楊 帆 李桂花 楊桂芹 張志婧
重離子治癌加速器高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
楊 帆1,2李桂花2楊桂芹1張志婧1,2
1(蘭州交通大學(xué) 蘭州 730070)
2(中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000)
根據(jù)重離子治癌加速器的特點(diǎn)提出了新的一種數(shù)據(jù)傳輸方法,在FPGA上實(shí)現(xiàn)了DPSK (Differential Phase Shift Keying)調(diào)制解調(diào),加入了奇偶校驗(yàn)、BCH編解碼、擾碼與幀同步系統(tǒng)來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性,傳輸信道采用SFP光纖傳輸,提高了傳輸?shù)乃俾?,降低了設(shè)計(jì)成本。本文主要描述系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié),重點(diǎn)分析了在傳輸過(guò)程中如何使用FPGA編程方法提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格壓力測(cè)試,做到百萬(wàn)次傳輸無(wú)誤差,已在重離子治癌加速器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用,在加速器控制領(lǐng)域首次實(shí)現(xiàn)了FPGA結(jié)合光纖的DPSK調(diào)制解調(diào)高速數(shù)據(jù)傳輸,對(duì)同類系統(tǒng)有較好的借鑒參考作用。
重離子治癌加速器,數(shù)據(jù)傳輸,DPSK調(diào)制解調(diào),相變點(diǎn),F(xiàn)PGA
重離子治癌加速器是在蘭州重離子加速器冷卻存儲(chǔ)環(huán)(Heavy Ion Research Facility in Lanzhou-Cooling Storage Ring, HIRFL-CSR)的基礎(chǔ)上重建的一臺(tái)專門(mén)用于醫(yī)療的同步加速器。重離子治癌同步加速器設(shè)計(jì)運(yùn)行周期3.2?13.2 s,加速時(shí)間1.6 s。一個(gè)加速器裝置的控制系統(tǒng)必須使束流加速過(guò)程完成。一般來(lái)說(shuō),它必須激發(fā)所有參與這個(gè)束流加速過(guò)程的設(shè)備,在正確的時(shí)間做正確的事情。加速器的動(dòng)態(tài)參數(shù)決定了這些機(jī)器的時(shí)序要求??刂葡到y(tǒng)不但要完成非實(shí)時(shí)信息的通信,而且還要支持時(shí)間要求嚴(yán)格的實(shí)時(shí)信息的通信,在重離子治癌加速器設(shè)計(jì)中,時(shí)序系統(tǒng)的精度一般要求在微秒級(jí),而且要求同步的設(shè)備多,輸出到設(shè)備的波形數(shù)據(jù)時(shí)間間隔也在微秒級(jí),另外為了監(jiān)測(cè)電源波形及與同步時(shí)鐘之間的相對(duì)時(shí)間關(guān)系,還要同步采集電源的波形信號(hào),因此高速以太網(wǎng)(千兆以太網(wǎng))是不能保證加速器控制的實(shí)時(shí)性。加速器運(yùn)行數(shù)據(jù)組織軟件將所有計(jì)算好的設(shè)備波形數(shù)據(jù)裝載到執(zhí)行部件,執(zhí)行部件接收到來(lái)自加速器運(yùn)行數(shù)據(jù)組織軟件發(fā)出的同步觸發(fā)事例后,經(jīng)過(guò)要求的延時(shí),將數(shù)據(jù)輸出到設(shè)備,執(zhí)行部件通常是自主研發(fā)的集成電路板,主要器件是FPGA和DSP,執(zhí)行部件及其FPGA和DSP上的內(nèi)置程序完成了響應(yīng)同步事例后延時(shí)輸出波形數(shù)據(jù)到設(shè)備的功能,為了保證輸出數(shù)據(jù)的速度、精度和實(shí)時(shí)性,數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣缺仨氃趤單⒚爰?jí),并且數(shù)據(jù)傳輸中要嚴(yán)格保證數(shù)據(jù)的正確性。
目前,HIRFL-CSR的同步事例傳輸采用了400kHz光纖傳輸?shù)幕鶐盘?hào),其帶寬和可靠性都需要提升。因此,我們自主研發(fā)了基于PCI接口,以FPGA為核心器件的重離子治癌加速器高速數(shù)據(jù)傳輸控制板卡。如圖1所示,系統(tǒng)采用通用SFP接口,該接口的傳輸速率最高可到125 MHz,并且為了使傳輸協(xié)議更加有針對(duì)性,整個(gè)系統(tǒng)更具靈活性,在板載FPGA中實(shí)現(xiàn)了全部傳輸協(xié)議及信號(hào)調(diào)制解調(diào)。根據(jù)實(shí)際需求與器件性能,采用100 MHz載波,10 MHz基帶信號(hào)的DPSK (Differential Phase Shift Keying)調(diào)制解調(diào)。該系統(tǒng)已經(jīng)用于加速器系統(tǒng)調(diào)試,經(jīng)測(cè)試,百萬(wàn)次數(shù)據(jù)傳輸無(wú)誤。
圖1 重離子治癌加速器高速數(shù)據(jù)傳輸控制器及測(cè)試平臺(tái)Fig.1 Controller and test platform of high-speed data transmission of the heavy ion therapy accelerator.
圖2 重離子治癌加速器高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)硬件平臺(tái)Fig.2 Hardware platform of the system of high-speed data transmission of the heavy ion therapy accelerator.
數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的平臺(tái)為PCI+FPGA+光纖的結(jié)構(gòu),如圖2所示。PCI接口用于實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的下載與上傳[1]。FPGA將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后進(jìn)行DPSK調(diào)制輸出,通過(guò)光纖傳輸?shù)叫盘?hào)接收設(shè)備,信號(hào)接收設(shè)備載板的FPGA對(duì)收到的數(shù)據(jù)解調(diào),針對(duì)不同的設(shè)備,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析并實(shí)現(xiàn)控制邏輯??钚酒杀竞侠?,資源適中,同時(shí)它支持多路LVDS信號(hào),提高了信號(hào)傳輸?shù)膸捄涂煽啃訹2]。利用編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,其收發(fā)速率和幀格式很容易改動(dòng),而不需要更換任何設(shè)備和器件,便于系統(tǒng)的改進(jìn)。傳輸信道采用Firecomms(愛(ài)爾蘭)公司的EDL300T,它的傳輸帶寬最高為125 Mbps,通用SFP接口的使用使系統(tǒng)更加穩(wěn)定,并且該接口非常容易使用,光纖無(wú)需制作特別的接頭,根據(jù)所需長(zhǎng)度隨時(shí)裁剪,即插即用,使用非常方便[3]。
數(shù)據(jù)傳輸?shù)目傮w結(jié)構(gòu)如圖3所示。從PCI系統(tǒng)獲得64位有效數(shù)據(jù),將其分為8組,分別加入奇偶檢驗(yàn)位,進(jìn)行非本原BCH (17,9)編碼,組織成一幀數(shù)據(jù)后加入擾碼,經(jīng)過(guò)DPSK調(diào)制后,通過(guò)光纖發(fā)送出去。在接收端將收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)解擾碼后,通過(guò)幀同步系統(tǒng)找到幀頭,再進(jìn)行BCH譯碼與糾錯(cuò),得到了64位有效數(shù)據(jù),完成了一次數(shù)據(jù)傳輸[4]。
圖3 數(shù)據(jù)傳輸?shù)目傮w設(shè)計(jì)框圖Fig.3 Overall scheme design diagram of data transmission.
2.1 發(fā)送端數(shù)據(jù)的處理
為使此系統(tǒng)可靠性更強(qiáng),對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行了奇偶校驗(yàn)和編碼,采用并行處理方式以提高編碼效率。將64 bit有效數(shù)據(jù)分為8組,對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行逐比特異或計(jì)算,將結(jié)果添加在每組數(shù)據(jù)的MSB前作為奇偶校驗(yàn)位。對(duì)這8組數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行非本原BCH(17,9)編碼。它是一類能糾正多個(gè)隨即錯(cuò)誤的循環(huán)碼和分組碼,可以在給定糾錯(cuò)能力要求的條件下尋找到碼的生成多項(xiàng)式,有了生成多項(xiàng)式,編碼的基本問(wèn)題就隨之解決了。BCH(17,9)編碼能夠在每組數(shù)據(jù)中糾正任意最多兩位隨機(jī)錯(cuò)誤[5],一幀數(shù)據(jù)最多能同時(shí)糾正16位隨機(jī)錯(cuò)誤。生成多項(xiàng)式為g(x)=x8+x7+x6+x4+x3+x+1。經(jīng)過(guò)編碼后8組數(shù)據(jù)每組長(zhǎng)度是17 bit,高9位是原碼,低8位是監(jiān)督位,監(jiān)督位將作為數(shù)據(jù)譯碼的一個(gè)參數(shù)。
為了使接收端能夠正確識(shí)別幀信息中的有效數(shù)據(jù),必須給編碼后的數(shù)據(jù)加入幀頭,選擇了7位巴克碼(1110010)作為幀頭。巴克碼是一組符合特殊規(guī)律的碼元,它出現(xiàn)在信息碼元序列中的可能性非常小。接收端一旦檢測(cè)到這個(gè)特定的碼組就立刻知道這種信息碼元的“頭”[6]。幀頭確定后,加上一定冗余位便可以和8組編碼后的數(shù)據(jù)組織成幀。
對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擾碼和調(diào)制后,就可以完成發(fā)送端對(duì)數(shù)據(jù)的處理工作。采用偽隨機(jī)序列(m序列)來(lái)起到“擾碼”的作用,本設(shè)計(jì)采用的本原多項(xiàng)式為F(x)=x5+x3+1。在FPGA設(shè)計(jì)中,根據(jù)所選序列的本原多項(xiàng)式來(lái)設(shè)置m級(jí)寄存器以實(shí)現(xiàn)m序列[7]。為了避免解調(diào)時(shí)出現(xiàn)相位的倒“π”現(xiàn)象,采用DPSK調(diào)制方式。它是利用前后相鄰碼元載波相位的相對(duì)變化來(lái)傳遞數(shù)字信息的。調(diào)制時(shí)先對(duì)二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行差分處理,即把表示數(shù)字信息序列的絕對(duì)碼變?yōu)橄鄬?duì)碼,然后再根據(jù)相對(duì)碼進(jìn)行調(diào)相,從而產(chǎn)生2DPSK信號(hào)[8]。其中,差分碼的編碼規(guī)則為b(n)=a(n)⊕b(n?1)。
2.2 接收端數(shù)據(jù)的處理
在接收端,首先要將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)和解擾碼。先對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào),由于該系統(tǒng)的基帶和載波信號(hào)頻率很高,利用傳統(tǒng)的解調(diào)難以實(shí)現(xiàn),因?yàn)檫@些方法要求本地系統(tǒng)時(shí)鐘頻率至少是載波信號(hào)頻率的幾倍甚至數(shù)十倍,頻率越高解調(diào)效果往往越好。但是工作頻率高的FPGA價(jià)格都非常昂貴,會(huì)增加成本,因此我們從信號(hào)本身的特征和PSK調(diào)制系統(tǒng)的特性出發(fā),運(yùn)用采樣和VHDL語(yǔ)言自身的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)高頻DPSK信號(hào)的解調(diào)過(guò)程。在200 MHz的時(shí)鐘下尋找相變點(diǎn)(相變點(diǎn)處即基帶信號(hào)的電平變換點(diǎn)),找到了相變點(diǎn)就知道了前后相鄰碼元載波相位的相對(duì)變化,再經(jīng)過(guò)差分譯碼和解擾碼變化后,得到了10 MHz的基帶串行幀。其中,解差分公式為b(n)=a(n)⊕a(n?1),解擾電路采用與發(fā)送端同樣的寄存器組設(shè)置模式。
要得到有效數(shù)據(jù),首先要經(jīng)過(guò)幀頭識(shí)別系統(tǒng)尋找?guī)^(1110010),確定數(shù)據(jù)的起始。幀頭識(shí)別后,為了得到可靠的數(shù)據(jù),還要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼和檢錯(cuò),運(yùn)用錯(cuò)誤圖樣查找的方法,既計(jì)算校正子S,查看校正子和錯(cuò)碼位置關(guān)系的表格,找出錯(cuò)碼將其糾正,并且通過(guò)報(bào)錯(cuò)機(jī)制把錯(cuò)誤信息輸出。這樣,就得到了服務(wù)器發(fā)出的64位有效數(shù)據(jù)。
測(cè)試機(jī)箱用NI的機(jī)箱,用Labview程序驅(qū)動(dòng)兩個(gè)控制器,一個(gè)發(fā)送,一個(gè)接收,由PCI提供發(fā)送數(shù)據(jù),觀察接收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送的是否相同。
3.1 同板收發(fā)測(cè)試
因?yàn)榇嗽O(shè)計(jì)收發(fā)是雙向的,用同板自行收發(fā)時(shí),測(cè)試結(jié)果如圖4所示。右邊“寫(xiě)”是發(fā)送端的數(shù)據(jù),左邊“讀”是接收端的數(shù)據(jù),可見(jiàn)傳輸過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤。
3.2 異板收發(fā)測(cè)試
用兩個(gè)控制器測(cè)試時(shí),數(shù)據(jù)有可能出錯(cuò),如圖5所示,左邊“4259”為發(fā)射端,發(fā)射的數(shù)據(jù)為“55aa55aa”,而右邊“4258”為接收端,接收到的數(shù)據(jù)卻是“2d920b95”,經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì),出錯(cuò)率達(dá)到百分之十幾。
圖4 同板收發(fā)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Result of transmitter and receiver on the same board.
圖5 異板收發(fā)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Result of transmitter and receiver on the different board.
經(jīng)過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)與觀察,發(fā)現(xiàn)出錯(cuò)的原因是相變點(diǎn)丟失或者是多出了相變點(diǎn)。在研究過(guò)程中,用200 MHz的臨界時(shí)鐘來(lái)進(jìn)行研究。如圖6所示,加入200 MHz時(shí)鐘,若輸入數(shù)據(jù)為1,計(jì)數(shù)器在時(shí)鐘上升沿時(shí)計(jì)數(shù)。若不在相變點(diǎn)處,計(jì)數(shù)器只能計(jì)到1,若在相變點(diǎn)處,則計(jì)數(shù)器會(huì)計(jì)到2,這就找到了相變點(diǎn)。若是同板收發(fā),發(fā)送端和接收端使用同一個(gè)時(shí)鐘源,時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí),數(shù)據(jù)已經(jīng)穩(wěn)定,能夠準(zhǔn)確地采樣,不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。
圖6 同板收發(fā)采用200 MHz采樣時(shí)鐘原理圖Fig.6 Schematic diagram of transmitter and receiver on same board with 200 MHz sampling clock.
若是異板收發(fā),發(fā)送端和接收端的時(shí)鐘不是同一個(gè)時(shí)鐘源,若時(shí)鐘上升沿正好在輸入數(shù)據(jù)的中間來(lái)臨,則數(shù)據(jù)不會(huì)出錯(cuò)。若是如圖7所示情況,則會(huì)有可能出錯(cuò),錯(cuò)誤有兩種可能,若認(rèn)為a和b處都是1,則計(jì)數(shù)器會(huì)計(jì)到2,就會(huì)認(rèn)為此處為相變點(diǎn),因而多出相變點(diǎn),如圖7中Change_point1所示;若認(rèn)為c和e處都是0,則計(jì)數(shù)器在d處計(jì)數(shù),只會(huì)計(jì)到1,就會(huì)認(rèn)為此處不是相變點(diǎn),因而丟失相變點(diǎn),如圖7中 Change_point2所示。
圖7 異板收發(fā)采用200 MHz采樣時(shí)鐘原理圖Fig.7 Schematic diagram of transmitter and receiver on different board with 200 MHz sampling clock.
若要得到準(zhǔn)確無(wú)誤的數(shù)據(jù),計(jì)數(shù)時(shí)要避開(kāi)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的情況,必須要升高時(shí)鐘頻率,又因?yàn)镋P3C25F256的工作頻率不是太高,所以找出可以準(zhǔn)確找到相變點(diǎn)的最低時(shí)鐘頻率成為本系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵。
經(jīng)過(guò)分析與研究,選定了500 MHz的時(shí)鐘頻率。加入500 MHz時(shí)鐘,若輸入數(shù)據(jù)為1,計(jì)數(shù)器在時(shí)鐘上升沿時(shí)計(jì)數(shù)。若不在相變點(diǎn)處,計(jì)數(shù)器只能計(jì)到2,若在相變點(diǎn)處,則計(jì)數(shù)器會(huì)計(jì)到3、4和5,為了避免在數(shù)據(jù)不穩(wěn)定時(shí)出現(xiàn)多出相變點(diǎn)或相變點(diǎn)的丟失情況,選定計(jì)數(shù)器計(jì)到4時(shí)為相變點(diǎn)。如圖8所示,若認(rèn)為a、b、c處都是1,計(jì)數(shù)器只會(huì)計(jì)到3,不會(huì)計(jì)到4,因而不會(huì)多出相變點(diǎn);若認(rèn)為f、k處都是0,計(jì)數(shù)器會(huì)在g、h、i、j處計(jì)數(shù),完全可以計(jì)到4,相變點(diǎn)也不會(huì)丟失。因此在500 MHz時(shí)鐘下,可以準(zhǔn)確找出相變點(diǎn),不會(huì)出現(xiàn)任何錯(cuò)誤。
圖8 異板收發(fā)采用500 MHz采樣時(shí)鐘原理圖Fig.8 Schematic diagram of transmitter and receiver on different board with 500 MHz sampling clock.
其實(shí),若不一定非要是信號(hào)的整數(shù)倍,不一定要這么高的時(shí)鐘頻率,但是要在同一個(gè)PLL里面同時(shí)產(chǎn)生所需的時(shí)鐘,就必須為整數(shù)倍,因此,本文只討論可以在此程序中實(shí)現(xiàn)的情況。綜上所述,在解調(diào)過(guò)程中,在此系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的尋找相變點(diǎn)的最佳時(shí)鐘頻率為500 MHz。
測(cè)試方法與§3相同,由圖9可以看到,傳輸過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤。
圖9 異板收發(fā)的最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Ultimate result of transmitter and receiver on the different board.
為確保出錯(cuò)率為零,需要發(fā)送多組數(shù)據(jù)來(lái)統(tǒng)計(jì)出錯(cuò)率,發(fā)送端每次發(fā)一萬(wàn)幀數(shù)據(jù),第一幀為55aa55aa,每發(fā)一幀就加1再發(fā)下一幀,直到發(fā)送一萬(wàn)幀就停止發(fā)送,對(duì)比發(fā)送端和接收端,統(tǒng)計(jì)出出錯(cuò)次數(shù),將出錯(cuò)情況和錯(cuò)誤率通過(guò).txt文件輸出。統(tǒng)計(jì)結(jié)果出錯(cuò)率為零。連續(xù)測(cè)試100次,即百萬(wàn)幀數(shù)據(jù),出錯(cuò)率為零。
經(jīng)過(guò)大量數(shù)據(jù)的反復(fù)驗(yàn)證,該系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)正確有效,與理論相符。
以往的加速器數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)的基帶信號(hào)直接傳輸模式,傳輸速率很低,而且?guī)^僅為簡(jiǎn)單的“11”,可靠性也很差。重離子治癌加速器高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在以往加速器數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了提升,自主研發(fā)了基于PCI+FPGA+光纖的傳輸控制器,在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中采用了DPSK調(diào)制解調(diào)的方式,并且加入了奇偶校驗(yàn),BCH編解碼,擾碼與幀同步系統(tǒng)來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性,所有傳輸協(xié)議解析與調(diào)制解調(diào)在FPGA上采用VHDL編程實(shí)現(xiàn),降低了設(shè)計(jì)成本,提高了系統(tǒng)可靠性和靈活性。對(duì)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn),保證該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確無(wú)誤地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程,使重離子治癌加速器高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠運(yùn)行。該系統(tǒng)保證了輸出數(shù)據(jù)的速度、精度和實(shí)時(shí)性,以及數(shù)據(jù)傳輸中的正確性。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試,已經(jīng)運(yùn)用于重離子治癌加速器的現(xiàn)場(chǎng),工作情況良好。
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CLC TL56
Design and implementation of high-speed data transmission system for the heavy ion therapy accelerator
YANG Fan1,2LI Guihua2YANG Guiqin1ZHANG Zhijing1,2
1(Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)
2(Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)
Background: Heavy ion therapy accelerator is introduced to reconstruct a dedicated synchrotron for medical treatment based on HIRFL-CSR (Heavy Ion Research Facility in Lanzhou-Cooling Storage Ring). Synchronous transmission of HIRFL-CSR uses the 400 kHz baseband signal with optical fiber. Purpose: The bandwidth and reliability of heavy ion therapy accelerator need to be improved for practical application. Methods: Differential phase shift keying (DPSK) modulation and demodulation method has been adopted, combined with the parity check, BCH codec, scrambling and frame synchronization system, to improve the reliability of system. Further improvement on both hardware and software implementation is taken to avoid any error in transmission process. Results: Experimental results show that the error times reduced to zero by using two boards to send and receive data. It is proved that the system can transmit data correctly and effectively. Conclusion: The system can accurately finish the data transmission with high reliability for the high-speed data transmission system of the heavy ion therapy accelerator. It has been directly applied to the scene of the heavy ion therapy accelerator.
Heavy ion therapy accelerator, Data transmission, DPSK (Differential Phase Shift Keying) modulation and demodulation, Phase change point, FPGA
TL56
10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.010403
重離子治癌束流的精確位置控制研究(No.Y207150GJ0)資助
楊帆,女,1990年出生,2012年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué),現(xiàn)蘭州交通大學(xué)在讀碩士研究生,研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)
2014-09-10,
2014-11-05