news 2026/11/2 8:34:35

FX PLC编程口调试助手:Qt串口组帧校验与批量轮询

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张小明

前端开发工程师

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文章封面图
FX PLC编程口调试助手:Qt串口组帧校验与批量轮询

简介:面向Qt上位机与三菱FX3U PLC编程口通信学习的示例工程,适合工业自动化方向的上位机开发者、PLC初学者及需要理解串行通信流程的工程人员参考。压缩包共7个文件,约12KB,以cpp、h源码为主,另有ui界面与pro工程配置,便于导入Qt Creator查看工程组织。已有1004人学习下载,说明其在PLC编程口通信入门场景中具有一定参考价值。源码围绕QSerialPort串口参数配置、数据收发及readyRead信号处理展开,并涉及FX系列FINS指令解析、通信失败重试与数据包格式设计等环节。读者可借此梳理Qt与FX3U PLC建立连接、发送读写请求、处理返回数据的完整思路,理解串口通信协议分层与异常处理方式,为开发远程监控、程序下载或数据采集类上位机应用打下基础。

1. 现场只有一只编程口:这台 FX 到底在跑什么数

电柜里那台 FX 系列 PLC,编程口被触摸屏占着,想插上去看一眼 D100 到底存了什么、M20 有没有置位,得先把屏的线拔了。手里只有通用串口助手,它不会替你拼软元件地址,不会算累加和校验,回上来一串十六进制还得自己一位一位数——这种时候最想要的是一个“知道 FX 编程口长什么样”的工具。FX_serial_asst 就是干这个的:Qt 写的编程口调试助手,选好串口,填软元件地址,读 D/M/X/Y/T/C、写单点、连续地址批量轮询、原始报文十六进制上屏。适合三类人:现场维护要临时查值的、上位机刚入门想搞懂这套帧格式的、准备自己写采集网关拿它当参照系的。后面按“它由什么组成 → 一帧怎么拼 → 收发怎么跑 → 哪里会翻车 → 怎么改成自己的东西”的顺序拆,边看边能对着代码改。

2. 技术选型与目录结构:Qt + QSerialPort 撑起的调试器骨架

2.1 目录结构与模块分层

这类小工具最容易写成一个大 MainWindow 文件几千行,改一处牵全身。这个项目的目录分得比较克制,四层:界面、协议、传输、数据模型,互不越界。传输层不知道 FX 协议长什么样,只负责“把一串字节发出去、把回来的字节攒齐”;协议层只管拼帧解帧,碰不到 QSerialPort;界面层连字节都不碰,只认结构体。

FX_serial_asst/ ├── FX_serial_asst.pro # qmake 工程,也能用 CMakeLists 等价替换 ├── main.cpp # 组装:UI 线程 + 串口线程 ├── ui/ │ ├── mainwindow.h/.cpp # 主窗口,串口配置、寄存器表、日志区 │ └── mainwindow.ui ├── protocol/ │ ├── fxprotocol.h/.cpp # 组帧、校验、解帧、软元件地址换算 │ └── fxdevice.h # 软元件描述表(位/字、进制) ├── transport/ │ ├── serialworker.h/.cpp # 住在子线程,负责 open/write/read/超时 │ └── requestqueue.h # 请求排队,一帧一发 ├── model/ │ └── registertable.h/.cpp # 地址-值-类型,供 QTableWidget 取数 └── log/ └── framelog.h/.cpp # 报文日志,带时间戳和方向标记

值得说的是model这一层单独抽出来的理由。寄存器表既被轮询模块写、又被表格控件读,还可能是将来导出 CSV 的数据源,放在窗口类里以后想做后台采集就得复制一遍。抽出来之后,改成无界面的采集进程,只要把ui/整个删掉,protocol + transport + model照样编译。这个切分是我在类似项目里被返工逼出来的习惯——先想清楚“哪部分将来要脱离界面活着”,再决定文件怎么放。

2.2 Qt 侧技术栈与线程模型

选 Qt 不是为了跨平台,主要是三件事:QSerialPort 把 Windows 和 Linux 的串口差异抹平了;QTableWidget 拿来就是寄存器监视表,省掉自己画;windeployqt 打包完拷到现场电脑上双击就能跑,不用装运行时。这对设备调试场景很重要,你不能要求产线那台 Win7 一体机装一堆东西。

层面选型说明
语言/标准C++11够用,现场老编译器也能过
框架Qt 5.15 / Qt 6.xQSerialPort 在 Qt6 里是独立模块,.pro 要加 serialport
串口QSerialPort + QSerialPortInfo枚举端口、事件驱动收数
并发QThread + moveToThread串口对象只在子线程里创建和销毁
定时QTimer(子线程内)轮询周期、超时重发
配置QSettings串口参数、上次的地址列表

线程模型是最容易做错的地方。新手常见写法是把QSerialPort在主线程 new 出来,然后waitForReadyRead()死等,界面直接白掉。这里的做法是 worker 对象moveToThread,串口所有操作都在子线程的槽函数里发生,主线程只发信号。

// main.cpp:串口对象在子线程里生、在子线程里死 QThread *serialThread = new QThread(this); SerialWorker *worker = new SerialWorker; // 构造函数里不 new QSerialPort worker->moveToThread(serialThread); // 跨线程传自定义结构体必须先注册,否则信号槽排队时会静默丢包 qRegisterMetaType<Request>("Request"); qRegisterMetaType<QByteArray>("QByteArray"); connect(serialThread, &QThread::finished, worker, &QObject::deleteLater); connect(this, &MainWindow::openPortRequested, worker, &SerialWorker::openPort); connect(worker, &SerialWorker::frameReady, this, &MainWindow::onFrameReady); serialThread->start();

要点在moveToThread之前不能给 worker 传任何带父对象的指针,QSerialPort必须在openPort()这个槽里才new,父子关系挂在 worker 上。qRegisterMetaType那两行如果漏了,编译期毫无提示,运行期信号发出去对方收不到,查起来能耗掉一下午——这是 Qt 跨线程最经典的隐蔽问题。另外deleteLater要接在QThread::finished上,窗口关闭时先quit()再wait(),顺序反了会崩在退出那一刻。

2.3 串口参数为什么是 9600-7-E-1

编程口这套协议帧里全是 ASCII 字符(STX、命令字、地址、数值、校验都是可打印字符加两个控制字符),最高位永远是 0,所以 7 位数据位足够,多出来那一位拿去做偶校验,抗现场干扰。常见配置就是 9600 波特、7 数据位、偶校验、1 停止位。有些 USB 转 422 的转换器芯片根本不支持 7 位数据位,设了也按 8 位发,这时候退成 9600-8-E-1 通常也能通,因为第 8 位是 0;但反过来,如果 PLC 侧配的是 8 位、你按 7 位发,收到的字符最高位会被截掉,症状是偶发校验错而不是全错,很难判断。

bool SerialWorker::openPort(const QString &name, int baud, int dataBits, int parity) { if (m_port) { m_port->close(); delete m_port; m_port = nullptr; } m_port = new QSerialPort(this); m_port->setPortName(name); m_port->setBaudRate(baud); // 9600 m_port->setDataBits(static_cast<QSerialPort::DataBits>(dataBits)); // 7 或 8 m_port->setParity(static_cast<QSerialPort::Parity>(parity)); // Even m_port->setStopBits(QSerialPort::OneStop); m_port->setFlowControl(QSerialPort::NoFlowControl); // 422 不需要软硬流控 m_port->setReadBufferSize(4096); if (!m_port->open(QIODevice::ReadWrite)) { emit portError(m_port->errorString()); // 被占用、驱动没装都走这里 return false; } connect(m_port, &QSerialPort::readyRead, this, &SerialWorker::onReadyRead); return true; }

setFlowControl(NoFlowControl)这一行别省,某些转换器默认协商 RTS/CTS,PLC 侧不接这两根线,结果就是发得出去收不回来。open()失败最常见的原因不是参数错,而是端口被别的软件占着(触摸屏组态软件、另一个串口助手),errorString()里会写 PermissionError 或“设备忙”,看到这个先查占用,别急着重装驱动。至于物理层,编程口是 MD8 圆头、4 线差分(RXD+/RXD-/TXD+/TXD-/SG),普通 USB-TTL 的 232 电平接上去是收不到的,必须用 422 转换器,这一点在买线之前就得确认清楚。

3. 协议层拆解:一帧 FX 编程口报文从拼装到校验的完整链路

3.1 帧结构:六个字段决定成败

把一帧拆开看,无非是帧头、命令字、软元件地址、点数、帧尾、校验六段。真正的难点不在结构,在每段的表示方式:地址是 ASCII 字符串不是二进制,点数是两位字符,校验是“算出来的一个字节再转成两位十六进制字符”。新手最容易在这上面犯迷糊,明明算出 0x66,却把 0x66 这一个字节塞进帧里,PLC 那边等的是字符'6' '6'两个字节,长度对不上直接被丢。

字段长度内容说明
STX1 字节0x02帧起始
命令字1 字符'0' 读 / '1' 写ASCII
软元件地址4 字符如D100、X010字母 + 数字,X/Y 用八进制
点数2 字符如01、08十进制字符,一帧别超 8 点
数据区写命令才有每点 4 字符16 位值的十六进制 ASCII
ETX1 字节0x03帧结束
校验2 字符累加和低 8 位命令字到 ETX 之前逐字节累加

举个能对上号的例子:读 D100 起 1 点,帧体是0D10001,逐字节 ASCII 相加 48+68+49+48+48+48+49 = 358,取低字节 0x66,转成字符66。整帧发出去就是02 30 44 31 30 30 30 31 03 36 36。各家实现里命令字后面有时还跟一位固定字符或站号,字段顺序也会有小出入,所以改协议层的时候,对着抓包改常量比对着文档猜快得多——文档版本和固件版本经常对不上。

3.2 组帧与校验:两个函数撑起协议层

协议层的接口设计成“进去是结构体,出来是 QByteArray”,这样界面层完全不用知道字符编码的事。读和写走同一个入口,靠Request::isWrite分流,减少调用方判断。

// 累加和:对 body(命令字到 ETX 之前)逐字节相加,取低 8 位,转两位大写十六进制 ASCII QByteArray FxProtocol::calcSum(const QByteArray &body) { quint8 sum = 0; for (char c : body) sum += static_cast<quint8>(c); return QByteArray::number(sum, 16).rightJustified(2, '0').toUpper().toLatin1(); } QByteArray FxProtocol::buildFrame(const Request &req) { QByteArray body; body.append(req.isWrite ? '1' : '0'); // 命令字 body.append(deviceAddress(req.device, req.addr)); // 软元件地址,X/Y 走八进制 body.append(QByteArray::number(req.count).rightJustified(2, '0')); // 点数 if (req.isWrite) { for (quint16 v : req.values) // 每点 4 字符,不足补 0 body.append(QByteArray::number(v, 16).rightJustified(4, '0').toUpper()); } QByteArray frame; frame.append(char(0x02)); frame.append(body); frame.append(char(0x03)); frame.append(calcSum(body)); // 校验不含 STX 和 ETX return frame; }

rightJustified(4, '0')这两个参数都是有讲究的:不补零,值 5 会变成5一个字符,PLC 按 4 字符切数据区,后面的全错位;用toUpper()是因为有的固件只认大写十六进制。calcSum里QByteArray::number(sum, 16)返回的是小写,同样要转大写,否则偶发校验失败——我第一次写这段时就漏了,现象是十个字节里错一两个,特别像干扰,其实是自己算的校验和 PLC 算的不一样。

3.3 解帧与响应判定

响应帧的骨架跟请求帧一样,STX 开头、ETX 结尾、两位校验。区别在帧体:读命令回来的是数据区,写命令回来的是确认字符。正常响应首字符是'0',非'0'就是错误码,需要查表翻译成人话(地址越界、命令不支持、PLC 忙之类)。位软元件和字软元件的解析分支必须分开:字软元件每点 4 个字符组成一个 16 位值,位软元件按点回 1 个字符。如果抓包发现位数据是打包成字节返回的,就说明这批固件的约定不一样,把parseBits分支改掉即可,别去动组帧逻辑。

bool FxProtocol::parseResponse(const QByteArray &body, QVector<quint16> &out, QString &err) { if (body.isEmpty()) { err = "空响应"; return false; } if (body.at(0) != '0') { // '0' 正常,其余是错误码 err = QString("PLC 返回错误码: %1").arg(body.at(0)); return false; } const QByteArray data = body.mid(1); // 去掉状态字符 if (m_isBitDevice) { for (char c : data) out.append(c == '1' ? 1 : 0); } else { for (int i = 0; i + 4 <= data.size(); i += 4) out.append(data.mid(i, 4).toUShort(nullptr, 16)); } return out.size() == m_expectCount; // 数量对不上也算失败,交给上层重试 }

最后那个数量校验是我后来加的。早期只判return true,结果某次线接触不良,回来半帧数据,表格里后面几行显示 0,现场以为寄存器真被清零了,白排查两小时。数量对不上就当失败丢给重试逻辑,比展示一个假值安全得多。

3.4 软元件地址换算:X/Y 是八进制

这一条必须单独拎出来说。D、M、T、C、S 的编号都是十进制,你怎么填就怎么发;但 X 和 Y 是八进制编号,PLC 面板上写着 X10,指的是第 8 个输入点,不是第 10 个。地址换算写错,读回来的值就整体错位,而错位后的值往往还是个合法数值,肉眼根本看不出来。

// X/Y 输入输出继电器按八进制编号,其余按十进制 QByteArray FxProtocol::deviceAddress(const QString &dev, quint16 logicalAddr) { const bool octal = (dev == "X" || dev == "Y"); const int radix = octal ? 8 : 10; return (dev + QString::number(logicalAddr, radix).rightJustified(3, '0')).toLatin1(); }

界面上用户填的是“第几个点”这种逻辑序号(比如第 9 个输入点填 9),协议层负责转成X011。这样填表和换算分开,改起来不容易乱。反过来,如果界面直接让用户填X011这种物理地址,那就别再做一次换算,两种约定只能选一种,混用是错位问题的根源。

4. 核心模块实战:收发线程、请求队列与批量轮询怎么配合

4.1 收数:缓冲区切帧而不是一次读完

串口是流式的,一次readyRead可能给你半帧,也可能给你一帧半加一堆噪声。所以收数必须用缓冲区 + 循环切帧的方式,不能假设“读一次就是一帧”。切帧的锚点就是 STX 和 ETX,中间那段是帧体,ETX 后面两个字符是校验。

void SerialWorker::onReadyRead() { m_buf.append(m_port->readAll()); while (true) { const int stx = m_buf.indexOf(char(0x02)); if (stx < 0) { m_buf.clear(); return; } // 没有帧头,全是噪声 if (stx > 0) m_buf.remove(0, stx); // 丢掉帧头之前的脏数据 const int etx = m_buf.indexOf(char(0x03)); if (etx < 0) return; // 帧体没完,等下次 readyRead if (m_buf.size() < etx + 3) return; // 校验两字符还没到齐 const QByteArray body = m_buf.mid(1, etx - 1); const QByteArray sum = m_buf.mid(etx + 1, 2); m_buf.remove(0, etx + 3); // 出队,处理下一帧 if (FxProtocol::calcSum(body) != sum) { emit frameError(body, sum); continue; } emit frameReady(body); } }

mid(1, etx - 1)这个参数:从索引 1(跳过 STX)开始,长度是etx - 1,正好是 STX 到 ETX 之间的字节数。m_buf.size() < etx + 3判断的是校验两位是否到齐,少一位就去解析会拿到半个校验值,然后误报校验错。缓冲区要设上限(比如 8KB),超了就清空重来,否则现场干扰大时会一直涨。

4.2 请求队列:一次只发一帧

编程口是串行应答的,你连发两帧,回来的数据黏在一起,切帧时第二帧的 STX 可能被当成数据的一部分。稳妥做法是请求排队,发一帧、等响应或超时、再发下一帧。写操作和读操作进同一个队列,保证写不会被轮询插队打断。

void SerialWorker::execNext() { if (m_busy || m_queue.isEmpty()) return; const Request req = m_queue.dequeue(); m_pending = req; m_busy = true; m_retry = 0; m_port->write(FxProtocol::buildFrame(req)); m_timeout->start(req.timeoutMs); // 常见 300~500ms,点位多适当放宽 } void SerialWorker::onTimeout() { if (++m_retry > kMaxRetry) { // 3 次不过就放弃,别死磕 m_busy = false; emit requestFailed(m_pending, "响应超时"); execNext(); return; } m_port->write(FxProtocol::buildFrame(m_pending)); // 重发同一帧 m_timeout->start(m_pending.timeoutMs); }

超时值不是拍脑袋定的:一帧 8 个点的读,9600 波特下大约 20~30ms,加上 PLC 扫描周期,300ms 已经非常宽松。给太短会误判超时,给太长会让界面点一下要等一秒才有反应。重试三次是我的习惯值,因为连续三次不通基本就是线或者参数问题,再重试只是拖时间。

4.3 批量合并:把 8 次通信压成 1 次

轮询一张 32 个 D 寄存器的表,如果每个地址单独发一帧,一轮就是 32 次往返,按每次 30ms 算接近 1 秒,界面刷新肉眼可见地卡。做法是把地址排序后合并成连续区间,一帧读一段。连续区间内多读几个点比多跑几次通信划算得多。

// 输入乱序地址集合,输出合并后的 [起始, 点数] 区间,单帧点数上限 kMaxPerFrame QVector<QPair<quint16, quint16>> mergeRanges(QVector<quint16> addrs, int maxPerFrame = 8) { std::sort(addrs.begin(), addrs.end()); QVector<QPair<quint16, quint16>> out; int i = 0; while (i < addrs.size()) { int j = i; while (j + 1 < addrs.size() && addrs[j + 1] == addrs[j] + 1 && (j + 1 - i + 1) <= maxPerFrame) ++j; out.append({addrs[i], static_cast<quint16>(j - i + 1)}); i = j + 1; } return out; }

maxPerFrame取 8 是个折中:帧越长,单帧出错重发的代价越大,而且部分型号对单帧点数有上限。合并之后要注意回填顺序——返回的数据是按起始地址顺序排的,得按原来的地址映射写回寄存器表,不能按用户填表顺序。QTimer 的轮询周期一般设 300~500ms,别低于 200ms,否则队列会堆积,界面上看到的是“越刷越慢”。

5. 联调避坑:编程口通信里最容易翻车的五个现场问题

5.1 串口打开成功,一个字节都收不到

现象:open()返回 true,write()也没报错,但readyRead永远不触发,日志区干干净净。

原因:物理链路问题占了九成。编程口是 4 线差分,很多人拿 USB-TTL 或者 232 转换器直接怼上去,电平不匹配根本收不到;也有人只接了 RXD 两根线,指望两线半双工能通,实际这套是全双工差分,接不全就是单向哑巴。还有一种是 MD8 圆头压线的时候引脚顺序记反了,TXD+ 接到 RXD+,看着整齐,实际收发对不上。

解决:先用回环自测转换器本身——把转换器的 TXD+ 和 RXD+ 短接、TXD- 和 RXD- 短接,发什么应该原样回什么,这一步过不了就别怀疑 PLC。回环通了再查线序,用万用表量通断比肉眼数针脚可靠。接好之后第一件事是发一帧最简单的读命令,把原始报文打到日志里,看到 0x02 0x03 才能谈后面的解析。

5.2 能收到数据但校验一直错

现象:缓冲区里有东西,切出来的帧体看着也像模像样,就是calcSum对不上,十次里错七八次。

原因:串口参数不匹配。7 位数据位配成 8 位、偶校验配成无校验、波特率偏差,都会让字符在传输中被改掉某一位。另外还有一个隐蔽的:某些转换器不支持 7 位数据位,你设 7 位它按 8 位发,帧头帧尾都对,中间的数字字符偶尔错——这种情况最像“干扰”,其实是参数问题。

解决:按 9600-8-E-1、9600-7-E-1、9600-8-N-1 的顺序挨个试,每次试完看重发的成功率,别只看一帧。全都不行再怀疑线长和接地,差分线超过几十米又没屏蔽,误码率会明显上去。校验错的时候一定要把原始字节和算出来的校验都打到日志里,只打印“校验失败”四个字等于什么都没说。

5.3 X/Y 读出来的位置整体错位

现象:读 X0 到 X17 这一段,值能读到,但跟实际输入指示灯对不上,感觉整体平移了几位。

原因:X 和 Y 按八进制编号,逻辑序号第 9 个点对应的是 X11,不是 X9。如果代码里直接用十进制转换,第 8 个点之后全部错位。更麻烦的是错位后读到的仍然是合法的 0/1,界面上完全看不出异常。

解决:地址换算在协议层统一做,界面只填逻辑序号,转换函数里对 X/Y 用radix = 8。验证方法是找一个确定的输入点——手动按下接在 X10 上的按钮,看表格里第 8 行(逻辑序号 8)有没有变 1,变了说明换算对了。

5.4 连续写多个寄存器,只有第一个生效

现象:一次写 8 个 D 寄存器,PLC 里只有起始那个变了,其余保持原值,也不报错。

原因:写命令的数据区长度和点数不匹配。每点固定 4 个字符,8 点就是 32 个字符,少写一个字符整帧就废了,PLC 会按自己的解析规则截断。另一种可能是单帧点数超过了型号允许的上限,超出的部分被静默丢弃。

解决:组帧时用循环拼数据区,不要手写;发之前把帧长度打出来,跟“6 + 4×点数 + 3”算一遍对一下。点数超过 8 就拆成多帧,帧之间留 20ms 间隔,别连着灌。写操作做完一定要回读一次确认,只信写命令的应答是不够的。

5.5 界面点几下就卡住,像死机

现象:开始轮询后界面失去响应,鼠标变成转圈,过几秒又活过来,反复发作。

原因:串口读写跑在主线程,waitForReadyRead或者同步等待响应把事件循环堵死了。另一种是轮询周期设得太短,队列越堆越长,主线程一直在处理回来的信号,画表格都排不上队。

解决:串口对象整体搬到子线程,主线程只接信号更新表格;轮询周期不低于 300ms;队列长度设个上限,超了丢最旧的请求而不是无限增长。表格更新也别每帧刷一次,攒 200ms 批量刷一次,肉眼完全看不出差别,CPU 占用能降一大截。

6. 二次开发:把寄存器表改成你自己的采集器

想把它从“调试助手”变成“采集器”,改动其实集中在三个点:软元件描述表、数据出口、运行方式。

软元件描述表现在是写死在fxdevice.h里的几个分支,改成配置驱动会好用很多,加新软元件不用改代码。我一般这么写:

struct DeviceDesc { QString code; bool isBit; int radix; QString alias; }; // 配置里读出来,或者直接写死也行,关键是集中在一处 static const QVector<DeviceDesc> kDevices = { {"D", false, 10, "数据寄存器"}, {"M", true, 10, "内部继电器"}, {"X", true, 8, "输入继电器"}, // 注意八进制 {"Y", true, 8, "输出继电器"}, {"T", false, 10, "定时器当前值"}, {"C", false, 10, "计数器当前值"}, };

有了这张表,isBit决定解析分支,radix决定地址换算,界面上的下拉框也能直接由它生成,加一个软元件只改一行。加完之后记得拿一个已知值的点位验证,别一次加五六个再一起试。

数据出口是最容易加的部分。registertable里加个只读快照接口,采集侧起一个QTimer每秒取一次,写进 SQLite 或者拼成 JSON 发出去,界面完全不用动。我习惯把快照做成值拷贝,而不是把内部容器指针往外给,省得后面多线程访问出问题。输出侧再加一层节流,值没变就不发,长时间跑下来数据量能小一个数量级。

改造点涉及文件大致工作量
增加软元件类型protocol/fxdevice.h十几行,配置化后更少
数据落库或上报model/registertable + 新建输出模块半天,取决于目标格式
去掉界面做后台服务删 ui/,改 main.cpp 组装方式半天到一天
支持多站号轮询transport/requestqueue + 协议层一天以上,要看现场拓扑

有个技巧值得单独说:调协议的时候别拿真 PLC 反复试,用虚拟串口对(一个写一个读的那种)做一个假的 PLC 应答端,行为固定、可注入错误(故意错一个校验位、故意延迟 5 秒、故意只回半帧),比在现场反复插拔线高效得多。这个假端我一般就写两百行,收到帧按配置回,跑通之后再接真设备,出问题能立刻分清是协议写错了还是现场环境的问题。

最后一句经验:早些年我调这类通信,总喜欢先做界面再调协议,结果界面改一次协议就得跟着调一次,来回折腾。从那以后我每次接新的现场总线,都先把原始报文打到日志里、用最小可运行代码把一帧跑通,再往上堆界面和功能。现在这个习惯让我省下的时间,比任何调试技巧都多。希望帮到你。

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