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文檔簡介
1、 引言:在實際工作中,常常會遇到兩列頻率相同信號之間存在的相位差,那么就需要測量它們之間的相位差。電力系統(tǒng)中的電網(wǎng)并網(wǎng)合閘時,需要兩電網(wǎng)的電信號的相位相同,這時需要精確測量兩列工頻信號之間的相位差,相位差測量在工業(yè)自動化,智能控制、通訊及電子技術(shù)等許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著計算機軟硬件的日益發(fā)展。在測試系統(tǒng)中,以數(shù)字信號處理為核心的軟件法測量技術(shù)越來越多的得到廣泛的用。在電工儀表、同步檢測的數(shù)據(jù)處理以及電工實驗中,常常需要測量兩列同頻信號的相位差。相位測量的方法很多,典型的傳統(tǒng)方法是通過顯示器觀測,這種方法誤差較大,讀數(shù)不方便。為此,我們設(shè)計一種數(shù)字式工頻電壓相位差測量儀。一系統(tǒng)功能的確定及
2、概念1.1基本要求:能夠快速準(zhǔn)確的測量出相位差;精度較高;抗干擾能力強,不受被測信號幅值,頻率的影響;穩(wěn)定性較高。1.2相位和相位差的概念相位和相位差是正相交流電的重要概念和技術(shù)參數(shù)。但是相位也不只是正弦信號的“專利”,非正弦周期信號同樣具有相位,因為任何一個非正弦周期信號均可以被分解為一系列頻率與初相不同的正弦信號。相位說明諧波振蕩在某一瞬時的狀態(tài)。在數(shù)學(xué)上定義為正弦或余弦函數(shù)的幅角,其數(shù)學(xué)表達式為:v(t)=Asingt+申)式中,P是初始角,3t+p就是相位角,通常稱為相位。申(t)=t+申從式中可以看出相位是時間t的線性函數(shù)。令申(t)、p(t)表示角頻率為1212的兩個簡諧振蕩的相位
3、,則有:(t)=(t)一(t)=(一)t+(p-p)=t+(p-p)12121212從式中可以看出相位角是時間t的函數(shù)。若3=3,即兩個同頻率的信號,則有:12(t)=p1-p2顯而易見,兩個同頻率的相位差為常數(shù),由初始相位角之差確定。相位差反映了若干個正弦量之間的相位關(guān)系。同頻正弦量的相位關(guān)系是:超前、滯后、同相、反相、正交。當(dāng)A、B兩個頻率相同的正弦信號電壓波形同時增大,同時減小,同時為正半周,同時為負半周,同時達到正峰點,同時達到負峰點,這樣的兩種信號其相位相同,信號的相位差0。,稱為同相信號。當(dāng)一個信號達到最大值時(正峰點),另一個達到最小值(負峰點),一個為正半周,一個為負半周,一個
4、在增大時,另一個在減小,這樣的兩種信號其相位反相,信號的相位差180。,稱為反相信號。當(dāng)信號A達到最大值時,信號B才為零,當(dāng)信號A為零時,信號B為最大值,兩個信號之間的相位相差四分之一周期,即相差90o,稱為正交信號。當(dāng)兩個同頻正弦量的計時起點(t=0)改變時,它們的相位和初相也隨之改變,但它們的相位差不變,也就是說相位差與計時起點無關(guān)。這樣,我們在比較幾個同頻正弦量的相位時,為方便起見,可以任意指定其中之一的初相為零,而把初相為零的正弦量叫做參考正弦量。二方案論證2.1方案方案一基于異或門的測量方法兩路同頻信號經(jīng)過零比較后,得到兩路同周期的方波。該兩方波經(jīng)異或后得到的脈沖寬度與信號周期的比值
5、(占空比)即對應(yīng)為兩信號的相位差,這里的異或門相當(dāng)于鑒相器。對脈寬信號的處理有以下兩種方法。電壓測量法;數(shù)字計數(shù)法。方案二基于函數(shù)計算的測量方法我們先從數(shù)學(xué)理論上計算相位差,假設(shè)信號A為S=Acos(+a),信號b為A1S=Bcos(+a)。),其中A,B分別為信號A和信號B的幅度,w為角頻率,,為信號AB212和信號B的初相位,兩信號相乘可得SSAB=ABcos(wt+a)cos(wt+a)AB)12+a+a)+cos(aa1212式中a=aa為所求相位差。把乘法運算結(jié)果中的二次諧波濾除,只剩下直流分量,設(shè)結(jié)12果為M,可得到a=aa122M=arccos(AB此式是從理論上分析求出的相位差
6、,而實際上輸入的信號A和信號B都是帶有各種諧波干擾的。這些干擾信號經(jīng)過乘法運算之后會部分疊加到所求的直流分量上,因此在信號進行乘法運算之前和之后都要對兩路信號進行數(shù)字濾波。由于濾波器參數(shù)可以根據(jù)用戶對濾波器性能的要求任意設(shè)計,參數(shù)精度可得到嚴(yán)格保證,也沒有因元件老化而影響精度的問題,因此可以使濾波環(huán)節(jié)給相位測量精度造成的影響減到最小。方案三基于單片機的相位差在線測量使用單片機組建相位差檢測系統(tǒng),利用單片機內(nèi)部時鐘及定時/計數(shù)器,、快速的測定,可廣泛應(yīng)用于各種實時系統(tǒng)之中。2.2方案選定:對于方案一:相位差測量方法的測量誤差主要來自于對模擬信號的處理過程中,如模擬濾波器在濾除干擾的同時由于元件參
7、數(shù)的離散性,測量元件受環(huán)境的影響以及元件老化帶來的影響都會引入測量誤差;又如信號經(jīng)過比較器時由于比較器門限電壓的存在而造成測量誤差,這些誤差都很難準(zhǔn)確估量,也很難消除。傳統(tǒng)的相位差測量方法無法應(yīng)用于要求精度高。對于方案二:這種方法測量相位差的關(guān)鍵在于如何實現(xiàn)信號的乘法。傳統(tǒng)的模擬乘法器存在非線性和不盡如人意的帶寬限制。采用數(shù)字乘法器在把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號之后,仍然進行時域上的操作,顯得有些舍本逐末。對于方案三:。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展、單片機的普及,用單片機組成的相位差測量電路具有精度高、速度快、成本低的優(yōu)點,日益受到人們的重視。本相位差測量方法充分利用了MCS-51系列單片機內(nèi)部精確的時
8、鐘源及校正電路,能進行在線檢測、顯示,大大提高了相位差的測試精度和速度。所以綜上所述,我們選用方案三。三.AT89S51單片機概述單片機微型計算機是微型計算機的一個重要分支,也是頗具生命力的機種。單片機微型計算機簡稱單片機,特別適用于控制領(lǐng)域,故又稱為微控制器。通常,單片機由單塊集成電路芯片構(gòu)成,內(nèi)部包含有計算機的基本功能部件:中央處理器、存儲器和I/O接口電路等。因此,單片機只需要和適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合,便可成為一個單片機控制系統(tǒng)。單片機經(jīng)過幾代的發(fā)展,目前單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展,它們的CPU功能在增強,內(nèi)部資源在增多,引角的多功能化,以及低電壓低功耗。對交通燈控制系統(tǒng)的設(shè)
9、計,首先應(yīng)對交通燈的核心控制芯片的基本結(jié)構(gòu)和特征以及主要引腳有比較詳細的了解。AT89S51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗,高性能CMOS8位單片機,片內(nèi)含4kbytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn),兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲器,既可在線編程(ISP)也可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中,ATMEL公司的功能強大,低價位AT89S51單片機可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合,可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。下圖是MCS-51系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。PC.oF0_TF2.oF.TVcc|通道
10、0昭動器|通道2馳動器|RAH地址哥存RAMTT通道D馳動器通道2吳動器EPKONMN程序地址寄存誥緩沖器=!謠器ACC曠HTMF2111定時和指令ihi揑制譴輯寄存器PSEH*ALE*EA*璉T劣ALUH1中斷、串行口定時器邏輯PS1?A塩橫指針1/TMP1=DFTR=邇道鎖存器通道3鎖存器OSCI逋道鯉動器|I通道3呃動器冃IIIIIIIIIIIIIIIIIImtlIQHHTAL2UPl.0Pi.7P3.oP3.7”亠-冃LlCS-51枸框圈圖2.1MCS-51系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖3.1AT89S51單片機的主要性能參數(shù)與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容4k字節(jié)在系統(tǒng)編程(ISP)F
11、lash閃速存儲器1000次擦寫周期4.05.5V的工作電壓范圍全靜態(tài)工作模式:0Hz33MHz三級程序加密鎖128X8字節(jié)內(nèi)部RAM32個可編程I/O口線2個16位定時/計數(shù)器6個中斷源全雙工串行UART通道低功耗空閑和掉電模式看門狗(WDT)及雙數(shù)據(jù)指針掉電標(biāo)識和快速編程特性靈活的在系統(tǒng)編程(ISP字節(jié)或頁寫模式)3.2AT89S51單片機的主要引腳下圖是AT89S51單片機的引腳圖。XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6RSTP0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10PSENP
12、2.3/A11ALEP2.4/A12EAP2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P1.0P3.0/RXDP1.1P3.1/TXD-P1.2P3.2/INT0-P1.3P3.3/INT1P1.4P3.4/T0P1.5P3.5/TP1.6P3.6/WR-P1.7P3.7/RDU11918924AT89C5129303163938373635343332212223242526-272810II12圖2.2AT89S51單片機的引腳圖VCC:電源電壓GND:地P0口:P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口,也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時,每位能驅(qū)動8個TTL邏輯門電路,對端口寫“1
13、”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時,這組口線分時轉(zhuǎn)換地址(低8位)和數(shù)據(jù)總線復(fù)用,在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時,P0口接收指令字節(jié),而在程序校驗時,輸出指令字節(jié),校驗時,要求外接上拉電阻。P1口:P1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口,P1的輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”,通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平,此時可作輸入口。作輸入口使用時,因為內(nèi)部存在上拉電阻,某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。Flash編程和程序校驗期間,P1接收低8位地址。表2.1具有第二功能的P1口引腳端口引腳第二功能P
14、1.5MOSI(用于ISP編程)P1.6MOSI(用于ISP編程)P1.7MOSI(用于ISP編程)P2口:P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口,P2的輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平,此時可作輸入口,作輸入口使用時,因為內(nèi)部存在上拉電阻,某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器(例如執(zhí)行MOVXDPTR指令)時,P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器(如執(zhí)行MOVXRi指令)時,P2口線上的內(nèi)容(也即特殊功能寄存器(SFR)區(qū)中P2寄存器
15、的內(nèi)容),在整個訪問期間不改變。Flash編程或校驗時,P2亦接收高位地址和其它控制信號。P3口:P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時,它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時,被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流(IIL)。P3口除了作為一般的I/O口線外,更重要的用途是它的第二功能,如下表所示:表2.2具有第二功能的P3口引腳端口引腳第二功能P3.ORXD(串行輸入口)P3.1TXD(串行輸出口)P3.2/INTO(外中斷0)P3.3/INT1(外中斷1)P3.4T0(定時/計數(shù)器0外
16、部輸入)P3.5T1(定時/計數(shù)器1外部輸入)P3.6/WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)P3.7/RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通)P3口還接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時,RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。WDT溢出將使該引腳輸出高電平,設(shè)置SFRAUXR的DISRTO位(地址8EH)可打開或關(guān)閉該功能。DISRTO位缺省為RESET輸出高電平打開狀態(tài)。ALE/PROG:當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時,ALE(地址鎖存允許)輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器,ALE仍以時鐘振蕩頻率的16輸出固定的正脈沖
17、信號,因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是:每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對Flash存儲器編程期間,該引腳還用于輸入編程脈沖(PROG)。如有必要,可通過對特殊功能寄存器(SFR)區(qū)中的8EH單元的DO位置位,可禁止ALE操作。該位置位后,只有一條M0VX和M0VC指令A(yù)LE才會被激活。此外,該引腳會被微弱拉高,單片機執(zhí)行外部程序時,應(yīng)設(shè)置ALE無效。T程序儲存允許(T)輸出是外部程序存儲器的讀選通信號,當(dāng)AT89S51由外部程序存儲器取指令(或數(shù)據(jù))時,每個機器周期兩次有效,即輸出兩個脈沖。當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器,沒有兩次有效的信號。EA/VPP:外部訪問允許。欲使
18、CPU僅訪問外部程序存儲器(地址為0000HFFFFH),EA端必須保持低電平(接地)。需注意的是:如果加密位LB1被編程,復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平(接VCC端),CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。Flash存儲器編程時,該引腳加上+12V的編程電壓Vpp。XTAL1:振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。四.基于單片機的相位差在線監(jiān)測測量原理基于單片機系統(tǒng)的相位差測量電路如圖1所示。待測信號Vl,V2經(jīng)過前置處理和整形后,經(jīng)過相位差檢測電路,輸出結(jié)果直接送入單片機進行處理,標(biāo)準(zhǔn)正弦信號由ICL8038產(chǎn)生,用于對待測信號Vl,V
19、2的相位差進行校正,提高精度。V:V:圖相位差測吊電路4.1前置處理模塊前置處理模塊主要是對信號進行濾波,濾除干擾并進行適當(dāng)?shù)姆糯?,它與整形模塊一同構(gòu)成信號預(yù)處理電路,輸出TTL電平,為相位差的檢測作好準(zhǔn)備。4.2信號整形信號經(jīng)過帶通濾波器濾掉高頻干擾和低頻漂移信號并進行線性放大后,變?yōu)橐徊ㄐ握?guī)、幅值適當(dāng)?shù)恼倚盘?,然后?jīng)過滯回比較器及晶體三極管整形成TTL電平。采用滯回比較器,能夠提高電路的抗干擾能力,本系統(tǒng)將滯回比較器的閾值電壓設(shè)為0.4V,能夠有效濾除放大后幅值小于0.4V的干擾信號,并得到與輸入信號同頻率、占空比為50%的方波。電路如圖2所示。圖2信號鑿形電路4.3相位差檢測電路由兩
20、個J-K觸發(fā)器組成的邊沿觸發(fā)型相位差檢測電路如圖3所示。F1的輸出Q1和Q分別1接F2的J2和K2,所以F2在CLK2端受下跳沿觸發(fā)后,建立的狀態(tài)與F1相同;F2的輸出Q2和Q分別接F1的K1和J1所以F1在CLK1端受下跳沿觸發(fā)后,建立的狀態(tài)與F2相反。根據(jù)上述特2點,并考慮到F1和F2是下跳沿觸發(fā)的J-K觸發(fā)器,可畫出Q1和Q的輸出波形以及經(jīng)過與非門后的輸出脈沖波形,如圖4所示。V(V2圖3相應(yīng)益檢測電路V-TLrmr*卜列卜31)V1飛廠LTLFLQiImQzJI_IL叭帀Ra)v,T-TLTLrT+go強匕飛rmnQjt_rLQrr_t一_l叫_i77i一mvtn_njLTL制卜0(衛(wèi)
21、2花)LrLTLTLJI-Tv.l=圖4升波形圖4(c)中實線波形對應(yīng)帖0-,虛線波形對應(yīng)帖。+。由圖4可見,輸出電壓平均值。與相位差0成線性關(guān)系罟心紗ro*旳4.4校正電路標(biāo)準(zhǔn)正弦信號由ICL8038產(chǎn)生,經(jīng)反相后分成兩路信號,即標(biāo)準(zhǔn)相位差為180,用于對待測信號V1,V2的相位差進行校正,提咼精度。4.5信號的采集、處理及顯示信號從P3.3和P3.5輸入,從P3.5輸入的信號用于測量方波的頻率時作用,而P3.3信號時用于測量正脈沖信號寬度時作用。設(shè)計思路對于測量頻率:采用定時閘門計數(shù)方法測量脈沖頻率。設(shè)定時器/計數(shù)器0為定時方式,提供100MS的基準(zhǔn)閘門時間TR。在10TR期間,定時器/計
22、數(shù)器1對外部脈沖進行計數(shù),所獲得的計數(shù)值M即為被測脈沖信號的頻率。設(shè)定時器/計數(shù)器參數(shù)設(shè)定定時器/計數(shù)器0用來提供100MS的基準(zhǔn)閘門時間,單片機時鐘振蕩器頻率f為6MHZ,osc定時器/計數(shù)器1對外部脈沖進行計數(shù)。定時器/計數(shù)器0采用方式1,定時器狀態(tài)由內(nèi)部TR0控制啟停;定時器/計數(shù)器1采用方式1,計數(shù)器狀態(tài)由內(nèi)部TR1控制啟停。因此TM0D=01010001B=51H.T0的計數(shù)初值為fm=216xosc12式中,x=100msf=6MHz則oscm=216一x100 xlO-3x6X10612=15536=3CB0H程序見附錄1對于測量脈沖寬度:由外部引腳IN_TT控制計數(shù)器定時計數(shù)的
23、啟動,停止,高電平時啟動計數(shù),低電平時停止計數(shù)。當(dāng)INTT為高電平時,計數(shù)器中的計數(shù)值n為12分頻的時鐘頻率f的周期數(shù),則脈沖寬度oscT二12=xnWfosc定時器/計數(shù)器的控制字本程序中選用T1,方式1,外部INT1控制啟/停(GATE=1),及定時器方式(故TMOD=1001xxxxB.令TMOD=90H程序見附錄i計算公式12xn廠oscfO*2旳12Xosc結(jié)束語設(shè)計的順利完成是在設(shè)計者本人的多方努力和周圍老師、同學(xué)的提點下實現(xiàn)的,在設(shè)計周期內(nèi),本人為搞好設(shè)計工作,在校期間內(nèi)認(rèn)真學(xué)習(xí)參考各方面資料,做好筆記,總結(jié)精要,使其融匯于自己的思想概念。設(shè)計過程中由于本人的知識面單薄、認(rèn)識膚淺
24、,剛開始時遇到了很大的困難例如:原理模糊、思路混亂,不知從何下筆,從何著手。因此,在前期花了不少的時間來整理頭腦中的一些基本原理。在自己理清思路,初步形成意識后,對課題便有了更深一層次的理解和體會,從而抓住了方向和要點,進行多方面的選材和總結(jié)。從而進一步的鞏固了自己以前所學(xué)的知識,而且還學(xué)到了一些新的知識,最后在指導(dǎo)老師的幫助和審批下,給設(shè)計劃上了圓滿的句號。通過這次設(shè)計,在獲得知識之余,還加強了個人的單獨工作能力,得到了不少的收獲和心得。在思想方面上更加成熟,對個人能力和工作有著不可預(yù)計的幫助。最后還要感謝在設(shè)計過程中曾幫助過本人的老師、同學(xué)。1234567891010111214參考文獻胡
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26、.電力情報.1996譚小平,肖運紅.用單片機組成相位差計及在物理試驗中的應(yīng)用.江漢學(xué)報.1996李索文.相位差測量的一種簡明方法.淮北煤師院學(xué)報.2002。李兆鈞,王紅理.測量小相位差的一種方法.大學(xué)物理試驗.1999。張毅剛,付平,王麗.采用數(shù)字相關(guān)法測量相位差.計量學(xué)報.2000。鄧新浦,盧啟中,孫仲康.數(shù)字式相位差測量方法及精度分析.國防科技大報單片機課程設(shè)計 附錄一MAIN:SJMPMSFC;跳轉(zhuǎn)到MSFCMOVR4,#64HSSS:MOVTMOD,#01H;設(shè)定TO狀態(tài)字MOVTL0,#0CHMOVTH0,#0FEH;計數(shù)器TH,TL0裝入初值SETBTR0;開始計時SSS1:JBC
27、TF0,SSS2SJMPSSS1SSS2:DJNZR4,SSSCLRTR0SJMPSTWSJMPMAIN;跳轉(zhuǎn)到STWMSFC:MOVTMOD,#51H;設(shè)T0,T1控制字MOVR0,#0AH;100MS定時的10倍擴展MOVTL1,#00H;T1計數(shù)器清零MOVTH1,#00HMOVTL0,#0B0HMOVTH0,#3CH;T0計數(shù)器裝入計數(shù)初值SETBP3.5;置T1引腳為輸入方式JBP3.5;等待為低電平SETBTR0;動丁0計數(shù)SETBTR1;啟動T1計數(shù)WAIT:JBCTF0,SECC;查詢100MS定時時間,定時時間到,轉(zhuǎn)SECCSJMPWAIT;100MS定時未到,等待SECC:
28、MOVTL0,#0B0H;重裝計數(shù)初值MOVTH0,#3CHDJNZR0,WITH;查詢1S定時到,為轉(zhuǎn)到WAITCLRTR1;1S定時到,停止T1計數(shù)CLRTR0;停止T0計數(shù)MOV31H,TH1MOV30H,TL1;將丁1計數(shù)值M送入31H,30HMOVR3,0AHMOVA,31HMOVB,R3;給R3賦初值DIVAB;AB中兩無符號相除,纟口果商在A,余數(shù)在BMOV50H,AMOV51H,BMOVA,30HMOVB,R3;把A中的數(shù)送入50H單元DIVABMOV52H,A;AB中兩無符號相除,纟口果商在A,余數(shù)在BMOV53H,BIOLED4:MOVR1,#50HMOVR2,#0FEHDISC:MOVA,R2MOVP2,AMOVA,R1MOVDPTR,#TABMOVCA,A+DPTRMOVP0,ALCALLDELAYINCR1MOVA,
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