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打印机墨盒模拟测试系统的开发毕 业 设 计 论 文课 题 名 称 :打印机墨盒模拟测试系统的开发学院 :机械工程学院专业 :机械工程及自动化姓名 :学号 :指 导 教 师 :2016 年 5 月 18 日打印机墨盒模拟测试系统的开发打印机墨盒模拟测试系统的开发全套设计加扣3012250582 摘要由于喷墨打印机可以应用于多种打印机介质,并且可以呈现多种色彩,使打印效果更加接近于真实,因此打印机已经成为办公室不可或缺的工具。然而打印机的核心部件是墨盒,墨盒技术含量的高低直接影响整个打印机的工作性能。目前市场上的墨盒都带有都有自己专门的序列号和墨量的数据芯片,有一定的加密技术,使墨盒成为一次性消耗品,极大的浪费了资源,因此墨盒测试系统的开发显得格外重要。本文通过对打印机墨盒、LabVIEW 进行研究后,开发了一套基于 LabVIEW的模拟墨盒测试系统。本系统通过 LabVIEW 界面将数据通过主单片机发送给模拟墨盒功能的从单片机,模拟墨盒收到数据后再通过主单片机系统将反馈信息回送到 LabVIEW 中,LabVIEW 会自动检测回馈信息是否正确,完成一次测试。测试系统包括:硬件设计模块:采用基于 IC 协议的单片机来模拟墨盒;主机主要进行数据传输功能。软件设计模块:设计 LabVIEW 界面,实现对 Access数据库连接、数据传输、处理、存储功能。经过对整个系统的调试,LabVIEW 操作界面基本可以实现设计要求,利用基于 IC 协议的单片机模拟墨盒,可以实现与 LabVIEW 的数据传输。但系统还不能实现全自动测试过程,仍需要人为干涉,功能有待进一步开发。关键词:打印机墨盒,LavVIEW,数据库,IC 协议打印机墨盒模拟测试系统的开发DEVELOPMENT OF SIMULATION TEST SYSTEM FOR PRINTER CARTRIDGEABSTRACTInk jet printer can be applied to a variety of printer media, and can show a variety of colors, so the printing effect is much closer to the reality,and the printer has become an indispensable tool in the office. However, the core component of the printer is the ink box, and the technical content of the ink box directly affects the working performance of the entire printer. Currently the ink cartridge on the market with have their special serial number ,the amount of ink microarray data, and encryption technology, so that ink cartridge become disposable consumables, great waste of resources, and cartridges test system development is particularly important.In this paper, a simulation test system based on LabVIEW virtual instrument is developed from the research on the simulation test system of the printer cartridge. The system send the data to the MCU system which has the function of simulation cartridge by LavVIEW. The MCU system will feedback information to the LabVIEW after receiving data, and the LabVIEW will automatically make sure whether the information is correct.Test system include:(1)Hardware design module: Using the master-slave single chip microcomputer based on IC protocol to simulate the ink box.(2)Software design module:Using LabVIEW to write a program to achieve the connection to the Access database, data transmission, processing and storage function.After debugging the whole system , LabVIEW operation interface can achieve the basic design requirements . It can use the master-slave single chip microcomputer based on I C protocol ,achieving the data transmission with LabVIEW. But the system cant achieve automatic test process, still need to be human intervened.So the function needs to be further developed.打印机墨盒模拟测试系统的开发Key Word: printer cartridge, LavVIEW, database, IC打印机墨盒模拟测试系统的开发目录1绪 论.11.1研究背景及意义.11.1.1研究背景.11.1.2研究意义.11.2打印机墨盒的现状与发展.21.2.1墨盒结构.21.2.2墨盒的现状与发展.21.3打印机墨盒测试技术的现状与发展.31.4本课题的主要工作.32总体方案设计.42.1功能需求分析.42.2系统组成及功能.62.2.1LabVIEW 功能模块划分.62.2.2模拟墨盒方案设计.73模拟墨盒硬件系统设计.83.1单片机的选用.83.2稳压电路设计.93.3IC 通信硬件设计.103.4USB 接口电路.114软件设计.124.1软件整体方案设计.124.2LabVIEW 界面设计.124.2.1串口配置.144.2.2LabVIEW 与数据库的连接模块.154.2.3LabVIEW 数据处理.16打印机墨盒模拟测试系统的开发4.2.4数据存储.174.2.5LabVIEW 报错.184.4主从单片机程序设计.204.4.1主单片机主程序设计.204.4.2从单片机程序设计.225系统调试.246结论.276.1论文总结.286.2应用前景展望.28参考文献.29致谢.32附录.33附录.40附录.41译文及原文.43打印机墨盒模拟测试系统的开发1 绪 论1.1 研究背景及意义1.1.1 研究背景作为打印机核心部件的墨盒,虽然相比打印机整体来说微不足道,但是它的技术含量却直接影响到打印效果的优劣。因此墨盒的发展也经历了 3 次优化。从最初的多种颜色整合到一个墨盒中,实现多色一体的打印过程1。由于打印任务的不同,墨盒中各个颜色的使用情况也不一样,致使有的颜色已经全部用完而有些颜色则几乎没用过,但是某个颜色被用完就预示着整个墨盒的报废,造成资源的极大浪费。为了提高墨盒利用率,出现了第二次转变即黑墨和彩墨采用分离的结构2。由于大部分打印都是采用黑白打印,所以单独出来的黑色墨盒极大的节省了资源,使得墨盒得到充分利用。但是彩色墨盒依然存在严重的浪费,随之过渡到单色分离的结构。可以看出每次墨盒技术的更新都是为了提高墨盒的利用率,节约资源。现在的墨盒属于高度集成的技术产品,但是制造商为了增加效益,对墨盒进行加密处理,使墨盒成为一次性消耗品,严重妨碍墨盒的回收利用3。总之打印机墨盒每次技术的革新都只有一个目标:使墨盒得到充分的利用。打印机墨盒测试这一理念正是迎合了墨盒技术的发展趋势。1.1.2 研究意义打印机在我们的日常生活中受到了越来越多的重视,是办公用品中必不可少的装备,但是很少有人知道墨盒是一种高集成的高技术产品,而且墨盒中残余的墨水会导致环境的污染,一滴墨可以污染 60 平方米的水源;除此之外商家为了获取更多利益,使检测墨盒墨量的芯片在墨水还剩三分之一左右时便提示更换墨盒,造成资源的极大浪费4。如果墨盒没有进行加密,用户便可以自行重复利用墨盒。这样看来,开发一套打印机墨盒测试系统显得格外重要,不仅节约资源保护环境,还降低打印机成本。1打印机墨盒模拟测试系统的开发1.2 打印机墨盒的现状与发展1.2.1 墨盒结构喷墨打印机的一体式墨盒主要由墨盒体及其中的墨水海绵、喷头单元、侧盖顶端等组成5如图 1-1 所示,其中滤网是用来滤除墨水中的杂质、气泡和灰尘;墨盒体上端导气孔则是将空气导入墨盒内,使盒内的压力达到平衡状态6。但是当墨水使用完至后,墨盒也会随之丢弃,不仅提高打印成本而且还浪费资源以及污染环境7。图 1-1 墨盒结构1.2.2 墨盒的现状与发展随着打印机的普及,它已成为办公自动化中不可或缺的一部分,给人们的生活以及学习带来极大的便利。而墨盒则是打印机的核心部件,它决定着打印机的性能,因此喷墨打印机的发展就等于墨盒技术的发展8。根据阿里巴巴对打印机耗材的数据分析,打印机耗材成本已经占企业总支出的 3%,而打印机主要的消耗材料就是墨盒。由于一体式墨盒属于一次性消耗品,这就给制造商家带来无限商机9。由图 1-2 可以看出 2011 年到 2016 年打印机喷墨耗材市场规模不断扩大 ,随着而来的则是资源的浪费和环境的污染,因此墨盒测试系统的开发具有很大的场价值。图 1-2 打印机喷墨耗材市场规模2打印机墨盒模拟测试系统的开发1.3 打印机墨盒测试技术的现状与发展随着信息技术的高速发展,打印数量不断增加,打印成本随之增加,这就推动了墨盒测试技术的发展。目前对于旧式一体式墨盒的测试技术较为成熟。国内采用分布测试方法,即将墨盒拆分后,分别测试内部器件的性能。这种测试方法极大地降低了测试效率,费时费力,不能满足客户需求10。相比国内技术,国外普遍采用总体测试。将墨盒放在设计好的总体测试设备上,通过技术人员操作设备来检测墨盒内部功能,节省了工时提高了效率。但这种方法依然存在缺陷,人为干涉太多,不能实现自动测试功能11。对于新一代的一体式墨盒,技术更加成熟,打印质量也大大提高,但是由于墨盒都要进行加密处理,因此国内对墨盒测试系统的开发仍处在摸索阶段。经过相关人士的不断实验,发现测试墨盒的关键在于测试墨盒芯片中的数据,墨盒芯片包含了墨量、可打印次数等墨盒信息12,这为墨盒测试技术的发展提供了方向。1.4 本课题的主要工作本课题主要工作是开发一套基于 LabVIEW 的打印机墨盒模拟测试系统,通过了解打印机墨盒工作原理以及学习 LabVIEW 编程,采用单片机系统模拟打印机墨盒,开发打印机墨盒模拟测试系统。具体工作过程如下:通过设计 LabVIEW界面,实现对数据库表中墨盒数据的调用,为系统提供数据来源,并显示在LabVIEW 界面上;采用串口通讯的方式实现 LabVIEW 界面与主单片机系统间数据的传输;经过对打印机墨盒工作原理的了解,采用基于 IC 协议的单片机模拟打印机墨盒,模拟墨盒与 LabVIEW 界面的数据传输通过主单片机系统为媒介实现的。在传输完成后,LabVIEW 界面完成数据处理及存储功能。3打印机墨盒模拟测试系统的开发2 总体方案设计2.1 功能需求分析打印机墨盒是高集成产品,它通过墨盒芯片中的数据与打印机进行通讯来记录墨盒消耗情况,当打印一定纸张数量后,不管墨盒是否有墨,都会提示更换墨盒13。为了满足在不更换墨盒情况下通过更换墨盒数据实现墨盒的再次利用,需要系统将墨盒数据从 PC 端发送到模拟墨盒中。PC 端数据的发送和接收功能是通过设计 LabVIEW 界面实现的,墨盒是通过基于 IC 协议的单片机来模拟其功能。LabVIEW 通过 USB 通讯接口主单片机系统进行数据传输,主单片机系统与模拟墨盒再通过 I2C 协议进行数据传输,接收到数据的单片机系统会将反馈信息回送到 LabVIEW 中,此时 LabVIEW 会自动检测回馈信息是否正确完成测试任务。具体方法如下: 数据调用数据贯穿整个测试系统,它是测试系统运行的基础。实现此功能,首先要建立一个数据库,将墨盒测试数据存储到数据库中的数据表,然后通过设计 LabVIEW 界面来实现对数据表中数据的调用,没有数据就无法进行下一步操作,这是测试系统的关键入口。 数据传输数据调用后,需要进行数据的传输,只有把墨盒数据传输到模拟墨盒的单片机系统中才能进行功能测试。从 PC 端将数据传输到单片机系统是利用 LabVIEW 界面实现的,主从单片机是通过 IC 协议进行数据的传输。 模拟墨盒墨盒功能结构精密,不易进行分析处理,但其通信原理与 IC 协议相同,故采用基于 IC 协议的单片机来模拟墨盒功能,模拟墨盒会根据主机发送的地址来判断自己是否被调用,并根据主机指令来判断自己是接收器还是发送器。 LabVIEW 数据处理当主机系统接收到从机系统的数据后,主机系统将向 LabVIEW 传输指定的4打印机墨盒模拟测试系统的开发字符串(例如“YY”),LabVIEW 界面会根据反馈字符串信息的正确与否判别数据传输是否成功。 数据存储执行完打印任务后,LabVIEW 界面要进行数据库连接,将本次发送的原始数据,测试时间以及测试结果存储到数据库表中供用户查阅。调用数据LabVIEW传输数据界面处理数据存储数据主机系统传输数据模拟墨盒存储数据传输数据图 2-1 系统功能图5打印机墨盒模拟测试系统的开发2.2 系统组成及功能实现上述功能,需要进行功能模块的划分,如图 2-2 所示,采用模块设计可以更快捷地设计总体方案,也便于实时修改方案。初始化设置数据获取LabVIEW 界面数据发送数据处理数据存储模拟墨盒测试系统墨盒 1墨盒 2主单片机系统墨盒 3墨盒 4图 2-2 测试系统组成2.2.1LabVIEW 界面方案设计LabVIEW 作为编程软件,主要实现串口配置、与 Access 数据库的连接,数据传输,数据处理,数据存储。若要进行串口通讯就必须先要进行配置串口,只有配置成功才可以进行正确的通讯。串口设置包括:波特率、停止位、校验方式、数据位、流控制,其中波特率相同是使用串口通信的必要前提,控制流则是协调发送方和接收方的桥梁,避免缓冲区数据的溢出14。6打印机墨盒模拟测试系统的开发数据获取是 LabVIEW 界面通过与数据库的连接实现的15,LabVIEW 可调用数据库表中的墨盒数据,并显示在操作界面上,为数据的传输提供来源。数据发送是 LabVIEW 界面利用虚拟串口和 USB 接口实现与主单片机系统的数据传输功能。数据处理是通过编写一个对比程序,当主单片机系统接收到模拟墨盒中的数据后,主机会检测从机数据是否与之前发送的数据一致,并根据结果发送相应的字符串到到 LabVIEW 界面中,LabVIEW 界面会自动检测接收到的字符串是否与程序已设定的字符串一致,以此来检测数据传输是否成功。数据存储通过 LabVIEW 界面将原始数据、测试时间、测试结果存储到指定的数据库表中,以便后续查阅。2.2.2模拟墨盒方案设计墨盒可以执行喷墨动作,主要是通过墨盒芯片实现的。墨盒芯片如图所示。当墨盒安装在卡槽中,这时打印机主芯片引脚与墨盒芯片引脚对应相连,当执行打印任务时,打印机主芯片根据任务指令向墨盒发送地址,对应的墨盒芯片接收到指令后与主芯片进行通信,实现喷墨功能。这一过程与 IC 总线的主从工作方式相同。图 2-3 墨盒芯片因此本课题采用基于 IC 协议的单片机来模拟墨盒。主单片机系统主要由复位电路、晶振电路、稳压电路组成16。主单片机主要的功能是模拟主机芯片,实现与 PC 端的数据传输,并控制模拟墨盒的工作状态,根据 PC 端的指令选择对应的模拟墨盒。从机的主要功能是模拟墨盒,即等待主机的指令,当主机发送地址时对应的从机被接通,并开始与主机进行通信。7打印机墨盒模拟测试系统的开发3 模拟墨盒硬件系统设计在总体方案设计中,用基于 IC 协议的单片机模拟墨盒功能,因此本节主要是对模拟墨盒的电路设计,实现数据的接收、发送功能。系统主要包括:主单片机电路设计、稳压电路设计,IC 通讯电路,USB 接口电路。3.1 单片机的选用由于 STC 系列单片机以增强型 8051 为内核,引脚、指令代码完全兼容传统的 8051,但运行速度比普通的 8051 快 6-12 倍,具有片内集成功能多、运行速度高、稳定性好、低功耗、抗干扰能力强17,因此本课题选用 STC12C5A60S2 单片机。图 3-1 硬件原理图从机引出 4 个引脚,分别是:VCC、GND、SDA、SCL,这些引脚分别与主8打印机墨盒模拟测试系统的开发机对应的引脚相连接。当主机按下电源开关,主机上电,指示灯发光,主机引脚TXD、RXD 分别与 USB 接口的 RXD、TXD 相连,实现与 PC 端数据传输;当主机收到 LabVIEW 界面的指令后,主机通过 SDA 和 SCL 选择对应的模拟墨盒。STC12C5A60S2 管脚功能如表 3-1 所示:引脚功能PO 口P0 口可作为通用的 I/O 口和地址/数据分时复用P1 口P1 口即可作为 I/O 口,也可以作为 A/D 输入P2 口P2 口可作为通用 I/O 口也可作为地址总线的高 8 位P3 口P3 口除作为标准 I/O 口外,每个引脚还有其他功能P4.4上位复电后,没有功能;置 1 时,作为标准的 I/O 引脚内部时钟电路反相放大器的输入端,接外部晶振的一个引脚;当直接使XTAL1用外部时钟源时,此引脚是外部时钟源的输入端内部时钟电路反相放大器的输出端,接外部晶振的另一个引脚;当直接XTAL2使用外部时钟源时,此引脚可悬空或通过一个大电阻接地,此时 XTAL2实际是将 XTAL1 输入的时钟信号经反相放大后的输出端表格 3-1STC12C5A60S2 管脚功能3.2 稳压电路设计STC12C5A60S2 单片机运行时需要稳定的工作电压,因此必须设计一个稳压电路。本课题选用低功耗稳压芯片 HT7533,输出电流为 100mA,并且允许输入的电压可高达 30V,具有固定的输出电压,范围可从 2.1V 到 12.0V18。5V 电压从 VIN 流入,3.3V 电压从 VOUT 流出,如图 3-4 所示。图 3-2 7533 稳压电路9打印机墨盒模拟测试系统的开发3.3 IC 通信硬件设计IC 总线是同步通信的一种特殊形式,具有接口少、控制简单、通信速率较高等优点19。在主从通信中,可以有多个 IC 模拟墨盒同时接到 IC 总线上,每一个模拟墨盒都有唯一的地址,因此通过地址来识别通信对象。IC 总线硬件结构图如图所示。图 3-3 IC 总线系统硬件结构图IC 总线由数据线 SDA 和时钟线 SCL 构成通信线,即可发送数据也可接收数据。在主从工作方式中,主单片机启动数据的发送(发送启动信号),产生时钟信号,发出停止信号。当 SCL=1,SDA 由 10 时,表明主机发出启动信号,主机发送写信号,当从机接收到应答位后自动将数据位变为 0,主机数据位变为1,主机发送数据从机开始接收数据;当主机发送读信号是,从机收到信号后将数据发送给主机。当 SCL=1,SDA 由 0 1 时,主机发出停止信号,停止数据的传输。如图所示。图 3-4 IC 时序图10打印机墨盒模拟测试系统的开发3.4 USB 接口电路USB 通讯接口可以通过 USB 转串口芯片实现 TTL 电平与 EIA 电平的转换。本课题选用 H1032 STC 作为 USB 通讯接口。相比于普通 USB 接口,H1032 具有免手动冷启,支持重新上电;5V 和 3.3V 双电源输出;可代替所有 PL2303 刷机线使用;支持 USB 转 TTL 线使用。在 USB 转 TTL 模块中采用了 CH340T 芯片,它是 USB 总线的转接芯片,实现 USB 转串口功能。图 3-7 CH340 硬件原理图由于 PC 机端口产生的是 EIA 电平,而单片机产生的是 TTL 电平,因此就需要运用集成电路转换器来实现电平转换,将 TTL 电平转变为 EIA 电平。当用于普通 USBTTL 通信是,可以将 AUTO 脚与 GND 脚短接来关闭自动冷启功能。当模拟墨盒与 LabVIEW 界面进行数据通讯时,将 USB 接口的 TXD 和 RXD分别连接到单片机引出的 RXD 和 TXD 接线端。11打印机墨盒模拟测试系统的开发4 软件设计本测试系统的软件设计包括两个部分: LabVIEW 界面设计;基于 IC协议的单片机程序设计。本系统的核心在于数据的传输以及存储。LabVIEW 界面设计包括串口设置、数据库的连接、数据发送、数据处理、自动报错。模拟墨盒的从机通过 IC 通讯协议与主机系统进行通讯。4.1 软件整体方案设计软件部分主要是在硬件部分的基础上进行各个模块的开发,软件部分的总体框图如下图所示。LabVIEW 界面串口通信主机模拟墨盒图 4-1 软件设计总体框图软件部分由: 上位机 LabVIEW 界面的设计:运用工具模板、控件模板、函数模板进行程序的设计。其中主要用到 VISA 串口模块、Database 模块、程序结构模块、数据模块、定时模块。通过各个模块的连接实现上位对串口设置、调用数据库、数据传输、数据处理、数据存储、自动报错功能的实现。 下位机中主机与从机的程序设计:由于从机模拟墨盒功能,因此必须实现当主机发送地址时,总线上的 4 个模拟墨盒都将这 7 位地址码与自己的地址进行比较,被选择的墨盒根据读/写位来确定自己是发送器还是接收器。主机的主要功能是与 LabVIEW 界面进行数据传输,并根据接收的指令来选择哪一个模拟墨盒工作。4.2 LabVIEW 界面设计LabVIEW 是目前应用最广的虚拟仪器开发软件。它利用图形化的程序语言,不需要编写庞大、繁琐的文本程序,而且 LabVIEW 通过数据流进行数据的传递,这种传递方式对发现程序中的错误有很大帮助。 所有 LabVIEW 程序的设计,12打印机墨盒模拟测试系统的开发都必须新建 VI。VI 都包括 3 个部分:前面板、程序框图和图表/连线板。“数据流”是 LabVIEW 的核心,输入控件和显示控件中间的连线就表明了数据是由输入控件流动到显示控件。输入控件表明数据的“来源”,显示控件则是数据流动的“目的地”。前面板窗口就是用户设计测操作界面如图所示,该窗口上有输入和输出两种类型,分别是控制器和显示器。控制器为 VI 的程序框图提供数据;显示器用以显示在程序框图中获取或生成的数据27。该界面可以模拟真实仪器的操作面板,用于设置输入参数与观察输出参数。图 4-2 LabVIEW 前面板程序框图是定义虚拟仪器逻辑功能的源代码的集合如图。程序框图是由节点、端口和数据连线等组织构成的,在界面中对 VI 编程就相当于运算和处理用户输入的信息,然后在前面板上把结果显示出来供用户参考。图 4-3 LabVIEW 程序框图13打印机墨盒模拟测试系统的开发如果将虚拟仪器与现实仪器相比,则前面板可以看作是真实仪器的操作面板,程序框图就是真实仪器的内部结构。若要实现 LabVIEW 系统与单片机系统的数据通信,首先要设计串口程序。上位机和下位机可以通信之后,下一步要做的就是实现数据的获取,为系统提供数据源。由于 LabVIEW 不能创建数据库,所以必须设计数据库连接程序来获取数据。获取数据后,需要实现数据传输功能,因此要设计发送程序。单片机系统获取数据后,要发送反馈信息至 LabVIEW,以此来表明数据传输成功与否,设计数据处理程序来实现该判别功能以及自动报错。完成处理后必须要把判别结果保存起来,以便用户查阅,所以依然要设计数据库连接,实现数据的存储。LabVIEW 整体功能框图如下图所示。串口数据库数据数据自动数据配置连接发送处理报错存储LabVIEW图 4-4 整体功能框图4.2.1 串口配置在对 LabVIEW 进行串口配置时,首先要对串口的各类数据进行初始化设置。串口设置包括:波特率、数据位、校验、停止位、流控制,如图 4-5 和 4-6。对于双向通信的串口,要设置好帧格式,双方只有按照约定好的通讯协议才能进行正确的通信。VISA 资源名称指的是虚拟串口的端口号。这是程序设计的第一步。图 4-5 程序框图设计图 4-6 操作界面14打印机墨盒模拟测试系统的开发4.2.2LabVIEW 与数据库的连接目前数据库技术和数据库系统已经成为信息化时代的核心技术,是数据传递的重要基础。数据库虽然无法快速存储大量数据,但是对于中低速的数据采集和工业控制而言,它都可以直接使用数据库进行记录数据,因此数据库在测试测量和工业控制领域是非常常用的。LabVIEW 自身虽然不能创建数据库,但是用户可以通过 Access 创建数据库如图所示,然后通过 LabVIEW 程序来调用数据。目前 Access 是主流的小型桌面型关系数据库管理系统,主要用于数据管理。因其具有界面友好、智能特性、创建 Web 网络数据功能易学易用等优点而被广泛应用。一个 Access 数据库文件中包含了 6 种数据库对象,分别是表、查询、窗体、报表、宏和模块,而这 6 种数据库对象都存储在一个以.accdb 为扩展名的数据库文件中。在任何时候, Access 只需打开一个数据库文件,便可以对各种数据库对象进行操作。图 4-7 Access 数据库实现 LabVIEW 调用数据库的功能,就要利用 Database 模块与数据库建立连接联系。LabVIEW 与数据库连接主要有以下几种方法: 利用 DSN 连接数据库。DSN(Data Source Name)即数据源名称,ODBC支持关系型数据库 利用 UDL 连接数据库。ADO(ActiveX Data Objects)是微软利用自动化服务技术开发的数据库接口。ADO 支持关系型数据库和非关系型数据库。利用连接字符串连接数据库。无论是 UDL 文件还是 DSN 文件,它们存储的都是连接字符串的内容。因

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