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1、数据采集与处理技术数据采集与处理技术教 学 内 容 第第第第1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论 第第第第2 2章章章章 模拟信号处理模拟信号处理模拟信号处理模拟信号处理 第第第第3 3章章章章 模拟多路开关模拟多路开关模拟多路开关模拟多路开关 第第第第4 4章章章章 测量放大器测量放大器测量放大器测量放大器 第第第第5 5章章章章 采样保持器采样保持器采样保持器采样保持器 第第第第6 6章章章章 模数转换器模数转换器模数转换器模数转换器 第第第第7 7章章章章 数数数数模转换器模转换器模转换器模转换器第第第第8 8章章章章数据接口卡采集数据接口卡采集数据接口卡采集数据接口卡采集第第第第9 9章
2、章章章 数字信号的采集数字信号的采集数字信号的采集数字信号的采集第第第第1010章章章章 数据的预处理数据的预处理数据的预处理数据的预处理2数据采集与处理技术数据采集与处理技术课程地位数据采集（Dataacquisition）是信息科学的一个重要分支，是以传感器、信号的测量与处理、微型计算机等先进技术为基础而形成的一门综合应用技术，其实用型很强。作为获取信息的工具，数据采集在国民经济的各个领域，如核电、石化、冶金、航空航天、机械制造等方面有着非常重要的地位。人们可以通过对信号的测量（数据获取）、处理、控制及管理，实现对生产过程的测、控、管自动化与一体化。因此，本课程是自动控制、测试、仪器仪表、
3、机械设计与自动化等专业的学生必须学习的一门专业课程。数据采集不仅涉及到采样基本理论的应用，还涉及各种芯片的使用、数据采集系统的组成、系统的抗干扰、程序的编制调试等工程应用问题。因此，本课程教学必须坚持理论联系实际的原则，在讲授采样基本原理的基础上，着重讲授数据采集在工程上应用的知识，以进一步培养和提高学生运用本课程讲授的知识解决实际问题的能力；要使用启发式教学，以精讲为主，辅以适当的课程实习，加强学生学习的主动性、自觉性。数据采集与处理技术数据采集与处理技术教材及主要参考资料1教材马明建编著.数据采集与处理技术(第3版）.西安交通大学出版社,2008.2主要参考资料1祝常红.数据采集与处理技术
4、.电子工业出版社.20082李念强数据采集技术与系统设计.机械工业出版社20053任家富等.数据采集与总线技术.北京航空航天大学出版社.2008总学时：48学分：3.0数据采集与处理技术数据采集与处理技术教学基本要求或建议：1连续信号的采样问题、采样定理的定义、采样定理的实际应用、频率混淆原因及解决措施。2了解模/数和数/模的转换过程、典型模/数和数/模转换器的工作原理；量化过程、误差、编码。3了解数据采集系统的组成、系统的抗干扰措施。4了解典型A/D、D/A和双8225接口板的使用。5了解模拟量采集程序和数字量采集程序的编程方法。6采样数据的数字滤波、采样数据中奇异项的剔除及采样数据的平滑处
5、理数据采集与处理技术数据采集与处理技术序号 理论授课内容提要学时1第1章 绪 论42第2章 模拟信号的数字化处理43第3章 模拟多路开关24第4章 测量放大器25第5章 采样/保持器46第6章 模/数转换器47第7章 数/模转换器28第八章 数据的接口板卡采集29第九章 数字信号的采集410第十章 采样数据的预处理211复习2共计32理论课分配表数据采集与处理技术数据采集与处理技术实验课分配表序号 内容提要学时1Multisim认识一22Multisim认识二23放大器电路设计与仿真24温度采集电路的设计与仿真25Labview认识26典型信号虚拟发生器27典型信号的频谱分析28周期信号波形的
6、合成和分解2共计16数据采集与处理技术数据采集与处理技术第第1章章 绪绪 论论 教 学 内 容 8数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.2 数据采集的意义与任务数据采集的意义与任务 1.3 数据采集系统的基本功能数据采集系统的基本功能1.4 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式第1章 绪 论本章教学内容本章教学内容1.6 数据处理的类型和任务数据处理的类型和任务1.1 数据采集的发展史和应用数据采集的发展史和应用9数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.1 数据采集的发展史和应用数据采集的发展史和应用 第1章 绪 论10数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.11.1 数据采集的发展
7、史和应用 本节教学目标本节教学目标 了解数据采集的发展史了解数据采集的发展史 理解的应用理解的应用11数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.11.1 数据采集的发展史和应用 1. 数据采集的发展史数据采集的发展史 机械式蒸汽机转速的闭环自动调速系统机械式蒸汽机转速的闭环自动调速系统机械式蒸汽机转速的闭环自动调速系统机械式蒸汽机转速的闭环自动调速系统 1788年年，英国机英国机械师械师 J.瓦特瓦特(Watt)在改进蒸汽机的同在改进蒸汽机的同时，发明了离心式时，发明了离心式调速器，如左图。调速器，如左图。 这是机械式蒸这是机械式蒸汽机转速的闭环自汽机转速的闭环自动调速系统。动调速系统。 当蒸汽
8、机输出当蒸汽机输出轴转速发生变化轴转速发生变化时，离心调速器自时，离心调速器自动调节进汽阀门的动调节进汽阀门的开度，从而控制蒸开度，从而控制蒸汽机的转速。汽机的转速。数据数据数据数据采集采集采集采集12数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.11.1 数据采集的发展史和应用离心式调节器形成的蒸汽机调速系统，见下图。离心式调节器形成的蒸汽机调速系统，见下图。离心式调节器形成的蒸汽机调速系统，见下图。离心式调节器形成的蒸汽机调速系统，见下图。 瓦特的这项发明对第一次工业革命的发展有重要瓦特的这项发明对第一次工业革命的发展有重要瓦特的这项发明对第一次工业革命的发展有重要瓦特的这项发明对第一次工业革命
9、的发展有重要影响。影响。影响。影响。数数数数据据据据采采采采集集集集进汽阀进汽阀进汽阀进汽阀转速转速转速转速+- 离心式调节器形成的调速系统离心式调节器形成的调速系统离心式调节器形成的调速系统离心式调节器形成的调速系统蒸汽源蒸汽源蒸汽源蒸汽源蒸汽机蒸汽机蒸汽机蒸汽机负载负载负载负载离心式离心式离心式离心式调速器调速器调速器调速器反反反反馈馈馈馈 瓦特蒸汽机瓦特蒸汽机瓦特蒸汽机瓦特蒸汽机转速不稳问题转速不稳问题也引发了自动化科学的也引发了自动化科学的也引发了自动化科学的也引发了自动化科学的发展。发展。发展。发展。13数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.11.1 数据采集的发展史和应用水温的手
10、动控制水温的手动控制水温的手动控制水温的手动控制 图中，水温操作员要用手（通过感觉）来测试水的温度，图中，水温操作员要用手（通过感觉）来测试水的温度，图中，水温操作员要用手（通过感觉）来测试水的温度，图中，水温操作员要用手（通过感觉）来测试水的温度，并将此温度与他要求的值（给定值）相比较（通过大脑）。并将此温度与他要求的值（给定值）相比较（通过大脑）。并将此温度与他要求的值（给定值）相比较（通过大脑）。并将此温度与他要求的值（给定值）相比较（通过大脑）。 同时，他要决定（通过大脑）：其手应该朝哪个方向旋同时，他要决定（通过大脑）：其手应该朝哪个方向旋同时，他要决定（通过大脑）：其手应该朝哪个方
11、向旋同时，他要决定（通过大脑）：其手应该朝哪个方向旋转阀门（打开或关闭）；旋转多大的角度）。转阀门（打开或关闭）；旋转多大的角度）。转阀门（打开或关闭）；旋转多大的角度）。转阀门（打开或关闭）；旋转多大的角度）。2. 数据采集在自动控制中的位置数据采集在自动控制中的位置14数据采集与处理技术数据采集与处理技术水温的自动控制水温的自动控制水温的自动控制水温的自动控制 采用自动控制时，水温的手动控制的功能，由各采用自动控制时，水温的手动控制的功能，由各种传感器、仪表、执行器来代替。种传感器、仪表、执行器来代替。传感器传感器传感器传感器 测温计：感测水的温度；测温计：感测水的温度；测温计：感测水的温
12、度；测温计：感测水的温度；执行器执行器执行器执行器 调节阀：打开或关闭蒸汽阀；调节阀：打开或关闭蒸汽阀；调节阀：打开或关闭蒸汽阀；调节阀：打开或关闭蒸汽阀；控制器控制器控制器控制器 调节记录仪：采集、比较、判断水温，驱调节记录仪：采集、比较、判断水温，驱调节记录仪：采集、比较、判断水温，驱调节记录仪：采集、比较、判断水温，驱 动调节阀。动调节阀。动调节阀。动调节阀。1.11.1 数据采集的发展史和应用 15数据采集与处理技术数据采集与处理技术3. 数据采集的工程应用实例数据采集的工程应用实例生产过程数据采集与控制系统生产过程数据采集与控制系统生产过程数据采集与控制系统生产过程数据采集与控制系统
13、控制量控制量控制量控制量输出信号输出信号输出信号输出信号扰动扰动扰动扰动生产过程生产过程生产过程生产过程传感器传感器传感器传感器数据采集数据采集数据采集数据采集控制信号控制信号控制信号控制信号1.11.1 数据采集的发展史和应用 16数据采集与处理技术数据采集与处理技术钢铁热连轧数据采集与自动控制钢铁热连轧数据采集与自动控制钢铁热连轧数据采集与自动控制钢铁热连轧数据采集与自动控制1.11.1 数据采集的发展史和应用 17数据采集与处理技术数据采集与处理技术数控车床数控车床数控车床数控车床控制面板控制面板控制面板控制面板 防护罩防护罩防护罩防护罩排屑机排屑机排屑机排屑机冷却液箱冷却液箱冷却液箱冷
14、却液箱1.11.1 数据采集的发展史和应用 18数据采集与处理技术数据采集与处理技术自动驾驶汽车自动驾驶汽车自动驾驶汽车自动驾驶汽车1.11.1 数据采集的发展史和应用 19数据采集与处理技术数据采集与处理技术仿人机器人仿人机器人仿人机器人仿人机器人多指灵巧机器手多指灵巧机器手多指灵巧机器手多指灵巧机器手1.11.1 数据采集的发展史和应用 20数据采集与处理技术数据采集与处理技术自动控制温室自动控制温室自动控制温室自动控制温室1.11.1 数据采集的发展史和应用 21数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.21.2 数据采集的意义与任务 1. 数据采集的定义数据采集的定义指采集温度、压力、流
15、指采集温度、压力、流量等模拟量，转换成数量等模拟量，转换成数字量，由计算机进行存字量，由计算机进行存储、处理、打印的过程。储、处理、打印的过程。 数据采集数据采集 相应系统称为数据采集系统。相应系统称为数据采集系统。 22数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.21.2 数据采集的意义与任务 2. 数据采集的意义数据采集的意义在生产过程中，对工艺参数进行在生产过程中，对工艺参数进行 采集、监测，为提高质量、安全采集、监测，为提高质量、安全 生产、降低成本提供信息。生产、降低成本提供信息。作用作用在科学研究中，用来获取微观、在科学研究中，用来获取微观、 动静态信息。动静态信息。 例如，物体的运动
16、数据记录、处理。例如，物体的运动数据记录、处理。23数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.11.1 数据采集的意义与任务 汽车碰撞数据采集汽车碰撞数据采集汽车碰撞数据采集汽车碰撞数据采集24数据采集与处理技术数据采集与处理技术解决人不能解决的问题。解决人不能解决的问题。意义意义：3. 数据采集系统的任务数据采集系统的任务任务任务有有采集传感器输出的模拟信号，并转采集传感器输出的模拟信号，并转 换成数字信号，然后送入计算机。换成数字信号，然后送入计算机。计算机对数字信号进行处理。计算机对数字信号进行处理。提高工作效率，取得较好的经济提高工作效率，取得较好的经济效益。效益。结果：结果：1.21.
17、2 数据采集的意义与任务 25数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.21.2 数据采集的意义与任务 5. 构成数据采集系统的依据构成数据采集系统的依据 在保证系统具备在保证系统具备采样精度采样精度的条件下，有的条件下，有尽可能高的尽可能高的采样速度采样速度，以满足实时处理、控，以满足实时处理、控制的要求。制的要求。4. 评价数据采集系统性能优劣的标准评价数据采集系统性能优劣的标准 标准有标准有系统的系统的采样精度采样精度。系统的系统的采样速度采样速度。26数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.3 数据采集系统的基本功能数据采集系统的基本功能第1章 绪 论27数据采集与处理技术数据采集与处理
18、技术本节教学目标本节教学目标 理解模拟信号与处理理解模拟信号与处理 理解数字信号与处理理解数字信号与处理 理解二次数据计算理解二次数据计算 1.31.3 数据采集系统的基本功能 28数据采集与处理技术数据采集与处理技术数据采集系统一般具有以下功能：数据采集系统一般具有以下功能： 1. 采集数据采集数据 按照采样周期，对模拟、数字、开关信号按照采样周期，对模拟、数字、开关信号采样。采样。 2. 模拟信号处理模拟信号处理模拟信号模拟信号 指信号幅值随时间连续变化的指信号幅值随时间连续变化的信号。信号。 1.31.3 数据采集系统的基本功能 29数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.31.3 数据
19、采集系统的基本功能 特点：特点：在规定的一段连续时间内，其幅值为在规定的一段连续时间内，其幅值为连续值。连续值。优点：优点：便于传送。便于传送。缺点：缺点：易受干扰。易受干扰。信号信号类型类型由传感器输出的电压信号由传感器输出的电压信号由仪表输出的电流信号由仪表输出的电流信号020mA420mA30数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.31.3 数据采集系统的基本功能 信号信号处理处理将采样信号将采样信号将转换的数字信号作标度变换将转换的数字信号作标度变换3. 数字信号处理数字信号处理 数字信号数字信号 指在有限离散瞬时上取值间断指在有限离散瞬时上取值间断的信号。的信号。 特点：特点： 时间
20、和幅值都不连续的信号。时间和幅值都不连续的信号。 数字信号数字信号31数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.31.3 数据采集系统的基本功能 优点：优点：抗干扰能力强抗干扰能力强缺点：缺点：需要一套转换电路，增加成本。需要一套转换电路，增加成本。传送方式传送方式并行传送并行传送串行传送串行传送信号处理：信号处理：将数字信号采入计算机后，进行将数字信号采入计算机后，进行码制转换。如码制转换。如 BCDASCII，便于在屏幕上显示。便于在屏幕上显示。32数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.31.3 数据采集系统的基本功能 4. 开关信号的处理开关信号的处理 开关信号开关信号由按钮、行程开关等
21、器件触由按钮、行程开关等器件触点产生的信号。点产生的信号。 信号处理：信号处理： 根据开关的状态执行相应的操作。根据开关的状态执行相应的操作。 5. 二次数据计算二次数据计算 概念概念一次数据一次数据 二次数据二次数据 从传感器采集的数据。从传感器采集的数据。对一次数据作计算得到对一次数据作计算得到的数据。的数据。33数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.31.3 数据采集系统的基本功能 二次数据二次数据平均、累计平均、累计傅里叶变换、积分变换傅里叶变换、积分变换变化率、差值变化率、差值最大值、最小值最大值、最小值6. 屏幕显示屏幕显示 将数字、图形、图表等显示在屏幕上。将数字、图形、图表等
22、显示在屏幕上。 7. 数据存储数据存储 按时间间隔，将数据存储在外部存储器。按时间间隔，将数据存储在外部存储器。34数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.31.3 数据采集系统的基本功能 8. 打印输出打印输出按时间间隔，打印输出数字、图形。按时间间隔，打印输出数字、图形。 9. 人机联系人机联系 操作人员用键盘或鼠标与系统对话，完操作人员用键盘或鼠标与系统对话，完成运行方式的设置。成运行方式的设置。 35数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.31.3 数据采集系统的基本功能 36数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.4 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式第1章 绪 论37数据
23、采集与处理技术数据采集与处理技术本节教学目标本节教学目标 理解理解微型计算机数据采集系统的结构微型计算机数据采集系统的结构 理解集散型数据采集系统的结构理解集散型数据采集系统的结构1.41.4 数据采集系统的结构形式 38数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.41.4 数据采集系统的结构形式 系统组成系统组成硬件硬件结构形式结构形式微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统软件软件集散型数据采集系统集散型数据采集系统39数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.41.4 数据采集系统的结构形式 1. 微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统系统的结构如图系统的结构如图1-1所示。所示。4
24、0数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.41.4 数据采集系统的结构形式 图图图图1-1 1-1 微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统放大放大放大放大 器器器器采采采采样样样样/ /保保保保持持持持器器器器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器A A/ /D D转转转转换换换换器器器器计计计计算算算算机机机机显示器显示器显示器显示器打印机打印机打印机打印机绘图机绘图机绘图机绘图机定时与逻辑控制定时与逻辑控制定时与逻辑控制定时与逻辑控制接接接接口口口口被被被被测测测测物物物物理理理理量量量量数字信号数字信号数
25、字信号数字信号开关信号开关信号开关信号开关信号多路开关多路开关多路开关多路开关传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器41数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.41.4 数据采集系统的结构形式 (1)(1)(2)(2)(3)(3)(4)(4)(5)(5)一个工作周期一个工作周期一个工作周期一个工作周期多路开关多路开关多路开关多路开关放大器放大器放大器放大器采样保持采样保持采样保持采样保持A AD D转换转换转换转换数据总线数据总线数据总线数据总线图图图图1-2 1-2 数据采集系统工作时序数据采集系统工作时序数据采集系统工作时序数据采集系统工作时序1.21.2
26、 s s6 6 s st tADAD启动脉冲启动脉冲启动脉冲启动脉冲42数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.41.4 数据采集系统的结构形式 系统特点系统特点结构简单，易实现结构简单，易实现对环境要求不高对环境要求不高系统成本低系统成本低集散型的基本单元集散型的基本单元模板齐全，易组成系统模板齐全，易组成系统 2. 集散型数据采集系统集散型数据采集系统 系统结构如图系统结构如图1-3所示。所示。 43数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.41.4 数据采集系统的结构形式 模拟量模拟量模拟量模拟量输入输入输入输入模拟量模拟量模拟量模拟量输入输入输入输入模拟量模拟量模拟量模拟量输入输入输入输
27、入数字量数字量数字量数字量输入输入输入输入数字量数字量数字量数字量输入输入输入输入数字量数字量数字量数字量输入输入输入输入RS-485RS-485RS-485RS-485生生生生产产产产现现现现场场场场生生生生产产产产现现现现场场场场生生生生产产产产现现现现场场场场数据数据数据数据采集采集采集采集 站站站站数据数据数据数据采集采集采集采集 站站站站数据数据数据数据采集采集采集采集 站站站站通信接口通信接口通信接口通信接口上位机上位机上位机上位机图图图图1-3 1-3 集散型数据采集系统集散型数据采集系统集散型数据采集系统集散型数据采集系统44数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.41.4 数
28、据采集系统的结构形式 系统特点系统特点适应能力强适应能力强可靠性高可靠性高实时性好实时性好对硬件要求不高对硬件要求不高45数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.6 数据处理的类型和任务数据处理的类型和任务第1章 绪 论46数据采集与处理技术数据采集与处理技术本节教学目标本节教学目标 理解数据处理的类型理解数据处理的类型 理解采集信号的标度变换理解采集信号的标度变换1.61.6 数据处理的类型和任务47数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.61.6 数据处理的类型和任务处处理理类类型型按处理方式按处理方式实时（在线）处理实时（在线）处理事后（脱机）处理事后（脱机）处理按处理性质按处理性质预处
29、理预处理剔除误差剔除误差标度变换标度变换二次二次处理处理微分、积分微分、积分傅里叶变换傅里叶变换48数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.61.6 数据处理的类型和任务处理任务处理任务对采集信号作标度变换对采集信号作标度变换消除数据中的干扰消除数据中的干扰分析计算数据中的内在特征分析计算数据中的内在特征对采集到的电信号作标度变换对采集到的电信号作标度变换 将没有物理意义的电压信号，转换为原来将没有物理意义的电压信号，转换为原来对应的物理量。对应的物理量。49数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.61.6 数据处理的类型和任务消除数据中的干扰信号消除数据中的干扰信号 消除在数据的采集、传送和
30、转换过程中，消除在数据的采集、传送和转换过程中，系统内部和外部干扰在数据中混入干扰信号，系统内部和外部干扰在数据中混入干扰信号，以保证采样精度。以保证采样精度。 分析计算数据的内在特征分析计算数据的内在特征 对采集到的数据进行变换计算，得到表达对采集到的数据进行变换计算，得到表达采样数据内在特征的二次数据。采样数据内在特征的二次数据。 50数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.61.6 数据处理的类型和任务 例如，在研究振动时，由于频谱更能说明例如，在研究振动时，由于频谱更能说明振动波形对机械结构所产生影响，因此，常对振动波形对机械结构所产生影响，因此，常对采集到的振动信号作傅里叶（采集到的
31、振动信号作傅里叶（FFT）变换，得）变换，得出振动波形的频谱。出振动波形的频谱。 图图图图1-4 1-4 电机轴承故障数据采集系统电机轴承故障数据采集系统电机轴承故障数据采集系统电机轴承故障数据采集系统51数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.61.6 数据处理的类型和任务图图图图1-5 1-5 更换轴承后更换轴承后更换轴承后更换轴承后电机运行的电机运行的电机运行的电机运行的 振动波形与频谱振动波形与频谱振动波形与频谱振动波形与频谱 用振动标准用振动标准用振动标准用振动标准( ( ( (如如如如ISO2372ISO2372标准标准标准标准) ) ) )判断振动是合判断振动是合判断振动是合判断
32、振动是合格的。格的。格的。格的。 但是，这种但是，这种但是，这种但是，这种状态表现为轴承状态表现为轴承状态表现为轴承状态表现为轴承部件存在缺陷，部件存在缺陷，部件存在缺陷，部件存在缺陷，在测完此图后两在测完此图后两在测完此图后两在测完此图后两小时转子抱轴。小时转子抱轴。小时转子抱轴。小时转子抱轴。 52数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.7 学习重点和要求学习重点和要求第1章 绪 论53数据采集与处理技术数据采集与处理技术 数据采集的基本理论、概念。数据采集的基本理论、概念。 数据采集理论的运用。数据采集理论的运用。 数据采集程序的设计。数据采集程序的设计。1. 学习重点学习重点: : 1.71.7 学习重点和要求54数据采集与处理技术数据采集与处理技术1.71.7学习重点和要求2. 要求要求认真听课认真听课注意记笔记注意记笔记积极回答问题积极回答问题勤于思考，注意灵活应用勤于思考，注意灵活应用 基本理论解决实际问题基本理论解决实际问题独立完成各章作业独立完成各章作业提高编程能力提高编程能力55数据采集与处理技术数据采集与处理技术作业作业：1.2.3.6.7.第1章 绪 论56
