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AM389x嵌入式硬件设计:UART、USB与视频接口引脚配置实战解析

1. 项目概述与核心价值

在嵌入式系统硬件设计的深水区,尤其是面对像德州仪器(TI)AM389x这类集成了ARM Cortex-A8核心的高性能应用处理器时,最考验工程师功底的往往不是写代码,而是如何正确地将芯片手册上密密麻麻的引脚定义,转化为一块稳定、可靠、功能完整的电路板。我经历过不止一次因为引脚配置疏忽,导致整板返工或调试陷入僵局的窘境。今天,我们就来深入拆解AM3894/AM3892处理器中三个最常用但也最容易出错的接口模块:UART(通用异步收发器)、USB(通用串行总线)和视频接口的引脚配置。

这份来自TI官方文档SPRS681G(2015年3月修订版)的原始引脚表,是硬件设计的“宪法”。但直接看表格是枯燥且容易遗漏关键信息的。我的目标是将这些冰冷的引脚编号、信号名和缩略语,转化为你设计原理图、绘制PCB和编写底层驱动时,可以直接“抄作业”的实战指南。无论你是正在评估AM389x平台的新手,还是正在排查通信故障的老手,理解这些引脚背后的“为什么”——比如为什么某个UART引脚要配置内部上拉,为什么USB差分线旁边必须紧挨着放置那个44.2Ω电阻,为什么视频同步信号引脚在不同模式下功能会复用——都将为你节省大量调试时间,避免踩进那些手册里写了但容易被忽略的“坑”。

2. 核心设计思路与引脚复用逻辑解析

在动手画图之前,我们必须先吃透AM389x处理器引脚设计的核心思想:多功能复用与电源域管理。这不是一颗引脚功能单一的简单MCU,其强大的外设集成度导致了严重的引脚资源竞争。因此,几乎每一个物理引脚都背负着2到4种不同的功能,具体扮演哪个角色,完全由芯片内部的引脚控制器(Pin Control, PINCTRL)寄存器来决定。

2.1 引脚复用(Mux)机制深度解读

看原始表格中的“MUXED”一列,你会发现大量诸如GPMC_A[20]/GP1[16]这样的描述。以UART0_DTR信号(引脚N6)为例,它的复用选项是GPMC_A[20]/GPMC_A[12]/GP1[16]。这意味着:

  1. 主功能:作为UART0的Data Terminal Ready(数据终端就绪)输出信号。
  2. 复用功能A:作为通用内存控制器(GPMC)的地址线A[20]。
  3. 复用功能B:作为GPMC的地址线A[12](注意,同一引脚复用了两个不同的GPMC地址线,这取决于更细分的模式配置)。
  4. 复用功能C:作为通用输入输出口GP1的第16位。

设计决策点:你打算用这个引脚做什么?如果你需要UART的硬件流控,就将其配置为UART0_DTR;如果你的板子需要连接NOR Flash或FPGA,且地址线不够用,就可能需要它作为GPMC_A[20];如果以上都不需要,它还能当一个普通的GPIO使用。这个选择必须在原理图设计阶段就确定,并通过Bootloader或内核启动早期的引脚配置代码进行固化。

2.2 上下拉与驱动状态解析:硬件稳定的基石

表格中“PULL”和“DRIVE”两栏是硬件设计的关键,却最容易被忽视。

  • PULL: IPD / IPU / DIS:这定义了引脚内部电阻的状态。

    • IPD: Internal Pull-Down,内部下拉电阻使能。通常用于配置为输入的信号,确保在悬空时被拉到一个确定的低电平,防止因噪声导致误触发。例如,所有UART的接收引脚(RXD)默认都是IPD,确保无信号时为低。
    • IPU: Internal Pull-Up,内部上拉电阻使能。常用于中断信号、I2C的SDA/SCL线(但I2C通常需要更强力的外部上拉)等。
    • DIS: Disabled,内部上下拉禁用。当外部电路已经提供了确定的偏置时,应禁用内部电阻以避免冲突。
    • 斜杠“/”前后的含义A / B格式。A表示在上电复位(POR)期间的状态,B表示在POR和热复位解除后以及热复位期间的状态。例如PULL: IPD / DIS,意味着复位期间引脚内部下拉,复位结束后下拉被禁用。这关系到系统启动瞬间的引脚状态,对复位逻辑和外围器件初始状态有重要影响。
  • DRIVE: H / L / Z:这定义了引脚在作为输出时的驱动状态。

    • H: Driving High,输出驱动为高电平。
    • L: Driving Low,输出驱动为低电平。
    • Z: 3-State,三态(高阻态)。此时引脚相当于断开连接,通常用于输入模式或总线冲突避免。
    • 同样遵循A / B格式,定义复位期间和复位后的驱动行为。

实战经验:务必根据你的外围电路来审视这些默认配置。例如,如果一个按键检测引脚默认是IPD(下拉),而你的电路设计是按键按下接地,那么默认配置是合理的。但如果你的设计是按键按下接到VCC,那么就需要在软件中更改这个引脚的上下拉配置为上拉,或者干脆禁用内部下拉,使用外部上拉电阻。

2.3 电源域(DVDD_3P3)的重要性

几乎每个信号描述最后都跟着DVDD_3P3。这指明了该引脚所属的IO电源域。AM389x的IO引脚被分组到不同的电源域,例如DVDD_3P3DVDD_1P8V等。这意味着:

  1. 该引脚的输入高电平阈值、输出高电平电压,都由这个电源域的电压(此处是3.3V)决定。
  2. 你必须确保为该电源域提供正确、干净的电压。DVDD_3P3域的所有引脚,其供电必须来自同一个3.3V电源网络,并且要做好去耦。
  3. 电平转换:如果你需要与一个工作在1.8V逻辑电平的器件通信,就不能使用DVDD_3P3域的引脚直接连接,否则可能损坏器件或无法正确识别电平。你需要选择DVDD_1P8V域的引脚,或者使用外部电平转换芯片。

3. UART接口引脚配置详解与实战设计

AM389x提供了多个UART控制器,支持标准的RS-232协议,以及IrDA和CIR(消费电子红外)模式。我们以最基础的UART0为例,拆解其每一个引脚。

3.1 UART0核心信号引脚拆解

根据表格4-21,我们将关键信号提取并转化为设计语言:

信号名称引脚号类型内部上下拉 (POR/正常)驱动状态 (POR/正常)核心功能与设计要点
UART0_RXDN10输入IPD / IPDZ / Z接收数据线。关键点:始终为输入,内部下拉确保空闲时为低(符合UART空闲位为高的逻辑,注意这里是物理低电平,经过电平转换芯片后逻辑会反转)。连接外部UART设备的TXD。
UART0_TXDN8输出IPD / DISL / H发送数据线。关键点:复位期间驱动为低,复位后为高(空闲状态)。内部下拉仅在复位时有效,复位后禁用。连接外部UART设备的RXD。
UART0_RTSN9输出IPU / DISH / H请求发送(输出)。表示AM389x准备好接收数据。默认内部上拉。在IrDA模式下复用为SD(慢速模式)输出。
UART0_CTSN7输入IPU / IPUZ / Z清除发送(输入)。接收外部设备发送就绪信号。在IrDA和CIR模式下无功能。内部上拉。
UART0_DTRN6输出IPU / DISH / H数据终端就绪(输出)。内部上拉。与GPMC_A[20]等复用。
UART0_DSRN4输入IPU / IPUZ / Z数据设备就绪(输入)。内部上拉。
UART0_DCDN5输入IPU / IPUZ / Z数据载波检测(输入)。内部上拉。
UART0_RIN3输入IPU / IPUZ / Z振铃指示(输入)。内部上拉。

硬件设计要点

  1. 流控使用:如果只是简单的双向通信(如调试串口),通常只连接RXD和TXD即可,RTS/CTS可以不接。但如果进行高速或可靠数据传输,建议启用硬件流控,连接RTS和CTS。
  2. 电平转换:AM389x的UART引脚是3.3V LVCMOS电平。如果需要连接标准的RS-232设备(使用±12V电平),必须使用电平转换芯片,如MAX3232。设计时,AM389x的TX/RX连接转换芯片的TTL/CMOS侧,转换芯片的RS-232侧连接DB9接头。
  3. 内部上下拉:对于输入引脚(RXD, CTS, DSR, DCD, RI),芯片已经配置了内部上拉或下拉,在大多数情况下可以省去外部电阻。但如果你需要更强的驱动或确定的电平,特别是总线较长时,可以考虑使用外部电阻覆盖内部配置。
  4. 引脚复用冲突检查:这是最容易出错的地方。例如,UART0_RTS (N9) 与GP1[27]复用。如果你在系统中需要用到GP1[27]作为普通GPIO,那么就不能同时使用UART0的硬件流控功能。必须在设计初期列出所有外设需求,制作一个引脚分配冲突检查表

3.2 UART1与UART2的特殊性

UART1和UART2的引脚定义与UART0类似,但它们的引脚复用情况更为复杂,大量与GPMC(通用内存控制器)和GPIO复用。例如:

  • UART1_RXD (N1) 与GPMC_A[26]/GPMC_A[20]复用。
  • UART2_RTS (L9) 与GPMC_A[15]/GPMC_A[26]/GP1[23]复用。

这意味着:如果你计划使用GPMC接口连接高速并行存储器(如NOR Flash, SRAM),那么很可能与UART1/2的引脚产生冲突。在设计存储子系统时,必须优先确定GPMC的地址/数据线分配,然后再查看剩余哪些引脚可以分配给UART。

3.3 软件配置步骤与避坑指南

硬件连接正确后,软件配置是让UART跑起来的最后一步。

  1. 引脚复用寄存器配置:在Bootloader(如U-Boot)或内核早期启动代码中,必须首先配置对应引脚的PINCTRL寄存器,将其功能模式(Mux Mode)设置为UART。例如,将引脚N10和N8的模式设置为0x1(假设该模式对应UART0功能)。TI的SDK通常会提供引脚配置工具或预编译的配置文件(如board-xxx.c中的pinmux数组)。

    // 示例:配置UART0引脚 (需查具体寄存器定义) // 假设 CONTROL_PADCONF_UART0_RXD 寄存器地址为 0x44E1_0810 writew(0x0001, 0x44E10810); // 设置N10引脚为UART0_RXD模式 writew(0x0001, 0x44E10808); // 设置N8引脚为UART0_TXD模式
  2. 时钟使能:确保UART模块的时钟源已经使能。AM389x的时钟控制器(CM)非常复杂,需要配置正确的父时钟源和分频器。

  3. 内核驱动配置:在Linux内核设备树(Device Tree)中正确描述UART节点。需要指定兼容性字符串、寄存器地址、中断号、时钟频率等。

    &uart0 { status = "okay"; pinctrl-names = "default"; pinctrl-0 = <&uart0_pins>; // 引用预先定义好的引脚配置 current-speed = <115200>; // 默认波特率 };

常见问题排查

  • 无输出/乱码:首先用示波器或逻辑分析仪测量TXD引脚。如果没有波形,检查引脚复用配置是否正确、时钟是否使能。如果有波形但波特率不对,检查驱动中配置的时钟频率与硬件实际输入时钟是否一致。
  • 无法接收:测量RXD引脚,确认外部设备发送的信号电平是否合规(3.3V)。检查内部上下拉配置是否与外部电路冲突(例如外部也是上拉,导致无法拉低)。
  • 流控不工作:确认RTS/CTS硬件连线正确,并在驱动中使能了硬件流控(crtscts标志)。

4. USB接口引脚配置与高速电路设计要点

AM389x集成了两个USB 2.0 OTG控制器(USB0和USB1),每个都可以配置为主机(Host)或设备(Device)。USB接口设计对信号完整性要求极高,引脚配置只是第一步。

4.1 USB0/USB1 引脚功能详解

根据表格4-24,USB引脚相对“纯净”,复用选项少,但模拟特性要求高。

信号名称引脚号类型核心功能与设计要点
USB0_DP / USB0_DNP37 / P36模拟IO差分数据线对。这是USB通信的物理通道。必须作为差分对进行严格的等长、阻抗控制布线。
USB0_R1N37模拟输出电流参考输出这是硬件设计的关键!它必须通过一个44.2Ω ±1%的精密电阻连接到地(VSS)。这个电阻为内部PHY提供精确的电流基准,直接影响信号幅值和识别。电阻精度不达标可能导致USB无法枚举或连接不稳定。
USB0_DRVVBUSP35数字输出VBUS驱动控制。当USB控制器工作在主机模式时,此引脚输出信号用于控制外部电源开关,为连接的USB设备提供5V VBUS电源。
VDD_USB0_VBUSN36数字输入VBUS电压检测。用于检测USB端口上是否有设备插入(作为主机时)或是否连接到主机(作为设备时)。需要接一个分压电路(通常用两个电阻将5V VBUS分压到3.3V以内)连接到该引脚。

重要提示:USB1的引脚(R37, R36, T37, R35, T36)功能与USB0一一对应,设计要点完全相同。

4.2 USB硬件设计黄金法则

  1. 差分线布线(DP/DN)

    • 阻抗控制:USB 2.0高速信号的差分阻抗要求为90Ω ±10%。这需要在PCB叠层设计时就与板厂沟通确定,通过调整线宽、线与参考平面间距来实现。
    • 等长布线:DP和DN两条线的长度差应控制在10mil(约0.25mm)以内,以减少信号偏移。
    • 远离干扰源:走线应远离晶振、开关电源、时钟线等噪声源。如果必须交叉,应垂直交叉。
    • 共模扼流圈与ESD保护:在USB端口附近,通常需要串联共模扼流圈(如DLW21SH)来抑制共模噪声,并添加ESD保护二极管(如TPD4E001)到地,保护芯片免受静电损坏。
  2. USB_R1电阻(44.2Ω)

    • 精度至上:必须使用1%精度的电阻,最好选用0603或0402封装的厚膜或薄膜电阻。
    • 布局就近:这个电阻必须尽可能地靠近芯片的USB_R1引脚放置,到地的回路越短越好。它的另一端直接连接到芯片下方的纯净地平面。
  3. VBUS电源路径设计

    • 当AM389x作为USB主机时,USBx_DRVVBUS引脚用于控制一个PMOS管或专门的电源开关芯片(如TPS2051),来导通5V VBUS。
    • VDD_USBx_VBUS检测引脚需要连接一个电阻分压网络。例如,将5V VBUS通过一个100kΩ和33kΩ的电阻分压,得到约5V * (33k/(100k+33k)) ≈ 1.24V的电压送入该引脚。一定要确保分压后的电压不超过该引脚的IO电压上限(即DVDD_3P3,3.3V)
  4. 电源与去耦

    • USB PHY(物理层)通常需要一个独立的、干净的1.8V模拟电源(可能叫VDDA_USB)和3.3V电源。务必参考芯片数据手册的电源要求章节。
    • 在每个电源引脚附近放置足够的多容量值陶瓷电容(如10uF + 0.1uF)进行去耦。

4.3 软件与驱动配置考量

  1. 模式选择:在设备树中需要明确配置USB控制器的工作模式(主机、设备或OTG)。
    &usb0 { dr_mode = "otg"; // 或 "host", "peripheral" pinctrl-names = "default"; pinctrl-0 = <&usb0_pins>; };
  2. PHY配置:AM389x内部集成了USB PHY。驱动需要正确配置PHY的时钟、电压等参数。TI的Linux SDK通常已经包含了成熟的PHY驱动。
  3. VBUS检测:如果使用OTG模式,需要正确配置VBUS检测中断和相关电源管理逻辑。

5. 视频输入/输出接口配置解析

AM389x的视频处理子系统(VPSS)功能强大,支持复杂的视频输入(VIN)和输出(VOUT)。其引脚配置也最为复杂,涉及大量的数据线、同步信号和复用。

5.1 视频输入(VIN)接口深度解析

芯片提供两个视频输入端口:VIN0A和VIN1A(以及VIN0B/VIN1B)。我们以VIN0A为例,理解其信号组成。

一个完整的视频输入端口通常包含以下信号组:

  • 数据线VIN[0]A_D[23:0],最多24位。用于传输实际的像素数据。
  • 时钟VIN[0]A_CLK。像素时钟,数据在时钟边沿被采样。
  • 同步信号
    • VIN[0]A_HSYNC:行同步。
    • VIN[0]A_VSYNC:场同步。
    • VIN[0]A_DE:数据有效。
    • VIN[0]A_FLD:场标识(用于隔行扫描)。
  • 复用与模式:这是难点。同一个物理引脚,在不同视频模式下代表不同的逻辑信号。例如:
    • VIN[0]A_D[23]引脚(AT2),在24位RGB模式下,它是红色分量(R)的最高位(MSB)。但在8位Port B YCbCr模式下,它复用作VIN[0]B_HSYNC(Port B的行同步)。
    • VIN[0]A_D[22]引脚(AR2),在RGB模式下是R[6],在Port B YCbCr模式下是VIN[0]B_VSYNC

设计决策流程

  1. 确定输入源格式:你的摄像头或视频源输出什么格式?是RGB888(24位)、RGB565(16位)、YUV422(16位)、还是BT.656(8位嵌入式同步)?
  2. 确定数据宽度:根据格式选择需要连接的数据线数量。RGB888需要24根,RGB565需要16根,等等。
  3. 确定同步模式
    • 嵌入式同步(如BT.656):同步信号编码在数据流中,不需要单独的HSYNC/VSYNC引脚。此时,这些同步引脚可以不用连接,或者用作其他复用功能。
    • 离散同步(如BT.601):需要连接独立的HSYNC、VSYNC、DE引脚。
  4. 查阅引脚复用表:根据你选择的数据宽度和同步模式,去表格中找出对应的引脚。例如,如果你用VIN0A接一个16位YUV422的摄像头,使用离散同步,那么你需要连接:
    • VIN[0]A_CLK
    • VIN[0]A_D[15:0](具体哪16个引脚,需查表确认,它们可能分散在D[23:0]中)
    • VIN[0]A_HSYNC,VIN[0]A_VSYNC,VIN[0]A_DE
    • 注意,此时VIN[0]A_D[23:16]这些引脚可能未被使用,可以配置为其他功能(如GPIO),或者必须保持悬空且配置正确的上下拉以防干扰。

5.2 视频输出(VOUT)接口与硅版本差异

视频输出接口同样复杂,并且存在一个重要的硅版本差异,这在表格4-28和4-30中明确用Note标出。

核心信号组

  • 数据线:分为三组,对应不同的颜色分量或编码。
    • VOUT[0]_G_Y_YC[9:0]:在RGB模式是绿色(G),在YUV模式是亮度(Y),在Y/C或BT.656模式是复用的亮度和色度数据。
    • VOUT[0]_B_CB_C[9:0]:在RGB模式是蓝色(B),在YUV模式是色度Cb,在Y/C模式是复用的色度。
    • VOUT[0]_R_CR[9:0]:在RGB模式是红色(R),在YUV模式是色度Cr。
  • 时钟与同步VOUT[0]_CLK,VOUT[0]_HSYNC,VOUT[0]_VSYNC,VOUT[0]_FLD,VOUT[0]_AVID

硅版本差异(致命陷阱): 表格明确指出,对于视频输出0的AR8和AL9引脚,以及视频输出1的AT9、AR5、AP9、AL5引脚,硅版本1.x和2.x的命名与功能不同

例如,对于引脚AR8:

  • 硅版本1.x:它叫HSYNC_VOUT[0]_AVID,功能是视频输出0的AVID信号。
  • 硅版本2.x:它叫DAC_HSYNC_VOUT[0]_AVID,功能有两个:1) 视频输出0的AVID信号;2) 高清DAC的离散行同步信号。具体功能由SPARE_CTRL0寄存器选择。

这意味着什么?如果你在设计底板时,参考了基于硅版本1.x的评估板原理图,但实际采购到的芯片是版本2.x,那么连接到这些引脚的电路可能完全错误!你必须通过芯片丝印或内部寄存器确认硅版本,并根据版本决定原理图连接和软件配置。

5.3 视频接口硬件设计实践要点

  1. 信号完整性:视频数据线速率很高(像素时钟可能超过100MHz),必须当作高速信号处理。需要控制单端阻抗(通常50Ω),并尽量保持走线长度一致,减少skew。
  2. 同步信号处理:HSYNC、VSYNC等同步信号是数字信号,但也要注意布线,避免被高速数据线串扰。可以与时钟线进行等长控制。
  3. 电源与地去耦:视频接口的IO数量庞大,瞬间切换电流大,必须在芯片的视频IO电源(DVDD_3P3_VOUT等)引脚附近放置大量去耦电容,并保证有完整的地平面作为回流路径。
  4. 连接器选择:根据需求选择正确的连接器,如FPC连接器用于连接LCD屏,或者HDMI/DVI发射芯片用于数字视频输出。

5.4 软件配置:设备树与驱动

视频接口的软件配置主要集中在Linux内核的设备树中,需要描述整个视频采集或显示管道。

// 示例:一个简单的VIN配置节点 (部分) &vin0a { status = "okay"; pinctrl-names = "default"; pinctrl-0 = <&vin0a_pins>; // 对应24个数据引脚、时钟、同步信号的复用配置 port { vin0a_ep: endpoint { remote-endpoint = <&camera_sensor_ep>; // 连接到摄像头传感器节点 hsync-active = <1>; // 同步信号极性 vsync-active = <1>; pclk-sample = <1>; // 像素时钟采样边沿 bus-width = <16>; // 数据位宽 // 可以指定数据格式,如 MEDIA_BUS_FMT_UYVY8_2X8 }; }; }; // VOUT配置节点示例 &vout0 { status = "okay"; pinctrl-names = "default"; pinctrl-0 = <&vout0_pins_24bit>; // 24位RGB输出引脚配置 port { vout0_ep: endpoint { remote-endpoint = <&lcd_panel_ep>; // 连接到LCD面板节点 // 配置输出格式、时序等 }; }; };

配置的关键在于pinctrl-0引用的引脚配置组,它必须与你硬件上实际连接的引脚和模式完全一致。此外,还需要正确配置时钟、分辨率、时序参数等。

6. 常见问题排查与实战心得

基于多年和AM389x系列打交道的经验,以下是一些高频问题点和排查思路:

问题1:UART通信不稳定,偶尔丢数据。

  • 排查
    1. 电平转换芯片:检查MAX3232等电平转换芯片的供电是否稳定,电容是否齐全。用示波器测量RS-232侧波形,看高低电平幅值是否达到±5V以上。
    2. 波特率误差:计算AM389x UART模块的输入时钟分频后产生的实际波特率,与对方设备设置的波特率误差是否在可接受范围内(通常<2%)。检查晶振精度。
    3. 硬件流控:如果使能了RTS/CTS,用示波器查看这两个信号在通信时的波形,确认流控逻辑是否正常。有时需要检查驱动中流控是否真正启用。
    4. PCB布线:对于高速UART(如3Mbps以上),TX/RX走线应尽量短,避免与噪声源平行走线过长。

问题2:USB设备无法识别,或枚举失败。

  • 排查
    1. 44.2Ω电阻:这是头号嫌疑犯。用万用表测量USB_R1引脚到地之间的电阻值,必须是44.2Ω±1%。焊接不良或用了5%精度的电阻都会导致问题。
    2. 差分线:用示波器(最好带差分探头)观察DP/DN信号。在USB设备插入瞬间,应该能看到明显的差分信号活动。检查阻抗是否连续,有无过孔造成的阻抗突变。
    3. VBUS供电:在主机模式下,测量USB接口的VBUS引脚是否有5V输出。检查USBx_DRVVBUS引脚是否输出高电平控制外部MOS管。
    4. VBUS检测:在设备模式下,测量VDD_USBx_VBUS引脚的电压,确认分压电路正确,且电压在芯片识别范围内(通常有阈值,如1.2V-2.0V表示有效VBUS)。
    5. ESD损坏:如果端口没有ESD保护,热插拔可能导致PHY损坏。尝试更换USB端口或芯片。

问题3:视频无输出,或输出花屏、错位。

  • 排查
    1. 硅版本:首先确认你的芯片硅版本!检查引脚AR8、AL9等的连接是否符合你芯片版本的定义。这是最隐蔽的坑。
    2. 引脚复用:用寄存器查看工具(或直接写代码)确认视频相关引脚的PINCTRL寄存器配置是否正确。一个引脚配置错了模式,就可能导致一整组数据线错位。
    3. 时钟与同步极性:用示波器测量像素时钟(CLK)和同步信号(HSYNC, VSYNC, DE)。确认其频率是否符合预期,以及极性(高有效还是低有效)是否与驱动配置一致。设备树中的hsync-activevsync-activepclk-sample等属性必须与实际测量波形匹配。
    4. 数据线映射:花屏往往是数据线位序接反或错位导致的。例如,将屏幕的R0接到了处理器的R7。仔细核对原理图中每一根数据线的连接关系。在软件中,有时可以通过bus-width>
http://www.jsqmd.com/news/1271226/

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