fir濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)課程設(shè)計(jì)

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文檔簡介

1、　　電子通信工程系　　DSP原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)報(bào)告　　設(shè)計(jì)題目：基于TMS320F2812 DSP處理器的FIR濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)　　基于TMS320F2812 DSP處理器的FIR濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2、;　　一.引言　　數(shù)字信號(hào)處理是電路系統(tǒng)從模擬時(shí)代向數(shù)字時(shí)代前進(jìn)的理論基礎(chǔ)，為數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用而專門設(shè)計(jì)的可編程處理器，即數(shù)字信號(hào)處理器也應(yīng)運(yùn)而生。　　在當(dāng)今信息時(shí)代數(shù)字信號(hào)處理已成為一門極其重要的學(xué)科。數(shù)字信號(hào)處理在通信、語音、圖像等眾多相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)處理（DSP）包括兩重含義：數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)（Digital

3、 Signal Processing）和數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor）。數(shù)字信號(hào)處理（DSP）是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)值計(jì)算的方法、對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、濾波、增強(qiáng)、壓縮、估值和識(shí)別等加工處理，借以達(dá)到提取信息和便于應(yīng)用的目的，其應(yīng)用范圍涉及幾乎所有的工程技術(shù)領(lǐng)域。　　目前FIR濾波器的實(shí)現(xiàn)方法大致可分為三種：利用單片通用數(shù)字濾波器集成電路、DSP器件或者可

4、編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)。其中以使用通用DSP芯片實(shí)現(xiàn)方式較為簡單，是一種實(shí)時(shí)、快速、特別適合于實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，借助于通用數(shù)字計(jì)算機(jī)按濾波器的設(shè)計(jì)算法編出程序進(jìn)行數(shù)字濾波計(jì)算。由于它具有豐富的硬件資源、改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)、高速數(shù)據(jù)處理能力和強(qiáng)大的指令系統(tǒng)而在通信、航空、航天、雷達(dá)、工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)及家用電器等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用　　二.設(shè)計(jì)目的<

5、/p>　　1、掌握用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器的原理及方法，熟悉線性纖維FIR濾波器的　　幅頻特性和相頻特性及其圖像。　　掌握使用matlab編程的基本方法，學(xué)會(huì)利用fdatool 工具來快速設(shè)計(jì)滿足需要的濾波器。　　掌握TMS320F2812 DSP處理器開發(fā)的程序框架結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)T

6、MS320F2812 DSP處理器程序編寫并能使其正常工作。實(shí)習(xí)驅(qū)動(dòng)ADC模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與模數(shù)轉(zhuǎn)換　　掌握使用TMS320F2812 DSP處理器實(shí)現(xiàn)FIR數(shù)字低通濾波器的設(shè)計(jì)方法，并能夠?qū)崟r(shí)采集輸入信號(hào)并濾除高頻信號(hào)再通過SCI串口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)顯示。　　三.設(shè)計(jì)要求

7、　　1、利用Matlab軟件的FDATool工具設(shè)計(jì)FIR濾波器，并提取濾波器參數(shù)；　　2、在CCS集成開發(fā)環(huán)境下，利用第1步得到的濾波器參數(shù)，利用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器程序，觀察輸入信號(hào)及濾波后得到的輸出信號(hào)的時(shí)域波形及FFT Magnitude波形；　　3、利用TMS320F2812的ADC片內(nèi)外設(shè)的外圍電路實(shí)時(shí)采集的混頻信號(hào)數(shù)據(jù)，使用1個(gè)51階的

8、FIR低通濾波器，在CCS中設(shè)計(jì)FIR濾波器程序?qū)崿F(xiàn)濾波，觀察相關(guān)波形及濾波效果，通過SCI接口將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)上；　　四、總體設(shè)計(jì)　　4.1利用Matlab軟件的FDATool工具設(shè)計(jì)FIR濾波器　　4.1.1有限沖擊響應(yīng)數(shù)字濾波器的基礎(chǔ)理論<

9、;p>　　濾波器就是在時(shí)間域或頻域內(nèi)，對(duì)已知激勵(lì)產(chǎn)生規(guī)定響應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，使其能夠從信號(hào)中提取有用的信號(hào)，抑制并衰減不需要的信號(hào)。濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上就是對(duì)提出的要求給出相應(yīng)的性能指標(biāo)，再通過計(jì)算，使物理可實(shí)現(xiàn)的實(shí)際濾波器頻率響應(yīng)特性逼近給出的頻率響應(yīng)特性。FIR 數(shù)字濾波器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：　?。?）　　由此得到系統(tǒng)

10、的差分方程：　　（2）　　若FIR 數(shù)字濾波器的單位沖激響應(yīng)序列為h(n)，它就是濾波器系數(shù)向量b(n)。傳統(tǒng)的濾波器分析與設(shè)計(jì)均使用繁瑣的公式計(jì)算，改變參數(shù)后需要重新運(yùn)算，從而在分析與設(shè)計(jì)濾波器尤其是高階濾波器時(shí)工作量特別大。這里應(yīng)用MATLAB 設(shè)計(jì)FIR濾波器，根據(jù)給定的性能指標(biāo)設(shè)計(jì)一個(gè)H(z)，使其逼近這一指

11、標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算并確定濾波器的系數(shù)b(n)，再將所設(shè)計(jì)濾波器的幅頻響應(yīng)、相頻響應(yīng)曲線作為輸出，與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行比較，對(duì)設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)計(jì)完成之后將得到FIR濾波器的單位沖激響應(yīng)序列h(n)的各個(gè)參數(shù)值。　　4.1.2 利用Matlab軟件的FDATool設(shè)計(jì)FIR濾波器　　首先在命令窗口鍵入FDAtool命令，啟動(dòng)濾波器設(shè)計(jì)分析器，調(diào)出FDAtool界

12、面，如下圖所示。　　FDATool界面　　在Filter Type選項(xiàng)中選Lowpass，在Design Method中選擇FIR濾波器，接著在FIR中選擇Window (窗函數(shù)) 法。　　然后在Filter Order 中選擇Specify Order (為指定階數(shù))，輸入

13、數(shù)值為“51”；在Opitions框中選中“Scale Passband”；在窗類型（Window:）下拉框選擇“Blackman”。　　在Frenquency Specification選項(xiàng)中，將fs(為采樣頻率)、fc (為通帶截止頻率)中分別鍵入250000 Hz和20000Hz。　　點(diǎn)擊“Design Filter”按鈕，完成濾波器的設(shè)計(jì)。<

14、;/p>　　通過菜單選項(xiàng)Analysis 來分析濾波器的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)特性。點(diǎn)擊Analysis 中的Magnitude Response和Phase Response 對(duì)幅頻和相頻響應(yīng)進(jìn)行分析。如下圖所示　　在FDATool 中，選擇Targets -> Generate C Header...，單擊Generate按鈕，選擇路徑，即可輸出前一步設(shè)計(jì)出的

15、FIR濾波器的系數(shù)表。（默認(rèn)的系數(shù)表文件為fdacoefs.h。如下圖所示。　　在Matlab中打開得到的fdacoefs.h的文件，如下圖所示　　從Matlab中打開的fdacoefs.h文件　　4.1.3提取濾波器參數(shù)　　取系數(shù)表中的數(shù)據(jù)小數(shù)點(diǎn)后3位有效值，得到如下內(nèi)

16、容：　　Const float B[52]={　　0.000,0.000,0.000,0.000,0.000,0.000,0.000,0.000,　　0.001,0.003,0.004,0.004,0.003,0,-0.006,-0.013, -0.019,-0.021,-0.017,-0.005,0.018,0

17、.048,0.083,0.116,　　0.143,0.158,0.158,0.143,0.116,0.083,0.048,0.018,-0.005, -0.017,-0.021,-0.019,-0.013,-0.006,0,0.003,0.004,0.004,　　0.003,0.001,0.000,0.000,0.000,0.000,0.000,0.00

18、0,0.000,0.000　　}　　4.2 CCS環(huán)境下FIR濾波器的設(shè)計(jì)及軟件仿真　　4.2.1 程序流程圖　　4.2.2 在CCS集成開發(fā)環(huán)境下新建FIR濾波器工程　?。?/p>

19、１）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備　　設(shè)置軟件仿真模式，啟動(dòng)CCS。　?。ǎ玻┙⒐こ?lt;/b>　　建立一個(gè)文件夾，存放在D:\FIR，將D:\課程設(shè)計(jì)\FIR濾波器\Fir源程序文件夾下的工程全部復(fù)制到D:\FIR，在CCS中打開D:\FIR\fir\fir.pjt工程，打開的CCS集

20、成開發(fā)環(huán)境如下圖所示。　　4.2.3觀察濾波前后的信號(hào)的時(shí)域波形及FFT Magnitude波形　?。?）編譯工程文件生成fir.out文件，并通過File->Load Program…裝載該文件。　　（2）設(shè)置波形時(shí)域觀察窗口。　　選擇菜單View→Graph→T

21、ime/Frequency… ，分別進(jìn)行如下圖所示進(jìn)行設(shè)置以便觀察輸入/輸出時(shí)域波形。 　　輸入數(shù)據(jù)時(shí)域波形觀察輸出數(shù)據(jù)時(shí)域波形觀察　　選擇菜單View→Graph→Time/Frequency… ，分別進(jìn)行如下圖所示進(jìn)行設(shè)置以便觀察輸入/輸出頻域波形。　　輸入數(shù)據(jù)頻域波形觀察

22、輸出數(shù)據(jù)頻域波形觀察　?。?）設(shè)置斷點(diǎn)。在程序fir.c中，有注釋斷點(diǎn)的語句上設(shè)置軟件斷點(diǎn)。　?。?）運(yùn)行并觀察結(jié)果。選擇Debug菜單的Run項(xiàng)，或按F5鍵運(yùn)行程序。觀察到的圖形如下圖所示。　　左上角：輸入數(shù)據(jù)時(shí)域圖(Start Address : input) <

23、p>　　右上角：輸入數(shù)據(jù)頻譜（Display Type : FFT Magnitude） 　　左下角：輸出數(shù)據(jù)時(shí)域圖(Start Address : output) 　　右下角：輸出數(shù)據(jù)頻譜（Display Type : FFT Magnitude）　　4.2.4 程序清單<p

24、>　　fir.c 程序　　//#include "DSP281x_Device.h" // DSP281x Headerfile Include File　　//#include "DSP281x_Examples.h" // DSP281x Examples

25、 Include File　　//#include "f2812a.h"　　#include"math.h"　　#define FIRNUMBER 52　　//#define SIGNAL1F 1000<

26、;p>　　//#define SIGNAL2F 4500　　//#define SAMPLEF 10000　　#define PI 3.1415926　　float InputWave();　　float FIR();

27、float fHn[FIRNUMBER]={ 　　0.000,0.000,0.000,0.000,0.000,0.000,0.000,0.000,　　0.001,0.003,0.004,0.004,0.003,0,-0.006,-0.013, -0.019,-0.021,-0.017,-0.005,0.018,0.048,0.083,0.116,<

28、/p>　　0.143,0.158,0.158,0.143,0.116,0.083,0.048,0.018,-0.005, -0.017,-0.021,-0.019,-0.013,-0.006,0,0.003,0.004,0.004,　　0.003,0.001,0.000,0.000,0.000,0.000,0.000,0.000,0.000,0.000</p&g

29、t;　　};　　float fXn[FIRNUMBER]={ 0.0 };　　float fInput,fOutput;　　float fSignal1,fSignal2;　　float fStepSignal1

30、,fStepSignal2;　　float f2PI;　　int i;　　float fIn[256],fOut[256];　　int nIn,nOut;　　main(void)</p&

31、gt;　　{　　nIn=0; nOut=0;　　f2PI=2*PI;　　fSignal1=0.0;　　fSignal2=PI*0.1;　　fStepSignal1=2*P

32、I/30;　　fStepSignal2=2*PI*1.4;　　while ( 1 )　　{　　fInput=InputWave();　　fIn[nIn]=fInput;

33、　　nIn++; nIn%=256;　　fOutput=FIR();　　fOut[nOut]=fOutput;　　nOut++;　　if ( nOut>=256 )&l

34、t;b>　　{　　nOut=0;/* 請(qǐng)?jiān)诖司渖显O(shè)置軟件斷點(diǎn) */　　}　　}　　}

35、;　　float InputWave()　　{　　for ( i=FIRNUMBER-1;i>0;i-- )　　fXn[i]=fXn[i-1];　　fXn[0]=sin(fSignal1)+cos(fSignal2)/6.0;&

36、lt;/p>　　fSignal1+=fStepSignal1; 　　if ( fSignal1>=f2PI )fSignal1-=f2PI;　　fSignal2+=fStepSignal2;　　if ( fSignal2>=f2PI )fSignal2-=f2PI;&l

37、t;/p>　　return(fXn[0]);　　}　　float FIR()　　{　　float fSum;

38、　　fSum=0;　　for ( i=0;i<FIRNUMBER;i++ )　　{　　fSum+=(fXn[i]*fHn[i]);　　}<p

39、>　　return(fSum);　　}　　fir.cmd 程序　　-l rts2800_ml.lib　　-stack 400h　　-heap 100

40、;　　MEMORY　　{　　PAGE 0 : PROG(R) : origin = 0x80000, length = 0x10000　　PAGE 0 : BOOT(R) : or

41、igin = 0x3FF000, length = 0xFC0 　　PAGE 0 : RESET(R) : origin = 0x3FFFC0, length = 0x2　　/*PAGE 0 : VECTORS(R) : origin = 0x3FFFC2, length = 0x3E*/　　PAGE

42、 1 : M0RAM(RW) : origin = 0x000000, length = 0x400　　PAGE 1 : M1RAM(RW) : origin = 0x000400, length = 0x400　　PAGE 1 : L0L1RAM(RW) : origin = 0x008000, length = 0x2000

43、;　　PAGE 1 : H0RAM(RW) : origin = 0x3F8000, length = 0x2000　　}　　SECTIONS　　{&

44、lt;p>　　/* 22-bit program sections */　　.reset : > RESET, PAGE = 0　　/*vectors : > VECTORS, PAGE = 0*/　　.pinit : > PROG, PAGE = 0

45、　　.cinit : > PROG, PAGE = 0　　.text : > PROG, PAGE = 0　　/* 16-Bit data sections */　　.const : > L0L1RAM, PAGE = 1&

46、lt;p>　　.bss : > L0L1RAM, PAGE = 1　　.stack : > M1RAM, PAGE = 1　　.sysmem : > M0RAM, PAGE = 1　　/* 32-bit data sections */

47、;　　.ebss : > H0RAM, PAGE = 1　　.econst : > H0RAM, PAGE = 1　　.esysmem : > H0RAM, PAGE = 1　　4.3 對(duì)實(shí)時(shí)采樣信號(hào)進(jìn)行濾波的FIR濾波器的實(shí)現(xiàn)　　4.3.1 程

48、序清單　　#include "DSP281x_Device.h" // DSP281x Headerfile Include File　　#include "DSP281x_Examples.h" // DSP281x Examples Include File　　#inc

49、lude <math.h>　　#define pi 3.1415927　　int px[256];　　int py[256];　　double npass,h[51], x, y, xmid[51];

50、　　int m=50;　　int n=256;　　// Prototype statements for functions found within this file.　　interrupt void adc_isr(void);　　// Glob

51、al variables used in this example:　　Uint16 LoopCount;　　Uint16 ConversionCount;　　void firdes(int m, double npass)　　{&l

52、t;/p>　　int t;　　for (t=0; t<=m; t++)　　{　　h[t] = sin((t-m/2.0)*npass*pi)/(pi*(t-m/2.0));<

53、p>　　}　　if (t=m/2) h[t]=npass;　　}　　void main(void) 　　{

54、int xm,ym;　　double fs,fstop,r,rm;　　int i,j,p,k;　　// PLL, WatchDog, enable Peripheral Clocks　　// This example function is found in the DS

55、P281x_SysCtrl.c file.　　InitSysCtrl();　　// For this example, set HSPCLK to SYSCLKOUT / 6 (25Mhz assuming 150Mhz SYSCLKOUT)　　EALLOW;</p&g

56、t;　　SysCtrlRegs.HISPCP.all = 0x3; // HSPCLK = SYSCLKOUT/6　　EDIS;　　// Disable CPU interrupts 　　DINT;</p&g

57、t;　　// Initialize the PIE control registers to their default state.　　InitPieCtrl();　　// Disable CPU interrupts and clear all CPU interrupt flags:

58、　IER = 0x0000;　　IFR = 0x0000;　　// Initialize the PIE vector table with pointers to the shell Interrupt 　　// Service Routines (ISR). 　　I

59、nitPieVectTable();　　// Interrupts that are used in this example are re-mapped to　　// ISR functions found within this file. 　　EALLOW; // This is needed

60、to write to EALLOW protected register　　PieVectTable.ADCINT = &adc_isr;　　EDIS; // This is needed to disable write to EALLOW protected registers　　InitAd

61、c(); // For this example, init the ADC　　// Enable ADCINT in PIE　　PieCtrlRegs.PIEIER1.bit.INTx6 = 1;　　IER |= M_INT1; // Enable CPU Interrupt 1<

62、;p>　　EINT; // Enable Global interrupt INTM　　ERTM; // Enable Global realtime interrupt DBGM　　LoopCount = 0;　　ConversionCount = 0;</p&g

63、t;　　// Configure ADC　　AdcRegs.ADCTRL1.bit.SEQ_CASC = 1; 　　AdcRegs.ADCMAXCONV.all = 0x0000; // Setup 2 conv's on SEQ1　　AdcRegs.ADCCHSELSE

64、Q1.bit.CONV00 = 0x4; // Setup ADCINA0 as 1st SEQ1 conv.　　AdcRegs.ADCTRL2.bit.EVA_SOC_SEQ1 = 1; // Enable EVASOC to start SEQ1　　AdcRegs.ADCTRL2.bit.INT_ENA_SEQ1 = 1; // Enable S

65、EQ1 interrupt (every EOS)　　// Configure EVA　　// Assumes EVA Clock is already enabled in InitSysCtrl();　　EvaRegs.T1CMPR = 0x0380; // Setup T1 co

66、mpare value　　EvaRegs.T1PR = 0x07FF; // Setup period register　　EvaRegs.GPTCONA.bit.T1TOADC = 1; // Enable EVASOC in EVA　　EvaRegs.T1CON.a

67、ll = 0x1042; // Enable timer 1 compare (upcount mode)　　// Wait for ADC interrupt　　k=0; 　　fs = 250000;　　fstop = 20000;<

68、;/p>　　npass = fstop/fs;　　for (i=0; i<=m; i++)　　{　　xmid[i]=0;　　}<p&

69、gt;　　for(;;)　　{　　firdes(m, npass);　　for (i=0; i<=n-1; i++)　　{&

70、lt;p>　　xm = px[i];　　x = xm/1023.0; 　　for (p=0; p<=m; p++)　　{　　xmid[m-p] = xmid[m-p-1];<p&

71、gt;　　}　　xmid[0] = x;　　r = 0;　　rm= 0; 　　for (j=0; j<=m; j++)<p

72、>　　{　　r = xmid[j] * h[j];　　rm = rm + r;　　}　　y = rm;

73、ym = (int)(1023.0 * y);　　py[i] = ym; 　　}　　k++; //加斷點(diǎn)，觀察波形　　}<

74、b>　　}　　interrupt void adc_isr(void)　　{ 　　px[ConversionCount] = AdcRegs.ADCRESULT0 >>4;　　if(Conver

75、sionCount == 256) 　　{　　ConversionCount = 0;　　}　　else ConversionCount++;　　// R

76、einitialize for next ADC sequence　　AdcRegs.ADCTRL2.bit.RST_SEQ1 = 1; // Reset SEQ1　　AdcRegs.ADCST.bit.INT_SEQ1_CLR = 1; // ClearINT SEQ1 bit　　PieCtrlReg

77、s.PIEACK.all = PIEACK_GROUP1; // Acknowledge interrupt to PIE　　return;　　}　　4.3.2 測(cè)試效果　　如上圖所示，可以發(fā)

78、現(xiàn)使用DSP芯片實(shí)現(xiàn)的的FIR濾波器已經(jīng)成功的將設(shè)定的混合頻率信號(hào)中的高頻部分濾除。　　五.總結(jié)　　DSP技術(shù)一般指將DSP 處理器用于完成數(shù)字信號(hào)處理的方法與技術(shù)。目前的DSP芯片以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能在通信和其他信號(hào)處理領(lǐng)域得到廣泛注意并已成為開發(fā)應(yīng)用的熱點(diǎn)技術(shù)。許多領(lǐng)域?qū)τ跀?shù)字信號(hào)處理器的應(yīng)用都是圍繞美國TI公

79、司所開發(fā)的DSP處理器進(jìn)行的。DSP芯片是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器。主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速的實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法，如卷積及各種變換等。這次我們所做的利用DSP芯片來實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器就是一項(xiàng)很重要的應(yīng)用，這一次的課程設(shè)計(jì)主要討論基于TI公司TMS320F2812 DSP芯片的濾波器系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)方法，用Blackman窗函數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)FIR濾波器，利用MATLAB中的FDAtool濾波器設(shè)計(jì)分析器設(shè)計(jì)符合要求的FIR濾波器

80、并生成fdacoefs.h文件提取相關(guān)參數(shù)。并在以TI TMS320F2812為微處理器的EXPIV型實(shí)驗(yàn)箱上實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及ADC轉(zhuǎn)換濾波濾波均表明濾波后能夠得到比較光滑時(shí)域/頻域波形，濾波結(jié)果效果良好達(dá)到了預(yù)期的性能指標(biāo)要求。　　通過這次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)通信系統(tǒng)的仿真有了很大的了解，掌握的設(shè)計(jì)的方法和思路，提高了對(duì)系統(tǒng)的分析能力和解決能力。在這次課程設(shè)計(jì)匯總，我也遇到了許多的

81、困難，如參數(shù)的設(shè)置，如何將不同的功能框圖整合一起以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的功能等等。　　經(jīng)過一周的設(shè)計(jì)制作，在本組成員不斷的努力下，如期的完成了課程設(shè)計(jì)制作，其功能基本上可以滿足處理的需要。由于時(shí)間原因，該課程設(shè)計(jì)還有許多不盡不是令人很滿意的地方，需要將來做進(jìn)一步的改善。　　六.參考文獻(xiàn)

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fir濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)課程設(shè)計(jì)

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