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基于SAMD21与RFM69HCW的无线战舰对战游戏机全栈开发实战

news 2026/5/28 20:40:37

1. 项目概述：打造一台无线战舰对战游戏机

几年前，我在一个创客展上看到有人用两块Arduino Uno和点阵屏做了一对战棋游戏机，但拖着长长的串口线，总觉得少了点“对战”的仪式感。当时就想，如果能像小时候玩红白机那样，两台设备隔空对战，那才带劲。这个念头一直没放下，直到我接触到了SAMD21和RFM69HCW这对组合，才觉得时机成熟了。SAMD21作为一款基于ARM Cortex-M0+内核的现代微控制器，性能远超传统的8位AVR芯片，而RFM69HCW则是一款在创客圈口碑极佳的Sub-GHz无线模块，以低功耗和远距离通信著称。把它们俩凑在一起，再配上能显示丰富色彩的LED矩阵，不正是实现无线对战游戏机的绝佳平台吗？

这个项目的核心，就是打造两台完全独立、通过无线电通信的战舰对战游戏机。每台设备都拥有一块8x8的双色LED矩阵作为战场显示屏，玩家可以在这个“海图”上布置自己的舰队，并通过无线电向对手的阵地发起攻击。整个过程，从微控制器最底层的固件烧写、PCB的焊接组装，到游戏逻辑与无线通信协议的代码编写，都需要亲自动手。它不仅仅是一个游戏，更是一个完整的嵌入式系统开发实践，涵盖了硬件设计、通信协议、驱动编写和人机交互等多个层面。无论你是想深入学习SAMD21这款芯片，还是希望搞明白如何让两块板子通过无线电“对话”，这个项目都能给你带来一次扎实的实战体验。

2. 核心硬件选型与设计思路拆解

2.1 微控制器：为什么是ATSAMD21E18A？

在项目启动时，最直接的选择可能是Arduino Nano，它开箱即用，生态成熟。但我最终选择了从“空白”的ATSAMD21E18A芯片开始，主要基于以下几点考量：

首先，是性能与资源的提升。ATSAMD21E18A运行在48MHz，拥有256KB的Flash和32KB的SRAM，这比常见的ATmega328P（16MHz，32KB Flash，2KB SRAM）高出一个数量级。更大的内存空间意味着我们可以更从容地处理双色LED矩阵的显存、无线通信的数据包缓存以及复杂的游戏状态机，而不用担心内存溢出。其ARM Cortex-M0+内核也提供了更高效的指令集和更低的功能。

其次，是学习与定制的价值。使用预编程的Arduino开发板，很多底层细节被封装了起来。而从一个空白芯片开始，你需要亲自处理从引导加载程序（Bootloader）烧录、时钟树配置到引脚功能映射的所有步骤。这个过程虽然增加了初期的复杂度，但能让你彻底理解一块微控制器是如何从“砖头”变成“智能大脑”的，这种经验对于后续进行更复杂的定制化硬件设计至关重要。

最后，是芯片本身的特性。SAMD21系列芯片支持丰富的通信接口（多个SPI、I²C、UART）和模拟功能（12位ADC、10位DAC），为未来功能扩展留下了充足空间。例如，项目中未使用的10位DAC，未来完全可以用来增加声音效果。

注意：ATSAMD21E18A采用32引脚TQFP封装，手工焊接有一定难度，需要准备好尖头烙铁、助焊剂和放大镜。焊接时务必确认芯片上的小圆点或缺口与PCB丝印对齐。

2.2 无线模块：RFM69HCW的平衡之道

无线方案有很多，比如更常见的蓝牙（BLE）或Wi-Fi（ESP8266/32）。选择RFM69HCW这种工作在Sub-GHz频段（北美915MHz，欧洲868MHz）的射频模块，是基于游戏场景的特殊需求。

通信距离与可靠性：蓝牙的有效距离通常在10米以内，且穿墙能力较弱。而RFM69HCW在低功耗模式下，配合一个简单的¼波长天线，在复杂的室内环境（如多房间的公寓）中实现50-100米的稳定通信并不困难。这对于在家里任何角落展开“海战”至关重要。它的通信机制相对底层，你可以精确控制发射功率、频率和调制方式，从而在功耗和距离间取得最佳平衡。

“感觉”更对味：这一点听起来有点主观，但却很重要。Wi-Fi或蓝牙总让人联想到手机、电脑，而一个独立的、通过特定无线电频率通信的专用游戏设备，其体验更纯粹，更有“玩具”或“专业设备”的质感，这与战舰对战的复古机械感非常契合。

功耗与实时性：RFM69HCW在接收和发射状态下的电流消耗可以控制在十几到几十毫安，配合SAMD21优秀的低功耗管理模式，整个设备用电池驱动运行很长时间是可行的。此外，其点对点的通信方式延迟极低，适合需要快速响应的游戏交互。

实操心得：RFM69HCW模块有多个变种（HCW代表高功率版本），务必根据你所在地区法规选择正确频段（如915MHz用于北美，868MHz用于欧洲）。擅自使用不合规频段是违法的。在代码中，可以通过rf69.setFrequency(915.0)来设置。

2.3 显示核心：64像素双色LED矩阵的取巧设计

显示部分是本项目的视觉亮点。我们使用了128颗0606封装的贴片LED（64颗橙色，64颗蓝色），将它们排列成两个紧密相邻的8x4网格，共同组成一个8x8的“像素”阵列。这里的巧妙之处在于，每个“像素”实际上由一颗橙色LED和一颗蓝色LED紧挨着组成。

混色原理：当只点亮橙色LED时，该像素显示橙色；只点亮蓝色LED时，显示蓝色；当同时以相同亮度点亮橙、蓝两颗LED时，由于人眼的视觉暂留和混色效应，我们会看到第三种颜色——在这里是粉色（橙+蓝）。这样，我们仅用两种物理颜色的LED，就实现了橙、蓝、粉三种视觉颜色的显示。这比直接使用三色RGB LED成本更低，布线也更简单。

驱动方案：直接使用微控制器的GPIO驱动128颗LED是不可行的，需要太多的引脚和电流。这里采用了专用的LED驱动芯片HT16K33A。这款芯片通过I²C总线与主控通信，内部集成了显存和扫描逻辑，可以驱动最多16x8（128段）的LED矩阵。我们使用两片HT16K33A，分别驱动左半屏（4列x8行x2色=64路）和右半屏（4列x8行x2色=64路），完美解决了驱动问题。I²C总线只需两根线（SDA， SCL），极大地节省了宝贵的GPIO资源。

3. 电路设计与PCB组装实战

3.1 原理图关键节点解析

整个系统的电路可以看作是以SAMD21为核心，连接了三个主要外设：RFM69HCW（SPI）、HT16K33A x2（I²C）和用户按钮（GPIO）。电源部分由Micro USB口输入5V，通过AP2112K线性稳压器转换为稳定的3.3V，为整个系统供电。

SPI接口连接：RFM69HCW是标准的4线SPI设备。连接时需注意：

  • SAMD21.MOSI->RFM69HCW.MOSI
  • SAMD21.MISO->RFM69HCW.MISO
  • SAMD21.SCK->RFM69HCW.SCK
  • SAMD21.PIN_x（任意GPIO） ->RFM69HCW.NSS（片选）
  • 另外，还需要连接中断引脚RFM69HCW.DIO0到SAMD21的一个外部中断引脚，用于高效处理无线电数据接收。

I²C接口连接：两片HT16K33A共享同一条I²C总线（SDA， SCL），但具有不同的I²C地址。通常HT16K33A的地址可以通过一个地址引脚（A0）的电平来设置。在设计中，需要将两个驱动器的A0引脚分别接高电平和低电平，以便SAMD21能够区分它们。

按钮与LED布局：五个战术按钮（上、下、左、右、开火）通过10kΩ电阻上拉到3.3V，按下时接地，SAMD21检测低电平。LED矩阵的布局是手工设计中最耗时的部分，务必在PCB设计软件中反复核对原理图与封装，确保每个LED的正负极（阳极/阴极）方向与驱动芯片的输出通道一一对应。一个常见的技巧是在PCB丝印层为LED的阴极（通常是带有绿色标记或较短引脚的一端）添加明确的标识。

3.2 PCB焊接组装：从钢网到热风枪

对于包含大量0603、0805封装的贴片元件和QFP芯片的PCB，使用焊锡膏和热风枪/加热板进行回流焊是最有效率的方法。

  1. 准备工作：首先，确保你有一张与PCB完全匹配的激光钢网。将PCB固定在平稳的台面上，对齐并贴上钢网。
  2. 涂抹焊锡膏：用刮刀将适量的焊锡膏均匀地刮过钢网的每一个开孔。移开钢网后，PCB的每个焊盘上应该留下一座座大小均匀的“焊锡膏小山”。
  3. 贴装元件：这是最需要耐心和稳定性的环节。使用尖头镊子，借助放大镜或显微镜，按照从低到高、从小到大的顺序放置元件。先贴电阻、电容、二极管，然后是LED，最后是QFP封装的芯片。对于ATSAMD21E18A和HT16K33A这类有方向性的芯片，必须百分百确认其方向（第1引脚标记）与PCB丝印对齐。
  4. 回流焊接：将贴好元件的PCB小心地放置在预热好的加热板上。观察焊锡膏的变化：先会变成灰色，然后逐渐熔化，呈现光亮、圆润的液态，最后冷却凝固。整个过程通常在两三分钟内完成。我使用的加热板设定在215°C左右关闭，利用余热完成焊接，这样可以防止过热损坏LED。
  5. 检查与修补：焊接完成后，必须用放大镜仔细检查。重点查看QFP芯片引脚间是否有桥接，LED是否虚焊或放反。发现桥接可以用烙铁配合吸锡带或助焊剂清理；发现元件错误则需要用热风枪局部加热后取下重焊。

踩过的坑：我在第一版设计中，遗漏了用于JTAG编程的VIN和GND测试点。这导致在烧录引导加载程序时，不得不从RFM69HCW模块的过孔上“借电”，操作非常别扭且危险。强烈建议：在任何自定义的SAMD21设计上，务必预留出至少5个测试点：VCC（3.3V）、GND、SWDIO、SWCLK、RESET。这会为后续的调试和编程省去无数麻烦。

4. 软件基石：为空白SAMD21注入灵魂

4.1 引导加载程序（Bootloader）烧录指南

一块全新的ATSAMD21芯片内部是空的，没有程序，甚至没有通过USB与电脑通信的能力。我们需要先通过SWD接口，为其烧录一个引导加载程序。这个过程相当于给一台新电脑安装最基本的BIOS系统。

所需工具：你需要一个SWD调试器。我使用的是J-LINK EDU Mini，它性价比高且被广泛支持。当然，ST-LINK V2等兼容工具也可以。还需要四根杜邦线连接调试器与板上的SWD接口（SWDIO， SWCLK， RESET， GND），以及供电（VCC， 通常是3.3V）。

操作步骤：

  1. 环境搭建：在Windows电脑（或虚拟机）上安装Atmel Studio（现为Microchip Studio）。这是一个功能强大的集成开发环境，内置了器件编程工具。
  2. 连接硬件：用杜邦线将J-LINK与PCB上的对应测试点连接牢固。确保供电正常。
  3. 识别器件：打开Atmel Studio，进入Tools -> Device Programming。选择工具为J-LINK，接口为SWD，设备选择ATSAMD21E18A。点击Apply，然后Read。如果连接正确，你会看到读出的设备签名和电压。
  4. 配置熔丝位（Fuses）：这是关键一步。熔丝位是芯片内部的一些特殊配置位。我们需要将BOOTPROT（引导保护区大小）先设置为0字节（禁用保护），以便擦写引导加载程序区域。在Fuses标签页找到BOOTPROT，设置为0，点击Program。
  5. 烧录.hex/.bin文件：切换到Memories标签页。这里我们需要一个现成的引导加载程序二进制文件。我强烈推荐使用Adafruit维护的版本，稳定且兼容Arduino IDE。找到你下载的bootloader-xxx.bin文件，在Flash部分点击...选择它，然后执行Erase & Program，最后Verify。
  6. 重新保护引导区：烧录完成后，回到Fuses页，将BOOTPROT设置为8192（即8KB，保护我们刚刚烧录的引导程序区域不被意外覆盖），再次Program。
  7. 验证：断开J-LINK，通过Micro USB线将PCB连接到电脑。如果一切顺利，电脑会识别出一个新的串口设备（如COMx或/dev/ttyACM0），并且设备管理器中可能会出现一个“Arduino Zero”或“Generic SAMD21”之类的设备。恭喜，你的芯片现在“活”了！

4.2 开发环境搭建与项目代码结构

有了引导加载程序，我们就可以使用更熟悉的Arduino IDE进行后续开发了。首先需要在Arduino IDE的“开发板管理器”中安装“Arduino SAMD Boards (32-bits ARM Cortex-M0+)”支持包。

引脚定义的坑：由于我们使用了Adafruit的引导程序，其引脚编号映射可能与官方Arduino定义略有不同。例如，SAMD21的PA08引脚，在Arduino IDE中可能被定义为数字引脚8，但实际的物理位置需要对照你所使用的开发板定义文件（例如，Adafruit Qt Py M0的定义）。在代码中，你需要根据自己PCB的实际连线，重新定义这些引脚。我的做法是，在代码开头用#define进行清晰的别名定义，例如：

#define LED_DRIVER_LEFT_ADDR 0x70 #define LED_DRIVER_RIGHT_ADDR 0x71 #define RFM69_CS_PIN 4 #define RFM69_IRQ_PIN 3 #define BUTTON_UP_PIN 0 // ... 以此类推

代码模块化设计：整个项目的代码可以清晰地分为几个模块：

  1. 硬件抽象层：包含对HT16K33A驱动芯片的封装类（用于控制LED显示）、对RFM69HCW的初始化与数据收发封装。
  2. 游戏逻辑引擎：负责管理两个8x8的游戏网格（一个自己的，一个对手的），处理船只的随机布置、攻击判定、胜负判断等。
  3. 状态机与用户界面：这是主循环的核心。它管理着几个状态：MENU（菜单）、PLACING_SHIPS（布阵）、MY_TURN（我的回合）、OPPONENT_TURN（对手回合）、GAME_OVER（游戏结束）。根据当前状态，它决定读取哪个按钮、更新哪个屏幕、发送什么无线电消息。
  4. 通信协议：定义简单的数据包结构。例如，一个攻击数据包可能包含：[消息类型， 发送者ID， 坐标X， 坐标Y]。消息类型可以是ATTACK、HIT、MISS、WIN等。使用RHReliableDatagram库可以简化确认重传机制，确保关键指令不丢失。

实操心得：在调试无线通信时，务必先让两块板子使用相同的频率、加密密钥和网络ID。可以先编写一个简单的“回环测试”程序：板A每秒发送一个递增的数字，板B收到后通过串口打印出来。这能最快地验证你的硬件连接和基础配置是否正确。

5. 游戏逻辑与无线通信协议实现

5.1 双屏显示与游戏状态管理

游戏机的8x8 LED矩阵在逻辑上被划分为左右两个独立的4x8区域，分别由两片HT16K33A驱动。在软件层面，我们将其抽象为两个8x8的二维数组（或位图），分别代表“我的海域”和“对手海域”。

显示映射：我们需要编写一个函数，将逻辑上的“坐标”(x, y)和“颜色”（橙、蓝、粉）映射到具体的HT16K33A芯片及其内部的段控RAM地址。例如，drawPixel(int x, int y, int color)函数内部需要判断：如果x<4，则操作左屏驱动芯片，计算对应的显存位；如果x>=4，则操作右屏驱动芯片。颜色参数则决定是点亮橙色LED、蓝色LED还是两者都点亮。

游戏状态机：这是整个游戏流畅运行的核心。一个典型的状态流转如下：

  1. 初始化/等待：设备上电，随机生成己方船只位置（例如，一艘占3格、两艘占2格、两艘占1格），并显示在左屏（己方海域）。右屏（对手海域）清空。状态进入MY_TURN或WAITING（根据预设的先后手，例如Radio 2先手）。
  2. 我的回合（MY_TURN）：一个光标（比如一个闪烁的粉色像素）显示在右屏（对手海域）。玩家使用方向键移动光标。按下“开火”键后，程序将当前光标坐标打包成ATTACK消息，通过RFM69HCW发送给对手。同时，状态转为WAITING_FOR_RESULT。
  3. 等待结果/对手回合：在WAITING_FOR_RESULT状态，设备监听无线电。收到对手回复的HIT或MISS消息后，在右屏的对应坐标更新显示（击中为橙色，未中为粉色）。然后，状态转为OPPONENT_TURN，此时右屏的WS2812B状态LED变为红色，提示玩家等待。
  4. 对手回合处理：在OPPONENT_TURN状态，设备持续监听无线电。收到对手发来的ATTACK数据包后，解析坐标，检查自己的海域数组在该位置是否有船只。然后，在左屏的对应坐标更新显示（被击中为橙色，被攻击但未中为粉色），并发送HIT或MISS的回复消息给对手。之后，状态转回MY_TURN，WS2812B状态LED变为绿色或熄灭。
  5. 胜负判定：每次击中后，检查己方或对手的剩余船只格子数是否为零。如果为零，则发送WIN广播消息，并在屏幕上显示胜利动画，状态进入GAME_OVER。

5.2 RFM69HCW通信的可靠性与优化

使用RadioHead库中的RH_RF69和RHReliableDatagram类可以极大地简化开发。但为了达到最佳效果，仍需进行一些配置和优化。

关键配置代码：

#include <RH_RF69.h> #include <RHReliableDatagram.h> #define RF69_FREQ 915.0 #define RF69_POWER 18 // 发射功率，单位dBm，需符合当地法规 RH_RF69 rf69(RFM69_CS_PIN, RFM69_IRQ_PIN); RHReliableDatagram manager(rf69, MY_ADDRESS); // MY_ADDRESS为1或2 void setupRadio() { if (!rf69.init()) { // 初始化失败处理 } if (!rf69.setFrequency(RF69_FREQ)) { // 设置频率失败处理 } rf69.setTxPower(RF69_POWER, true); // 第二个参数true表示使用高功率模式（PA_BOOST） // 可选的加密密钥，双方必须一致 uint8_t key[] = { 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07, 0x08, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07, 0x08}; rf69.setEncryptionKey(key); manager.setRetries(3); // 设置发送失败后的重试次数 manager.setTimeout(200); // 设置等待确认的超时时间（毫秒） }

数据包设计：为了简洁高效，我定义了一个struct作为数据包格式：

struct GamePacket { uint8_t type; // 消息类型：0x01攻击，0x02命中，0x03未中，0x04胜利 uint8_t sender; // 发送者地址（1或2） uint8_t x; // 坐标X (0-7) uint8_t y; // 坐标Y (0-7) };

发送时，将其转换为uint8_t数组；接收时，再转换回来。RHReliableDatagram的sendtoWait()和recvfromAck()函数会自动处理数据包的封装、发送、确认和重传，确保了通信的可靠性。

抗干扰与功耗平衡：在密集的无线环境中，可以启用RFM69HCW的内置前向纠错（FEC）和CRC校验，这能提高抗干扰能力，但会增加数据包长度和传输时间。对于这种小数据量、低频率的交互，通常开启CRC就够了。如果设备由电池供电，可以在等待对手回合的长时间段内，让RFM69HCW进入周期唤醒的监听模式，SAMD21也进入空闲睡眠模式，可以大幅降低整体功耗。

6. 系统调试与故障排查实录

6.1 上电“三无”问题排查流程

组装完成后第一次上电是最紧张的时刻。如果设备毫无反应（屏幕不亮，USB无识别），请按以下步骤排查：

  1. 检查电源：首先用万用表测量3.3V稳压器（AP2112K）的输出端是否有稳定的3.3V电压。如果没有，检查USB口输入5V是否正常，检查稳压器及其周边电容（特别是输入输出端的1μF和10μF电容）是否焊接正确。
  2. 检查晶振：SAMD21需要外部32.768kHz晶振来运行。用示波器或逻辑分析仪探头（需高阻抗）轻触晶振引脚，看是否有正弦波波形。如果没有，检查晶振及两个负载电容（通常为12-22pF）是否焊接良好。
  3. 检查复位电路：确保复位引脚（RESET）通过一个10kΩ电阻上拉到3.3V，并且复位按钮按下时能将其拉低到地。可以用万用表测量复位引脚电压，正常应为高电平（3.3V左右）。
  4. 检查SWD连接：如果以上都正常，但芯片仍不工作，尝试通过SWD接口连接J-LINK。如果Atmel Studio能识别到芯片，说明芯片核心是好的，问题可能出在引导程序或后续代码上。如果识别不到，则可能是芯片焊接问题（桥接、虚焊）或已损坏。

6.2 常见功能故障与解决方法

故障现象可能原因排查步骤与解决方法
USB无法识别1. 引导加载程序未烧录或烧录错误。
2. USB数据线仅供电，不支持数据传输。
3. USB接口或ESD保护二极管损坏。		1. 用SWD工具重新烧录引导程序并验证。
2. 更换一条已知良好的数据线。
3. 检查USB D+和D-线路是否连通，有无短路。
LED矩阵部分不亮或显示错乱1. HT16K33A焊接问题或I²C地址错误。
2. LED极性焊反或损坏。
3. 限流电阻值过大或未焊接。		1. 用逻辑分析仪抓取I²C总线波形，确认地址和数据是否正确发送。
2. 用万用表二极管档单独测试可疑LED。
3. 检查原理图中分配给LED的驱动电流是否合理，HT16K33A每个引脚的灌电流能力有限（通常约20mA）。
按钮无反应1. 上拉电阻未焊接或虚焊。
2. 按钮本身损坏或引脚氧化。
3. 代码中引脚模式未设置为INPUT_PULLUP。		1. 测量按钮未按下时，对应GPIO电压是否为3.3V（高）。按下时应接近0V（低）。
2. 更换按钮。
3. 检查代码pinMode(pin, INPUT_PULLUP)。
无线电无法通信1. 天线未焊接或型号不匹配。
2. 两块板子的频率、网络ID、加密密钥不一致。
3. 发射功率设置过低或模块损坏。
4. SPI引脚配置错误。		1. 确保天线牢固焊接，并使用对应频段的¼波长天线。
2. 在代码中打印并确认双方的射频配置参数完全一致。
3. 在法规允许范围内，适当提高setTxPower值。用频谱仪或另一台接收机检查是否有信号发出。
4. 用逻辑分析仪检查SPI的SCK， MOSI， NSS信号是否正常。
游戏逻辑混乱1. 状态机逻辑错误，导致状态切换异常。
2. 随机数种子相同，导致双方船只布局每次都一样。
3. 数据包解析错误。		1. 在关键状态切换点，通过串口打印当前状态和触发事件，进行调试。
2. 使用SAMD21的硬件随机数发生器（RNG）或结合未连接的ADC引脚噪声来生成更随机的种子。
3. 在收发数据包时，同时将原始数据通过串口打印出来，进行比对。

6.3 性能优化与体验提升技巧

  1. 显示刷新优化：HT16K33A通过I²C更新整个显存。频繁刷新全屏会占用大量总线时间。优化方法是只更新发生变化的那部分显存。可以维护一个“脏矩阵”标记，只有当某个8x8区域的内容需要改变时，才发送该区域对应的I²C数据。
  2. 降低无线电干扰：RFM69HCW在发射时会在电源上产生较大的电流尖峰。务必在模块的VCC和GND引脚附近放置一个10μF和一个0.1μF的电容进行去耦，并确保电源走线足够宽。这能有效防止因电压跌落导致的微控制器复位。
  3. 增加视觉反馈：除了LED矩阵，板载的WS2812B RGB LED是一个强大的状态指示器。可以用它来丰富反馈：绿色闪烁表示“轮到你了”，红色常亮表示“对手回合”，彩虹流光表示“胜利”，蓝色呼吸表示“设备待机”等。
  4. 引入声音效果：利用SAMD21内置的10位DAC，连接一个简单的放大电路和微型扬声器，可以为击中、未中、胜利等事件添加简单的音效，极大提升游戏沉浸感。DAC输出模拟电压，通过PWM或R2R电阻网络也能实现，但音质会差一些。

完成所有这些步骤后，你将得到两台功能完整、对战体验流畅的无线战舰游戏机。从一块空白的芯片开始，到最终能和朋友隔空对战的成品，这个过程充满挑战，但获得的嵌入式系统全栈开发经验是无价的。这个项目的框架具有很强的扩展性，你可以很容易地将显示部分换成OLED，增加更多的游戏模式，甚至将无线电协议改为LoRa以实现超远距离对战。最重要的是，你亲手打造了一个真正“活”起来的嵌入式设备，这种成就感，是任何现成开发板都无法给予的。

http://www.jsqmd.com/news/905322/

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