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1、基于单片机的便携远程多路数据采集系统T h eP 0 r t a b t eR e m o t eD a t aA c q u i s i t i o nS y s t e m0 fM u|t i r o a d sB a s e dO nS j n g l e c h i pM l c r o c o m p u t e r(武汉科技大学)童中华程耕国T O N GZ h O n g-h u aC H E N GG e n g g u o摘要：为了在油井压裂过程中进行远程数据采集，设计开发了便携式远程多路数据采集系统。系统结构紧凑，采用A T 8 9 C 5 2单片机作为中心控制单元。应用i
2、 2 位高精度并行A D 转换芯片A D 5 7 4 和8 通道故障保护模拟开关M A x 3 5 4 实现8 路数据采集：利用R S 一4 8 5 串行通讯进行数据传榆，传榆距离可达1 2 k m；接收端再将信号转换为R S 一2 3 2 电平，使用便携式手提电脑的串口接收数据将采样数据存储在P c 机中，便于数据的实时处理和分析。关键词：多路数据采集：单片机；远程；l 塔墙5中图分类号：T N 4文献标识码：B、A b 醴r a c t：I nt h eo i lw e Uf h c t u r i n gp r _ o c e s s，d e s i g nt h ep o r l a
3、b l er e m o t ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m T h es y s t e mi sc o m p a c t，u 8 i n gs i I 卜d e c h i pm i c m c o m p u t e rA T 8 9 c 5 2 嬲c e n t m lc o n t r o li t e m，r e a l i z i n gd a t as a m p l i n go f8r o a d st h m u g h1 2b i t sh i g hp r e c i s ep a r a l l e lA，Dm i
4、 c m c i r c u i tA D 5 7 4a l l d8c h a n n e l se x c e p t i o np m t e c t i n ga 蹦o gs w i t c hM A X 3 5 4 U s i n gaR S 一4 8 5p o nt oc o n d u c td a t at r a n s m i s s i o n，i tt r a 璐f e r sa sf 打勰1 2 k m“n k e dw i t I lah o s tc o m p u t e rR S 一2 3 2p o n s，t l l es i n k ss e tt h e
5、d a t u ms t o r e di nP Cf o re 黯yh a n d l i n ga n da n a l y z i n g K e yw o r 凼：豳衄戢掣吲t i 阻o fm 越蜢一m 曩d s；&n g l e-屯h i pM i c m p I l 协r 风潮舭；瞰-4 龉引言在工业生产和各种科学技术研究过程中，常常要对各种数据进行采集和处理。通常用的采集方式是在P c 机或者工控机内安装数据采集卡，例如A 巾卡及R S-4 2 2 卡、R S 一4 8 5 卡。采集卡易受机箱内环境的影响，以及计算机插槽数量和地址、中断资源的限制不能挂接很多设备。尤其是在进行油井
6、压裂作业时，因为压裂T 作现场比较危险，而又同时需要对压裂时的各种数据进行采集和处理，以便进行远程实时监控，因此利用工控机进行远程数据采集处理，就难以满足远程数据传输和便携的要求。本文探讨一种基于单片机和手提电脑的远程数据采集系统。既可以进行远程数据采集，而且灵活轻便利于携带，同时也减低了设备成本。1 主要芯片介绍A T 8 9 C 5 2 是一个低功耗，高性能c M 0 s8 位单片机，片内含8 kB y t e s 的可反复擦写1 0 0 0 次的n a s h 只读程序存储器。器件采用A 删E L 公司的高密度、非易失性存储技术制造。A，1 1 8 9 c 5 2 有1 2 8b y t
7、 e s 的0 n c h i p 随机存取数据存储器(R A M)，3 2 个外部双向输入稚出(的)口，1 个6 向量两级中断结构，3 个1 6 位可编程定时计数器，1 个全双工串行通信口，片内时钟振荡器。此外，A，l 8 9 c 5 2 还设计和配置了振荡频率可为O H z 并可通过软件设置的省电模式。空闲模式下，c P u 暂停工童中华：硕士基金项目：国家自然科学基金资助项目(咖7 4 0 3 2)项目名称：压电材料在柔性构造物智能控制中的应用研究作。而f L A M 定时计数器、串行口、外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存R A M 的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬
8、件复位。A D 5 7 4 是美国模拟数字公司A n a l o g)推出的单片高速1 2位逐次比较型D 转换器内置双极性电路构成的混合集成转换芯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A D 转换器，其模拟电压输人范围有四种：0 1 0 V 和0 2 0 v，0 5 v 和O 一1 0 v，数据输出格式为1 2 位和8 位可选，本文采用1 2 位数据格式，这样可以提高数据的精度。M A x 4 8 5 接口芯片是M A x I M 公司的一种R s-4 8 5 芯片它完成将r r I L 电平转换为R s-4 8 5
9、电平的功能。采用单一电源+5 V 工作，额定电流为3 0 0 斗A，采用半双工通讯方式，数据传输率高达2 5 M b p s。在一条R s 4 8 5 总线上可以挂接最多3 2 个M A x 4 8 5 收发器。这样可以通过编程利用一台手提电脑通过R S-4 8 5 总线同时对多套该系统进行数据采集。2 系统硬件设计整个采集系统分为数据采集发送端和数据接收端。数据采集发送端主要由A 髓9 c 5 2 单片机、A D 5 7 4 AA 加采样芯片、M A x 3 5 4 故障保护模拟开关和M A x 4 8 5 芯片构成，完成多路信号的采集和串行数据的发送功能。数据接收端由一个R s 4 8 5
10、电平转R s 一2 3 2 c 电平的电路，以及一台便携式手提电脑构成。数据采集端和发送端通过一条屏蔽的双绞线电缆连接。2 1 数据采样电路采样电路由A D 5 7 4 和M A)【3 5 4 组成，在一个采样周期内(多_ 自控一邮局订阅号：8 2 9 4 63 6 0 元，年一1 3 7 数采与监测中文核心期刊微计算机信息)(测控自动化)2 0 0 8 年第2 4 卷第7 1 期连续对8 路输入数据按顺序进行一轮采样，采样电路与单片机用隔离放大器的变压器将信号磁耦合，隔离了通路的线路连魄连接如图1 所示。接，从而切断了干扰源。这样对压裂设备上发动机的于扰有了一图一l 数据采样电路采用8 通道
11、故障保护模拟开关M A x 3 5 4 对采样通道进行选择，这可以通过8 9 c 5 2 地址线A 0，A 1，A 2 来控制，信号通过模拟开关后被送到A D 5 7 4 的输入端。A D 5 7 4 内部具有三态数据锁存器，可以和8 9 c 5 2 单片机的P o 数据口直接相连，它内部具有参考电压和时钟电路，因此无需任何元器件即可独立完成加转换。A 仍转换结束后，A D 5 7 4向8 9 c 5 2 的中断I N T 0 发出中断申请，然后系统对转换后的数据进行处理。A D 5 7 4 的1 2 侣端子固定接地，A 0 端口与8 9 C 5 2 的地址线A 7 相连，这样在地址线A 7
12、的控制下分两次通过8 位数据总线来读取1 2 位的转换结果。2 2 数据发送与接收电路为了避免在长距离的数据传输过程中，数据受到现场的干扰该系统采用M A x 4 8 5 芯片将信号电平转换为R s-4 8 5 电平。采用R s 4 8 5 接口进行远程数据传输。R s 4 8 5 是美国电气工业联合会(E I A)制定的利用平衡双绞线作传输线的多点通讯标准。它采用差分信号进行传输；最大传输距离可以达到1 2k m；最大可连接3 2 个驱动器和收发器：接收器最小灵敏度可达2 0 0m V；最大传输速率可达2 5M b，s。同时，R S 一4 8 5 协议正是针对远距离、高灵敏度、多点通讯制定的
13、标准。这也为今后该数据采集系统迸行多点数据采集的功能扩展奠定了基础。M A x 4 8 5 芯片的结构和引脚都非常简单，内部含有一个驱动器和接收器。R 0 和D I 端分别为接收器的输出和驱动器的输人端，与单片机连接时只需分别与单片机的R x D 和T x D 相连即可；，R E 和D E 端分别为接收和发送的使能端当爪E 为逻辑0 时，器件处于接收状态；当D E 为逻辑l 时，器件处于发送状态，因为M A x 4 8 5 工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；A 端和B 端分别为接收和发送的差分信号端，当A 引脚的电平高于B 时，代表发送的数据为l；当A 的电平低于
14、B 端时，代表发送的数据为O。在与单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制M A x 4 8 5 的接收和发送即可。同时将A 和B 端之间加匹配电阻一般可选1 0 0 Q的电阻。在数据接收端，手提电脑上的串行接口采用的是R s 一2 3 2 c电平，因此还需要将R s 一4 8 5 电平进行转换。由于在数据接收端采用的手提电脑需要携带方便，因此这里采用的是市面上比较小巧紧固的电平转换接口。这里就不做赘述。2-3 主要的抗干扰措施对M A X 3 5 4 的输入端采用隔离放大器进行信号隔离，采定效果的屏蔽作用。同时为了防止单片机受干扰影响而发生“死机”等现象，系统还利用M A x 7 0 6
15、 芯片设计了“看门狗”电路，提高了系统的抗干扰能力，如图一3。M A x 7 0 6 是一种性能优良的低功耗c M 0 s监控电路芯片，其内部电路由上复位、可重触发”看门狗”定时器及电压比较器等组成。M A X 7 0 6 只要在1 6 秒时间内检测到w c I 引脚有高低电平跳变信号则”看门狗”定时器清零并重新开始计时；若超出1 6 秒后。w C I 引脚仍无高低电平跳变信号，则”看门狗”定时器溢出，w D 0 引脚输 j 低电平，进而触发M R手动复位引脚，使M A c 7 0 6 复位。从而使”看门狗”定时器清零并重新开始计时，w D 0 引脚输出高电平，M A x 7 0 6 的R S
16、 T 复位输出引脚输出大约2()0 毫秒宽度的低电平脉冲，使单片机控制系统可靠复位，重新投入正常运行。M A x 7 0 6 的控制只需要利用单片机的P 1 5 引脚通过简单编程实现。P 1图-2 数据发送电路图一3“看门狗”电路3 系统软件设计软件设计包括两方面：笔记本电脑的主机程序和单片机数据采集和发送的固件程序。其中。主机程序的编写可以利用V B语言编写串口通信是通过M i c r o s o f tv j s u a lB a s i c 的通信编程控件M s c o m m 实现的。在读取完串口数据后，需要将每通道1 0 次采集的数据进行数学平均计算。这样可以在一定程度上减小干扰数据
17、的影响。8 9 c 5 2 的串行通讯采用工作方式l，波特率是9 6 0 0 b i 讹，发送数据采用定时查询方式，可以根据需要适当调节发送数据的时间，定时周期性地读取存储的采样数据，以串行方式通过R s 一4 8 5 接口发送到上位机。程序采用可读性较强的c 5 1 语言编写，程序流程图见固件流程图一4。在编写8 9 c 5 2 的程序时，需要对采样数据进行处理。由于采集的油温、油压、井口压力等数据与信号电压是线性关系，通过给定标准信号电压测量一个最大值和一个最小值，就能得出各种数据的信号电压与测量数据之间的比例关系。数据处理程序是根据线性比例关系，先将D 转换器A D 5 7 4 采集到的
18、1 2 位二进制数据转换成实际测量值，并将此值按照A N s I I E E E 标准7 5 4 1 9 8 5 转换成3 2 位浮点一1 3 8 3 6 0 元，年邮局订阅号：8 2 9 4 6 陬酶论文得到两院院士关注f数采与监测数，保存在设定的存储区，总共有8 组数据，需要3 2 字节的空作者简介：童中华(1 9 8 0 一)，男(汉族)，湖北洪湖人，硕士，控制间来存储采样数据。理论与控制工程专业，研究方向：电气传动与智能控制；程耕国一个标准浮点数占用一个双字(3 2 位)。最高位(第3 1 位)(1 9 4 7 一)，男，武汉科技大学。硕士生导师、博士生导师，教授，研究位浮点数的符号位
19、，最高位为“o”是为正数，位“l”时为负数；8方向：机电一体化，智能材料，计算机科学软件。位指数占2 3 3 0 位；因为规定尾数的正数部分总是为“l”，只保B i o g r a p h y：T 0 n gz h o n 曲u a(1 9 8 0 一)，M a l e(H A N)，H u b e i，w u h a n留的尾数的小数部分(0 2 2 位)。浮点数的优点是利用很小的存u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dT e c h n o l o g y。M a s t e r t I l em a j o ro fc o n t r o l储空
20、间(4 B)可以表示出精确度很高的非常大和非常小的数，在n e o ya n dc o n t r o lE n g i n e e r i n g 进行数据处理和运算时提高了精确度。(4 3 帅8 1 武汉武汉科技大学信息科学与工程学院)童中华甲勰嘣锣一删蛔。w 岫阿百茬纛习4 3 0 0 8 l，c h i n a)T o N Gz h o n g-h c H E N Gm n g g I l oL 1 J通讯地址：(4 3 8 1 武汉武汉科技大学信息科学与工程学院)，百而勰重中华等待中断L 广J(收稿日期：2 0 0 8 4 1 0)(修稿硅期：2 0 0 8 5 2 s)N D 转换
21、结：!童 次读取12位数据二】二二换数据为浮点数发送数据结束图_ 4 单片机固件主程序流程图4 结束语该套数据采集系统在油田压裂设备上成功运用。实践证明，与传统的数据采集系统相比，该采集系统不仅轻便易携带，能有效防止现场环境的干扰。而且利用R s-4 8 5 总线进行远程数据采集。将油井压裂作业过程中的压裂车的油温、油压、井口压力、泥浆密度，以及其它数据保存到笔记本电脑上，增强了数据的实时处理能力，工程技术人员能够及时分析数据结果，减少了在油井压裂作业过程中的事故率。本人作者创新点：通过采用单片机进行数据采集便于携带，同时，通过R s-4 8 5 进行远程数据传送，既能有效防止现场干扰，提高数
22、据传输距离，又为设备进行基于R s 一4 8 5 总线传输的扩展奠定了基础，方便了通过一台手提电脑对多台总线节点的设备进行数据采集和监控。参考文献：【l】李群芳，黄建单片微型计算机与接口技术【M】北京：电子工业出版社，2 0 0 2【2】杨博，李宛洲基于单片机的新型多路数据采集系统硼仪表技术与传感器，2 0 0 6(4 5 4 6)【3】林悼华。蒋粱中一个单片机串行数据采集及传输模块的设计【J】微计算机信息，2 0 0 6(1 0 一2)：2 2 9 2 31【4】周立功单片机实验与实践【M】北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 4【5】迟钦河，赵仲生8 9 C 5 1 单片机在多通道数据
23、采集系统中的应用 J 1 自动化仪表，2 0 0 0(6)【6 孙东，韩绍坤，邢怀飞自制R S 2 3 扰泠-4 8 5 转换器应用叨电子测量技术，2 0 0 5(3)C 上接第1 7 7 页)论文创新点：1 将8 9 c 5 5 应用于多功能心脏电生理程控刺激仪的设计。2 在传统刺激脉冲模式基础上，增加了R s 2+R s 3 刺激模式。3 该电路采用电池供电方式，具有使用方便快捷等特点。参考文献：1】李建新；金印彬基于M s P 4 3 0 的微功耗体外临时心脏起搏器的设计 J】微计算机信息，2 6 2 2(7 2)，l l O 一1 1 2【2】胡兆阳；舒辉；谢余强基于M S P 4 3
24、 0 F 1 4 9 的网络心电系统设计 J】微计算机信息，2 0 0 5 2 1(7 2)，8 2 8 3【3】陈家胜；朱小松；单学明智能仪器在线c R T 显示的简单实现【J】微计算机信息，2 0 0 1 1 7(1)，8 2 8 3【4】李忠杰编，实用食管法心脏电生理学叨江苏科学技术出版社，2 0 0 3 年4 月【5】薛钧义，张彦斌编M C S 一5 1 细6 系列单片微型计算杌及其应用【J】西安交通大学出版社，1 9 9 7 年【6】王建校等5 1 系列单片机及C 5 l 程序设计【J】科学出版社，2 0 0 2 年4 月作者简介：李建新(1 9 6 3)，男，延安大学物理与电子信息
25、学院，理学硕士，教授，研究方向：电工与电子技术应用。B i o g r a p h y：uj i a n x i n(1 9 6 3)，m a l e，M a s t e ro fS c i e n c e，p m f e s s o r D e p a r t m e n to fp h y s i c sa n de l e c t r o n i c si n f o r m a t i o nY a n a nu n i v e r s i t y，r e s e a r c hd i r e c t i o n：a p p l i c a t i o no fe l e c t r
26、o t e c h n o l o g ya n de l e c t r o n i c s(7 1 6 0 延安大学物理与电子信息学院)李建新(7 l 0 0 4 9 西安交通大学电气学院)金印彬刘伟通讯地址：(7 1 6 0 陕西陕西省延安市延安大学物理与电子信息学院)李建新(收稿日期：2 0 0 8 r 4，lo)(修稿日期：2 0 0 8，5 2 8)豳_ 融蛾骧辘辫舞辫黝渤溉辩蝴艘自鲥荔磊裹主亳自鼢糍骥谶愿辘赫赫罐诂蕃#。“批岫制。“删现场总线技术应用2 0 0 例5 5 元本(免邮资)汇至P L c 应用2 0 0 侈U 11O 元，本(免邮资)汇至地址：北京海淀区皂君庙1 4
27、号院鑫雅苑6 号楼6 0 1 室微计算机信息邮编：1 0 0 0 8 1电话：0 1 0 一6 2 1 3 2 4 3 60 1 0 6 2 1 9 2 6 1 6(T，F)国自接一邮局订阅号：8 2 9 4 63 6 0 元，年一1 3 9 基于单片机的便携远程多路数据采集系统基于单片机的便携远程多路数据采集系统作者：童中华，程耕国，TONG Zhong-hua，CHENG Geng-guo作者单位：武汉科技大学,信息科学与工程学院,武汉,430081刊名：微计算机信息英文刊名：MICROCOMPUTER INFORMATION年，卷(期)：2008，24(19)被引用次数：0次 参考文献(
28、6条)参考文献(6条)1.李群芳.黄建 单片微型计算机与接口技术 20022.杨博.李宛洲 基于单片机的新型多路数据采集系统期刊论文-仪表技术与传感器 2006(45-46)3.林悼华.蒋梁中 一个单片机串行数据采集及传输模块的设计期刊论文-微计算机信息 2006(10-2)4.周立功 单片机实验与实践 20045.迟钦河.赵仲生 89C51单片机在多通道数据采集系统中的应用期刊论文-自动化仪表 2000(06)6.孙东.韩绍坤.邢怀飞 自制RS-232/RS-485转换器应用期刊论文-电子测量技术 2005(03)相似文献(10条)相似文献(10条)1.期刊论文 徐晓昂.XU Xiao-an
29、g 基于单片机的多路输入测试系统设计-机械制造与自动化2009,38(2)介绍了一种高精度多路输入测试系统,采用P89C51单片机作为控制器,应用12位高精度A/D转换芯片MAX197实现多路数据采集,单片机通过串口与上位机通讯,上位机终端控制软件进行数据处理、显示、曲线绘制与保存.本系统可实现在线测量,提高了实验自动化水平,具有实用价值.2.期刊论文 王树红.Wang Shuhong 单片机矿井多路数据采集监测系统-山西电子技术2005,(2)介绍了一种基于8031单片机的多路数据采集监测系统,该系统适用于中、小型矿井,采用双CPU控制,上位控制机和下位监测机均采用8031单片机,下位监测机
30、采集数据,上位控制机控制下位监测机,并进行数据处理、数据显示、键盘输入和系统报警等工作.通过单片机通讯的方式实现数据与控制指令的远距离传输.3.期刊论文 陈军.张强善 单片机在高温锅炉多路数据采集中的应用-信阳师范学院学报(自然科学版)1999,12(2)针对工厂对高温锅炉安全性的要求,介绍了一种新型的智能化多路数据采集和调控装置,该装置以8031单片机为核心,用LED数码管显示温度、压强、水位数据,并能反馈控制、调节这些数据.本装置结构清楚、安全性能高、调节简单.4.学位论文 徐信福 激光打靶多路数据采集处理系统 2005 本文所述的激光模拟打靶多路数据采集处理系统是在现有RS-485串行通
31、信理论的基础上,根据部队实际群体训练需要,自行设计研发的一种多路串行通信系统.该系统分为两大部分:激光模拟打靶子系统和多路数据采集处理数据库系统.系统由单片机与微机组成,综合了单片机与微机的优点.基于Delphi平台的多路数据采集处理系统为本文研究讨论的重点.本文主要对RS-485多路多路数据采集系统设计与实现的相关问题进行了研讨,具体论述了单片机接口的软件硬件设计、微机接口的软硬件设计以及多路数据采集处理数据库的设计与编汇,最后对研制工作、实验结果和系统开发前景进行了总结.本系统主要具有以下几个特点:(1)微机可以控制单片机的运行,可以任意选择采集数据的时间.(2)单片机系统可以脱离微机进行
32、单独工作,并对数据进行简单的处理与统计.(3)既适用于近距离数据采集,也适合于远距离数据采集.(4)数据库存储数据的时间可以任意选择.(5)能即时显示数据曲线,为用户分析训练对象提供一个有力的工具.(6)具有很好的可移植性.5.期刊论文 林祝亮.武林.杨金华.Lin Zhuliang.Wu Lin.Yang Jinhua 基于双单片机的多路数据采集系统设计-仪器仪表学报2006,27(z1)本系统采用双单片机和E2PROM共享数据的方式实现通讯,通过下位机采集数据,上位机处理数据实现现场的远距离数据采集.实验证明该方式有效解决模拟量受干扰而影响精度的问题,弥补传统的双单片机串行传输方式传输距离
33、短、传输速率低的缺陷.6.会议论文 林祝亮.武林.杨金华 基于双单片机的多路数据采集系统设计 2006 本系统采用双单片机和E2PROM共享数据的方式实现通讯,通过下位机采集数据,上位机处理数据实现现场的远距离数据采集.实验证明该方式有效解决模拟量受干扰而影响精度的问题,弥补传统的双单片机串行传输方式传输距离短、传输速率低的缺陷.7.期刊论文 唐中燕 基于单片机串行通信技术实现多路数据采集与集中管理-仪器仪表用户2004,11(3)本文介绍了利用M68HC08GP32单片机和相应的SPI串行接口芯片构成的一种多路数据采集处理与集中管理系统.它用于实现多用户电能计量与集中抄表,详细介绍了该系统的
34、硬件接口电路和软件程序.8.期刊论文 顾亚雄.朱翠英.许方华 基于LabVIEW的单片机多路数据采集系统的设计-自动化技术与应用2009,28(10)本文运用虚拟仪器的设计思想,介绍了一种基于LabVIEW软件平台的多路数据采集系统的设计原理及过程.数据采集部分摒弃了NI公司的采集板卡而采用MSP430F149单片机系统,降低了系统的开发成本.利用LabVIEW开发环境设计上位机的监测界面,上位机通过串行口与MSP430F149单片机通信,从而实现对多路数据的采集与监测.本设计系统增设有报警功能,报警门限可通过上位机监测界面进行设置.运用LabVIEW进行系统开发具有很强的灵活性,能较容易地实
35、现系统的各项功能,并使系统具有很强扩展性.9.期刊论文 姜志玲.JIANG Zhi-ling 用凌阳单片机实现多路数据采集与传输系统-西华大学学报（自然科学版）2005,24(2)本文作者设计的数据采集与传输系统由R/F变换电路、F/V变换电路、数据采集电路、采集控制电路四个部分组成.其中R/F变换电路由ICL8038波形发生器组成;F/V变换电路由通用型LM331伏频变换实现,通过改变电路中电阻的阻值来改变输出的电压;数据采集和采集控制电路用凌阳单片机SPCE061A处理、控制.10.期刊论文 汤德荣.TANG De-rong 浅析多路数据采集与通信系统设计方案-通信技术2010,43(2)在测控领域中,经常遇到远程多路数据的采集问题.阐述的就是利用单片机技术实现基于RS-232C总线标准接口的远程数据采集.在数据采集的远端、近端均采用单片机控制,远端完成数据的采集、显示与发送,近端完成数据接收、校验、纠错、处理与显示等.较为详细地介绍了设计方案的形成过程.本文链接：http:/