CN107014887A - 一种极谱法中电流测量量程调整方法及系统 - Google Patents

一种极谱法中电流测量量程调整方法及系统 Download PDF

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Abstract

本申请提出一种极谱法中电流测量量程调整方法及系统，所属方法将极谱电流信号转换为电压信号，将所述电压信号放大；对所述放大后的电压信号进行AD采集，并预测获得下一时刻的电压信号值；将所述下一时刻的电压信号值与当前测量量程比较，获得两者差值；根据所述差值，自动调整程控增益放大电路的增益，以使下一时刻的电压信号不超过测量量程。本发明实现了极谱电流测量量程的自动切换，具有如下有益效果：减少了极谱电流测量过程中的人工干预，缩短了极谱电流的测量时间，减少汞的用量，提高检测效率。

Description

一种极谱法中电流测量量程调整方法及系统
技术领域
本发明涉及极谱分析技术领域，更具体地，涉及一种极谱法中电流测量量程调整方法及系统。
背景技术
极谱法(polarography)通过测定电解过程中所得到的极化电极(一般使用滴汞电极作为极化电极)的电流-电位(或电位-时间)曲线来确定溶液中被测物质浓度的一类电化学分析方法。极谱电流测量是极谱仪进行离子浓度定量测量的基础，极谱电流测量量程直接决定极谱仪测量离子浓度的范围。
传统的极谱电流测量量程一般是通过转换开关，手动调节放大器的放大倍数来实现，或者通过微机的放大参数来实现。
然而，由于被测物质的浓度实现未知，刚开始测量时往往由于放大电路增益调节不当，导致放大之后输入微机的测量信号过大(峰高超出量程)或过小。经常需要手动改变灵敏度，或者先进行一次测量得到电流的范围，进行第二次测量的时候再自动选择合适的量程进行测量，这样的操作都会给测量过程带来很多麻烦，浪费测量时间，增加汞的用量，增加人工干预等。
发明内容
本发明为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，提供一种极谱法中电流测量量程调整方法及系统。
根据本发明的一个方面，提供一种极谱法中电流测量量程调整方法，包括：
步骤1，将极谱电流信号转换为电压信号，将所述电压信号放大；
步骤2，对所述放大后的电压信号进行AD采集，并预测获得下一时刻的电压信号值；将所述下一时刻的电压信号值与当前测量量程比较，获得两者差值；
步骤3，根据所述差值，自动调整程控增益放大电路的增益，以使下一时刻的电压信号不超过测量量程。
根据本发明的一个方面，提供一种极谱法中电流测量量程调整的系统，包括：电流-电压转换器、增益放大电路、AD采集器：
所述电流-电压转换器与所述增益放大电路相连，用于将极谱电流信号转换为电压信号；
所述增益放大电路分别于电流-电压转换器和AD采集器相连，用于将所述电压信号放大；
所述AD采集器分别与所述增益放大电路相连，用于对所述放大后的电压信号进行AD采集，获得当前电压信号值，并预测得到下一时刻电压信号值；将所述下一时刻电压信号值与当前测量量程进行比对，获得两者差值；根据所述差值，自动调整程控增益放大器的增益，以使下一时刻的电压信号不超过测量量程。
本申请提出一种极谱法中电流测量量程调整方法及系统，所述方法将极谱电流信号转换为电压信号，将所述电压信号放大；对所述放大后的电压信号进行AD采集，并预测获得下一时刻的电压信号值；将所述下一时刻的电压信号值与当前测量量程比较，获得两者差值；根据所述差值，自动调整程控增益放大电路的增益，以使下一时刻的电压信号不超过测量量程。实现了极谱电流测量量程的自动切换，具有如下有益效果：减少了极谱电流测量过程中的人工干预，缩短了极谱电流的测量时间，减少汞的用量，提高检测效率。
附图说明
图1为根据本发明实施例一种极谱法中电流测量量程调整方法的整体流程示意图；
图2为根据本发明实施例一种极谱法中电流测量量程调整方法的流程示意图；
图3为根据本发明实施例一种极谱法中电流测量量程调整系统的框架示意图；
图4为根据本发明实施例一种极谱法中电流测量量程调整系统中电流-电压转换电路及程控增益放大电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1，示出本发明实施例一种极谱法中电流测量量程调整方法的整体流程示意图。总体上，包括：
步骤1，将极谱电流信号转换为电压信号，将所述电压信号放大；
步骤2，对所述放大后的电压信号进行AD采集，并预测获得下一时刻的电压信号值；将所述下一时刻的电压信号值与当前测量量程比较，获得两者差值；
步骤3，根据所述差值，自动调整程控增益放大电路的增益，以使下一时刻的电压信号不超过测量量程。
在本发明另一个具体实施例中，一种极谱法中电流测量量程调整方法，
所述步骤2中所述预测获得下一时刻的电压信号值的步骤进一步包括：
基于采集到的历史电压信号数据进行趋势曲线建模；
基于历史电压信号数据，利用所述趋势曲线模型计算获得下一时刻的电压信号值。
在本发明另一个具体实施例中，一种极谱法中电流测量量程调整方法，所述增益放大电路进一步包括程控增益放大器和微控制器：
所述程控增益放大器的第一、第二引脚分别与所述微控制器的两个输出引脚连接；
所述微控制器通过改变所述程控增益放大器第一、第二引脚的电压来自动调整程控增益放大电路的增益。
在本发明另一个具体实施例中，一种极谱法中电流测量量程调整方法，所述步骤2中基于采集到的历史电压数据进行趋势曲线建模的步骤进一步包括：
S21，将最近n个时间单位采集到的电压信号值换算为最小增益下的电压信号值，所述换算后的电压信号值构成数列{yt}；基于所述{yt}，获得其相应的一阶差分数列{at}、二阶差分数列{bt}和三阶差分数列{ct}、环比增长速度{dt}；
S22，基于所述{at}、{bt}、{ct}和{dt}各自是否为常数数列的情况，建立相应的预测模型。
在本发明另一个具体实施例中，一种极谱法中电流测量量程调整方法，所述步骤1中将极谱电流信号转换为电压信号的步骤进一步包括：利用电流-电压转换电路将极谱电流信号转换为电压信号。
在本发明另一个具体实施例中，一种极谱法中电流测量量程调整方法，所述步骤1中将所述电压信号放大的步骤：利用程控增益放大电路将所述电压信号放大。
在本发明另一个具体实施例中，一种极谱法中电流测量量程调整方法，所述步骤2还包括：
如果所述{at}、{bt}、{ct}和{dt}都为非常数数列，则对上述四个数列求方差，基于方差最接近0的数列进行建模。
在本发明另一个具体实施例中，一种极谱法中电流测量量程调整方法，所述步骤S21进一步包括：
S211，将最近n个时间单位采集到的电压信号值换算为最小增益下的电压信号值，所述换算后的电压信号值构成一个数列{yt}：yt,yt-1,yt-2…yt-n，其中t＞n；所述t从1开始随采集得到的电压信号值的数目的增加而增加，Yt+1表示通过趋势曲线模型预测得到的t+1时刻的电压信号值；
S212，利用{at}表示{yt}的一阶差分数列，其中at＝yt-yt-1；利用用{bt}表示{yt}的二阶差分数列，其中bt＝at-at-1；利用{ct}表示{yt}的三阶差分数列，其中ct＝bt-bt-1；利用{dt}表示{yt}的环比增长速度，其中dt＝yt/yt-1。
在本发明另一个具体实施例中，一种极谱法中电流测量量程调整方法，所述步骤S22进一步包括：
如果{at}为一常数数列，则建立Yt＝At+B的直线预测模型，其中A,B可通过利用yt中随机选择两个数据，建立方程组求解得出；
如果{bt}为一常数数列，则建立Yt＝At2+Bt+C的二次抛物线预测模型，其中A,B,C可通过从{yt}中随机选择三个数据，建立方程组求解得出；
如果{ct}为一常数数列，则建立Yt＝At3+Bt2+Ct+D的三次抛物线预测模型，其中A,B,C,D利用{yt}的数据，采用最小二乘法求解得出；
如果{dt}为一常数数列，则建立Yt＝ABt的指数曲线模型，其中A,B利用{yt}的数据，采用最小二乘法求解得出。
在本发明另一个具体实施例中，一种极谱法中电流测量量程调整方法，所述电流-电压转换电路采用AD549超低输入偏置运算放大器；所述程控增益放大电路采用PGA202KP程控增益芯片。
如图2，在本发明另一个具体实施例中，一种极谱法中电流测量量程调整方法的流程示意图，包括以下步骤：
(1)、通过电流-电压转换电路将极谱电流信号转换为电压信号，并利用程控增益放大电路将所述电压信号进行放大；
(2)、微控制器对所述放大之后的电压信号进行AD采集，在每次采集前对此前采集得到的最新的至少6个数据进行趋势曲线建模，再利用建立的趋势曲线模型预测下一时刻电压信号的大小；
(3)、将预测得到的所述下一时刻电压信号与当前测量量程进行比较，并自动调整程控增益放大电路的增益，使得下一时刻的电压信号不超过测量量程。
重复(1)、(2)、(3)实现极谱电流测量过程中量程的自适应调整。
所述程控增益放大电路的增益采用自动的方式进行调整，具体为：所述程控增益放大电路包括：程控增益放大器、微控制器。所述程控增益放大器的第一、第二引脚分别与所述微控制器的两个输出引脚连接。所述微控制器通过改变所述程控增益放大器第一、第二引脚的电压来实现增益的调节。
所述微控制器通过AD已经采集得到的电压信号预测下一时刻电压信号的大小来实现量程的自适应调整，具体为：在每次采集前对此前采集得到的最新的至少6个数据进行趋势曲线建模，根据模型预测下一时刻的电压信号。
程控增益放大器增益调节的依据是所述微控制器通过AD已经采集得到的电压信号预测下一时刻电压信号的大小来实现量程的自适应调整，具体为：在每次采集前对此前采集得到的最新的至少6个数据进行趋势曲线建模，根据模型预测下一时刻的电压信号，将预测得到的下一时刻的电压信号与当前测量量程进行比较，根据比较结果来调节增益。
所述建立趋势曲线模型，并进行下一时刻的预测。具体为：
用yt表示t时刻采集得到的电压信号换算为所述放大电路增益最小情况下的电压值，且t从1开始随采集得到的电压信号值的数目的增加而增加，Yt+1表示通过趋势曲线模型预测得到的t+1时刻的电压信号值。t时刻及其之前n-1个时刻采集得到的电压信号值可以构成一个数列：
yt,yt-1,yt-2…yt-n，其中t＞n,t＞5,n＞4
用{at}表示{yt}的一阶差分数列，其中at＝yt-yt-1；用{bt}表示{yt}的二阶差分数列，其中bt＝at-at-1；用{ct}表示{yt}的三阶差分数列，其中ct＝bt-bt-1；用{dt}表示{yt}的环比增长速度，其中dt＝yt/yt-1。对上式进行计算得到{at}，{bt}，{ct}，{dt}。
如果{at}为一常数数列，则建立Yt＝At+B的直线预测模型，其中A,B可通过利用yt中随机选择两个数据，建立方程组求解得出；
如果{bt}为一常数数列，则建立Yt＝At2+Bt+C的二次抛物线预测模型，其中A,B,C可通过从{yt}中随机选择三个数据，建立方程组求解得出；
如果{ct}为一常数数列，则建立Yt＝At3+Bt2+Ct+D的三次抛物线预测模型，其中A,B,C,D利用{yt}的数据，采用最小二乘法求解得出；
如果{dt}为一常数数列，则建立Yt＝ABt的指数曲线模型，其中A,B利用{yt}的数据，采用最小二乘法求解得出。
如果不满足严格的常数数列，则对以上四个数列求方差，选择方差最接近0的数列对应的模型进行建模。根据建立得到的预测模型，预测t+1时刻的电压信号值Yt+1，并判断Yt+1是否超出测量量程，如果超出测量量程则将所述放大电路增益调小，否则，根据测量需要适当增大所述放大电路增益。如果出现方差最小且相等的情况，则同时建立对应的模型，并预测比较，并以任何一个Yt+1都不超过测量量程为标准来调节增益。
在每次采集之前都需要利用新的数据重新建立趋势曲线模型，重新判断预测结果与测量量程的关系，再对增益进行调整，实现极谱电流测量量程的自适应调整。
如图3，示出本发明另一具体实施例一种极谱法中电流测量量程调整系统的框架示意图。整体上，包括包括电流-电压转换器A1、增益放大电路A2、AD采集器A3：
所述电流-电压转换器A1与所述增益放大电路A2相连，用于将极谱电流信号转换为电压信号；
所述增益放大电路A2分别于电流-电压转换器A1和AD采集器A3相连，用于将所述电压信号放大；
所述AD采集器A3分别与所述增益放大电路A2相连，用于对所述放大后的电压信号进行AD采集，并预测获得下一时刻的电压信号值；将所述下一时刻的电压信号值与当前测量量程比较，获得两者差值；根据所述差值，自动调整程控增益放大器的增益，以使下一时刻的电压信号不超过测量量程。
本发明另一具体实施例中，一种极谱法中电流测量量程调整系统，所述增益放大电路进一步包括程控增益放大电路和微控制器：
所述程控增益放大电路的第一、第二引脚分别与所述微控制器的两个输出引脚连接；
所述微控制器通过改变所述程控增益放大电路第一、第二引脚的电压来自动调整程控增益放大电路的增益。
本发明另一具体实施例中，一种极谱法中电流测量量程调整系统，所述电流-电压转换电路采用AD549超低输入偏置运算放大器；所述程控增益放大器采用PGA202KP程控增益芯片。
本发明另一具体实施例中，一种极谱法中电流测量量程调整系统，所述增益放大电路还用于：基于采集到的历史电压数据进行趋势曲线建模；
基于历史电压信号数据，利用所述趋势曲线模型计算预测得到下一时刻电压信号值。
本发明另一具体实施例中，一种极谱法中电流测量量程调整系统，所述增益放大电路还用于：S21，将最近n个时间单位采集到的电压信号值换算为最小增益下的电压信号值，所述换算后的电压信号值构成数列{yt}；基于所述{yt}，获得其相应的一阶差分数列{at}、二阶差分数列{bt}和三阶差分数列{ct}、环比增长速度{dt}；
S22，基于所述{at}、{bt}、{ct}和{dt}各自是否为常数数列的情况，建立相应的预测模型。
本发明另一具体实施例中，一种极谱法中电流测量量程调整系统，所述增益放大电路还用于：如果所述{at}、{bt}、{ct}和{dt}都为非常数数列，则对上述四个数列求方差，基于方差最接近0的数列进行建模。
本发明另一具体实施例中，一种极谱法中电流测量量程调整系统，所述增益放大电路还用于：S211，将最近n个时间单位采集到的电压信号值换算为最小增益下的电压信号值，所述换算后的电压信号值构成一个数列{yt}：yt,yt-1,yt-2…yt-n，其中t＞n；所述t从1开始随采集得到的电压信号值的数目的增加而增加，Yt+1表示通过趋势曲线模型预测得到的t+1时刻的电压信号值；
S212，利用{at}表示{yt}的一阶差分数列，其中at＝yt-yt-1；利用用{bt}表示{yt}的二阶差分数列，其中bt＝at-at-1；利用{ct}表示{yt}的三阶差分数列，其中ct＝bt-bt-1；利用{dt}表示{yt}的环比增长速度，其中dt＝yt/yt-1。
本发明另一具体实施例中，一种极谱法中电流测量量程调整系统，所述增益放大电路还用于：
如果{at}为一常数数列，则建立Yt＝At+B的直线预测模型，其中A,B可通过利用yt中随机选择两个数据，建立方程组求解得出；
如果{bt}为一常数数列，则建立Yt＝At2+Bt+C的二次抛物线预测模型，其中A,B,C可通过从{yt}中随机选择三个数据，建立方程组求解得出；
如果{ct}为一常数数列，则建立Yt＝At3+Bt2+Ct+D的三次抛物线预测模型，其中A,B,C,D利用{yt}的数据，采用最小二乘法求解得出；
如果{dt}为一常数数列，则建立Yt＝ABt的指数曲线模型，其中A,B利用{yt}的数据，采用最小二乘法求解得出。如图4，示出本发明另一具体实施例一种极谱法中电流测量量程调整系统中电流-电压转换电路及程控增益放大电路示意图，所述电流-电压转换电路包括：运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻，其中，所述第一电阻与第三电阻串联后并联在电流输入端与运算放大器输出端，所述第一电阻与第二电阻串联后并联在电流输入端与电源地，所述第二电阻与第三电阻串联后并联在运算放大器输出端和电源地。所述程控增益放大电路包括：程控增益放大器、微控制器，其中，所述程控增益放大器的第一、第二引脚分别与所述微控制器的两个输出引脚连接。
在本发明又一个具体实施例一种极谱法中电流测量量程调整方法中，运算放大器、程控增益放大器以及微控制器的选择对于本申请实施例中的方案是很重要的，申请实施例中的方案通过多次试验，对比其放大效果，最终选择AD549作为电流-电压转换电路中的运算放大器，选择PGA202KP作为程控增益放大器，其中PGA202KP有1,10,100,1000四种增益可供调节，选择STM32F4作为微控制器。
PGA202KP程控增益放大器增益调节的依据是STM32F4通过AD已经采集得到的电压信号预测下一时刻电压信号的大小来实现量程的自适应调整，具体为：通过已经采集得到的电压信号，建立趋势曲线模型，根据模型预测下一时刻的电压信号，将预测得到的下一时刻的电压信号与当前测量量程进行比较，根据比较结果来调节增益。具体的实施流程：
通过微控制器将程控增益放大电路的初始增益设置为1，避免初始值超出测量量程；
保持增益为1，通过AD采集6个时刻的程控增益放大电路输出电压信号，得到yt,yt-1,yt-2…yt-n，其中t＝6,n＝5，yt表示t时刻采集得到的电压信号换算为所述放大电路增益最小情况下的电压值，且t从1开始随采集得到的电压信号值的数目的增加而增加。
用{at}表示{yt}的一阶差分数列，其中at＝yt-yt-1；用{bt}表示{yt}的二阶差分数列，其中bt＝at-at-1；用{ct}表示{yt}的三阶差分数列，其中ct＝bt-bt-1；用{dt}表示{yt}的环比增长速度，其中dt＝yt/yt-1。对yt进行计算得到{at}，{bt}，{ct}，{dt}。
如果{at}为一常数数列，则建立Yt＝At+B的直线预测模型，其中A,B可通过利用yt中随机选择两个数据，建立方程组求解得出；如果{bt}为一常数数列，则建立Yt＝At2+Bt+C的二次抛物线预测模型，其中A,B,C可通过从{yt}中随机选择三个数据，建立方程组求解得出；如果{ct}为一常数数列，则建立Yt＝At3+Bt2+Ct+D的三次抛物线预测模型，其中A,B,C,D利用{yt}的数据，采用最小二乘法求解得出；如果{dt}为一常数数列，则建立Yt＝ABt的指数曲线模型，其中A,B利用{yt}的数据，采用最小二乘法求解得出。如果不满足严格的常数数列，则对以上四个数列求方差，选择方差最接近0的数列对应的模型进行建模。根据建立得到的预测模型，预测t+1时刻的电压信号值Yt+1，并判断Yt+1是否超出测量量程，如果超出测量量程则将所述放大电路增益调小，否则，根据测量需要适当增大所述放大电路增益。如果出现方差最小且相等的情况，则同时建立对应的模型，并预测比较，并以任何一个Yt+1都不超过测量量程为标准来调节增益。
利用所述的趋势曲线模型，预测下一时刻的程控增益放大电路输出电压信号大小，并对输出的电压信号和当前测量量程进行比较；
若所述下一时刻输出电压超出测量量程上限，可以通过微控制器将程控增益放大电路的增益调小，否则，根据测量需要适当调大所述放大电路的增益。
在每次采集之前都需要利用新的数据重新建立趋势曲线模型，将至少前6个时刻的输出电压信号数据转换为增益为1下的数据，并重新建立趋势曲线模型，预测下一时刻输出电压信号大小，并进行判断，重复此步操作，实现极谱电流测量量程的自动调整。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种极谱法中电流测量量程调整方法，其特征在于，包括：
步骤1，将极谱电流信号转换为电压信号，将所述电压信号放大；
步骤2，对所述放大后的电压信号进行AD采集，并预测获得下一时刻的电压信号值；将所述下一时刻的电压信号值与当前测量量程比较，获得两者差值；
步骤3，根据所述差值，自动调整程控增益放大电路的增益，使下一时刻的电压信号不超过测量量程。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中所述预测获得下一时刻的电压信号值的步骤进一步包括：
基于采集到的历史电压信号数据进行趋势曲线建模；
基于历史电压信号数据，利用所述趋势曲线模型计算获得下一时刻的电压信号值。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2中基于采集到的历史电压数据进行趋势曲线建模的步骤进一步包括：
S21，将最近n个时间单位采集到的电压信号值换算为最小增益下的电压信号值，所述换算后的电压信号值构成数列{yt}；基于所述{yt}，获得其相应的一阶差分数列{at}、二阶差分数列{bt}和三阶差分数列{ct}、环比增长速度{dt}；
S22，基于所述{at}、{bt}、{ct}和{dt}各自是否为常数数列的情况，建立相应的预测模型。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S22还包括：
如果所述{at}、{bt}、{ct}和{dt}都为非常数数列，则对上述四个数列求方差，基于方差最接近0的数列进行建模。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S21进一步包括：
S211，将最近n个时间单位采集到的电压信号换算为最小增益下的电压信号值，所述换算后的电压信号值构成一个数列{yt}：yt,yt-1,yt-2…yt-n，其中t＞n；所述t从1开始随采集得到的电压信号值的数目的增加而增加，Yt+1表示通过趋势曲线模型预测得到的t+1时刻的电压信号值；
S212，利用{at}表示{yt}的一阶差分数列，其中at＝yt-yt-1；利用用{bt}表示{yt}的二阶差分数列，其中bt＝at-at-1；利用{ct}表示{yt}的三阶差分数列，其中ct＝bt-bt-1；利用{dt}表示{yt}的环比增长速度，其中dt＝yt/yt-1。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S22进一步包括：
如果{at}为一常数数列，则建立Yt＝At+B的直线预测模型，其中A,B可通过利用yt中随机选择两个数据，建立方程组求解得出；
如果{bt}为一常数数列，则建立Yt＝At2+Bt+C的二次抛物线预测模型，其中A,B,C可通过从{yt}中随机选择三个数据，建立方程组求解得出；
如果{ct}为一常数数列，则建立Yt＝At3+Bt2+Ct+D的三次抛物线预测模型，其中A,B,C,D利用{yt}的数据，采用最小二乘法求解得出；
如果{dt}为一常数数列，则建立Yt＝ABt的指数曲线模型，其中A,B利用{yt}的数据，采用最小二乘法求解得出。
7.一种极谱法中电流测量量程调整的系统，其特征在于，包括电流-电压转换器、增益放大电路、AD采集器：
所述电流-电压转换器与所述增益放大电路相连，用于将极谱电流信号转换为电压信号；
所述增益放大电路分别于电流-电压转换器和AD采集器相连，用于将所述电压信号放大；
所述AD采集器分别与所述增益放大电路相连，用于对所述放大后的电压信号进行AD采集，获得当前电压信号值，并预测得到下一时刻电压信号值；将所述下一时刻电压信号值与当前测量量程进行比对，获得两者差值；根据所述差值，自动调整程控增益放大器的增益，以使下一时刻的电压信号不超过测量量程。
8.如权利要求7所述的系统，所述增益放大电路进一步包括程控增益放大电路和微控制器：
所述程控增益放大电路的第一、第二引脚分别与所述微控制器的两个输出引脚连接；
所述微控制器通过改变所述程控增益放大电路第一、第二引脚的电压来自动调整程控增益放大电路的增益。
9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述电流-电压转换电路采用AD549超低输入偏置运算放大器；所述程控增益放大器采用PGA202KP程控增益芯片。
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