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文檔簡介
1、<p><b> 單片機原理及應用</b></p><p><b> 課程設計</b></p><p> 題 目 單片機串行通訊 </p><p> 所在院系 機械電子工程學院 </p><p> 專
2、 業(yè) 08自動化(2) </p><p> 學 號 </p><p> 姓 名 xxxxx </p><p> 完成日期 2011.6.21 </p>
3、;<p> 指導教師 </p><p> 單片機及應用課程設計任務書</p><p> 教研室主任簽字: 年 月 日</p><p><b> 目錄</b></p><p>&
4、lt;b> 目錄3</b></p><p><b> 1、引言:4</b></p><p> 2、 設計流程及方案的選擇5</p><p> 2.1設計任務與要求:5</p><p> 2.2總體方案設計:5</p><p> 3、串口通信簡介:7<
5、/p><p> 3.1 串行接口的基本特點7</p><p> 3.2 串口通信原理 8</p><p> 3.2.1 波特率選擇8</p><p> 3.2.2 通信協(xié)議的使用9</p><p><b> 4. 硬件設計9</b></p><p> 5.
6、 程序設計13</p><p> 5.1 流程框圖13</p><p><b> 5.2主函數(shù)14</b></p><p> 6. 元件清單18</p><p><b> 7. 小結(jié)19</b></p><p> 8. 參考文獻20</p>
7、<p><b> 1、引言:</b></p><p> 在各種單片機應用系統(tǒng)的設計中,如智能儀器儀表、各類手持設備、GPS接收器等,常常遇到計算機與外界的信息交換,即通訊。通信的基本方式可分為并行通信與串行通信兩種。</p><p> 并行通信是將組成數(shù)據(jù)的各位同時傳送,并通過并行門(如P1口等)來實現(xiàn)。在并行通信中,數(shù)據(jù)傳送線的根數(shù)與傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)
8、相等,傳送數(shù)據(jù)速度快,但所占用的傳輸線位數(shù)多。因此并行通信適合短距離通信。</p><p> 串行通信是指數(shù)據(jù)一位一位地按順序傳送。串行通信通過串行口來實現(xiàn)。在全雙工的串行通信中,僅需要一根發(fā)送線和一根接收線,串行通信可大大節(jié)省傳送線路的成本,但數(shù)據(jù)傳送速度慢。因此,串行通信適合于遠距離通信。</p><p> 目前,在許多單片機應用系統(tǒng)中,上、下位機分工明確,作為下位機核心器件的單片
9、機往往只負責數(shù)據(jù)的采集和通信,而上位機通常以基于圖形界面的Windows系統(tǒng)為操作平臺,為便于查詢和保存數(shù)據(jù),還需要數(shù)據(jù)庫的支持,如在測控系統(tǒng)中使用SQL Server數(shù)據(jù)庫。</p><p> 現(xiàn)階段這種應用的核心便是數(shù)據(jù)通信,它包括單片機和上位機之間、客戶端和服務器之間以及客戶端和客戶端之間的通信,而在單片機和上位機之間的數(shù)據(jù)通信則是整個系統(tǒng)的基礎。單片機和PC的通信是通過單片機的串口和PC機之間的硬件連接
10、實現(xiàn)。鑒于PC機具有強大的監(jiān)控和管理功能,單片機則具有快速以及容易控制的特點,在數(shù)據(jù)量不大、傳輸要求不高的情況下,一般都采用給PC機配置的RS-232標準串行接口COM1、COM2等相連接來實現(xiàn)應用系統(tǒng)與PC機之間的數(shù)據(jù)交換。</p><p> 2、 設計流程及方案的選擇</p><p> 2.1設計任務與要求:</p><p> 一、設計的目:1.進一步熟
11、悉和掌握單片機的結(jié)構(gòu)及工作原理。2.掌握單片機的接口技術及相關外圍芯片的外特性,控制方法。3.通過課程設計,掌握以單片機核心的電路設計的基本方法和技術,了解有關電路參數(shù)的計算方法。4.通過實際程序設計和調(diào)試,逐步掌握模塊化程序設計方法和調(diào)試技術。5.通過完成一個包括電路設計和程序開發(fā)的完整過程,使學生了解開發(fā)單片機應用系統(tǒng)的全過程,為今后從事相應打下基礎。</p><p><b> 二、設計具
12、體要求:</b></p><p> 1.原理圖設計要符合項目的工作原理,連線要正確,端了要不得有標號。2.圖中所使用的元器件要合理選用,電阻,電容等器件的參數(shù)要正確標明。3.原理圖要完整,CPU,外圍器件,擴器接口,輸入/輸出裝置要一應俱全。 4.原理圖設計說明,簡要說明設計目的,原理圖中所使用的元器件功能及在圖中的作用,各器件的工作過程及順序。</p>
13、<p> 2.2總體方案設計:</p><p> PC機與單片機之間可以由51單片機接口相連,在PC機系統(tǒng)內(nèi)部裝有異步通信適配器,利用它可以實現(xiàn)異步串行通信。該適配器的核心元件是可編程的Intel 8250芯片,它使PC機有能力與其他具有標準的RS-232C接口的計算機或設備進行通信。而51單片機本身具有一個全雙工的串行口,因此只要配以電平換換的驅(qū)動電路、隔離電路就可以組成一個簡單的通信接口。同樣
14、,PC機和單片機之間的通信也分為雙機通行與多機通信。</p><p> 數(shù)據(jù)通信的硬件上采用3線制,將單片機和PC串口的3個引腳(TXD、RXD、GND)分別連在一起,即將PC機和單片機的發(fā)送數(shù)據(jù)線TXD與接收數(shù)據(jù)線RXD交叉連接,兩者的地線GND直接相連,而其他信號線如握手信號線均不用,采用軟件握手的方式。這樣既可以實現(xiàn)預定的任務又可以簡化電路設計。</p><p> PC機和單片機
15、最簡單的連接時零調(diào)制三線經(jīng)濟系。這是進行全雙工通信所必需的最少線路,因為51單片機輸入、輸出電平為TTL電平,但由于單片機的TTL邏輯電平和RS-232的電氣特性完全不同,RS-232的邏輯0電平規(guī)定為+5~+15V之間,邏輯1電平為-5~-15V之間,因此在將PC機和單片機的TXD和RXD交叉連接時必須進行電平轉(zhuǎn)換,這里我選用的是MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片。其原理框圖為圖 2-1</p><p> 圖2-1串口
16、通信原理圖</p><p><b> 3、串口通信簡介:</b></p><p> MCS-51系列單片機上有一個通用異步接收/發(fā)送器UART,通過引腳RXD[P3.O]和TXD[P3.1]可與外音B電路進行全雙工的串行異步通信,發(fā)送數(shù)據(jù)時由TXD端送出,接收時數(shù)據(jù)由RXD端輸入。本文將具體介紹單片機串口的特點和編程方法,并且在最后給出一個實用的單片機與計算機通過
17、串口通信的程序。</p><p> 3.1 串行接口的基本特點</p><p> MCS-51單片機的串行端口有4種基本工作方式,通過編程設置,可以使其工作在任一方式,以滿足不同場合的需要。其中,方式0主要用于外接移位寄存器,以擴展單片機的I/O電路;工作方式1多用于雙機之間或與外設電路的通信;方式2、3除有方式1的功能外,還可以作多機通信,以構(gòu)成分布式多微機系統(tǒng)。 </p>
18、;<p> 串行端口有兩個控制寄存器SCON、PCON,用于設置工作方式、發(fā)送或接收的狀態(tài)、特征位、數(shù)據(jù)傳送波特率[每秒傳送的位數(shù)]以及作為中斷標志等。</p><p> 串行端口有一個數(shù)據(jù)寄存器SBUF在特殊功能寄存器中的字節(jié)地址為99H,該寄存器為發(fā)送和接收所共用。</p><p> 串行端口的波特率可以用程序來控制。在不同工作方式中,由時鐘振蕩頻率的分頻值或由定時
19、器T1的定時溢出時間確定,使用十分方便靈活。 串口控制寄存器</p><p> 輸入:在(REN)=1時,串行口采樣RXD引腳,當采樣到1至O的跳變時,確認是串行發(fā)送來的一幀數(shù)據(jù)的開始位0,從而開始接收一幀數(shù)據(jù)。只有當8位數(shù)據(jù)接收完,并檢測到高電平停止位后,只有滿足①(R1)=0;②(SM2)=0或接收到的第9位數(shù)據(jù)為1時,停止位才進入RB8,8位數(shù)據(jù)才能進入接收寄存器,并由
20、硬件置位中斷標志RI;否則信息丟失。所以在方式1接收時,應先用軟件清零RI和SM2標志。</p><p><b> 1. 方式2</b></p><p> 方式2為固定波特率的11位UART方式。它比方式1增加了一位可程控為1或0的第9位數(shù)據(jù)。</p><p> 輸出:發(fā)送的串行數(shù)據(jù)由TXD端輸出一幀信息為11位,附加的第9位來自SCON
21、寄存器的TB8位,用軟件置位或復位。它可作為多機通訊中地址/數(shù)據(jù)信息的標志位,也可以作為數(shù)據(jù)的奇偶校驗位。當CPU執(zhí)行一條數(shù)據(jù)寫入SUBF的指令且TI=0時,就啟動發(fā)送器發(fā)送。發(fā)送一幀信息后,置位中斷標志TI。</p><p> 輸入:在(REN)=1時,串行口采樣RXD引腳,當采樣到1至O的跳變時,確認是串行發(fā)送來的一幀數(shù)據(jù)的開始位0,從而開始接收一幀數(shù)據(jù)。在接收到附加的第9位數(shù)據(jù)后,當滿足①(RI):0;②
22、(SM2)=0或接收到的第9位數(shù)據(jù)為1時,第9位數(shù)據(jù)才進入RB8,8位數(shù)據(jù)才能進入接收寄存器,并由硬件置位中斷標志Ri;否則信息丟失。且不置位RI。</p><p> 3.2 串口通信原理 串口通訊對單片機而言意義重大,不但可以實現(xiàn)將單片機的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C端,而且也能實現(xiàn)計算機對單片機的控制。由于其所需電纜線少,接線簡單,所以在較遠距離傳輸中,得到了廣泛的運用
23、。</p><p> 3.2.1 波特率選擇</p><p> 波特率(Boud Rate)就是在串口通信中每秒能夠發(fā)送的位數(shù)(bits/second)。MCS-51串行端口在四種工作模式下有不同的波特率計算方法。其中,模式0和模式2波特率計算很簡單,請同學們參看教科書;模式1和模式3的波特率選擇相同,故在此僅以工作模式1為例來說明串口通信波特率的選擇。
24、60; 在串行端口工作于模式1,其波特率將由計時/計數(shù)器1來產(chǎn)生,通常設置定時器工作于模式2(自動再加模式)。在此模式下波特率計算公式為: 波特率=(1+SMOD)*晶振頻率/(384*(256-TH1)) 其中,SMOD——寄存器PCON的第7位,稱為波特率倍增位;
25、 TH1——定時器的重載值。 在選擇波特率的時候需要考慮兩點:首先,系統(tǒng)需要的通信速率。這要根據(jù)系統(tǒng)的運作特點,確定通信的頻率范圍。然后考慮通信時鐘誤差。使用同一晶振頻率在選擇不同的通信速率時通信時鐘誤差會有很大差別。為了通信的穩(wěn)定,
26、我們應該盡量選擇時鐘誤差最小的頻率進行通信。 下面舉例說明波特率選擇過程:假設系統(tǒng)要求的通信頻率在20000bit/s以下,晶振</p><p> 因此,在通信中,最好選用波特率為1200,2400,4800中的一個。</p><p> 3.2.2 通信協(xié)議的使用</p><p> 通信協(xié)議是通信設備在通信前的約定。單片機
27、、計算機有了協(xié)議這種約定,通信雙方才能明白對方的意圖,以進行下一步動作。假定我們需要在PC機與單片機之間進行通信,在雙方程式設計過程中,有如下約定:</p><p> 0xA1:單片機讀取P0端口數(shù)據(jù),并將讀取數(shù)據(jù)返回PC機;</p><p> 0xA2:單片機從PC機接收一段控制數(shù)據(jù);</p><p> 0xA3:單片機操作成功信息。</p>
28、<p><b> 4. 硬件設計</b></p><p> 51單片機有一個全雙工的串行通訊口,所以單片機和計算機之間可以方便地進行串口通訊。進行串行通訊時要滿足一定的條件,比如計算機的串口是RS232電平的,而單片機的串口是TTL電平的,兩者之間必須有一個電平轉(zhuǎn)換電路,我們采用了專用芯片MAX232進行轉(zhuǎn)換,雖然也可以用幾個三極管進行模擬轉(zhuǎn)換,但是還是用專用芯片更簡單可靠。我
29、們采用了三線制連接串口,也就是說和計算機的9針串口只連接其中的3根線:第5腳的GND、第2腳的RXD、第3腳的TXD。這是最簡單的連接方法,但是對我們來說已經(jīng)足夠使用了,電路如下圖所示,MAX232的第10腳和單片機的11腳連接,第9腳和單片機的10腳連接,第15腳和單片機的20腳連接。</p><p> 圖4-1 硬件連接圖</p><p> 串口通訊的硬件電路如上圖所示為了能夠在計
30、算機端看到單片機發(fā)出的數(shù)據(jù),我們必須借助一個WINDOWS軟件進行觀察,這里利用如下圖標的一個免費計算機串口調(diào)試軟件來觀察。</p><p> SBUF數(shù)據(jù)緩沖寄存器,這是一個可以直接尋址的串行口專用寄存器。有朋友這樣問起過“為何在串行口收發(fā)中,都只是使用到同一個寄存器SBUF?而不是收發(fā)各用一個寄存器?!睂嶋H上SBUF包含了兩個獨立的寄存器,一個是發(fā)送寄存,另一個是接收寄存器,但它們都共同使用同一個尋址地址-
31、99H。</p><p> REM為允許接收位,REM置1時串口允許接收,置0時禁止接收。REM是由軟件置位或清零。如果在一個電路中接收和發(fā)送引腳P3.0,P3.1都和上位機相連,在軟件上有串口中斷處理程序,當要求在處理某個子程序時不允許串口被上位機來的控制字符產(chǎn)生中斷,那么可以在這個子程序的開始處加入REM=0來禁止接收,在子程序結(jié)束處加入REM=1再次打開串口接收。大家也可以用上面的實際源碼加入REM=0來
32、進行實驗。</p><p> RI接收中斷標識位。在模式0,接收第8位結(jié)束時,由硬件置位。其它模式中則是在接收停止位的半中間,由硬件置位。RI=1,申請中斷,要求CPU取走數(shù)據(jù)。但在模式1中,SM2=1時,當未收到有效的停止位,則不會對RI置位。同樣RI也必須要靠軟件清除。</p><p> : 波特率 在使用串口做通訊時,一個很重要的參數(shù)就是波特率,
33、只有上下位機的波特率一樣時才可以進行正常通訊。波特率是指串行端口每秒內(nèi)可以傳輸?shù)牟ㄌ匚粩?shù)。有一些初學的朋友認為波特率是指每秒傳輸?shù)淖止?jié)數(shù),如標準9600會被誤認為每秒種可以傳送9600個字節(jié),而實際上它是指每秒可以傳送9600個二進位,而一個字節(jié)要8個二進位,如用串口模式1來傳輸那么加上起始位和停止位,每個數(shù)據(jù)字節(jié)就要占用10個二進位,9600波特率用模式1傳輸時,每秒傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)是9600÷10=960字節(jié)。51芯片的串口工
34、作模式0的波特率是固定的,為fosc/12,以一個12M的晶振來計算,那么它的波特率可以達到1M。模式2的波特率是固定在Fosc/64或Fosc/32,具體用那一種就取決于PCON寄存器中的SMOD位,如SMOD為0,波特率為Focs/64,SMOD為1,波特率為Fsoc/32。模式1和模式3的波特率是可變的,取決于定時器1或2(52芯片)的溢出速率。那么我們怎么去計算這兩個模式的波特率設置時相關的寄存器的值呢?可以用以下的公式去計算。
35、</p><p> 波特率=(2SMOD÷32)×定時器1溢出速率</p><p> 上式中如設置了PCON寄存器中的SMOD位為1時就可以把波特率提升2倍。通常會使用定時器1工作在定時器工作模式2下,這時定時值中的TL1做為計數(shù),TH1做為自動重裝值 ,這個定時模式下,定時器溢出后,TH1的值會自動裝載到TL1,再次開始計數(shù),這樣可以不用軟件去干預,使得定時更準確
36、。在這個定時模式2下定時器1溢出速率的計算公式如下:</p><p> 溢出速率=(計數(shù)速率)/(256-TH1)</p><p> 上式中的“計數(shù)速率”與所使用的晶體振蕩器頻率有關,在51芯片中定時器啟動后會在每一個機器周期使定時寄存器TH的值增加一,一個機器周期等于十二個振蕩周期,所以可以得知51芯片的計數(shù)速率為晶體振蕩器頻率的1/12,一個12M的晶振用在51芯片上,那么51的計
37、數(shù)速率就為1M。通常用11.0592M晶體是為了得到標準的無誤差的波特率,那么為何呢?計算一下就知道了。如我們要得到9600的波特率,晶振為11.0592M和12M,定時器1為模式2,SMOD設為1,分別看看那所要求的TH1為何值。代入公式:</p><p> 11.0592MHz時:9600=(2÷32)×((11.0592M/12)/(256-TH1))</p><p
38、> TH1=250 //看看是不是和上面實例中的使用的數(shù)值一樣?</p><p> 12MHz時:9600=(2÷32)×((12M/12)/(256-TH1))</p><p> TH1≈249.49</p><p><b> .總體電路設計:</b></p><p> PC機和單片
39、機最簡單的連接時零調(diào)制三線經(jīng)濟系。這是進行全雙工通信所必需的最少線路,因為51單片機輸入、輸出電平為TTL電平,但由于單片機的TTL邏輯電平和RS-232的電氣特性完全不同,RS-232的邏輯0電平規(guī)定為+5~+15V之間,邏輯1電平為-5~-15V之間,因此在將PC機和單片機的TXD和RXD交叉連接時必須進行電平轉(zhuǎn)換,這里我選用的是MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片。將PC機鍵盤的輸入發(fā)送給單片機,單片機收到PC機發(fā)來的數(shù)據(jù)后,會送統(tǒng)一數(shù)據(jù)給P
40、C機。并在屏幕中顯示出來。只要屏幕中顯示出來的字符與所鍵入的字符相同,說明二者之間的通信正常??偞型ㄐ艌D為圖4-1所示</p><p> 圖4-1串行通信電路圖</p><p><b> 5. 程序設計</b></p><p><b> 5.1流程框圖</b></p><p> 51單片機
41、通過中斷方式接收PC機發(fā)送數(shù)據(jù),并回送。其程序流程圖,如圖5-2所示:</p><p> 圖5-2發(fā)送端程序流程圖</p><p><b> 5.2 主函數(shù)</b></p><p> #include <REG51.H></p><p> /*************宏定義**************
42、****/ </p><p> #define uchar unsigned char</p><p> #define uint unsigned int</p><p> /*******************************/ </p><p> uchar code SEG[10]={0xa0,0xbe,0x
43、62,0x2a,0x3c,0x29,0x21,0xba,0x20,0x28};</p><p> uchar code ACT[4]={0x7f, 0xef,0xdf,0xbf};</p><p> sbit P3_7=P3^7;</p><p> Sbit P3_6=P3^6;</p><p> Sbit P3_5=P3^5;&l
44、t;/p><p><b> Uchar f;</b></p><p> Uchar temp;</p><p> /****************延時****************/</p><p> void delay(uint k)</p><p><b> {</
45、b></p><p><b> uint i,j;</b></p><p> for(i=0;i<k;i++)</p><p> for(j=0;j<121;j++);</p><p><b> }</b></p><p> /**********
46、*********************************************/</p><p> void key_s1(void)</p><p><b> {</b></p><p> if(!P3_7)</p><p><b> {</b><
47、;/p><p> if(temp>30)temp=0;</p><p> if(temp==0)f++;</p><p> if(f<20)f=20;</p><p><b> temp++;</b></p><p><b> }
48、</b></p><p><b> }</b></p><p> /*******************************************************/</p><p> void key_s2 (void)</p><p><b>
49、 {</b></p><p> if(!P3_6)</p><p><b> {</b></p><p> if(temp>30)temp=0;</p><p> if(temp==0)f--;</p><p> if(f>150)f=15
50、0;</p><p><b> temp++;</b></p><p><b> }</b></p><p><b> }</b></p><p> void display(uchar x)</p><p><b
51、> {</b></p><p> P0=SEG[x%10]; P2=ACT[0]; delay(1);</p><p> P0=SEG[(x%100)/10]; P2=ACT[1]; delay(1);</p><p> P0=SEG[(x%1000)/100]; P2=ACT[2]; del
52、ay(1);</p><p> P0=SEG[x/1000]; P2=ACT[3]; delay(1);</p><p><b> }</b></p><p> /**********中斷初始化***********************/</p><p> void csh()
53、</p><p><b> {</b></p><p> TMOD=0x20; //設置定時器1為方式2</p><p><b> TH1=0xfd;</b></p><p><b> TL1=0xfd;</b></p><p><b
54、> TR1=1;</b></p><p> SM0=0; //串行口方式一</p><p><b> SM1=1;</b></p><p><b> EA=1;</b></p><p><b> ES=1;</b></p><p&
55、gt;<b> }</b></p><p> /*********************************/</p><p> void main()</p><p><b> {</b></p><p><b> csh();</b></p>
56、<p><b> while(1)</b></p><p><b> { </b></p><p><b> key_s1();</b></p><p><b> key_s2();</b></p><p> display(f);&l
57、t;/p><p> if(P3_5==0) </p><p><b> {</b></p><p> delay(10);</p><p> if(P3_5==0)</p><p><b> {</b></p><p><b> SB
58、UF=f;</b></p><p> /void zhongd(void) interrupt 4</p><p><b> {</b></p><p><b> TI=0;</b></p><p><b> }</b></p><p&
59、gt;<b> 6. 元件清單</b></p><p><b> 7. 小結(jié)</b></p><p> 單片機與PC機串行通信系統(tǒng)的設計告一段落,該系統(tǒng)的開發(fā)是一項非常有價值的項目。本論文以單片機系統(tǒng)設計方法作為全文的組織線索,開發(fā)一個單片機系統(tǒng)是需要按照規(guī)范的系統(tǒng)設計方法嚴謹?shù)倪M行的。</p><p> 為了
60、開發(fā)通信系統(tǒng),選擇8051單片機,必須掌握單片機控制系統(tǒng)硬件電路的設計,如復位電路和時鐘電路等的設計,另外對匯編語言的靈活運用是少不了的,如單片機中斷、定時器和串行口的匯編語言編程,而對單片機的串口知識深刻的理解下,確定以定時器T1的工作方式2作為波特率發(fā)生器是一個關鍵的,計算機方面,首先是 RS-232C接口,RS-232C接口是最為常用的、應用最為廣泛的串行接口標準,大量的集成設備、工業(yè)產(chǎn)品都提供了RS-232C接口,因此單片機應用
61、系統(tǒng)的設計中,RS-232C通信設計是十分重要的。51兼容單片機通常都自帶一個標準UART端口,這個端口用過電平轉(zhuǎn)換電路就可以構(gòu)成一個標準的RS-232C接口,并且與計算機的接口相匹配,運用RS-232C連接的最簡單形式:3線制,將單片機與PC機進行硬件連接。其中由于單片機系統(tǒng)使用的是TTL電平,單片機中的串口輸出的信號也是如此,但是串行通信中使用的RS-232C通信協(xié)議,二者的電平并不相同,在和單片機進行通信時,還需要有一定的外圍電路
62、的配合,使得單片機的通信電平和標準的串行通信協(xié)議相匹配。這一點用MAX232芯片進行處理。以上所形成的通信系統(tǒng)的原理</p><p><b> 8. 參考文獻</b></p><p> [1] 趙茂泰.智能儀器原理及應用.北京: 電子工業(yè)出版社,2004.7</p><p> [2] 張毅剛,劉杰.MCS—51單片機原理及應用.哈爾濱:
63、 哈爾濱工業(yè)大學出版社,2004.6</p><p> [3] 何立民.單片機應用技術選編.北京: 北京航天航空大學出版,2002.5</p><p> [4] 張軍,梅麗鳳.單片機原理接口技術.北京交通大學出版社,2006.5</p><p> [5] 張婧武,周靈彬.單片機系統(tǒng)的PROTEUS設計與仿真.北京: 電工出版社,2007.4</p>
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