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    • 簡介:20112012學(xué)年第二學(xué)期單片機(jī)設(shè)計課程設(shè)計報告題目專業(yè)通信工程班級09通信一班姓名指導(dǎo)教師電氣工程系2012年5月27日摘要各種各樣的信號是通信領(lǐng)域的重要組成部分,其中正弦波、三角波和方波等是較為常見的信號。在科學(xué)研究及教學(xué)實驗中常常需要這幾種信號的發(fā)生裝置。為了實驗、研究方便,研制一種靈活適用、功能齊全、使用方便的信號源是十分必要的。本次關(guān)于產(chǎn)生不同低頻信號的信號源的設(shè)計方案,不僅在理論和實踐上都能滿足實驗的要求,而且具有很強(qiáng)的可行性。該信號源的特點是體積小、價格低廉、性能穩(wěn)定、實現(xiàn)方便、功能齊全。關(guān)鍵詞正弦波;三角波;方波;信號源;低頻信號引言波形發(fā)生器是信號源的一種,它是具有信號源所具有的特點,更因它高的性能優(yōu)勢而備受人們青睞。信號源主要給被測電路提供所需要的已知信號(各種波形),然后用其它儀表測量感興趣的參數(shù)??梢娦盘栐丛诟鞣N實驗應(yīng)用和試驗測試處理中,它不是測量儀器,而是根據(jù)使用者的要求,作為激勵源,仿真各種測試信號,提供給被測電路,以滿足測量或各種實際需要。目前我國已經(jīng)開始研制波形發(fā)生器,并取得了可喜的成果。但總的來說,我國波形發(fā)生器還沒有形成真正的產(chǎn)業(yè)。就目前國內(nèi)的成熟產(chǎn)品來看,多為一些PC儀器插卡,獨(dú)立的儀器和VXI系統(tǒng)的模塊很少。并且我國目前在任意波形發(fā)生器的種類和性能都與國外同類產(chǎn)品存在較大的差異,因此加緊對這類產(chǎn)品的研制顯得迫在眉睫。硬件設(shè)計利用AT89C51單片機(jī)外接數(shù)模轉(zhuǎn)換器和運(yùn)算放大電路,由用戶通過按鍵選擇輸出實驗室中經(jīng)常使用到的幾種基本波形方波、鋸齒波、正弦波和三角波。方波由AT89C51單片機(jī)將最大值和最小值輸出給D/A進(jìn)行轉(zhuǎn)換,并由用戶通過鍵盤選擇波形周期。與微處理器兼容的8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量電壓信號,通過運(yùn)放電路得到鋸齒波、正弦波、三角波信號,波形保證了它的精度、平滑和穩(wěn)定??刹捎脝纹瑱C(jī)程序產(chǎn)生以上4種波形,并通過一片D/A轉(zhuǎn)換器輸出。另外,采用一片D/A轉(zhuǎn)換器來控制前一片D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓,從而可以改變輸出波形幅值,見圖1所示。通過外接鍵盤來設(shè)定波形的類型、幅值和頻率,并在擴(kuò)展的七段LED顯示器上顯示響應(yīng)的波形的類型、幅值和頻率。AT89C51單片機(jī)時鐘電路采用內(nèi)部方式,外接陶瓷諧振器(頻率為12MHZ),微調(diào)電容值為30PF。系統(tǒng)復(fù)位采用按鍵式外部復(fù)位方式,復(fù)位信號至少保持8US以上。通過按鍵由用戶選擇要輸出的波形,按鍵選擇占用P10P17口,采用獨(dú)立式鍵盤結(jié)構(gòu),框圖如圖21所示。圖21總體方案結(jié)構(gòu)框圖單元模塊設(shè)計單片機(jī)的選擇AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS8位單片機(jī),片內(nèi)含4KBYTES的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器(PEROM)和128BYTES的隨機(jī)抽取數(shù)據(jù)存儲器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)。兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng),片內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU)和FLASH存儲單元,功能強(qiáng)大。AT89C51單片機(jī)可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合,可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能4K字節(jié)FLASH閃速存儲器,128字節(jié)內(nèi)部RAM,32個I/O口線,兩個16位定時/計數(shù)器,一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu),一個全雙工串行通信口,片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時,AT89C51可降至0HZ的靜態(tài)邏輯操作,并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作方式??臻e工作方式停止CPU的工作,但允許RAM,定時器/計數(shù)器串口通信及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作,掉電方式保存RAM中的內(nèi)容,但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。22輸入電路鍵盤的接口電路在單片機(jī)控制系統(tǒng)中,為了實現(xiàn)人對系統(tǒng)的操縱控制及向系統(tǒng)輸入?yún)?shù),都需要為系統(tǒng)設(shè)置按鍵或鍵盤,實現(xiàn)簡單的人機(jī)會話。鍵盤是一組(通常多于8個)按鍵的集合。鍵盤所使用的按鍵一般都是具有一對常開觸點的按鍵開關(guān),平時不按鍵時,觸點處于斷開(開路)狀態(tài),當(dāng)按下按鍵時,觸點才處于閉合(短路)狀態(tài),而當(dāng)按鍵被松開后,觸點又處于斷開狀態(tài)。根據(jù)鍵盤上閉合鍵的識別方法不同,鍵盤可分為非編碼鍵盤和編碼鍵盤兩種。非編碼鍵盤上,閉合鍵的識別采用軟件實現(xiàn);編碼鍵盤上,閉合鍵的識別則由專門的硬件譯碼器產(chǎn)生按鍵的編號(即鍵碼),并產(chǎn)生一個脈沖信號,以通知CPU接受鍵碼。編碼鍵盤使用較為方便,易于編程,但硬件電路較為復(fù)雜,因此在單片機(jī)的控制系統(tǒng)中應(yīng)用較少。而非編碼鍵盤幾乎不需要附加什么硬件電路,因此在實際單片機(jī)控制系統(tǒng)中較多采用。從鍵盤的結(jié)構(gòu)來分,鍵盤可分為獨(dú)立式和矩陣式兩類。當(dāng)系統(tǒng)操作比較簡單,所需鍵盤較少時,可采用獨(dú)立式非編碼鍵盤;而當(dāng)系統(tǒng)操作比較復(fù)雜,需要數(shù)量較多的按鍵時,可采用矩陣式非編碼鍵盤。在本課題設(shè)計中,采用的是獨(dú)立式鍵盤。其電路圖如圖31所示。圖31鍵盤與單片機(jī)接口電路輸出波形種類、幅值和頻率的設(shè)定由鍵盤輸入。由于單片機(jī)的PI口不作它用,可用它擴(kuò)展一個4行4列鍵盤。鍵盤的4根行線接到單片機(jī)的P10P13口線,4根列線接P14P17口線。16個按鍵分別定義為數(shù)字09和功能鍵ENTER確認(rèn)鍵、CLEAR清除鍵、WAVE波形選擇鍵、FREQUENENCY改變頻率鍵、AMPLITUDE改變幅值鍵和(小數(shù)點鍵)。23顯示電路當(dāng)前輸出波形的種類、幅值和頻率需要顯示出來。由于單片機(jī)的串行不作它用,可用它接8片串入并出移位寄存器來擴(kuò)展8位7段LED顯示器,L1L4用于顯示輸出波形的頻率;L5L7用于顯示輸出波形的幅值,L6的小數(shù)點接5V,常亮,則可顯示00V到100V;L8用于顯示波形的種類,1表示正弦波,2表示方波,3表示三角波,4表示鋸齒波,如圖32。圖32顯示電路24D/A轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口電路在本設(shè)計中選用DAC0832的單緩沖工作方式,它與單片機(jī)AT89C51的接口電路如圖33所示圖33DAC0832與單片機(jī)AT89C51的接口電路按應(yīng)用要求的不同,DAC0832可以接成單極性電壓輸出和雙極性電壓輸出,當(dāng)數(shù)字量在00FF范圍時,電壓輸出量若為0XV或0XV,這種輸出方式稱為單極性電壓輸出方式;若電壓的輸出為XVXV,則為雙極性電壓輸出方式。本課題根據(jù)實際要求選擇IC3為單極性輸出和IC4為雙極性電壓輸出。25運(yùn)算放大器電路將得到的模擬信號量分別進(jìn)行放大,以利于對系統(tǒng)的信號量進(jìn)行觀察、讀取等研究。由于信號從D/A轉(zhuǎn)換器出來的模擬信號量是比較微弱的,因而需要對所得到的信號量進(jìn)行放大3軟件設(shè)計通過單片機(jī)AT89C51的P10口輸出方波,而方波的輸出周期通過控制小鍵盤來實現(xiàn),與單片機(jī)相連的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊DAC0832,它通過連一個I/V轉(zhuǎn)換電路后輸出正弦波和鋸齒波,其波形的周期也是通過控制小鍵盤來實現(xiàn)的。在該系統(tǒng)中,應(yīng)有高可靠性、抗干擾性,在斷電或出現(xiàn)故障時有保護(hù)、數(shù)據(jù)存儲和復(fù)位功能。擇的是匯編語言,用助記符和標(biāo)號地址編寫的程序稱為匯編語言源程序,其作用相當(dāng)于人們直接用指令的機(jī)器碼以及指令地址編寫程序。31初始化程序初始化程序模塊主要進(jìn)行設(shè)置定時器、串行口的工作方式,設(shè)置波形的類型、幅值和頻率,并在顯示器上顯示提示字符12345678等工作。這部分程序如下MOVTMOD,02H;設(shè)置定時器0為方式2工作MOVTL0,7FH;置初值MOVTH0,7FHCLRTR0;不啟動MOVSCON,00H;將串行口初始化為方式0MOVDPTR,0FFFDH;IC3的地址送DPTRMOVA,0FFHMOVXDPTR,A;輸出波形的幅值初始化為10VMOVDPTR,0FFFEH;IC4的地址送DPTRMOVA,80HMOVXDPTR,A;輸出設(shè)定為0MOVWAVKD,01H;波形類型初始化為1,即正弦波32正弦波的產(chǎn)生程序正弦波產(chǎn)生程序流程圖如圖41圖41正弦波產(chǎn)生程序流程圖其程序清單如下SETBTROSINWAVMOVRO,00H;查表指針初始化為0SINLP1MOVDPTR,SINTAB;正弦波函數(shù)表地址送DPTRMOVA,R0MOVCA,ADPTR;MOVDPTR,0FFFEH;IC4地址送DPTRMOVXDPTR,A;輸出數(shù)據(jù)給D/ASINLP2JNBTFO,SINLP2;由定時器控制頻率CLRTFOINCROCJNERO,13H,SINTAB;SINLP3MOVDPTR,SINTAB;正弦波函數(shù)表表地址送DPTRMOVA,ROMOVCA,A,ROMOVCA,ADPTR;MOVDPTR,F(xiàn)FFEH;IC4F地址送DPTRMOVXDPTR,ASINLP4JNBTFO,DINLP4;由定時器控制頻率CLRTFODECROCJNERO,OOH,SINLP3;SINLP5MOVDPTR,SINTAB;正弦波涵數(shù)表表地址送DPTRMOVA,ROMOVCA,ADPTR;CPLA;取反MOVDPTR,OFFFEH;IC4地址送DPTRMOVXDPTR,A;輸出數(shù)據(jù)給D/ASINLP6JNBTFO,SINLP6;由定時器控頻率CLRTFOINCROCJNERO,13H,SINLP6;SINLP7MOVDPTR,SINTAB;正弦波函數(shù)表地址送DPTRMOVA,R0MOVCA,ADPTR;CPLA;取反MOVDPTR,0FFFEH;IC4地址送DPTRMOVXDPTR,ASINLP8JNBTF0,SINLP8;由定時器控制頻率CLRTF0DECR0CJNER0,00H,SINLP7;SJMPSINWAV;輸出下一個周期SINTABDB7FH,89H,94H,9FH,0AAH,0B4H,0BEH,0C8H,0D1H,0D9HDB0E0H,0E7H,0EDH,0F2H,0F7H,0FAH,0FCH,0FEH,0FFH33三角波的產(chǎn)生程序三角波產(chǎn)生程序流程圖如圖42圖42三角波產(chǎn)生程序流程圖程序清單如下SETBTR0TRIWAVMOVR0,00H;查表指針初始化為0TRILP1MOVDPTR,TRITAB;正弦波函數(shù)表地址送DPTRMOVA,R0MOVCA,ADPTR;MOVDPTR,0FFFEH;IC4地址送DPTRMOVXDPTR,A;輸出數(shù)據(jù)給D/ATRILP2JNBTF0,TRILP2;由定時器控制頻率CLRTF0INCR0CJNER0,13H,TRILP1;TRILP3MOVDPTR,TRITAB;正弦波函數(shù)表地址送DPTRMOVA,R0MOVCA,ADPTR;MOVDPTR,0FFFEH;IC4地址送DPTRMOVXDPTR,ATRILP4JNBTF0,TRILP4;由定時器控制頻率CLRTF0DECR0CJNER0,00H,TRILP3;TRILP5MOVDPTR,TRITAB;正弦波函數(shù)表地址送DPTRMOVA,R0MOVCA,ADPTR;CPLA;取反MOVDPTR,0FFFEH;IC4地址送DPTRMOVXDPTR,A;輸出數(shù)據(jù)給D/ATRILP6JNBTF0,TRILP6;由定時器控制頻率CLRTF0INCR0CJNER0,13H,TRILP6;TRILP7MOVDPTR,TRITAB;正弦波函數(shù)表地址送DPTRMOVA,R0MOVCA,ADPTR;CPLA;取反MOVDPTR,0FFFEH;IC4地址送DPTRMOVXDPTR,ATRILP8JNBTF0,TRILP8;由定時器控制頻率CLRTF0DECR0CJNER0,00H,TRILP7;SJMPTRIWAV;輸出下一個周期TRITABDB7FH,86H,8DH,94H,9BH,0A2H,0A9H,0B0H,0B7H,0BEHDB0C5H,0CCH,0D3H,0DAH,0E1H,0E8H,0EFH,0F6H,0FDH34鋸齒波的產(chǎn)生程序鋸齒波產(chǎn)生程序流程圖如圖43圖43鋸齒波產(chǎn)生程序流程圖程序清單如下SETBTR0SOWWAVMOVDPTR,0FFFEH;IC4地址送DPTRMOVR0,00H;波形輸出初值為0SOWLP1MOVA,R0MOVXDPTR,A;輸出數(shù)據(jù)給D/ASOWLP2JNBTF0,SOWLP2;由定時器控制頻率CLRTF0INCR0;R0加1SJMPSOWLP135方波的產(chǎn)生程序方波產(chǎn)生程序流程圖如圖44圖44方波產(chǎn)生程序流程圖其程序清單如下SETBTR0BOXWAVMOVDPTR,0FFFEH;IC4地址送DPTRBOXLP1MOVA,0FFH;高脈沖MOVXDPTR,A;輸出數(shù)據(jù)給D/ABOXLP2JNBTF0,BOXLP2;由定時器控制頻率CLRTF0MOVA,00H;低脈沖MOVXDPTR,A;輸出數(shù)據(jù)給D/ABOXLP3JNBTF0,BOXLP3;由定時器控制頻率CLRTF0SJMPBOXLP136顯示程序顯示程序模塊主要用于初始化顯示、鍵入數(shù)據(jù)的顯示,其中初始化顯示程序在顯示電路的調(diào)試部分已給出,這里不再重復(fù)。下面就鍵入數(shù)據(jù)的顯示程序作一說明。本顯示器由8個7段LED組成。其中,L1L4四位用于顯示頻率;L5L7三位用于顯示幅值,L6的小數(shù)點常亮,顯示范圍是000999V,滿足本波形發(fā)生器的幅值要求;L8用于顯示波形類型,1為正弦波,2為方波,3為三角波,4為鋸齒波。輸入數(shù)據(jù)通過查表轉(zhuǎn)換為對應(yīng)顯示碼,然后存于單片機(jī)內(nèi)存30H37H中。由于采用單片機(jī)的串口外接串入并出移位寄存器驅(qū)動顯示,越早寫入串口的數(shù)據(jù)移到離單片機(jī)越遠(yuǎn)的顯示器。這樣顯示碼的存儲順序應(yīng)和顯示器的次序剛好相反,即L8的顯示碼存于30H中,L7L5的顯示碼存于31H33H,L4L1的顯示碼存于34H37H中。顯示時,將30H37H中的顯示碼依次取出,寫入單片機(jī)的串口中即可。程序清單如下DISP8MOVR0,30H;顯示指針初始化為指向第一個數(shù)MOVSCON,00H;將串行口初始化為方式0DISP80MOVA,R0;顯示碼送AMOVSBUF,A;由串行口發(fā)送到7段LED上顯示DISP81JNBTI,DISP81;等待本次串行輸出完成ACALLDLAY1;延時一段時間CLRTI;清發(fā)送中斷標(biāo)志INCR0;準(zhǔn)備查下一個數(shù)CJNER0,38H,LOOP;看8個數(shù)是否已輸出顯示完,未顯示完,則繼續(xù)RET;已顯示完,則退出對于一個復(fù)雜的軟件,一定要有一個軟件總流程圖,以便反映各個軟件子模塊間的內(nèi)在聯(lián)系,表達(dá)各個子模塊的功能。根據(jù)對軟件任務(wù)的討論,得到波形發(fā)生器的軟件總流程圖如圖45所示圖45系統(tǒng)總程序流程圖4系統(tǒng)調(diào)試41系統(tǒng)硬件調(diào)試一個單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)經(jīng)過方案論證、硬件設(shè)計、印刷版的布局、加工和焊接包括軟件的編制,通常不可能一次成功,不可避免地要出現(xiàn)一些錯誤,這就要靠調(diào)試來解決。調(diào)試的次序一般是先易后難,后面的調(diào)試應(yīng)盡可能采用以前已調(diào)好的電路,各單元電路(或稱作單元模塊)都調(diào)好以后,再進(jìn)行系統(tǒng)總調(diào)。對于本波形發(fā)生器,其硬件電路的調(diào)試可以按如下步驟進(jìn)行。1)硬件電路的總體檢查在一塊電路試驗板上,焊接好電路,按實際電路圖插好元器件,連好線。在接上電源之前,用萬用表粗略檢查電路的正確性,尤其是要檢查電源和地之間的電阻。對于本波形發(fā)生器來講,電源和地之間的電阻應(yīng)為1K歐以上,若太小,應(yīng)檢查電源和地之間是否有短路現(xiàn)象或電源接錯現(xiàn)象或有不良元器件。確保電源和地?zé)o故障之后,再通電,然后檢查各電源5V、12V和12V電壓數(shù)值的正確性。排除可能出現(xiàn)的故障后,再進(jìn)行各單元電路調(diào)試。2)單元電路調(diào)試①單片機(jī)最小系統(tǒng)調(diào)試按照前面設(shè)計的單片機(jī)最小系統(tǒng)和電源,焊接并插上相應(yīng)的元器件,連好線,檢查正確無誤后,接上電源,用示波器測試單片機(jī)的時鐘波形。若時鐘波形和頻率正確,則進(jìn)行下一步檢查。切斷電源,空出單片機(jī)AT89C51的位置,并在此位置上插入仿真器的40芯仿真頭。連好相應(yīng)線,檢查正確無誤后,接上電源,然后啟動仿真器,檢查地址鎖存等電路的正確性。②波形輸出電路調(diào)試按電路接線方法,我們可以知道D/A轉(zhuǎn)換器IC3和IC4的地址分別為0FDH和0FEH,向著兩個地址分別寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)后,若電路正確就啟動了它們的D/A轉(zhuǎn)換,若這時運(yùn)放IC6和IC8輸出的電壓值相符,則說明波形輸出電路正確。42系統(tǒng)軟件調(diào)試首先,將源程序進(jìn)行匯編,若匯編未通過,則匯編程序會提示出錯類型,比如操作碼錯、缺少操作數(shù)、跳轉(zhuǎn)出范圍、符號未定義、缺少“,”等常見錯誤。經(jīng)過修改后再進(jìn)行匯編,若這時提示匯編成功,保存目標(biāo)文件,則說明源程序的指令使用沒有錯誤。但并不表示程序沒有錯誤,還必須經(jīng)過仿真調(diào)試,仿真通過才說明程序設(shè)計正確。接下來要進(jìn)行實物仿真調(diào)試,在用戶電路板上插好仿真頭,接好通信電纜,接通電源,運(yùn)行仿真程序。在進(jìn)行實物仿真之前,要選擇正確的仿真頭、通信口、通信協(xié)議和波特率等,并設(shè)置用戶程序空間和數(shù)據(jù)空間所處的位置(用戶板上或仿真頭)。然后,裝入前面的提示符顯示程序,匯編并執(zhí)行。若在用戶板上的8個七段LED顯示器上顯示的結(jié)果是“12345678”,則說明提示符程序設(shè)計完全正確。其他軟件模塊的調(diào)試方法類似。43系統(tǒng)整體調(diào)試在系統(tǒng)的硬件各軟件分別調(diào)試成功后,可以進(jìn)行系統(tǒng)的整體調(diào)試先用仿真器進(jìn)行調(diào)試,插好仿真頭,接通電源,啟動仿真器,將本波形發(fā)生器的系統(tǒng)軟件裝入仿真器中,并運(yùn)行,調(diào)試系統(tǒng)的整體配合的正確性,直到滿意為止。5設(shè)計總結(jié)小結(jié)本設(shè)計基本上達(dá)到了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。本設(shè)計是通過大量閱讀國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn),總結(jié)了波形發(fā)生器、AT89C51和DAC0832還有匯編語言的各自的特點的基礎(chǔ)上而提出的。收獲1本設(shè)計采用了單片機(jī)技術(shù)來設(shè)計波形發(fā)生器,使波形發(fā)生器操作和使用都非常方便;2本文比較了不同系列的單片機(jī)的功能和特性,最終選取了AT89C51單片機(jī),研究了系統(tǒng)各個模塊的特點,分別列寫了各個模塊的流程圖和匯編程序,使得具體工作有的放矢,很好的滿足了要求3經(jīng)過本次畢業(yè)設(shè)計,作者對開發(fā)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的全過程得到了進(jìn)一步的了解和體會。意見和建議1由于個人能力和時間上的限制,匯編程序及系統(tǒng)程序還略有不足和粗糙,在考慮問題的全面性上還有一定的欠缺;2每一個處理階段的程序模塊的優(yōu)化和各個模塊的銜接性有待增強(qiáng)。參考文獻(xiàn)1蔣廷彪,劉電霆,高富強(qiáng),方華單片機(jī)原理及應(yīng)用(MCS51)重慶重慶大學(xué)出版社,20032劉南平,吉紅模擬電子技術(shù)北京科學(xué)出版社,200591531833李朝青單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M]北京航空航天大學(xué)出版社,19944趙亮,侯國銳單片機(jī)C語言編程與實例北京人民郵電出版社,20035陳光東,趙性初單片機(jī)微型計算機(jī)原理與接口技術(shù)第二版武漢華中科技大學(xué)出版社,19996江思敏,姚鵬翼,胡榮等PROTEL電路設(shè)計教程北京清華大學(xué)出版社,20027謝自美電子線路設(shè)計實驗測試第二版武漢華中科技大學(xué)出版社,19998康光華電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分第四版高等教育出版社9馬忠梅,馬巖,張凱,籍順心單片機(jī)的C語言程序設(shè)計北京航空航天大學(xué)出版社,199710彭善瓊,丁長松一種新型信號發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn)(吉首大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院,湖南省吉首市416000)電子工程師2007年2月
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