長效化的穩(wěn)壓器，單片機(jī)以及儲存設(shè)備以及顯示器的工作特性，在具體的設(shè)備遴選過程中必須考量其在未采樣時間內(nèi)的電流消耗，也就是說遴選這四大元件的標(biāo)準(zhǔn)高低將直接決定設(shè)備本身是否保有超過730天的工作壽命。 3．1．1單片機(jī)的選擇 單片機(jī)的選擇在整個系統(tǒng)中的設(shè)計中至關(guān)重要，傳統(tǒng)的單片機(jī)在靜態(tài)的時候也會消耗較大的電流，無法滿足系統(tǒng)低功耗的要求，例如ATMEL公司的AT89LV51單片機(jī)，在3V供電(f=12MHz)的情況下，活動模式下電流消耗為5．5mA，休息模式下電流消耗為ImA，電流隨著工作頻率的下降而下降，但仍然無法達(dá)到電池提供系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)做需要的電能

23、需求，所以在多次比較以后，本設(shè)計將美國德州公司生產(chǎn)的MSP340單片機(jī)作為設(shè)計用單片機(jī)，在這一系列的16超功率節(jié)省單片機(jī)內(nèi)部加裝了A/D轉(zhuǎn)換裝置，因此屬于針對智能儀表以及便攜式電池能源設(shè)備的專門性設(shè)計。 3，1．1．1 MSP430F1121簡介 如圖3．2為MSP430F1121的管腳分配圖。 MSP430F1121是一個20腳SOWB封裝芯片，該型號單片機(jī)為Flash型，可反復(fù)編程，片內(nèi)有4K字節(jié)程序存儲器和128字節(jié)的RAM。MSP430F1121內(nèi)集成了可用于斜坡A／D轉(zhuǎn)換(Slope A／D)的比較器A(Comparator A)和功能強(qiáng)大的計時器A(Timer A

24、)。片內(nèi)配有兩組I／O口P1和P2(每個I／O都是多功能復(fù)用的)、 1、獨(dú)特的時鐘系統(tǒng)，低工作電壓與超低的功耗。 MSP430的工作電壓范圍為1.8V~3.6V，特別是在2.2V, 1MHz主頻下，它的活動模式工 作電流僅為280 T} = lV * T f281: RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅0.1 uA } IO輸入端口的漏電流最大僅SOnAo MSP430系列單片機(jī)具有獨(dú)特的時鐘系統(tǒng)設(shè)計，包括基本時鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)(FLL和FLL+)時鐘系統(tǒng)或DCO數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng)。CPU和對單片機(jī)外設(shè)每塊所依賴的時鐘信號從多種類型的時鐘系統(tǒng)內(nèi)發(fā)出，這些信號的開關(guān)都是通過對應(yīng)的寄存

25、裝置以及外部命令來實(shí)現(xiàn)的，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功率節(jié)省目的，而且多類型的工作模式可以依據(jù)功能模塊的實(shí)際使用狀態(tài)來選擇激活。 除此以外，該系列單片機(jī)可以通過矢量終端的模式實(shí)現(xiàn)對十幾個中斷源的支持同時允許隨意套嵌行為的存在，只需要通過Gu就可以利用中斷指令喚醒CPU處理器，對于外部出現(xiàn)的中斷時間指令可以通過功率節(jié)省編程技術(shù)在功率節(jié)省的同時實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。單片機(jī)的功率節(jié)省目的不能通過性能上的折扣來交換，一般采用W/MIPS(瓦特/百萬指令每秒)來衡量微處理器的功耗，MSP430系列單片機(jī)在活動模式下，這個指標(biāo)的值為250uA/MIPS，相對于傳統(tǒng)的MCS51單片機(jī)10 mA -20mA/MIPS而言，最好

26、的功率節(jié)省效果和最好的運(yùn)轉(zhuǎn)性能并不會發(fā)生沖突。除了考慮單片機(jī)自身的功耗以外，整個系統(tǒng)的功耗也需要被重點(diǎn)關(guān)注，如果單片機(jī)本身存在很大的漏電流，則系統(tǒng)的功耗也會很高。本設(shè)計所使用的MSP430單片機(jī)，存在于輸入端口的漏電電流極值為50nA，這已經(jīng)超出了其他類型的單片機(jī)的漏電流最低極限。所以可以指導(dǎo)該系列單片機(jī)已經(jīng)從很多角度證明了其良好的系統(tǒng)功率節(jié)省性，最佳功率節(jié)省單片機(jī)當(dāng)之無愧。 2、運(yùn)算處理速度快，通過寄存器，可設(shè)置單片機(jī)工作的時鐘源。 系統(tǒng)發(fā)布指令的速度會因為XT2高速晶振的運(yùn)行而得到很大提升，單個的及其周期和時鐘周期相互對應(yīng)，也就是說8M的系統(tǒng)主時鐘只對應(yīng)1/8us的及其

27、周期，單片機(jī)的內(nèi)部多類型計算都接納數(shù)據(jù)和片上存儲設(shè)備的參與，同時運(yùn)作一個高效高速的查表處理辦法。因此在開發(fā)條件和測試條件上的優(yōu)勢十分明顯。 MSF430系列單片機(jī)可分為OTF型、FLASH型和ROM型3種類型的器件，國內(nèi)目前運(yùn)行較多的單片機(jī)類型為FLASH型。其他兩種型號的相應(yīng)元件必須通過專門的仿真系統(tǒng)才能存在，F(xiàn)LASH型單片機(jī)內(nèi)配屬的JTAG調(diào)試端口可以將目標(biāo)代碼直接載入單片機(jī)內(nèi)部，并通過相應(yīng)接口實(shí)現(xiàn)對單步或連續(xù)的單片機(jī)程序編碼的運(yùn)轉(zhuǎn)控制以及對CPU的讀取工作，這樣一來，應(yīng)用程序的編寫和調(diào)試都在一個綜合化的軟件條件下完成，因此提升了軟件開發(fā)人員編寫和測試程序的簡便性。全套的程序編

28、輯和測試只依靠一個單純的JTAG仿真端口基于C語言進(jìn)行，省掉了專門的程序編寫設(shè)備。 3．1．1．2 MSP430F1121單片機(jī)開發(fā)工具 符號化編程，程序匯編和C語言程序混編都可以通過MSP430單片機(jī)來完成，而且這一款單片機(jī)與多種第三方應(yīng)用程序軟件存在支持關(guān)系。MSP430F1121配套的開發(fā)工具是由德國IAR System公司開發(fā)的IAREmbeddedWorkbenchforMSP430Kickstart這是一個綜合性的開發(fā)環(huán)境，可以同時完成程序的編寫、翻譯、橋接、測試以及FLASH編寫等多種功能，圖3.4所顯示的程序測試就是這一環(huán)境下完成的，程序可以通過這一工具軟件直接下載到單片機(jī)

29、內(nèi)部并且通過JTAG直接進(jìn)行線上的是和調(diào)整，在該環(huán)境運(yùn)作的同時，寄存設(shè)備以及內(nèi)存里面的數(shù)據(jù)都可以被查閱或增刪修改。系統(tǒng)不管是在單步還是斷點(diǎn)狀態(tài)下都可以實(shí)現(xiàn)最快的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，此外系統(tǒng)的編輯界面內(nèi)還可以提示運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的當(dāng)前變量值，因此降低了程序開發(fā)的難度。 3．1．2液晶顯示器的選擇 長沙太陽人電子的SMS0408被選為本次設(shè)計所使用的液晶顯示器，如圖3.5所顯示的顯示器是一個大規(guī)格字體的高液晶西安市區(qū)塊，高度約為18毫米，人們可以遠(yuǎn)距離看清顯示器上清晰顯示的各類數(shù)據(jù)；工作溫度為-20～50。C，使用溫度范圍較寬，適合于系統(tǒng)的要求。該模塊工作電流在3v工作時只有20A，因為實(shí)踐狀態(tài)下的數(shù)據(jù)會反復(fù)

30、改變，無法顯示所得數(shù)據(jù)段，所以真正意義上的電流消耗只有10-19A，符合設(shè)計的需要。 3．1．3存儲器的選擇 對電壓的測量過程基于加裝Slope A/D的MSP430F1121單片機(jī)的存在，因此遵循的也是非線性的工作原理，所以必須將可能會在測量時需要使用的相關(guān)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)事先加以儲存從而規(guī)避這樣的非線性。同時需要注意到，該系列單片機(jī)內(nèi)部只存在有單獨(dú)的看門狗定時器以及Timer A,且這兩個定時器的測量及時均已采樣時間為基準(zhǔn)，所以看門狗就并未存在于系統(tǒng)之中，這樣一來單片機(jī)就不會具備充足的運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性。正因為如此，在本設(shè)計種的存儲器環(huán)節(jié)選擇了自帶可編程看門狗功能的E2PROM X25043存儲器。該

31、型號基于CMOS工藝的存儲器的靜態(tài)功耗在10A以下，通過2.7V-5.5V的電源來維持其低功耗運(yùn)轉(zhuǎn)，且可以將看門狗程序加入集成配置。 3，1。4傳感器的選擇 按照前文概述，目前有多種類型的壓力傳感器出現(xiàn)在市場上，因此處于對投入和系統(tǒng)性能的綜合考慮，在本設(shè)計種選擇了壓阻型陶瓷壓力傳感器，在不讓性能大打折扣的原則下，讓所選產(chǎn)品盡可能擁有足夠的低廉價格和較高的橋路電阻和內(nèi)阻，就可以通過降低工作電流來降低功耗。在對充斥于市場的多種產(chǎn)品進(jìn)行選擇的過程中，處于價格和提貨時間的綜合考量，我們并未鎖定單獨(dú)一家，而是將若干家符合要求的供貨商作為備選貨源。傳感器的性能主要決定于橋路電阻、敏銳性、溫度系數(shù)三個因

32、素。因此選擇的具體標(biāo)準(zhǔn)即為高靈敏度和低溫度系數(shù)的壓力傳感器，且該傳感器必須有超過8KΩ的橋路電阻。 3．1．5放大器的選擇 A/D轉(zhuǎn)換器的輸入內(nèi)容為放大后的傳感器mV級輸出信號，所以必須要將低功耗和低投入同時作為遴選放大器的原則，而且電池供電的設(shè)定又限制了放大器單源供電的性能狀態(tài)，其工作電壓必須符合電池電壓，不過多點(diǎn)校準(zhǔn)的低投入設(shè)計方案不會對線性的放大器指標(biāo)提出太高要求。所以在這里并沒有采用投入較高的專門化儀表放大器，而是選擇了和單片機(jī)同樣出產(chǎn)公司的TLV2211放大器。圖3.6即為其封裝示意圖。 3．1．6穩(wěn)壓器的選擇 選擇電池供電模式注定系統(tǒng)電壓會隨著電池的不斷消耗而降低，一部分電

33、器元件的工作性能會因為電壓的變化而變化，所以系統(tǒng)處于維持測量精確度的考慮需要一個穩(wěn)定的電源來規(guī)避電壓的不斷下降的問題。而且工作電壓和低功耗元件的功耗水平之間呈正相關(guān)，所以出于減少功耗和延長電池使用時間的考慮，故加裝了一個能夠降低系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)電壓的穩(wěn)壓器于系統(tǒng)內(nèi)部，因為外部儲存設(shè)備的輸入工作需要2.7V的電壓，因此將工作電壓設(shè)置為2.8V就可以實(shí)現(xiàn)功耗的最小化。這里的穩(wěn)壓器選擇MAXIM公司出產(chǎn)的MAX884線性低電壓差穩(wěn)壓器。 3．2信號調(diào)理與A／D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計 壓力傳感器傳出的信號屬于mV級別，且會因為傳感器靈敏性和零點(diǎn)的不同而發(fā)生變化，所以必須將其調(diào)理到符合A/D轉(zhuǎn)換器要求的信號輸入范圍

34、。如圖3．7，S1為傳感器的輸出范圍，s2為由于傳感器的差異造成的輸出可能的最大范圍，s3為A／D轉(zhuǎn)換器輸入的范圍，s4是為了適應(yīng)各種條件的變化且輸入范圍內(nèi)已經(jīng)存在安全區(qū)間，實(shí)現(xiàn)s2和s3之間的匹配就是信號調(diào)理線路所要達(dá)到的具體功能。 放大器的信號輸出和A/D轉(zhuǎn)換器的信號輸入所需要的信號強(qiáng)度相符即為信號調(diào)理的最好情況，也是系統(tǒng)達(dá)到最好精確度的條件。躺妥放大器的信號輸出范圍超出了A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍則會讓系統(tǒng)壓縮器測量范圍，反之則會拉低系統(tǒng)對壓力測量的精確度。但是出于對傳感器，放大器以及A/D轉(zhuǎn)換器等系統(tǒng)元件可能遭遇的時間或溫度浮動變化的考慮，必須要有足夠的系統(tǒng)適宜空間來滿足這些變化以提升系

35、統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力。在設(shè)計數(shù)字壓力標(biāo)的過程中，始終存在著額定的壓力傳感器超壓安全指數(shù)，所以需要在測量量程最高極限以上加上一部分超額測量和壓力顯示空間，這里設(shè)置為量程上限的一成，超過一成即為超壓錯誤，在最低的測量零點(diǎn)應(yīng)該也設(shè)置一定的浮動空間，讓壓力即時到達(dá)零點(diǎn)也可以存在一部分能夠顯示的漂移后壓力值，這些空間的設(shè)置都需要在對零點(diǎn)和最高量程極限的設(shè)置過程中加以考慮。 壓力信號通過一個電阻橋路放大器從傳感器內(nèi)部放大傳出，目前存在多種類型的電阻橋路放大器，包括專屬化的單運(yùn)或者雙運(yùn)的儀表放大電路，這里處于對投入的節(jié)省以及數(shù)字壓力表1%的精度考慮選擇相加比更好的單運(yùn)放大器，圖3.8即為其電路的工作原理

36、。 2．4斜率A／D轉(zhuǎn)換的設(shè)計及分析 壓力表采用了430單片機(jī)內(nèi)部集成的特殊A／D轉(zhuǎn)換器(Slope A／D)， SlopeA／D測量電壓信號的工作原理如圖。 系統(tǒng)內(nèi)部各模塊的工作原理及其軟硬件的實(shí)施在上一章中都有所說明，這一次將從全局角度介紹軟件的設(shè)計流程。 在了解單個系統(tǒng)模塊的軟件實(shí)現(xiàn)模式以后，讓全局化的軟件設(shè)計難度大大降低，因為模塊化就是軟件設(shè)計過程中一項重要的理念，將一個大的軟件設(shè)計任務(wù)予以細(xì)分，并對這些細(xì)分后的小型任務(wù)子程序進(jìn)行分別化的同時編寫，最終將寫好的子程序根據(jù)全局規(guī)程予以總裝，從而完成整個大的編程任務(wù)。這樣的編程理念特別適合于編寫

37、需要反復(fù)運(yùn)作的子程序，因為程序本身有著很慢，明了的結(jié)構(gòu)，而且空間也可以被大大節(jié)省。在這一章里只會對全局化的程序設(shè)計流程和還未來得及介紹的模塊進(jìn)行闡述，已有內(nèi)容不再贅述。 數(shù)字壓力表的程序采用匯編語言編制，程序包括兩種工作狀態(tài)，系統(tǒng)初始化后，程序進(jìn)入測量程序循環(huán)，如果校準(zhǔn)按鍵按下，則程序進(jìn)入校準(zhǔn)工作狀態(tài)。 5.1 MSP430單片機(jī)開發(fā)環(huán)境 5.1.1 MSP430系列單片機(jī)開發(fā)環(huán)境 IAR系統(tǒng)公司創(chuàng)建于1983年，到現(xiàn)在已經(jīng)走過30多個年頭。在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)和服務(wù)領(lǐng)域，該公司一直是世界領(lǐng)先的佼佼者，其開發(fā)出來的IAR Embedded Workbench集成開發(fā)環(huán)境因為簡單易學(xué)的

38、操作和無比強(qiáng)大的功能而風(fēng)靡全球。在國內(nèi)，針對MSP430單片機(jī)所進(jìn)行軟件開發(fā)活動大多數(shù)都使用了IAR Embedded Workbench for MSP430集成化開發(fā)環(huán)境，該環(huán)境可以支持項目管理，編程及測試以及代碼下載等活動，有很強(qiáng)的專業(yè)性。兼具C++拓展功能的環(huán)境可以實(shí)現(xiàn)C++在模板和SLI上面的內(nèi)嵌運(yùn)作，環(huán)境內(nèi)部的程序編譯和調(diào)試裝置簡便使用且功能強(qiáng)大，因此是一種專業(yè)的嵌入式應(yīng)用開發(fā)工具。 5.1.2 MSP系列單片機(jī)開發(fā)流程 (1)確定任務(wù) 1）確認(rèn)項目要求，并全面探討準(zhǔn)備開發(fā)的產(chǎn)品在功能、指標(biāo)、投入方面的各種可行性。 2）確認(rèn)產(chǎn)品開發(fā)截止日期。 （2）總體設(shè)計 1）

39、遴選機(jī)型：按照設(shè)計目標(biāo)確定內(nèi)核組件； 2）按照未來使用環(huán)境確認(rèn)元件的規(guī)格以及功耗等多重標(biāo)準(zhǔn)； 3）分類確認(rèn)全局化軟硬件設(shè)計工作分配及其計劃。 (3)硬件設(shè)計 1）根據(jù)功能要求將諸如液晶或數(shù)碼管顯示模式，儲存類型以及時鐘數(shù)目頻率，I/O通訊接口等多類型外設(shè)配置加以確認(rèn)。 2）完成工作原理和線路分布圖 3）購買元件，完成電路元件的組裝焊接并測試。 (4)軟件設(shè)計 1）將相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，運(yùn)算模式和數(shù)據(jù)架構(gòu)加以建立； 2）設(shè)計完成全局系統(tǒng)架構(gòu)； 3）完成流程圖繪制； 4）對每個子程序模塊進(jìn)行設(shè)計編寫； 5）測試，高仿，固定。 (5)樣機(jī)聯(lián)調(diào) 1）軟硬件綜

40、合測試； 2）軟硬件糾錯調(diào)整； 3）再次對軟硬件進(jìn)行各種環(huán)境情況下的多項試驗。 5．1系統(tǒng)初始化程序 主程序開始啟動循環(huán)之前必須通過必要的系統(tǒng)程序初始化操作。具體的流程如下。 ●關(guān)閉存在于單片機(jī)內(nèi)部的看門狗程序。 ●將單片機(jī)內(nèi)的WDT設(shè)置為定時器狀態(tài)，定時設(shè)置為四分之一秒，且包容WDT內(nèi)斷。 ●將所有I/O端口調(diào)至輸入狀態(tài)以降低功耗。 ●初始化E2PROM，設(shè)定位于E2PROM內(nèi)的看門狗定時為1．4S。 ●將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)從E2PROM中讀出并存入內(nèi)存。 ●啟動E2PROM看門狗程序。 ●將E2PROM的片選端CS置為1，使E2PROM進(jìn)入待機(jī)(standby power

41、mode) 模式，以降低功耗。 ●將校準(zhǔn)按鈕調(diào)至中斷允許狀態(tài)。 ●將總體中斷允許(GIE General Interrupt Enable)值設(shè)置為1。 5．2程序的主循環(huán)框架 圖5.1顯示了主要的程序循環(huán)架構(gòu)，系統(tǒng)程序在經(jīng)過一系列初始化準(zhǔn)備流程之后就進(jìn)入了這一運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)，這一主循環(huán)的功能是對采樣時間和測量進(jìn)程進(jìn)行控制，對放電時間比例進(jìn)行運(yùn)算，通過查表處理相應(yīng)數(shù)據(jù)和線性插值，最終顯示數(shù)據(jù)。如此反復(fù)，不斷循環(huán)。主程序的循環(huán)可以所示被響應(yīng)按鍵打斷，并切入校準(zhǔn)程序。 5．3校準(zhǔn)程序 測量狀態(tài)是數(shù)字壓力標(biāo)的正常運(yùn)行狀態(tài)，響應(yīng)中斷是校準(zhǔn)模式的唯一啟動方法，在本次設(shè)計中，KEY CAL是所選擇P

42、1.7校準(zhǔn)按鍵輸入的定義位置。也就是說校準(zhǔn)程序會在KEY CAL中斷服務(wù)程序出進(jìn)入，中斷后的操作如： ●對按鍵進(jìn)行防震抗干擾檢查。 ●進(jìn)入活動狀態(tài)(AM Active Mode)。 ●關(guān)閉E2PROM看門狗軟件。 ●對校準(zhǔn)狀態(tài)進(jìn)入與否進(jìn)行判斷，若已經(jīng)進(jìn)入，則在校準(zhǔn)過程中按下KEY CAL按鈕終止校準(zhǔn)，且不經(jīng)過目標(biāo)為E2PROM的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲過程完成復(fù)位和測量狀態(tài)的恢復(fù)，同時循環(huán)逐個校準(zhǔn)。 5.4lcd顯示 二進(jìn)制是通常的單片機(jī)存儲器或寄存器的數(shù)據(jù)存在方式，所以必須將顯示之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行BCD編碼轉(zhuǎn)換，程序內(nèi)部的存儲區(qū)域內(nèi)有具體的編碼對照表，編碼轉(zhuǎn)換通過查表模式完成。但是最后依

43、然要通過7段碼的再轉(zhuǎn)換之后按照字節(jié)順序儲存于LCD顯示緩沖地帶，并觸發(fā)TRANSRAM程序?qū)?shù)據(jù)展現(xiàn)出來；自然地，小數(shù)點(diǎn)，進(jìn)位以及負(fù)數(shù)等多種數(shù)字變化都必須加以考量。圖5.3即為轉(zhuǎn)換流程。 5．5放電計時子程序 電容電壓Vo必須在Slope A/D轉(zhuǎn)換過程中進(jìn)行運(yùn)算。0.25V的參考電壓應(yīng)為放大器輸出電壓在減壓放電以后所要達(dá)到的值。 5．6等待延時子程序 處于功耗最低化的考量，利用Timer A比較寄存器CR2來對充電等待的延時程序時間進(jìn)行計算，且系統(tǒng)按照LPMO模式進(jìn)行等待運(yùn)行，下列為具體程序： 第六章結(jié)論 在本文內(nèi)，汽車內(nèi)部發(fā)送機(jī)氣缸壓力數(shù)據(jù)的調(diào)理，收集和儲藏都是

44、通過針對壓力傳感器輸出的相應(yīng)模擬信號的對應(yīng)操作來完成的。傳感器輸出的模擬型號在調(diào)理電路內(nèi)經(jīng)過雜波濾除和放大之后進(jìn)入后面的處理程序。基于MPS430單片機(jī)的處理電路將放大的處理后的模擬信號進(jìn)行了基于AD的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化，并通過上位機(jī)進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)整理，這一數(shù)據(jù)手機(jī)系統(tǒng)的具體設(shè)計思路計劃在本論文中予以了詳細(xì)介紹。在設(shè)計硬件線路時，本論文所涉及的測量儀表使用了高性能低功耗的德州公司MSP430系列單片機(jī)，該單片機(jī)融合了12C和SPI現(xiàn)場總線，UART強(qiáng)化端口以及看門狗等多種組件，讓外部設(shè)備結(jié)構(gòu)得到了最大的簡化。同時也讓本設(shè)計測量儀表的系統(tǒng)界面得到了精簡，而且系統(tǒng)的總體功耗因為單片機(jī)的節(jié)能特性而大大降低

45、，顯示和鍵盤線路在系統(tǒng)內(nèi)部也起到了方便測試的作用。單片機(jī)系統(tǒng)的自身特性在系統(tǒng)內(nèi)部被充分用于I/O口端口和電路結(jié)構(gòu)的合理緊密安排，在小巧的外部結(jié)構(gòu)下隱藏著簡單的操作流程和很高的使用價值。 參考文獻(xiàn) 1．蔣思敬，姚士春，壓力計量[M]，北京：中國計量出版社，1991，1-5 2．蔡其?。?，機(jī)械量測量【M】，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1984，207—235 3．楊澤寬，王魁漢，熱工測試技術(shù)【M]，沈陽：東北工學(xué)院出版社，1987，182—201 2．洪寶林，力學(xué)計量[M】，北京：原子能出版社，2002，434．446 3．秦曾煌，電工學(xué)，[M】，北京：高等教育出版社，1981，209—225

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