崔智軍+劉昭元+張瑜

摘 要： 簡易觸摸電子琴是以FPGA芯片作為系統(tǒng)控制核心，通過數(shù)控分頻的原理實(shí)現(xiàn)音樂自動播放、琴鍵演奏的功能，有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)觸摸控制和LCD顯示驅(qū)動，再采用友晶科技的4.3寸液晶觸摸顯示屏（LTM）完成簡易觸摸電子琴模式選擇控制和琴鍵顯示控制。在DE0?Nano FPGA（Altera Cyclone Ⅳ）開發(fā)板上的測試表明，所設(shè)計的低成本簡易觸摸電子琴可以實(shí)現(xiàn)觸摸控制彈奏和自動播放樂曲的功能，同時具有較高的實(shí)用價值。

關(guān)鍵詞： FPGA； 電子琴； 液晶顯示屏； 有限狀態(tài)機(jī)

中圖分類號： TN710?34； TP332 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）22?0114?03

Design of simple touch electronic piano based on FPGA

CUI Zhi?jun1， LIU Zhao?yuan2， ZHANG Yu1

（1. Department of Electronics and Information Engineering， Ankang University， Ankang 725000， China；

2. Xian ZTE New Software Co.， Ltd， Xian 710129， China）

Abstract： The simple touch electronic piano， which takes FPGA chip as system control core， employs the principle of NC divider to achieve automatic music playing， finite state machine to realize the touch control and LCD display drive， and 4.3 inch LCD touch panel Module （LTM） of Terasic to complete a simple touch electronic piano mode selection control and key display control. The test on DE0?NanoFPGA （Altera Cyclone IV） development board show that the design of low?cost simple touch electronic piano can achieve the functions of touch control and automatic music playing， and also has high practical value.

Keywords： field programmable gate array； electronic piano； liquid crystal display； finite state machine

0 引 言

電子琴因其操作簡單，且能模擬各種傳統(tǒng)樂器的音色，而深受消費(fèi)者喜歡。目前市場上有很多種音樂模塊，可以直接產(chǎn)生各種樂曲，多數(shù)集中在使用單片機(jī)、555定時器、邏輯組合電路、LDQ852集成塊等[1?4]，這些設(shè)計方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，例如使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)簡單、成本低，但是產(chǎn)生的音頻過少，很難滿足標(biāo)準(zhǔn)電子琴的設(shè)計要求及市場需求。FPGA器件具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動態(tài)可在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，同時其硬件功能可以通過軟件編程來修改，故具有很好的設(shè)計靈活性和通用性。同時基于FPGA的電子琴設(shè)計還具有體積小、系統(tǒng)可靠性高、開發(fā)周期短和研制成本低的優(yōu)點(diǎn)[5?7]。所以本文在FPGA器件上設(shè)計一個簡易觸摸屏電子琴電路，來實(shí)現(xiàn)觸摸控制彈奏和自動播放樂曲的功能。

1 簡易觸摸電子琴的系統(tǒng)設(shè)計

基于FPGA的簡易觸摸電子琴的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個系統(tǒng)主要包括片外系統(tǒng)時鐘模塊、片內(nèi)PLL時鐘模塊、計數(shù)分頻模塊、音樂節(jié)拍產(chǎn)生電路模塊、鍵值掃描模塊、音符譯碼電路模塊、數(shù)控分頻電路模塊、自動播放與手動輸入模式選擇模塊、液晶觸摸屏顯示驅(qū)動模塊、揚(yáng)聲器驅(qū)動模塊等。

圖1 簡易觸摸電子琴的結(jié)構(gòu)圖

整個系統(tǒng)的工作過程大致如下：DE0?Nano FPGA開發(fā)板提供50 MHz的系統(tǒng)時鐘經(jīng)鎖相環(huán)分頻后得到33 MHz的時鐘信號，而33 MHz的時鐘信號經(jīng)計數(shù)器分頻得到一個4 Hz的時鐘信號給音樂節(jié)拍產(chǎn)生電路，作為產(chǎn)生1拍的時長。當(dāng)LCD觸摸屏接通電源后，觸摸屏上會顯示不同的功能按鍵，其中通過選擇自動播放和手動彈奏輸入模式轉(zhuǎn)換按鍵，最終實(shí)現(xiàn)自動播放樂曲和手動彈奏控制音樂輸出的功能。圖1所示的簡易觸摸電子琴的核心模塊分別是音樂節(jié)拍產(chǎn)生電路模塊、音符譯碼電路模塊、LCD驅(qū)動模塊。下面就針對這三個關(guān)鍵模塊給出詳盡的設(shè)計描述。

2 音樂節(jié)拍產(chǎn)生電路模塊

該模塊利用FPGA的片內(nèi)ROM存放樂曲簡譜真值表，由一個二進(jìn)制計數(shù)器作為樂曲數(shù)據(jù)存儲器ROM的地址發(fā)生器。該計數(shù)器的計數(shù)頻率為4 Hz，即每一計數(shù)值的停留時間為0.25 s，當(dāng)音樂節(jié)拍產(chǎn)生器中計數(shù)器按4 Hz的時鐘頻率做加法計數(shù)時，即隨地址值遞增時，樂曲數(shù)據(jù)存儲器ROM中的音符數(shù)據(jù)，將從ROM中的輸出端傳送到音符譯碼電路，所存儲的樂曲就開始連續(xù)自然地演奏起來。二進(jìn)制計數(shù)器的位數(shù)將根據(jù)所存放樂曲簡譜基本節(jié)拍數(shù)來決定。 4 Hz頻率信號作為輸出音符的快慢信號，即每一計數(shù)值的停留時間為0.25 s計1拍，四四拍的四分音符的持續(xù)時間為1 s，頻率越高，時鐘的輸出節(jié)拍速度就快，演奏的速度就越快，反之演奏的速度就變慢。音樂節(jié)拍發(fā)生器模塊的電路圖包含在圖2中。

3 音符譯碼電路模塊

音符譯碼電路即音調(diào)發(fā)生器，它實(shí)際上是一個音符頻率查表電路，音符譯碼電路模塊放置了21個音樂簡譜對應(yīng)的頻率表，如表1所示，根據(jù)該表

表1 音名與頻率對應(yīng)表 Hz

為數(shù)控分頻模塊提供所發(fā)音符頻率的初始值，音符譯碼電路模塊的作用就是產(chǎn)生獲得音階的分頻預(yù)置值，程序中設(shè)置了21個音符所對應(yīng)的音符頻率的初始值，這21個值的輸出由對應(yīng)于音符譯碼電路的輸入索引值確定，該值中音符在數(shù)控分頻模塊入口的停留時間由音樂節(jié)拍發(fā)生器中的音符數(shù)據(jù)決定，該數(shù)據(jù)重復(fù)的次數(shù)為該音符的節(jié)拍數(shù)。每個音符的停留時間由音樂節(jié)拍發(fā)生器的時鐘頻率決定，在此為4 Hz信號。

音階的頻率可以通過高頻時鐘進(jìn)行分配得到，采用時鐘的頻率越高，分頻系數(shù)越大，分頻后的音階頻率就越準(zhǔn)確，但是由于分頻系數(shù)大使得要使用的計數(shù)單元增加，需要耗費(fèi)更多的邏輯單元，而且為了減少發(fā)音的誤差，本次設(shè)計直接以系統(tǒng)給定的50 MHz的等占空比脈沖信號作為系統(tǒng)的基準(zhǔn)頻率。數(shù)控分頻器設(shè)計為20位的二進(jìn)制加法計數(shù)器。其中分頻預(yù)置值的計算公式如下：分頻預(yù)置值=220-基準(zhǔn)頻率/音符頻率，本次設(shè)計中每個音符的頻率是已知的，基準(zhǔn)頻率是50 MHz，這樣就可以依次算出每個音符對應(yīng)的分頻預(yù)置值，又因?yàn)橛眯?shù)表示比較麻煩，所以在本次設(shè)計中分頻預(yù)制值均取整數(shù)，允許微小的偏差存在。音符譯碼電路模塊的RTL級視圖如圖2所示。

圖2 音符譯碼電路模塊RTL級視圖

4 LCD驅(qū)動模塊

設(shè)計LCD顯示驅(qū)動模塊，關(guān)鍵在于需要根據(jù)液晶屏的控制時序和用戶指令集，采用硬件描述語言設(shè)計有限狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)LCD顯示驅(qū)動模塊的初始化、寫入數(shù)據(jù)和命令操作；LCD顯示驅(qū)動模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖3所示[8?9]。在圖3所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中，當(dāng)系統(tǒng)上電后，首先完成持續(xù)大約0.05 s的自動復(fù)位，然后才進(jìn)入LCD模塊的圖形顯示初始化過程。在狀態(tài)機(jī)中設(shè)置有初始化命令、起始行地址和屏顯示數(shù)據(jù)三條轉(zhuǎn)換路徑來適應(yīng)LCD屏的不同工作階段，同時也在關(guān)鍵轉(zhuǎn)換路徑上設(shè)置有可以配置的延時循環(huán)。這樣既可以方便LCD模塊的工作調(diào)試，又可以使LCD模塊一直工作在寫屏模式（RW=0），驅(qū)動LCD模塊的動態(tài)實(shí)時顯示。

圖3 LCD驅(qū)動模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

5 簡易觸摸電子琴的設(shè)計驗(yàn)證

使用DE0?Nano FPGA開發(fā)板（Altera Cyclone Ⅳ EP4CE22F17C6N）和友晶科技公司生產(chǎn)的4.3寸液晶觸摸顯示屏（LTM）組成簡易觸摸電子琴的硬件測試平臺；設(shè)計項目經(jīng)過Quartus Ⅱ 10.1開發(fā)工具編譯和芯片下載配置后得到的實(shí)際驗(yàn)證效果圖如圖4所示。經(jīng)實(shí)際電路測試驗(yàn)證，達(dá)到了設(shè)計要求。

圖4 簡易觸摸屏電子琴實(shí)物圖

6 結(jié) 語

本文所設(shè)計的以友晶科技公司生產(chǎn)的4.3寸液晶觸摸顯示屏（LTM）為觸摸顯示控制終端的低成本簡易觸摸電子琴。在FPGA開發(fā)板上的驗(yàn)證結(jié)果表明，完全實(shí)現(xiàn)了觸摸控制彈奏和自動播放樂曲的功能。同時將樂曲硬件演奏電路的核心部分集成在FPGA芯片上，不但大大簡化了外圍電路，有效地提高了設(shè)計的靈活性，而且具有體積小、功耗低、可靠性高的特點(diǎn)，極大的降低了設(shè)計成本，縮短了設(shè)計周期，由此可見FPGA技術(shù)在設(shè)計電子產(chǎn)品方面體現(xiàn)出極大的優(yōu)越性。

參考文獻(xiàn)

[1] 曹曼.基于FPGA的電子琴設(shè)計[J].信息科技，2012（5）：180?181.

[2] 陳華容.基于FPGA的電子琴設(shè)計[J].器件與電路，2006（2）：26?29.

[3] 孫萬麟.基于AT89C51單片機(jī)的電子琴設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù)，2010（2）：5626?5627.

[4] 周琛暉.基于AT89S51單片機(jī)的電子琴設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù)，2009（27）：7679?7681.

[5] 張卿.基于FPGA的音樂演奏電路及電子琴的設(shè)計[J].現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)信息，2009（8）：143?148.

[6] 付夢婷，付永慶.基于CPLD的88鍵電子琴的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].電子器件，2013（5）：737?741.

[7] 李雪梅.基于FPGA的電子琴動態(tài)錄音與回放系統(tǒng)的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（3）：130?133.

[8] 王慶春，何曉燕.基于FPGA的便攜式邏輯分析儀的設(shè)計[J].電子測量技術(shù)，2012（10）：80?83.

[9] 王慶春，何曉燕，崔智軍.基于FPGA的多功能LCD顯示控制器設(shè)計[J].電子設(shè)計工程2012（12）：135?137.

3 音符譯碼電路模塊

音符譯碼電路即音調(diào)發(fā)生器，它實(shí)際上是一個音符頻率查表電路，音符譯碼電路模塊放置了21個音樂簡譜對應(yīng)的頻率表，如表1所示，根據(jù)該表

表1 音名與頻率對應(yīng)表 Hz

為數(shù)控分頻模塊提供所發(fā)音符頻率的初始值，音符譯碼電路模塊的作用就是產(chǎn)生獲得音階的分頻預(yù)置值，程序中設(shè)置了21個音符所對應(yīng)的音符頻率的初始值，這21個值的輸出由對應(yīng)于音符譯碼電路的輸入索引值確定，該值中音符在數(shù)控分頻模塊入口的停留時間由音樂節(jié)拍發(fā)生器中的音符數(shù)據(jù)決定，該數(shù)據(jù)重復(fù)的次數(shù)為該音符的節(jié)拍數(shù)。每個音符的停留時間由音樂節(jié)拍發(fā)生器的時鐘頻率決定，在此為4 Hz信號。

音階的頻率可以通過高頻時鐘進(jìn)行分配得到，采用時鐘的頻率越高，分頻系數(shù)越大，分頻后的音階頻率就越準(zhǔn)確，但是由于分頻系數(shù)大使得要使用的計數(shù)單元增加，需要耗費(fèi)更多的邏輯單元，而且為了減少發(fā)音的誤差，本次設(shè)計直接以系統(tǒng)給定的50 MHz的等占空比脈沖信號作為系統(tǒng)的基準(zhǔn)頻率。數(shù)控分頻器設(shè)計為20位的二進(jìn)制加法計數(shù)器。其中分頻預(yù)置值的計算公式如下：分頻預(yù)置值=220-基準(zhǔn)頻率/音符頻率，本次設(shè)計中每個音符的頻率是已知的，基準(zhǔn)頻率是50 MHz，這樣就可以依次算出每個音符對應(yīng)的分頻預(yù)置值，又因?yàn)橛眯?shù)表示比較麻煩，所以在本次設(shè)計中分頻預(yù)制值均取整數(shù)，允許微小的偏差存在。音符譯碼電路模塊的RTL級視圖如圖2所示。

圖2 音符譯碼電路模塊RTL級視圖

4 LCD驅(qū)動模塊

設(shè)計LCD顯示驅(qū)動模塊，關(guān)鍵在于需要根據(jù)液晶屏的控制時序和用戶指令集，采用硬件描述語言設(shè)計有限狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)LCD顯示驅(qū)動模塊的初始化、寫入數(shù)據(jù)和命令操作；LCD顯示驅(qū)動模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖3所示[8?9]。在圖3所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中，當(dāng)系統(tǒng)上電后，首先完成持續(xù)大約0.05 s的自動復(fù)位，然后才進(jìn)入LCD模塊的圖形顯示初始化過程。在狀態(tài)機(jī)中設(shè)置有初始化命令、起始行地址和屏顯示數(shù)據(jù)三條轉(zhuǎn)換路徑來適應(yīng)LCD屏的不同工作階段，同時也在關(guān)鍵轉(zhuǎn)換路徑上設(shè)置有可以配置的延時循環(huán)。這樣既可以方便LCD模塊的工作調(diào)試，又可以使LCD模塊一直工作在寫屏模式（RW=0），驅(qū)動LCD模塊的動態(tài)實(shí)時顯示。

圖3 LCD驅(qū)動模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

5 簡易觸摸電子琴的設(shè)計驗(yàn)證

使用DE0?Nano FPGA開發(fā)板（Altera Cyclone Ⅳ EP4CE22F17C6N）和友晶科技公司生產(chǎn)的4.3寸液晶觸摸顯示屏（LTM）組成簡易觸摸電子琴的硬件測試平臺；設(shè)計項目經(jīng)過Quartus Ⅱ 10.1開發(fā)工具編譯和芯片下載配置后得到的實(shí)際驗(yàn)證效果圖如圖4所示。經(jīng)實(shí)際電路測試驗(yàn)證，達(dá)到了設(shè)計要求。

圖4 簡易觸摸屏電子琴實(shí)物圖

6 結(jié) 語

本文所設(shè)計的以友晶科技公司生產(chǎn)的4.3寸液晶觸摸顯示屏（LTM）為觸摸顯示控制終端的低成本簡易觸摸電子琴。在FPGA開發(fā)板上的驗(yàn)證結(jié)果表明，完全實(shí)現(xiàn)了觸摸控制彈奏和自動播放樂曲的功能。同時將樂曲硬件演奏電路的核心部分集成在FPGA芯片上，不但大大簡化了外圍電路，有效地提高了設(shè)計的靈活性，而且具有體積小、功耗低、可靠性高的特點(diǎn)，極大的降低了設(shè)計成本，縮短了設(shè)計周期，由此可見FPGA技術(shù)在設(shè)計電子產(chǎn)品方面體現(xiàn)出極大的優(yōu)越性。

參考文獻(xiàn)

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[4] 周琛暉.基于AT89S51單片機(jī)的電子琴設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù)，2009（27）：7679?7681.

[5] 張卿.基于FPGA的音樂演奏電路及電子琴的設(shè)計[J].現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)信息，2009（8）：143?148.

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[8] 王慶春，何曉燕.基于FPGA的便攜式邏輯分析儀的設(shè)計[J].電子測量技術(shù)，2012（10）：80?83.

[9] 王慶春，何曉燕，崔智軍.基于FPGA的多功能LCD顯示控制器設(shè)計[J].電子設(shè)計工程2012（12）：135?137.

3 音符譯碼電路模塊

音符譯碼電路即音調(diào)發(fā)生器，它實(shí)際上是一個音符頻率查表電路，音符譯碼電路模塊放置了21個音樂簡譜對應(yīng)的頻率表，如表1所示，根據(jù)該表

表1 音名與頻率對應(yīng)表 Hz

為數(shù)控分頻模塊提供所發(fā)音符頻率的初始值，音符譯碼電路模塊的作用就是產(chǎn)生獲得音階的分頻預(yù)置值，程序中設(shè)置了21個音符所對應(yīng)的音符頻率的初始值，這21個值的輸出由對應(yīng)于音符譯碼電路的輸入索引值確定，該值中音符在數(shù)控分頻模塊入口的停留時間由音樂節(jié)拍發(fā)生器中的音符數(shù)據(jù)決定，該數(shù)據(jù)重復(fù)的次數(shù)為該音符的節(jié)拍數(shù)。每個音符的停留時間由音樂節(jié)拍發(fā)生器的時鐘頻率決定，在此為4 Hz信號。

音階的頻率可以通過高頻時鐘進(jìn)行分配得到，采用時鐘的頻率越高，分頻系數(shù)越大，分頻后的音階頻率就越準(zhǔn)確，但是由于分頻系數(shù)大使得要使用的計數(shù)單元增加，需要耗費(fèi)更多的邏輯單元，而且為了減少發(fā)音的誤差，本次設(shè)計直接以系統(tǒng)給定的50 MHz的等占空比脈沖信號作為系統(tǒng)的基準(zhǔn)頻率。數(shù)控分頻器設(shè)計為20位的二進(jìn)制加法計數(shù)器。其中分頻預(yù)置值的計算公式如下：分頻預(yù)置值=220-基準(zhǔn)頻率/音符頻率，本次設(shè)計中每個音符的頻率是已知的，基準(zhǔn)頻率是50 MHz，這樣就可以依次算出每個音符對應(yīng)的分頻預(yù)置值，又因?yàn)橛眯?shù)表示比較麻煩，所以在本次設(shè)計中分頻預(yù)制值均取整數(shù)，允許微小的偏差存在。音符譯碼電路模塊的RTL級視圖如圖2所示。

圖2 音符譯碼電路模塊RTL級視圖

4 LCD驅(qū)動模塊

設(shè)計LCD顯示驅(qū)動模塊，關(guān)鍵在于需要根據(jù)液晶屏的控制時序和用戶指令集，采用硬件描述語言設(shè)計有限狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)LCD顯示驅(qū)動模塊的初始化、寫入數(shù)據(jù)和命令操作；LCD顯示驅(qū)動模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖3所示[8?9]。在圖3所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中，當(dāng)系統(tǒng)上電后，首先完成持續(xù)大約0.05 s的自動復(fù)位，然后才進(jìn)入LCD模塊的圖形顯示初始化過程。在狀態(tài)機(jī)中設(shè)置有初始化命令、起始行地址和屏顯示數(shù)據(jù)三條轉(zhuǎn)換路徑來適應(yīng)LCD屏的不同工作階段，同時也在關(guān)鍵轉(zhuǎn)換路徑上設(shè)置有可以配置的延時循環(huán)。這樣既可以方便LCD模塊的工作調(diào)試，又可以使LCD模塊一直工作在寫屏模式（RW=0），驅(qū)動LCD模塊的動態(tài)實(shí)時顯示。

圖3 LCD驅(qū)動模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

5 簡易觸摸電子琴的設(shè)計驗(yàn)證

使用DE0?Nano FPGA開發(fā)板（Altera Cyclone Ⅳ EP4CE22F17C6N）和友晶科技公司生產(chǎn)的4.3寸液晶觸摸顯示屏（LTM）組成簡易觸摸電子琴的硬件測試平臺；設(shè)計項目經(jīng)過Quartus Ⅱ 10.1開發(fā)工具編譯和芯片下載配置后得到的實(shí)際驗(yàn)證效果圖如圖4所示。經(jīng)實(shí)際電路測試驗(yàn)證，達(dá)到了設(shè)計要求。

圖4 簡易觸摸屏電子琴實(shí)物圖

6 結(jié) 語

本文所設(shè)計的以友晶科技公司生產(chǎn)的4.3寸液晶觸摸顯示屏（LTM）為觸摸顯示控制終端的低成本簡易觸摸電子琴。在FPGA開發(fā)板上的驗(yàn)證結(jié)果表明，完全實(shí)現(xiàn)了觸摸控制彈奏和自動播放樂曲的功能。同時將樂曲硬件演奏電路的核心部分集成在FPGA芯片上，不但大大簡化了外圍電路，有效地提高了設(shè)計的靈活性，而且具有體積小、功耗低、可靠性高的特點(diǎn)，極大的降低了設(shè)計成本，縮短了設(shè)計周期，由此可見FPGA技術(shù)在設(shè)計電子產(chǎn)品方面體現(xiàn)出極大的優(yōu)越性。

參考文獻(xiàn)

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[3] 孫萬麟.基于AT89C51單片機(jī)的電子琴設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù)，2010（2）：5626?5627.

[4] 周琛暉.基于AT89S51單片機(jī)的電子琴設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù)，2009（27）：7679?7681.

[5] 張卿.基于FPGA的音樂演奏電路及電子琴的設(shè)計[J].現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)信息，2009（8）：143?148.

[6] 付夢婷，付永慶.基于CPLD的88鍵電子琴的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].電子器件，2013（5）：737?741.

[7] 李雪梅.基于FPGA的電子琴動態(tài)錄音與回放系統(tǒng)的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（3）：130?133.

[8] 王慶春，何曉燕.基于FPGA的便攜式邏輯分析儀的設(shè)計[J].電子測量技術(shù)，2012（10）：80?83.

[9] 王慶春，何曉燕，崔智軍.基于FPGA的多功能LCD顯示控制器設(shè)計[J].電子設(shè)計工程2012（12）：135?137.