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深入解析ePWM时间基准与计数器比较模块:从原理到电机控制实战

1. 项目概述:从“会配置”到“懂原理”的ePWM进阶之路

在嵌入式电机控制、数字电源或者任何需要精确功率调制的领域,PWM(脉冲宽度调制)技术是工程师手中的“画笔”,而像TI C2000系列DSP中的增强型PWM(ePWM)模块,则是一套功能齐全、性能强大的“专业画具”。很多工程师在项目初期,可能只是照着例程配置几个寄存器,让电机转起来、让电源有输出,就觉得任务完成了。但当你遇到多通道同步精度不够、波形出现毛刺、或者想在运行时动态调整相位时,如果对ePWM底层的时间基准(TB)和计数器比较(CC)子模块一知半解,调试过程就会变得异常痛苦,甚至可能归咎于硬件问题。

实际上,ePWM的灵活与强大,正源于其清晰、模块化的架构。时间基准子模块是整个ePWM的“心脏”和“节拍器”,它决定了PWM波的频率、相位和同步关系;而计数器比较子模块则是“指挥家”,它根据“节拍器”的节奏,在精确的时刻发出“动作指令”,最终由动作限定子模块执行,形成我们需要的PWM波形。理解这两个子模块,是解锁ePWM高级应用,如移相全桥、交错并联、多轴同步控制等的钥匙。本文将抛开枯燥的寄存器列表,从实际应用的角度,深入解析TB和CC子模块的工作原理、配置要点以及那些手册上不会写的实战经验,目标是让你不仅能配置ePWM,更能驾驭它。

2. 核心模块深度解析:时间基准(TB)与计数器比较(CC)如何协同工作

在深入细节之前,我们必须建立一个顶层的认知框架。ePWM模块不是一个黑盒,它是一系列功能子模块的精密组合。对于生成PWM波这个核心任务,时间基准(TB)子模块计数器比较(CC)子模块构成了最基础的闭环。

你可以把整个ePWM想象成一个高级的定时器系统。TB子模块的核心是一个可编程的计数器(TBCTR)和它的“蓝图”(TBPRD,周期寄存器)。这个计数器按照你设定的模式(递增、递减、递增-递减)和时钟(TBCLK)周而复始地运行,它的每一次循环,就定义了一个PWM周期。而CC子模块则像两个预设的闹钟(CMPA和CMPB寄存器),它们时刻盯着TB子模块的计数器值。当计数器值“走到”闹钟设定的时刻,CC子模块就会发出一个“时间到”的事件信号(CTR = CMPA 或 CTR = CMPB)。

这些事件信号被送到动作限定(AQ)子模块,AQ子模块的规则是:“当XX事件发生时,对EPWMxA或EPWMxB输出引脚执行YY动作(置高、拉低、翻转)”。于是,通过合理设置CMPA/CMPB的值,并配置AQ在对应事件上的动作,我们就能在引脚上产生边沿位置精确可控的PWM波形。CMPA/CMPB的值直接决定了脉冲的宽度(占空比)。这就是ePWM生成波形的核心流水线:TB计数 -> CC比较产生事件 -> AQ执行动作。

2.1 时间基准(TB)子模块:系统的节拍器与同步核心

时间基准子模块是ePWM所有时序的源头,它的稳定与精确,直接决定了整个PWM系统的性能。

2.1.1 核心寄存器与信号通路

TB子模块的配置围绕几个关键寄存器展开,理解它们的关系至关重要:

  • TBCTR (Time-Base Counter Register):16位核心计数器,硬件自动递增/递减,软件可读可写(常用于同步或强制操作)。
  • TBPRD (Time-Base Period Register):周期寄存器,定义计数器的计数上限,是计算PWM频率的关键。
  • TBCTL (Time-Base Control Register):控制寄存器,包含模式选择、时钟预分频、同步使能等关键控制位。
  • TBPHS (Time-Base Phase Register):相位寄存器,用于在同步事件发生时,加载一个特定的值到TBCTR,实现模块间的相位差控制。
  • TBCLK (Time-Base Clock):时间基准时钟,由系统时钟SYSCLKOUT经过预分频得到,是TBCTR计数的基本时间单位。

其信号通路可以简化为:系统时钟SYSCLKOUT -> 预分频器(由TBCTL[CLKDIV]和[HSPCLKDIV]控制)-> 产生TBCLK -> 驱动TBCTR计数器在0到TBPRD之间循环计数。在循环过程中,硬件会实时比较TBCTR的值,并产生两个重要的周期事件信号:CTR = PRD(计数器等于周期值)和CTR = ZERO(计数器等于0)。这两个信号不仅是模块内部状态切换的触发器,也是同步其他模块和触发中断/ADC转换的关键。

注意:TBPRD寄存器通常带有“影子寄存器”机制。默认情况下(TBCTL[PRDLD]=0),我们软件写入的是影子寄存器,硬件会在CTR=ZERO的时刻自动将影子寄存器的值加载到生效的“活动寄存器”中。这保证了在PWM周期中间修改周期值时,不会导致当前周期波形畸变,是实现无毛刺动态频率调整的基础。除非有特殊需求(如调试),否则建议保持影子模式。

2.1.2 三种计数模式详解与选择策略

TB子模块支持三种计数模式,选择哪种模式直接影响PWM波形的对称性和事件触发次数。

  1. 递增计数模式 (Up-Count Mode)

    • 工作流程:TBCTR从0开始递增,达到TBPRD值后,在下一个时钟沿复位到0,重新开始递增。
    • 波形特性:产生非对称PWM波形。每个PWM周期内,CTR=CMPx事件只发生一次。
    • 周期公式Tpwm = (TBPRD + 1) * TtbclkFpwm = 1 / Tpwm
    • 应用场景:适用于普通的单边沿调制(例如,只在计数器等于CMPA时拉高,等于周期时拉低)。常见于简单的LED调光、蜂鸣器驱动等对波形对称性无要求的场合。
  2. 递减计数模式 (Down-Count Mode)

    • 工作流程:TBCTR从TBPRD值开始递减,达到0后,在下一个时钟沿重新加载TBPRD值,开始递减。
    • 波形特性:同样产生非对称PWM波形。每个周期内CTR=CMPx事件也只发生一次。
    • 周期公式:与递增模式相同,Tpwm = (TBPRD + 1) * Ttbclk
    • 应用场景:与递增模式类似,但计数方向相反。在某些特定的控制算法或与其他模块的配合上,可能选用此模式以简化逻辑。
  3. 递增-递减计数模式 (Up-Down-Count Mode)

    • 工作流程:TBCTR从0递增至TBPRD,然后立即转为递减,回到0后再次转为递增,如此循环。
    • 波形特性:产生对称PWM(中心对齐PWM)波形。这是电机控制和数字电源中最常用的模式。关键点在于,每个PWM周期内,CTR=CMPx事件会发生两次(一次在递增过程,一次在递减过程),除非CMPx等于0或TBPRD。
    • 周期公式Tpwm = 2 * TBPRD * TtbclkFpwm = 1 / Tpwm。注意这里系数是2,且没有+1。
    • 应用场景三相电机FOC控制(中心对齐PWM能减少谐波,降低开关损耗)、全桥/半桥拓扑(便于生成带死区的互补对称波形)、任何需要对称PWM的场合。这是高性能功率控制的首选模式。

实操心得:模式选择与死区生成:在递增-递减模式下,利用CTR=CMPA在递增和递减时各触发一次的特性,可以非常方便地与死区模块(DB)配合,生成带死区的互补对称PWM(例如,驱动一个半桥的上下管)。而在递增模式下,生成互补PWM通常需要两个比较寄存器(CMPA和CMPB)并配合复杂的AQ设置,且波形是非对称的。

2.1.3 同步机制:构建多模块精密时序系统的关键

单个ePWM模块能力有限,真正的威力在于多个ePWM模块的协同工作。TB子模块的同步输入(EPWMxSYNCI)和同步输出(EPWMxSYNCO)信号构成了一个���步链。

  • 同步链:通常,ePWM1的SYNCI来自外部引脚(或其它外设),其SYNCO输出连接到ePWM2的SYNCI,ePWM2的SYNCO再连接到ePWM3,以此类推。这样就形成了一个主从同步链。
  • 同步事件:当从模块检测到SYNCI脉冲时,如果其TBCTL[PHSEN]位使能,它会立即(在下一个TBCLK边沿)将TBPHS相位寄存器的值加载到自己的TBCTR中。这就实现了多个模块计数器之间的精确相位对齐或相位偏移
  • 相位控制:通过为不同模块设置不同的TBPHS值,可以让它们的PWM波形产生固定的相位差。例如,在三相逆变器中,设置三个ePWM模块的TBPHS相差120度(对应TBPRD的1/3),即可直接生成三相相位互差120度的PWM波,软件无需复杂计算和延时。
  • 全局时钟同步 (TBCLKSYNC):除了计数器同步,还有一个更基础的“起跑线”同步。通过配置系统控制寄存器中的TBCLKSYNC位,可以让所有ePWM模块的TBCLK时钟在同一个上升沿同时开始运行。标准初始化顺序是:1) 使能各ePWM模块时钟;2) 置TBCLKSYNC=0(停止所有TBCLK);3) 配置所有ePWM模块的TBCTL(包括预分频);4) 置TBCLKSYNC=1(同时启动所有TBCLK)。这确保了所有模块的计时基准从第一刻起就是对齐的。

避坑指南:同步事件导致的比较事件丢失:这是一个手册提及但容易被忽略的致命细节。参考图3-14的注释:当一个外部同步事件(EPWMxSYNCI)发生时,它会强制加载TBPHS到TBCTR,导致计数器值发生跳变。如果这个跳变“跳过”了CMPA或CMPB的设定值,那么本应发生的CTR=CMPx事件就会被错过。例如,在递增模式下,TBCTR正在从2向3计数,CMPA=3。此时一个同步事件将TBCTR强制加载为5,那么“等于3”这个事件就永远不会发生。在设计同步逻辑时,必须考虑这一点,避免将比较值设置在可能被同步事件跳过的区间。通常的实践是,在同步后,由软件重新计算并装载新的CMPx值。

2.2 计数器比较(CC)子模块:精准的时刻触发器

如果说TB子模块定义了时间的“尺子”,那么CC子模块就是在尺子上做“标记”的工具。它本身不产生动作,只负责在预设的“时刻”发出事件信号。

2.2.1 影子寄存器机制与无毛刺更新

CC子模块的核心是两个16位比较寄存器:CMPA和CMPB。它们同样采用了影子寄存器机制,这对于实时控制至关重要。

  • 活动寄存器与影子寄存器:硬件实时比较使用的是“活动寄存器”的值。我们软件通过内存地址写入的,默认是“影子寄存器”(由CMPCTL[SHDWAMODE]和[SHDWBMODE]控制)。
  • 加载时机:影子寄存器的值会在特定的“安全时刻”自动加载到活动寄存器。加载时机由CMPCTL[LOADAMODE]和[LOADBMODE]位配置,通常可选:
    • CTR=ZERO时加载
    • CTR=PRD时加载
    • CTR=ZEROCTR=PRD时加载(即两者任一事件发生时)
  • 为何重要:在电机控制中,我们经常需要在下一个PWM周期更新占空比(即CMPA/CMPB的值)。如果在计数器运行到一半时直接写入活动寄存器,可能导致当前周期内比较点突变,输出脉宽异常,在功率电路中会引发严重的电流尖峰甚至炸管。影子寄存器机制确保了更新只发生在周期开始或结束的“安全区”,实现了无毛刺、平滑的占空比更新
2.2.2 比较事件与计数模式的关联

CC子模块的行为与TB的计数模式紧密耦合,理解这种耦合是正确配置占空比的关键。

  • 在递增或递减模式下:计数器单向变化,因此每个PWM周期内,CTR=CMPACTR=CMPB事件各只会发生一次。这适用于生成非对称PWM。
  • 在递增-递减模式下:计数器先增后减。因此,如果CMPA的值在0和TBPRD之间(不包括两端),那么每个PWM周期内,CTR=CMPA事件会发生两次:一次在递增过匹配点时,一次在递减过匹配点时。如果CMPA等于0或TBPRD,则只会在计数器等于该值时触发一次(因为计数器在转折点不停留)。
  • 计算占空比
    • 递增模式:占空比 = CMPA / (TBPRD + 1)
    • 递增-递减模式:这是最需要小心的。假设我们需要一个占空比为D的对称PWM。通常,我们设置CMPA的值,使得脉冲的上升沿和下降沿关于周期中心对称。在这种情况下,高电平时间对应于计数器从0到CMPA(递增)和从CMPA到0(递减)这两段时间。但更常见的做法是,通过AQ模块配置在CTR=CMPA(递增)时拉高,在CTR=CMPA(递减)时拉低。这样,高电平时间就是2 * CMPA * Ttbclk。因此,占空比 D = (2 * CMPA) / (2 * TBPRD) = CMPA / TBPRD。这个公式直观得多:在对称模式下,CMPA直接决定了高电平时间占半个周期(从0到TBPRD)的比例。

注意事项:CMPx值超出范围:如果设置的CMPA或CMPB值大于当前的TBPRD,在递增模式下,该比较事件将永远不会发生(因为计数器永远达不到这个值)。在递增-递减模式下,如果CMPA > TBPRD,则递增过程中的比较事件不会发生,但递减过程如果从TBPRD向下减会经过CMPA吗?不会,因为计数器最大只到TBPRD。所以,确保CMPx的值在0到TBPRD之间(对于对称模式,通常严格在0到TBPRD之间)是软件的责任,硬件不会报错,只会导致预期的动作不触发。

3. 从理论到实践:配置一个中心对齐PWM的完整流程

让我们以一个具体的例子来串联TB和CC子模块的知识点:配置ePWM1模块,产生一个频率为10kHz,占空比为30%的中心对齐PWM波,从EPWM1A引脚输出。

已知条件:系统时钟 SYSCLKOUT = 100 MHz。

3.1 计算与配置时间基准(TB)子模块

  1. 确定计数模式:选择递增-递减模式以生成中心对齐PWM。设置TBCTL[CTRMODE] = 2(Up-Down Count)。
  2. 计算时间基准时钟TBCLK与周期值TBPRD
    • 目标PWM频率Fpwm = 10 kHz
    • 在递增-递减模式下,周期公式为Tpwm = 1/Fpwm = 2 * TBPRD * Ttbclk
    • 我们需要先确定TBCLK的频率。假设我们不使用高频预分频(HSPCLKDIV),只使用低速预分频(CLKDIV)。为了获得较高的计数分辨率,我们让TBCLK尽量快。设置TBCTL[CLKDIV] = 0(/1),TBCTL[HSPCLKDIV]=0(/1)。则TBCLK = SYSCLKOUT = 100 MHzTtbclk = 10 ns
    • 代入公式:TBPRD = (1 / Fpwm) / (2 * Ttbclk) = (1e-4) / (2 * 1e-8) = 5000
    • 检查:TBPRD=5000,小于16位寄存器最大值65535,可行。实际PWM频率为1/(2*5000*10ns) = 10 kHz,精确。
    • 设置TBPRD = 5000
  3. 配置同步:本例为单模块运行,不需要外部同步。设置TBCTL[PHSEN] = 0(禁用相位加载)。同步输出TBCTL[SYNCOSEL]可以设为禁用或默认。
  4. 配置影子寄存器:保持TBCTL[PRDLD] = 0,使用TBPRD影子寄存器模式,实现周期值的安全更新。

3.2 计算与配置计数器比较(CC)子模块

  1. 计算比较值CMPA
    • 对于中心对齐PWM,占空比D = CMPA / TBPRD
    • 目标占空比 = 30% = 0.3。
    • 因此,CMPA = 0.3 * TBPRD = 0.3 * 5000 = 1500
    • 设置CMPA = 1500。CMPB在本例中未使用,可设为0或忽略。
  2. 配置影子寄存器与加载模��
    • 设置CMPCTL[SHDWAMODE] = 0,使能CMPA影子寄存器。
    • 设置CMPCTL[LOADAMODE] = 0(或1),表示在CTR=ZERO时(或CTR=PRD时)将影子寄存器的值加载到活动寄存器。对于中心对齐模式,两者皆可,因为每个周期都有这两个事件。通常选择CTR=ZERO
    • CMPCTL[SHDWBMODE][LOADBMODE]根据CMPB的使用情况配置。

3.3 配置动作限定(AQ)子模块以生成波形

CC子模块产生了CTR=CMPA事件,但需要AQ子模块来翻译成具体的引脚动作。

  1. 确定波形需求:我们需要一个中心对齐的PWM,即高电平脉冲位于每个周期的中心。在递增-递减模式下,一个常见的配置是:
    • CTR=CMPA递增时:将EPWM1A拉低(Clear)。
    • CTR=CMPA递减时:将EPWM1A拉高(Set)。
    • 这样,输出波形在每个周期开始和结束时为低电平,在CMPA时刻(递增)拉低,在CMPA时刻(递减)拉高,形成一个以周期中心对称的高电平脉冲。注意:这是“低-高-低”的脉冲。另一种常见配置(高-低-高)动作相反。
  2. 配置AQCTLA寄存器
    • AQCTLA[ZRO] = 0(Do nothing on CTR=Zero)
    • AQCTLA[PRD] = 0(Do nothing on CTR=PRD)
    • AQCTLA[CAU] = 1(Clear EPWM1A when CTR=CMPA on up-count)
    • AQCTLA[CAD] = 2(Set EPWM1A when CTR=CMPA on down-count)
    • AQCTLA[CBU][CBD]未使用,设为0。

经过以上配置,上电初始化后,EPWM1A引脚就会输出一个10kHz,占空比30%的中心对齐PWM波。通过在线修改CMPA影子寄存器的值(例如,从1500改为3000),并在下一个PWM周期开始时(CTR=ZERO)自动生效,就能实现占空比从30%到60%的无毛刺平滑切换。

4. 高级应用与实战问题排查

掌握了基础配置后,面对复杂系统时,以下几个高级主题和常见问题至关重要。

4.1 多模块同步与相位控制实战

在三相逆变器或交错并联Boost电路中,需要多个ePWM模块输出具有固定相位差的PWM。

  • 方案:使用同步链。将ePWM1配置为主模块(Master),其SYNCO输出选择CTR=ZERO事件。将ePWM2和ePWM3配置为从模块(Slave),使能相位加载(TBCTL[PHSEN]=1),并将它们的SYNCI连接到前一个模块的SYNCO。
  • 设置相位差:假设需要120度相位差,TBPRD=5000(对应360度)。则120度对应的相位偏移为5000 * 120 / 360 ≈ 1667
    • 设置 ePWM1:TBPHS1 = 0
    • 设置 ePWM2:TBPHS2 = 1667
    • 设置 ePWM3:TBPHS3 = 3334(或 -1667,取决于方向)
  • 关键步骤:在初始化时,必须先启动所有从模块的时钟并完成基本配置,但保持TBCLKSYNC=0。然后,最后再配置并启动主模块ePWM1,或者通过软件强制同步(TBCTL[SWFSYNC])来触发第一次同步。这样可以确保从模块在收到第一个同步脉冲时,能正确加载预设的相位值,而不是一个随机值。

4.2 常见问题排查速查表

在实际调试中,ePWM模块不出波、波形不对是家常便饭。下面是一个快速排查的思路清单:

现象可能原因排查步骤
完全无输出1. ePWM模块时钟未使能。
2. GPIO引脚未复用为ePWM功能。
3. 动作限定(AQ)子模块未配置任何动作。
4. 输出被强制拉高/拉低(AQCSFRC寄存器)。
5. 错误处理子模块(TZ)强制拉低输出且未恢复。
1. 检查PCLKCRx寄存器中对应ePWM模块的时钟使能位。
2. 检查GPxMUX寄存器,将对应引脚配置为ePWM输出。
3. 检查AQCTLA/B寄存器,确认至少有一个事件配置了SET或CLEAR动作。
4. 检查AQCSFRC寄存器,确保没有软件强制输出。
5. 检查TZFLG和TZCLR寄存器,清除错误标志。
有输出但频率不对1. TBPRD值计算错误。
2. TBCLK预分频配置错误。
3. 计数模式选择错误(用错了周期公式)。
4. 影子寄存器未生效,实际使用的仍是旧值。
1. 根据系统时钟和所需频率,重新计算TBPRD,并检查公式(注意递增-递减模式的系数2)。
2. 检查TBCTL[CLKDIV]和[HSPCLKDIV]位。
3. 确认TBCTL[CTRMODE]设置与计算周期时假设的模式一致。
4. 检查TBCTL[PRDLD]位,确认在影子模式下,写入的是TBPRD影子寄存器。尝试在CTR=ZERO后读取TBPRD活动寄存器值(通过特定方式或仿真器查看)。
占空比不对或不可调1. CMPA/CMPB值计算错误(特别是对称模式)。
2. CMPA/CMPB影子寄存器未加载到活动寄存器。
3. 比较值大于周期值(CMPA > TBPRD)。
4. AQ模块配置错误,事件与动作映射不对。
1. 复核占空比计算公式。对称模式下,占空比 D = CMPA / TBPRD。
2. 检查CMPCTL[SHDWAMODE]和[LOADAMODE]位,确保影子模式使能且加载事件正确(如CTR=ZERO)。尝试在加载事件后读取CMPA活动寄存器值。
3. 确保软件计算或给定的CMPA值不超过TBPRD。
4. 仔细检查AQCTLA/B寄存器,确认是CAU/CAD还是CBU/CBD事件,以及配置的是SET、CLEAR还是TOGGLE。
多模块不同步1. 同步链未正确连接(SYNCI/SYNCO)。
2. 从模块相位加载未使能(TBCTL[PHSEN]=0)。
3. TBCLK未全局同步(TBCLKSYNC)。
4. 同步事件发生时,计数器值跳变导致比较事件丢失。
1. 检查主模块的TBCTL[SYNCOSEL]和从模块的SYNCI来源配置。
2. 确认需要同步的从模块设置了TBCTL[PHSEN]=1,并设置了正确的TBPHS值。
3. 严格按照初始化顺序:使能时钟->停TBCLK->配置所有模块->启TBCLK。
4. 分析同步时刻与CMPx值的关系,避免将CMPx设置在可能被跳过的危险区间。考虑在同步事件中断中重新配置CMPx。
波形有毛刺1. 在PWM周期中间直接写入了CMPA/CMPB或TBPRD的活动寄存器。
2. 软件同时修改了多个相关寄存器,时序冲突。
3. 硬件噪声或PCB布局问题(需用示波器确认)。
1.始终坚持使用影子寄存器模式(默认)。确保只在安全时刻(如CTR=ZERO)更新影子寄存器,由硬件自动加载。
2. 对于复杂的多参数更新,考虑使用影子寄存器的“一次性加载”特性,或确保在同一个PWM周期内、同一个同步事件下更新所有影子寄存器。
3. 检查电源质量、地线布局,并使用示波器探头接地弹簧近距离测量。

4.3 性能优化与资源考量

  • 分辨率与频率的权衡:PWM的分辨率(即占空比可调节的最小步进)取决于计数器位数(16位)和TBPRD的值。分辨率 = 1 / TBPRD(对称模式)。TBPRD越大,分辨率越高,但能实现的最高PWM频率越低(因为Fpwm ∝ 1/TBPRD)。在100MHz系统时钟下,若TBPRD取最大值65535,对称模式下的最低频率约为100e6 / (2 * 65535) ≈ 763 Hz,分辨率高达1/65535。若需要20kHz的电机控制频率,TBPRD约为2500,分辨率约为1/2500。需要根据应用在频率和精度间取舍。
  • 影子寄存器的使用策略:为了确保多个比较值同时更新(例如在FOC控制中同时更新三相的CMPA),可以将所有CMPA的影子寄存器更新好后,再通过一次同步事件(如软件强制同步SWFSYNC)来触发所有模块同时加载。这比依赖各自的CTR=ZERO事件更精确,因为各模块的CTR=ZERO时刻可能有细微差异。
  • HRPWM扩展:对于需要极高PWM分辨率(皮秒级)的应用,如数字电源的轻载效率优化,可以启用高分辨率PWM(HRPWM)扩展。它通过微边沿定位器(MEP)在传统数字PWM的时钟边沿之间再插入精细的延时,从而大幅提升占空比和相位分辨率。这需要用到CMPAHR、TBPRDHR等扩展寄存器,并注意其特定的配置顺序和校准流程。

理解ePWM的时间基准和计数器比较子模块,就像掌握了乐���和节拍。剩下的动作限定、死区、错误联防等子模块,则是不同的演奏技巧。从这些基础出发,你才能设计出稳定、高效、同步精密的功率控制系统,而不是仅仅让电机转起来而已。在实际项目中,多结合示波器观察波形,多利用芯片的寄存器实时调试窗口,将理论上的信号流与实际的电压波形对应起来,是快速定位和解决问题的唯一捷径。

http://www.jsqmd.com/news/1231590/

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