單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用淺議

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摘要：單片機(jī)作為集成電路芯片在工業(yè)生產(chǎn)和電子設(shè)備中被廣泛應(yīng)用，且在嵌入式系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的功能。筆者概述了單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)，探討了單片機(jī)在嵌入式系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用，指出單片機(jī)可以發(fā)揮電機(jī)控制、網(wǎng)絡(luò)測(cè)試等功能，是嵌入式系統(tǒng)中的重要組成部分。應(yīng)用結(jié)果表明：?jiǎn)纹瑱C(jī)在嵌入式系統(tǒng)之中具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，相關(guān)人員需要進(jìn)一步加強(qiáng)技術(shù)研究，提高單片機(jī)的集成能力，推廣其在不同領(lǐng)域中的實(shí)踐應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；嵌入式系統(tǒng)；電機(jī)控制；網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

隨著嵌入式系統(tǒng)數(shù)量及需求的不斷增加，其所生產(chǎn)的電子產(chǎn)品越來(lái)越受大眾的歡迎。此外，單片機(jī)在嵌入式系統(tǒng)中同樣發(fā)揮著不可替代的作用，其具備強(qiáng)大的集成功能，可以將其視為小型的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，單片機(jī)集成技術(shù)越來(lái)越完善，其在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用也日益廣泛，起到測(cè)試、控制等強(qiáng)大功能。

1單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)概述

1.1單片機(jī)

單片機(jī)是具備邏輯功能的集成芯片，又被稱之為單片微控制器，其具備計(jì)算機(jī)的相應(yīng)功能，相比較計(jì)算機(jī)而言，其僅僅缺少I/O設(shè)備。單片機(jī)產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代初，20世紀(jì)90年代逐漸普及，其生產(chǎn)和集成技術(shù)應(yīng)用也日益廣泛，集成能力更強(qiáng)。單片機(jī)在系統(tǒng)之中應(yīng)用依靠其擴(kuò)展功能，可以靈活地應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域之中。芯片技術(shù)的完善為其功能應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)，其存在SOC層和SPI接口，通過(guò)接口可以與其他系統(tǒng)連接在一起，是一種具備可擴(kuò)展性的嵌入式系統(tǒng)[1]。

1.2嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是指將對(duì)象體系作為目標(biāo)，嵌入式計(jì)算機(jī)作為核心嵌入到系統(tǒng)之中。該系統(tǒng)應(yīng)用具備一定的控制、監(jiān)視、輔助控制等功能，該系統(tǒng)以應(yīng)用為中心，以軟件和硬件系統(tǒng)為載體，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能?？紤]到嵌入式系統(tǒng)在不同領(lǐng)域中的實(shí)踐應(yīng)用，對(duì)其技術(shù)應(yīng)用特征進(jìn)行分析，其具備體積小、容量小、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)?？紤]到嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，其可以在智能儀表、智能裝置中應(yīng)用，以節(jié)省大量的空間，將控制模塊安裝在系統(tǒng)之中，可以以小體積發(fā)揮相應(yīng)的控制功能。儲(chǔ)存容量小是指嵌入式系統(tǒng)在設(shè)計(jì)應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)用ROM模塊，將FLASH作為儲(chǔ)存器應(yīng)用，其在此間發(fā)揮著儲(chǔ)存介質(zhì)的功能，但該類儲(chǔ)存器應(yīng)用成本比較高，因此，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用儲(chǔ)存容量也盡可能地比較小，程序進(jìn)程也比較小，這是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的主要特征之一。嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性特點(diǎn)是指其在應(yīng)用過(guò)程中具有時(shí)間特性，以嵌入性系統(tǒng)為根本的應(yīng)用程序?qū)?shí)時(shí)性要求比較高。如果在應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)用系統(tǒng)超過(guò)了系統(tǒng)特定的時(shí)間限制，則計(jì)算機(jī)程序所輸出的結(jié)果也會(huì)存在明顯的差別，應(yīng)用程序系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題[2]。

1.3單片機(jī)在嵌入式系統(tǒng)中的功能

嵌入式系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中存在可擴(kuò)展性，其可擴(kuò)展設(shè)備大致分為三個(gè)部分，其中單片機(jī)是核心部分，結(jié)合系統(tǒng)中的CPU裝置和外圍硬件設(shè)備，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)程序的控制功能。在具體應(yīng)用過(guò)程中，CPU裝置會(huì)與系統(tǒng)的外圍裝置經(jīng)由SPI口進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)CPU與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)信息交換。基于數(shù)據(jù)信息模塊實(shí)現(xiàn)兩者間的信息傳輸，單片機(jī)在系統(tǒng)之中的應(yīng)用可以經(jīng)過(guò)I/O口等接口實(shí)現(xiàn)功能性拓展，在與外圍硬件系統(tǒng)的共同作用下，實(shí)現(xiàn)功能性轉(zhuǎn)化[3]。外圍的硬件設(shè)備具備數(shù)據(jù)采集和信息采集等強(qiáng)大功能，通過(guò)系統(tǒng)的SPI總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)功能應(yīng)用基于上述數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能和監(jiān)測(cè)功能，為了保障其功能符合應(yīng)用需求，需要明確系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)，嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在上述結(jié)構(gòu)之中，SPI接口屬于外設(shè)接口，通過(guò)該接口進(jìn)行嵌入連接其數(shù)據(jù)傳輸速度比較快[4]。比較I2C主線數(shù)據(jù)傳輸速度而言，傳輸效率更高。因此，在應(yīng)用該系統(tǒng)結(jié)果過(guò)程中應(yīng)基于CPU裝置實(shí)現(xiàn)多個(gè)外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)連接，以數(shù)據(jù)傳輸為目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)應(yīng)用期間受SPI接口模式所影響，如果在主從模式下對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用，則需要輔助應(yīng)用主設(shè)備和多個(gè)從設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。在此設(shè)計(jì)理念中，可以從外圍界面系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信[5]?；诖?，根據(jù)其功能需要將SPI總線與單片機(jī)進(jìn)行融合，提高單片機(jī)的集成功能。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可能由于應(yīng)用差異導(dǎo)致程序出現(xiàn)混亂，根據(jù)簽訂的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)調(diào)調(diào)整外圍設(shè)備，可以使得嵌入式系統(tǒng)功能更加完善。為了降低系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中的成本，設(shè)置MCU分擔(dān)系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中的信息處理壓力，預(yù)處理采集的信息，提高系統(tǒng)的響應(yīng)效果[6]。

2單片機(jī)在嵌入式系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

2.1驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

將單片機(jī)應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)之中，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)應(yīng)用選擇以Linux系統(tǒng)為基礎(chǔ)的驅(qū)動(dòng)程序，在該系統(tǒng)上設(shè)置外部文件，也就是系統(tǒng)所連接的設(shè)備。指令執(zhí)行需要在外部設(shè)備上進(jìn)行，通過(guò)軟件程序的開(kāi)發(fā)設(shè)置虛擬系統(tǒng)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)用是連接用戶與設(shè)備的重要接口，也是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與功能轉(zhuǎn)化的重要內(nèi)容。系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中受到驅(qū)動(dòng)程序的保護(hù)，在實(shí)現(xiàn)控制、測(cè)試的過(guò)程中，確保硬件設(shè)備可以為程序應(yīng)用提供保障。數(shù)據(jù)的讀入、寫(xiě)入等也基于驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)資源和空間的釋放，為系統(tǒng)的核心層和物理層之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)於己玫幕A(chǔ)。設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)，CPU裝置在本地系統(tǒng)中以串行的方式進(jìn)行端口連接。單片機(jī)的I/O接口與外圍設(shè)備之間通過(guò)擴(kuò)展連接的方式實(shí)現(xiàn)程序的相應(yīng)功能。在驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)用期間，硬件系統(tǒng)會(huì)根據(jù)接口連接差異賦予其不同的功能，當(dāng)用戶基于程序軟件訪問(wèn)系統(tǒng)之后，接口可以發(fā)揮數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，?shí)現(xiàn)對(duì)操作指令數(shù)據(jù)的讀入，完成指令任務(wù)。以串行的方式將多個(gè)結(jié)構(gòu)連接在一起，驅(qū)動(dòng)程序會(huì)傳遞用戶的請(qǐng)求，經(jīng)過(guò)串行端口實(shí)現(xiàn)硬件功能的定義。

2.2協(xié)議與擴(kuò)展功能設(shè)計(jì)

單片機(jī)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用與SPI協(xié)議完成數(shù)據(jù)通信，應(yīng)用AD轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)通信信號(hào)的處理。系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用雙全工通信模式，在系統(tǒng)的芯片位置設(shè)置數(shù)據(jù)通信線路。通信模塊基于SCK的控制應(yīng)用，結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)部的雙向移位寄存器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的交互。但該線路接口會(huì)占用4條線路，設(shè)計(jì)人員需要考慮到對(duì)電源的限制性設(shè)計(jì)，通過(guò)適當(dāng)減少電路接口的方式，使得整個(gè)系統(tǒng)通信功能具有科學(xué)性[7]。單片機(jī)集成功能應(yīng)用也比較復(fù)雜，由于系統(tǒng)中的CPU無(wú)法直接實(shí)現(xiàn)任務(wù)指令執(zhí)行工作。需要經(jīng)過(guò)通信協(xié)議的簽訂完成數(shù)據(jù)傳輸，SPI總線基于虛擬通道協(xié)議的簽訂，驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)包進(jìn)行速率優(yōu)化，發(fā)揮優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，在此過(guò)程中發(fā)揮糾錯(cuò)的作用。為了確保通信數(shù)據(jù)包與單片機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，虛擬通道建立通過(guò)擴(kuò)展性功能的應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)代碼寫(xiě)入實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)包的分析，并對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行相應(yīng)的封裝處理。硬件驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)應(yīng)用基于強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能與擴(kuò)展性功能實(shí)現(xiàn)對(duì)外設(shè)裝置指令的響應(yīng)。借助虛擬通道可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)化設(shè)計(jì)，調(diào)用指令。單片機(jī)即將串行端口的連接設(shè)備集成到系統(tǒng)之中，外圍端口與本地端口發(fā)揮對(duì)程序內(nèi)核的封裝作用，為用戶提供相應(yīng)的服務(wù)。連接本地端口的程序執(zhí)行硬件任務(wù)，虛擬通道連接的程序則不執(zhí)行此任務(wù)，通過(guò)外圍控制器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸、接收[8]。本文設(shè)計(jì)MCU嵌入式系統(tǒng)，基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)控制和指令控制功能。在工業(yè)領(lǐng)域中，該系統(tǒng)的應(yīng)用比較廣泛，且應(yīng)用成本比較低，能源消耗量也比較小，后期維護(hù)也比較簡(jiǎn)單。該系統(tǒng)應(yīng)用符合人性化的設(shè)計(jì)理念，但市場(chǎng)上的嵌入式系統(tǒng)的功能存在差異，網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)接口數(shù)量端口功能不同，但基于此網(wǎng)絡(luò)控制端口的設(shè)計(jì)應(yīng)用，可以滿足其他的通信協(xié)議要求。

3單片機(jī)在嵌入式系統(tǒng)中的實(shí)踐應(yīng)用

3.1單片機(jī)在嵌入式系統(tǒng)中的功能應(yīng)用

3.1.1電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用。在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用過(guò)程中，基于單片機(jī)的功能應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的科學(xué)控制，其在此間執(zhí)行著管理工作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)功能模塊的調(diào)度?；趯?duì)操作系統(tǒng)和操作平臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，融合控制軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)程序平臺(tái)的優(yōu)化，在具體應(yīng)用過(guò)程之中，需要嚴(yán)格按照以下順序?qū)ζ溥M(jìn)行應(yīng)用：圖1嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖首先，在應(yīng)用過(guò)程中，操作人員需要明確系統(tǒng)的任務(wù)量，預(yù)處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)。其次，基于對(duì)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的寫(xiě)入和輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的過(guò)濾，經(jīng)過(guò)通道將數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)之中，為測(cè)量工作的應(yīng)用提高安全保障。在該過(guò)程中，數(shù)據(jù)的輸出在數(shù)據(jù)預(yù)處理完成之后進(jìn)行，保障數(shù)據(jù)輸出的可靠性。最后，電機(jī)系統(tǒng)的控制實(shí)施過(guò)程是關(guān)鍵，需要合理地劃分各個(gè)模塊之間的責(zé)任。3.1.2網(wǎng)絡(luò)測(cè)試應(yīng)用。單片機(jī)在嵌入式系統(tǒng)之中的應(yīng)用逐漸成為技術(shù)研究的重要內(nèi)容，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試的方法可以了解到系統(tǒng)應(yīng)用的主要內(nèi)容。通過(guò)虛擬系統(tǒng)的建立，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，按照設(shè)定的指令可以實(shí)時(shí)儲(chǔ)存或者上傳數(shù)據(jù)信息。操作人員在應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)測(cè)試的過(guò)程中，MCU系統(tǒng)可以發(fā)揮接口識(shí)別功能，分辨網(wǎng)絡(luò)用戶連接方式。同時(shí)，系統(tǒng)中的應(yīng)用軟件發(fā)揮測(cè)控功能。分析應(yīng)用的內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性，單片機(jī)在嵌入式系統(tǒng)之中可以發(fā)揮對(duì)IP地址的儲(chǔ)存以及識(shí)別作用。網(wǎng)絡(luò)測(cè)試功能的應(yīng)用可以利用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)內(nèi)核區(qū)域并不存在串行端口，其網(wǎng)絡(luò)控制模塊并不存在。但在系統(tǒng)編碼和解碼的過(guò)程中，內(nèi)核模塊可以發(fā)揮相應(yīng)的控制功能。終端系統(tǒng)在輸入或者輸出數(shù)據(jù)期間，其原理與單片機(jī)嵌入系統(tǒng)運(yùn)行原理具有一致性。終端系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行控制，需要嚴(yán)格檢查端口接口控制網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)性，其是否與數(shù)據(jù)通信接口連接緊密。在科學(xué)的連接基礎(chǔ)上，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)異步串行通信功能，確保系統(tǒng)在該范圍內(nèi)可以有序運(yùn)行[9-11]。3.1.3多媒體控制系統(tǒng)應(yīng)用。多媒體控制系統(tǒng)在當(dāng)代被廣泛應(yīng)用，其可以應(yīng)用到辦公、教學(xué)等領(lǐng)域之中?；趩纹瑱C(jī)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用將多個(gè)系統(tǒng)集成在模塊之中。計(jì)算機(jī)設(shè)備作為其操作應(yīng)用的基礎(chǔ)內(nèi)容，可以發(fā)揮演化、展示的作用。將其與其他可視化裝置連接在一起，包括錄像機(jī)、終端設(shè)備以及其他具備遙控功能的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)展示等功能。系統(tǒng)具備中央控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)模塊之間的流暢轉(zhuǎn)化，音頻、視頻以及圖片等內(nèi)容的轉(zhuǎn)化過(guò)程比較優(yōu)質(zhì)。分析應(yīng)用原理，系統(tǒng)融合了通信技術(shù)、集成技術(shù)，將外圍控制設(shè)備與系統(tǒng)組合連接在一起，明確每個(gè)設(shè)備的最終操作過(guò)程以及方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多媒體內(nèi)容的集中控制。其應(yīng)用方式大致可以分為兩種，第一種是指在應(yīng)用過(guò)程中基于軟件控制，第二種是通過(guò)硬件連接方式的電路控制。第一種方式使得系統(tǒng)內(nèi)容更加豐富，軟件界面可優(yōu)化設(shè)計(jì)，比較美觀。但硬件電路控制系統(tǒng)在操作上更加便捷[12]。

3.2單片機(jī)在嵌入式系統(tǒng)其他領(lǐng)域中的實(shí)踐應(yīng)用

除上述功能中將單片機(jī)應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)外，在其他領(lǐng)域中其也可以發(fā)揮相應(yīng)的功能。如節(jié)能功能、語(yǔ)音設(shè)備控制、預(yù)警裝置和醫(yī)療設(shè)備等，均可以基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。例如，小米手環(huán)、智能手表等應(yīng)用單片機(jī)嵌入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人體健康數(shù)據(jù)的智能化收集。由于連接設(shè)備在應(yīng)用過(guò)程中長(zhǎng)期處于負(fù)載的狀態(tài)，能源消耗量比較大。但應(yīng)用單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)，可以控制信息的上報(bào)情況，當(dāng)連接設(shè)備信息未進(jìn)行上報(bào)期間，則設(shè)備在系統(tǒng)的控制下處于低能耗狀態(tài)，起到了一定的節(jié)能控制作用。在語(yǔ)音設(shè)備中，單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)語(yǔ)音交互功能，通過(guò)對(duì)單片機(jī)的編程，賦予其一定的邏輯控制功能，識(shí)別和處理一些語(yǔ)音內(nèi)容。目前，其在導(dǎo)航中應(yīng)用比較廣泛，在智能終端中也得到了廣泛的應(yīng)用。除此之外，其在預(yù)警裝置中的應(yīng)用也具有適應(yīng)性，如比較常見(jiàn)的智能報(bào)警系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警器等，均應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的科學(xué)采集，經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)模塊之中。由于單片機(jī)具有良好的集成效果，在醫(yī)療領(lǐng)域中應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)病人身體特征以及相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，在后臺(tái)終端激進(jìn)型系統(tǒng)交互，當(dāng)病人的生理體征發(fā)生異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警?；趩纹瑱C(jī)的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用與智能技術(shù)結(jié)合，可以發(fā)揮強(qiáng)大的功能[13]。

4結(jié)論

綜上所述，單片機(jī)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制和網(wǎng)絡(luò)測(cè)試等功能，設(shè)計(jì)和制造人員將其應(yīng)用到節(jié)能控制、語(yǔ)音設(shè)備、預(yù)警系統(tǒng)以及醫(yī)療系統(tǒng)之中，其體積比較小，控制精度較強(qiáng)，使用壽命較長(zhǎng)，在工業(yè)領(lǐng)域深受歡迎。基于單片機(jī)在嵌入式系統(tǒng)之中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，相關(guān)人員需要進(jìn)一步加強(qiáng)技術(shù)研究，不斷提高單片機(jī)的集成能力，推廣其在不同領(lǐng)域中的實(shí)踐應(yīng)用。

作者:呂穎利 孫應(yīng)芳 單位:濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)