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 曾祝林,劉鳳芳

1  引言
ARCNET最初由美國(guó)Datapoint公司于1977年成功開發(fā)并用于辦公局域網(wǎng)中，后來以太網(wǎng)以其更快的傳輸速率和大量的數(shù)據(jù)傳輸量使辦公室網(wǎng)絡(luò)的需求由ARCNET轉(zhuǎn)向以太網(wǎng)。而ARCNET時(shí)間的確定性，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院徒M網(wǎng)的靈活性，使其在工業(yè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中找到了新的應(yīng)用途徑―嵌入式控制系統(tǒng)的應(yīng)用。
ARCNET廣泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制的各個(gè)領(lǐng)域，諸如印刷、電力、船舶、鐵路運(yùn)輸、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域都可以見到它的身影。
ARCNET常常嵌入到具體系統(tǒng)中，國(guó)外很多儀器設(shè)備都設(shè)有ARCNET網(wǎng)絡(luò)接口標(biāo)準(zhǔn)。目前全球已有大約1000萬個(gè)ARCNET節(jié)點(diǎn)應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域中[2]。國(guó)內(nèi)的應(yīng)用也有一定發(fā)展，一些技術(shù)人員開始嘗試用ARCNET網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，完成國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品的升級(jí)換代。但其發(fā)展還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，為了更好地推廣ARCNET技術(shù)，促進(jìn)工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，本文從ARCNET的技術(shù)及應(yīng)用等角度，加以介紹。
2  ARCNET工作機(jī)制
ARCNET局域網(wǎng)采用了優(yōu)化的令牌總線協(xié)議（IEEE802.4），除了具有令牌總線網(wǎng)的一般特點(diǎn)外，還具有如下特點(diǎn)：
①  網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)保存有下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的邏輯地址，可以生成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)地址表。
②  為了避免目的節(jié)點(diǎn)沒有空閑緩沖區(qū)而引起信息的丟失，設(shè)置了空閑緩沖區(qū)查詢幀，通過查詢可以減少不必要的數(shù)據(jù)重傳，提高了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率。
ARCNET是一個(gè)真正開放標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，1999年成為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ANSI/ATA878.1。從OSI參考模型來看，它提供了網(wǎng)絡(luò)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)，說明ARCNET能方便地在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收。
2.1  邏輯環(huán)的建立
在ARCNET網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均有一個(gè)唯一的MAC（Medium Access Control）地址，其取值范圍為0～255，其中0是網(wǎng)絡(luò)廣播地址。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)初始化或重構(gòu)時(shí)確定它在邏輯環(huán)中的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并將下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的ID值保存在各自專用的寄存器NID（Next ID）中，并按MAC地址從小到大的順序構(gòu)成一個(gè)邏輯環(huán)路。圖1是一個(gè)典型的4個(gè)節(jié)點(diǎn)的邏輯環(huán)。

       
    a 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)                 b 邏輯環(huán)
圖1  邏輯環(huán)的建立

令牌作為一組獨(dú)特的信號(hào)序列，沿著邏輯環(huán)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳向邏輯鄰居（而非物理鄰居），因而與節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)上的物理位置以及網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無關(guān)。
2.2  節(jié)點(diǎn)的進(jìn)網(wǎng)或退網(wǎng)
當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)加電或840ms（2.5Mbps速率下）沒有收到令牌時(shí)，它即發(fā)出一個(gè)重構(gòu)脈沖，使總線終止一切活動(dòng)，造成令牌丟失，從而引發(fā)系統(tǒng)重構(gòu)。經(jīng)過重構(gòu)形成新的邏輯環(huán)，新節(jié)點(diǎn)也就加入網(wǎng)絡(luò)中。重構(gòu)時(shí)間的多少取決于網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)的多少和數(shù)據(jù)傳輸速率的大小，通常為20～30ms。
當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)由于故障或斷電而退出網(wǎng)絡(luò)時(shí)不需要進(jìn)行整個(gè)邏輯環(huán)的重構(gòu)，因?yàn)楫?dāng)邏輯環(huán)的上一個(gè)節(jié)點(diǎn)（存有退網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的ID值）向它發(fā)送令牌時(shí)，不可能收到它的響應(yīng)，因而令牌發(fā)送者將它的NID值加1，重發(fā)令牌，直到收到響應(yīng)，即找到邏輯環(huán)中新的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)為止（實(shí)際上新的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)就是故障節(jié)點(diǎn)在原邏輯環(huán)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)），節(jié)點(diǎn)的退網(wǎng)也就完成。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，多數(shù)網(wǎng)絡(luò)故障是節(jié)點(diǎn)故障，對(duì)于ARCNET網(wǎng)絡(luò)，只需該節(jié)點(diǎn)退網(wǎng)，即可保證網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)正常工作。由于節(jié)點(diǎn)退網(wǎng)無需網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，因而網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)時(shí)間很短。
網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的增加或退出都是由網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)完成，不需外界的介入。
2.3  數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送
ARCNET局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率為156.25K～10Mbps，其用戶數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度為0～507字節(jié)，有兩種ARCNET數(shù)據(jù)幀模式，其中短幀模式用戶數(shù)據(jù)的最大長(zhǎng)度為253字節(jié)，長(zhǎng)幀模式用戶數(shù)據(jù)的最大長(zhǎng)度為507字節(jié)，只要按一定的格式將用戶數(shù)據(jù)寫入?yún)f(xié)議控制器內(nèi)置的2K RAM中，在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，協(xié)議控制器會(huì)自動(dòng)將其組織到ARCNET的數(shù)據(jù)幀中。傳輸數(shù)據(jù)在協(xié)議控制器內(nèi)置的2K RAM中的存放格式如圖2所示。

                        地址      短幀模式            長(zhǎng)幀模式 

N為用戶數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度；SID為源節(jié)點(diǎn)地址；DID為目的節(jié)點(diǎn)地址；DID為0表示廣播地址
圖2  傳輸數(shù)據(jù)在2K RAM中的存放格式

在數(shù)據(jù)傳送的過程中，一旦源節(jié)點(diǎn)CPU將待發(fā)的用戶數(shù)據(jù)寫入?yún)f(xié)議控制器的內(nèi)部RAM，在該節(jié)點(diǎn)持有令牌時(shí)，相當(dāng)于接收到令牌傳送幀（ITT，Invitation to Transmit，簡(jiǎn)稱令牌），首先向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)空閑緩存查詢幀（FBE，F(xiàn)ree Buffer Enquiry），查詢目的節(jié)點(diǎn)是否有足夠的接收緩存，目的節(jié)點(diǎn)如有，則回答一個(gè)確認(rèn)幀（ACK, Acknowle-dgement），否則回答一個(gè)否認(rèn)幀（NAK, Negative Acknowledgement）。源節(jié)點(diǎn)只有收到來自目的節(jié)點(diǎn)的ACK幀后才向其發(fā)送一個(gè)含有用戶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀（PAC, Packet）。如果目的節(jié)點(diǎn)收到了數(shù)據(jù)，且通過了CRC校驗(yàn)，則回送一個(gè)ACK幀，告訴源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)接收成功，否則目的節(jié)點(diǎn)不回發(fā)任何信息，導(dǎo)致源節(jié)點(diǎn)超時(shí)，源節(jié)點(diǎn)認(rèn)為數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，等下一次收到令牌時(shí)重發(fā)該數(shù)據(jù)幀，至此節(jié)點(diǎn)傳輸過程結(jié)束，令牌被傳遞給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖3是節(jié)點(diǎn)156向節(jié)點(diǎn)255發(fā)送數(shù)據(jù)包的具體過程。

                
a 等待令牌信號(hào)             b 檢查是否可發(fā)送

                    
     c 可發(fā)送回答確認(rèn)               d 送出數(shù)據(jù)

                 
              e 發(fā)送完成                    f 令牌傳向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)
圖3  數(shù)據(jù)的傳送過程

ARCNET支持廣播消息。廣播消息發(fā)出后無需回送確認(rèn)幀，通過消息廣播一次可以將消息傳送給網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)，可見廣播速度很快。
3  ARCNET局域網(wǎng)的性能分析
3.1  安全機(jī)制
ARCNET局域網(wǎng)通過下列幾種途徑確保數(shù)據(jù)的安全傳輸。
① 數(shù)據(jù)發(fā)送前通過發(fā)送FBE幀對(duì)目的節(jié)點(diǎn)的接收準(zhǔn)備進(jìn)行確認(rèn)。
② 每個(gè)數(shù)據(jù)幀中都含有一個(gè)CRC-16的幀校驗(yàn)序列。
③ 一旦令牌丟失，將引發(fā)重構(gòu)，自動(dòng)重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。
④ 協(xié)議控制器提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)故障診斷功能。
此外，由于協(xié)議控制器內(nèi)置2K RAM，可儲(chǔ)存8頁短幀模式的用戶數(shù)據(jù)和4頁長(zhǎng)幀模式的用戶數(shù)據(jù)。即使節(jié)點(diǎn)CPU不讀取RAM中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)充滿RAM也無關(guān)緊要，當(dāng)RAM要溢出時(shí)，節(jié)點(diǎn)CPU在收到FBE幀時(shí)可回送NAK幀，使RAM不再接收數(shù)據(jù)，此時(shí)源節(jié)點(diǎn)將不再發(fā)送數(shù)據(jù)，將令牌傳送給下一節(jié)點(diǎn)，因此，即使某一節(jié)點(diǎn)無法通信，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)也不會(huì)鎖閉。
3.2  數(shù)據(jù)吞吐量和總開銷
由于ARCNET使用令牌傳送機(jī)制來仲裁節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的訪問權(quán)，因而網(wǎng)絡(luò)性能在時(shí)間上是可預(yù)測(cè)的或可確定的。正是由于ARCNET的時(shí)間可確定性，使其在工業(yè)實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用經(jīng)久不衰。
反映局域網(wǎng)性能的一個(gè)重要參數(shù)就是“一個(gè)節(jié)點(diǎn)在能夠發(fā)送信息之前必須等待的時(shí)間”，這個(gè)參數(shù)表示了各個(gè)節(jié)點(diǎn)每秒鐘能發(fā)送的信息數(shù)，也就是網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。
在2.5Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率下，ARCNET協(xié)議控制器執(zhí)行簡(jiǎn)單的令牌傳送約需28.2µs（協(xié)議控制器響應(yīng)時(shí)間12.6µs+令牌碼傳送時(shí)間15.6µs），因而令牌繞邏輯環(huán)一周的傳遞時(shí)間為28.2×Nnodes(µs)，Nnodes為網(wǎng)絡(luò)中活動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)從接收到令牌到發(fā)送數(shù)據(jù)為止，共需117.2µs的處理時(shí)間，傳輸每個(gè)字節(jié)需11個(gè)時(shí)鐘周期，一個(gè)字節(jié)的傳輸時(shí)間為11×400ns=4.4µs(速率為2.5Mbps時(shí)，每個(gè)時(shí)鐘周期為100ns)。因此令牌繞邏輯環(huán)一周最壞情況下的傳輸時(shí)間是網(wǎng)上每個(gè)節(jié)點(diǎn)均有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，其大小可表示為(28.2+117.2+4.4×Nbytes)×Nnodes(µs) (Nbytes為每個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送的字節(jié)數(shù))，因而等待時(shí)間Tw的范圍為：
28.2×Nnodes µs＜Tw＜(145.4+4.4×Nbytes)×Nnodes µs
若一網(wǎng)絡(luò)中活動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為100個(gè)，令牌環(huán)繞一周約有2%的節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送信息，其信息包的總長(zhǎng)度為100字節(jié)，則一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的等待時(shí)間為：
Tw=(145.4+4.4×100) ×100×2%+28.2×100×98%=3934µs
即一個(gè)節(jié)點(diǎn)在一秒鐘內(nèi)可發(fā)送約256個(gè)信息包。事實(shí)上Datapoint公司的實(shí)驗(yàn)表明即使在一個(gè)具有175個(gè)節(jié)點(diǎn)的重載網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)有信息發(fā)送的次數(shù)與總的具有令牌的次數(shù)之比也很少超過2%[3]。由此可見ARCNET局域網(wǎng)的性能是很高的。
此外從數(shù)據(jù)傳輸?shù)男蕘砜矗粢粋€(gè)節(jié)點(diǎn)信息包的長(zhǎng)度253字節(jié)，其傳輸總時(shí)間為145.4+4.4×253=1258.6µs，傳輸數(shù)據(jù)所花時(shí)間為4.4×253=1113.2µs，數(shù)據(jù)傳輸效率約為88%（1113.2/1258.6×100%=88%），也是相當(dāng)高的。
3.3  幾種流行的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議比較

表1  幾種流行的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的性能比較

從表中看出，這幾種網(wǎng)絡(luò)的性能各有特點(diǎn)，PROFIBUS在PLC組網(wǎng)中應(yīng)用較多，CAN在底層設(shè)備上的應(yīng)用有著鮮明的特點(diǎn)，LONWORKS則具有支持較多的通信介質(zhì)和全面的上層軟件的特點(diǎn)。而ARCNET傳輸速度快，數(shù)據(jù)量大，支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹４送猓c工業(yè)以太網(wǎng)相比，ARCNET采用令牌傳遞方式數(shù)據(jù)傳遞更可靠。因此，從控制網(wǎng)絡(luò)層次上看，若將子系統(tǒng)分成三個(gè)層次：設(shè)備級(jí)、控制級(jí)和信息級(jí)，則ARCNET協(xié)議是控制級(jí)上的最佳選擇。
4  ARCNET局域網(wǎng)的組網(wǎng)技術(shù)
ARCNET局域網(wǎng)的組網(wǎng)相當(dāng)靈活，用戶可以有多種組合。由于ARCNET協(xié)議支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，諸如總線型、星型、樹型、環(huán)型網(wǎng)（ARCNET協(xié)議本身不支持環(huán)型，但經(jīng)過開發(fā)商提供的特殊的集線器可以組成環(huán)網(wǎng)）。至于傳輸介質(zhì)，一般有三類通信介質(zhì)可供選擇：同軸電纜、雙絞線和光纖，這些介質(zhì)各有利弊，如果網(wǎng)絡(luò)中使用有源HUB，則三種介質(zhì)可以混合使用，由此可見ARCNET組網(wǎng)的靈活性。
4.1  最大網(wǎng)段長(zhǎng)度的確定
對(duì)于局域網(wǎng)工程應(yīng)用而言，網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)段的長(zhǎng)度是一個(gè)需要關(guān)注的問題。網(wǎng)段是指一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)中去掉HUB之后若干部分中的任何一個(gè)，在無集線器網(wǎng)絡(luò)或總線網(wǎng)絡(luò)中，整個(gè)ARCNET網(wǎng)絡(luò)就是一個(gè)網(wǎng)段，所有節(jié)點(diǎn)都連接到這個(gè)網(wǎng)段上。而有集線器的網(wǎng)絡(luò)就有多個(gè)網(wǎng)段組成。一個(gè)網(wǎng)段允許的最大電纜長(zhǎng)度取決于所使用的收發(fā)器與電纜類型，表2給出了幾種典型的電纜和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下網(wǎng)段上最大電纜的長(zhǎng)度和最大節(jié)點(diǎn)數(shù)的參考指標(biāo)[5]。

表2  幾種典型的通信介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的網(wǎng)段長(zhǎng)度
 

注意：(1) 最大網(wǎng)段的長(zhǎng)度是以標(biāo)準(zhǔn)電纜的衰減和最壞情況下收發(fā)器的功率預(yù)算為基礎(chǔ)算出的；(2) 最大節(jié)點(diǎn)數(shù)不包括HUB端口（因?yàn)槠鋬?nèi)部無協(xié)議控制器），但是網(wǎng)段最大電纜長(zhǎng)度包括連接到HUB端口的電纜長(zhǎng)度。
4.2  協(xié)議控制器和收發(fā)器的選用
ARCNET的協(xié)議全部由硬件完成，稱為ARCNET協(xié)議控制器，因而減輕了節(jié)點(diǎn)CPU的開銷和軟件設(shè)計(jì)周期，提高了效率。
早期的協(xié)議控制器的收發(fā)緩存必須另外擴(kuò)展2K RAM，因而其芯片的引腳較多，體積較大，而且對(duì)網(wǎng)絡(luò)的診斷功能不強(qiáng)。筆者曾使用COM90C65設(shè)計(jì)ARCNET局域網(wǎng)，由于其診斷功能不足，只有通過增加軟件開銷來加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)管理功能，但是效果不佳，在產(chǎn)生活動(dòng)節(jié)點(diǎn)地址表方面也頗費(fèi)周折，而對(duì)令牌的監(jiān)視則束手無策。盡管后來的COM90C66將2K RAM內(nèi)置到協(xié)議控制內(nèi)部，但是使用上還存在許多不便。近幾年推出的COM 200系列芯片，無論在結(jié)構(gòu)上和功能上都作了很大改進(jìn)，使開發(fā)人員應(yīng)用更為便捷，而且在組網(wǎng)上提供了更多的靈活性，如通過對(duì)內(nèi)部寄存器的設(shè)置可靈活改變數(shù)據(jù)傳輸速率，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目的多少設(shè)置重構(gòu)時(shí)間，以得到更短的重構(gòu)時(shí)間，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的可靠性和快速性。通過某些寄存器的配合使用，較少的軟件開銷，便可得到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)活動(dòng)地址表以及網(wǎng)絡(luò)的故障信息，大大方便了網(wǎng)絡(luò)管理。
在收發(fā)器方面與早期的為2.5Mbps優(yōu)化的雙脈沖收發(fā)器相比，收發(fā)器的尺寸減少了很多，而且可以工作在10Mbps的傳輸速率下，當(dāng)傳輸距離相對(duì)較短時(shí)，設(shè)計(jì)者可以選擇成本較低的RS-485收發(fā)器。市場(chǎng)上可以購(gòu)買到日本Standard Microsystem公司生產(chǎn)的ARCNET收發(fā)器，它能很好地工作在10Mbps下，而且輸出電壓較早期有很大的減少。
4.3  軟件開發(fā)
早期的ARCNET網(wǎng)絡(luò)部件的開發(fā)環(huán)境不是很好，這在一定程度限制了它的應(yīng)用。筆者當(dāng)初設(shè)計(jì)ARCNET應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)裝置的調(diào)試和應(yīng)用程序的開發(fā)占用了許多精力。如今ARCNET開發(fā)商對(duì)這些環(huán)節(jié)做了很大改進(jìn)，有很多的開發(fā)工具可供選擇。
根據(jù)應(yīng)用層面和使用人員的層次，開發(fā)商們提供了靈活的部件。如各種類型的ARCNET網(wǎng)卡和豐富的ARCNET集線器可供用戶選擇，并提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。其中的空協(xié)議棧驅(qū)動(dòng)是嵌入式網(wǎng)絡(luò)普遍采用的方式，在這種方式中，數(shù)據(jù)鏈路層可以直接和應(yīng)用層對(duì)話，用戶在應(yīng)用程序中根據(jù)自己的需要定義協(xié)議。當(dāng)傳輸速度非常重要，而與其他系統(tǒng)的連通性要求不高時(shí)，這種方式是最好的選擇。
如果用戶自行設(shè)計(jì)網(wǎng)卡，則提供基于PC機(jī)的調(diào)試軟件和驅(qū)動(dòng)程序的源代碼供用戶參考。更為便捷的是某些供應(yīng)商還提供開發(fā)裝置的仿真板和網(wǎng)絡(luò)分析儀，以方便設(shè)計(jì)人員分析網(wǎng)絡(luò)的性能，進(jìn)一步縮短開發(fā)周期。
5  結(jié)語
由于ARCNET網(wǎng)絡(luò)具有傳輸時(shí)間的確定性，網(wǎng)絡(luò)組建的靈活性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕趯?shí)時(shí)控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，甚至有觀點(diǎn)提出ARCNET已成為現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用的三個(gè)層次中不可或缺的部分。國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)人員也開始關(guān)注ARCNET網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并在設(shè)備改造和國(guó)外配件的升級(jí)換代方面做了成功的嘗試。筆者希望通過本文的介紹，起到拋磚引玉的作用，促進(jìn)ARCNET在國(guó)內(nèi)的進(jìn)一步應(yīng)用，以豐富現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展。