CN101734114A - 集载重计算和建议速度于一体的无线胎压检测器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种集载重计算和建议速度于一体的无线胎压检测器，属于汽车电子行业的辅助驾驶领域。本发明包括安装在各个轮胎内部的检测单元和安装在驾驶舱的中央控制单元组成。检测单元由传感器、信号处理器、无线发射器组成。中央控制单元由无线接收器、信号处理器、LCD液晶显示屏和功能选择键组成。所述的功能选择键包括载重选择键和速度选择键。该检测器在Load键按下时计算当前平均胎压，在Load键再次按下时纪录胎压值并计算轮胎压力差，然后将压力差乘以相应的系数得到载重并通过液晶屏显示。该检测器在Speed键按下时纪录胎压值并与给定的四档压力差阈值比较给出该路面情况下的建议行驶速度，实现一定的辅助驾驶功能。

Description

集载重计算和建议速度于一体的无线胎压检测器

技术领域

本发明是一种集载重计算和建议速度于一体的无线胎压检测器，属于汽车电子行业的辅助驾驶领域，尤其是为安全驾驶而进行的胎压检测、汽车载重及建议行驶速度的辅助计算。

背景技术

随着社会和经济的发展，汽车已经成为人们日常出行使用最多的交通工具。安全行驶是每一个驾驶员的愿望。影响行驶安全的因素非常多，轮胎胎压是其中一个因素。目前，无线胎压监控系统(TPMS)在国外很多的高档轿车中已经得到了应用，国内的研究处于研究开发阶段。无线胎压监控系统的主要特点是能够监控汽车轮胎的压力，在压力过大或压力不足时及时向司机报警，以免因轮胎爆胎或欠压而发生交通事故。国内外现有的无线胎压检测系统主要由安装在轮胎内部的检测单元和安装在驾驶舱的中央控制单元组成。检测单元主要包括压力传感器、温度传感器、信号处理器和无线发射器；中央控制单元主要包括无线接收器、信号处理器和LED显示报警。工作原理是：轮胎的压力和温度分别由压力和温度检测器检测到，A/D转换后送往信号处理器，信号处理器将数据打包后给无线发射器发送出去。中央控制单元接收到信号后首先判断发射信号的轮胎位置，然后再判断压力和温度是否超过了阈值，如果超过了就点亮相应的LED灯报警。

然而现有的无线胎压监控系统大部分采用LED来给司机提示报警信息显得有些呆板，同时，这些系统的功能相对单一，只实现胎压和胎温的监控和报警功能，没有充分利用轮胎的压力进行汽车载重及建议行驶速度等辅助驾驶功能的开发。

发明内容

本发明的目的在于克服现有无线胎压检测器只具有对轮胎压力的监控功能和LED呆板的显示功能，提出了一种具有胎压监控功能、辅助测量载重功能和根据路面的平坦程度给出司机建议行驶速度的计算方法，并利用LCD液晶显示屏为司机显示胎压、载重和建议行驶速度等信息。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

本发明的硬件部分包括安装在各个轮胎内部的检测单元和安装在驾驶舱的中央控制单元组成。检测单元主要由压力传感器、温度传感器、信号处理器和无线发射器组成。压力传感器、温度传感器分别与信号处理器连接，将测量到的压力信号和温度信号传递给信号处理器。信号处理器将信号处理完后由无线发射器将信号发射出去。中央控制单元主要由无线接收器、信号处理器、功能选择键和LCD液晶显示屏组成。所述的功能选择键包括载重选择键(Load键)和速度选择键(Speed键)。无线接收器、功能选择键和LCD液晶显示屏分别与信号处理器相连接。中央控制单元首先通过无线接收器接收信号，然后识别传送信号信息的轮胎编号来判断轮胎位置。当载重选择键被按下时，信号处理器进行载重运算并将计算结果发送给LCD液晶显示屏进行显示，当超载时报警；当速度选择键被按下时，信号处理器进行建议行驶速度的计算，并将计算结果发送LCD液晶显示屏进行显示。

当所述的载重选择键被按下时，对汽车载重进行辅助计算，计算过程如下：

首先测量装入货物前后的四个轮胎(假设为四轮汽车，其它类推)的压力变化值ΔF₁，ΔF₂，ΔF₃，ΔF₄，然后将压力变化值乘以相应的权重W₁、W₂、W₃、W₄来得到最终装载的货物重量L，即

L＝W₁×ΔF₁+W₂×ΔF₂+W₃×ΔF₃+W₄×ΔF₄。

其中，权重W₁、W₂、W₃、W₄为待标定的参数，它随着车辆及轮胎型号的不同而不同，在使用前要进行标定，标定过程如下：

1)安装硬件后开启检测单元和中央控制单元的电源，使其开始工作；

2)分别为每个轮胎设定一个待标定参数W₁、W₂、W₃、W₄，记录空载时的每个轮胎压力值Fb₁、Fb₂、Fb₃、Fb₄。

3)将质量为M₁的货物装入车辆，并记录此时每一个轮胎的压力值Fl₁₁、Fl₂₁、Fl₃₁、Fl₄₁。此时的载重可由公式

(W₁×(Fl₁₁-Fb₁)+W₂×(Fl₂₁-Fb₂)+W₃×(Fl₃₁-Fb₃)+W₄×(Fl₄₁-Fb₄))/4＝M₁计算得到。

4)将步骤3)中装入的质量为M₁的货物卸下，然后再将质量为M₂的货物装入车辆并重复第3步，得到公式

(W₁×(Fl₁₂-Fb₁)+W₂×(Fl₂₂-Fb₂)+W₃×(Fl₃₂-Fb₃)+W₄×(Fl₄₂-Fb₄))/4＝M₂，

5)重复步骤3)，分别将质量为M₃、M₄的货物装入车辆，并根据步骤3)中的公式得到此时的载重计算式；

6)从步骤3)～步骤5)这四个计算式解出一组W₁、W₂、W₃、W₄的值；

7)重复步骤3)～步骤6)3次，能够再解出3组W₁、W₂、W₃、W₄的值，最后将得到4组W₁、W₂、W₃、W₄值，分别对每个权值取平均值，该平均值即为最终得到的W₁、W₂、W₃、W₄的标定值。

当所述的速度选择键被按下时，对建议速度进行辅助计算，计算过程如下：

首先对不同路面的轮胎压力阈值参数进行标定，并将标定得到的压力阈值存储入中央控制单元中，在汽车行驶过程中，当速度选择键被按下时，中央控制单元根据行驶路面情况及每个轮胎的压力变化值给定一建议行驶速度；

对不同行驶路面的轮胎压力阈值的标定过程如下：

1)开启检测单元和中央控制单元的电源，使其开始工作；

2)在第一种路面(如沥青混凝土路面)上，以80-120km/h的速度匀速行驶100米，在行驶过程中，记录每个轮胎的最大压力值和最小压力值，然后计算最大压力值和最小压力值之间的压差；以100米为间隔，保持行驶速度不变，再继续向前行驶3次，并计算每个轮胎的最大压力值和最小压力值之间的差值；这样每个轮胎都得到4次压差值，然后对每个轮胎的4次压差值分别取平均值，得到的4个平均值分别作为在第一种路面上四个轮胎的压力阈值κ₁₁，κ₁₂，κ₁₃，κ₁₄；

3)将汽车行驶在第二种路面(如沥青碎石路面)上，以60-80km/h(千米/小时)的速度匀速行驶，重复步骤2)，得到在第二种路面上四个轮胎的阈值参数κ₂₁，κ₂₂，κ₂₃，κ₂₄；

4)将汽车行驶在第三种路面(如沙石路面)上，以40-60km/h的速度匀速行驶，重复步骤2)，得到在第三种路面上四个轮胎的阈值参数κ₃₁，κ₃₂，κ₃₃，κ₃₄；

5)将汽车行驶在第四种路面(如沙土路面)上，以20-40km/h的速度匀速行驶，重复步骤2)，得到在第四种路面上四个轮胎的阈值参数κ₄₁，κ₄₂，κ₄₃，κ₄₄；

在行驶过程中，中央控制单元实时接收安装在轮胎内部的各检测单元的发射信号，得到四个轮胎在行驶过程中某段时间(如一分钟)内的最大压力值和最小压力值之间的压力差值ΔN₁，ΔN₂，ΔN₃，ΔN₄，当速度选择键被按下时按下式计算

${\mathrm{\γ}}_i=\sqrt{{(\mathrm{\Δ}{N}_1-K_{i1})}^2+{(\mathrm{\Δ}{N}_2-K_{i2})}^2+{(\mathrm{\Δ}{N}_3-K_{i3})}^2+{(\mathrm{\Δ}{N}_4-K_{i4})}^2}$ 其中：i＝1，2，3，4

上式计算得到的γ₁，γ₂，γ₃，γ₄中的最小值对应的那组阈值参数作为与目前车辆行驶路面最接近的阈值参数，然后将这组阈值对应的速度作为建议行驶速度。

本发明的处理过程如下：

检测单元的发射部分首先将I/O口和无线发射器初始化，然后对采集到的信号进行A/D转换，转换完毕后将采集到的信号数据放入指定地址。无线发射器取出指定地址中的数据并加入自己轮胎的编号给数据打包，并以一定的频率将数据发射出去。当有两个以上的无线发射器同时发射数据时，采用时序差的方法，即第1个以1s的时间间隔向外发送数据，第2个以1.5s的时间间隔向外发送数据，以此类推。

中央控制单元的接收部分首先将I/O口和无线发射器初始化，然后判断Load键是否按下，如果按下进行载重计算，先计算当前平均胎压并显示。在Load键再次按下时再次记录胎压值，并计算轮胎压力差，然后将压力差乘以相应的系数得到载重并显示。再判断Speed键是否按下，如果按下则进行建议行驶速度计算。如果以上两个键都没有按下，则进行实时胎压监控。在胎压监控时，中央控制单元的无线接收器监听空中信号，当收到数据包后将数据包解析并提取出轮胎号、胎压、胎温。如果胎压胎温超出阈值则显示报警，如果在阈值之内则显示胎压正常。

与现有的检测装置相比，本发明具有如下优点：

该检测器不仅能检测轮胎胎压，还能通过轮胎胎压辅助计算车辆载重及根据胎压的变化给驾驶员提供建议行驶速度实现一定的辅助驾驶功能，提高了驾驶安全。

附图说明

图1本发明的系统原理框图；

图2本发明的检测单元电路原理图；

图3本发明的中央控制单元电路原理图；

图4本发明的软件部分流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

首先安装轮胎内部的检测单元和驾驶舱的中央控制单元。检测单元包括压力传感器、温度传感器、信号处理器和无线发射器，压力传感器、温度传感器分别与信号处理器连接，将测量到的压力信号和温度信号传递给信号处理器，信号处理器将信号处理后由无线发射器将信号发射出去。中央控制单元主要由无线接收器、信号处理器、功能选择键和LCD液晶显示屏组成。所述的功能选择键包括载重选择键(Load键)和速度选择键(Speed键)。无线接收器、功能选择键和LCD液晶显示屏分别与信号处理器相连接。中央控制单元首先通过无线接收器接收信号，然后识别传送信号信息的轮胎编号来判断轮胎位置。

为了达到无线胎压检测装置的体积小、能耗低、使用寿命长等实际要求，本实施例采用工作电压为3.3V的89LV51单片机作为检测单元的信号处理器。输入电压是+5V的直流信号，利用1117稳压芯片转成+3.3V的电压给89LV51单片机和无线发射器PTR8000供电。

无线发射器PTR8000通过引脚2、4、6、7、8等与89LV51单片机相连，A/D转换芯片ADC0809的数据口D0-D7与89LV51单片机的P0.0-P0.7相连，芯片74SL373的D1-D8与89LV51单片机的P0.0-P0.7相连，芯片74LS93的CKA与89LV51单片机的ALE相连。89LV51单片机的晶振为12MHZ，这样ALE引脚输出信号的频率为2MHZ。A/D转换芯片ADC0809的工作时钟为1MH左右，所以利用计数器芯片74LS93将ALE引脚上的频率信号二分频后与ADC0809相连从而得到其工作时钟。由于89LV51单片机的P0脚是数据地址复用的，所以利用74SL373将数据锁存。压力传感器和温度传感器实时检测轮胎压力和温度，将检测到的信号传递给ADC0809。A/D转换结束后ECO引脚发出高电平，89LV51单片机利用P2.7脚来循环检测ECO，当收到高电平时就通过P0脚得到转化后的数字信号。然后，利用无线发射器PTR8000发送出去，实现信息的采集与发送。与检测单元的信号处理器一样，中央控制单元的信号处理器也采用89LV51单片机，其供电方式与检测单元一样，LCD液晶显示屏的输入电压为+5V。无线接收器PTR8000通过引脚2、4、6、7、8等与89LV51单片机相连，LCD液晶显示屏通过逻辑门芯片74LS00与89LV51单片机相连，89LV51单片机的晶振为12MHZ。三个按键与89LV51单片机的P1.7，P2.2，P2.6引脚相连。LCD液晶显示屏通过一个可变电阻来调节亮度。无线接收器PTR8000接收到信息后，传递给89LV51单片机进行信息的识别与处理，处理完成后通过LCD液晶显示屏实现信息显示与报警。

硬件完成后，进行参数标定。首先标定用于汽车载重计算的权重W₁、W₂、W₃、W₄，标定过程如下：

1)安装硬件后开启检测单元和中央控制单元的电源，使其开始工作，记录空载时的每个轮胎压力值Fb₁、Fb₂、Fb₃、Fb₄。

3)将质量为100kg的货物装入车辆，并记录此时每一个轮胎的压力值Fl₁₁、Fl₂₁、Fl₃₁、Fl₄₁。此时的载重可由公式

(W₁×(Fl₁₁-Fb₁)+W₂×(Fl₂₁-Fb₂)+W₃×(Fl₃₁-Fb₃)+W₄×(Fl₄₁-Fb₄))/4＝100计算得到。

4)将步骤3)中装入的货物卸下，然后将质量为1000kg的货物装入车辆并重复第3步，通过下式计算载重量：

(W₁×(fl₁₂-Fb₁)+W₂×(Fl₂₂-Fb₂)+W₃×(Fl₃₂-Fb₃)+W₄×(Fl₄₂-Fb₄))/4＝1000，

5)重复步骤3)分别将质量为2000kg、5000kg的货物装入车辆，并根据步骤3)中的公式得到此时的载重计算式；

6)从步骤3)～步骤5)这四个计算式解出一组W₁、W₂、W₃、W₄的值；

7)再分别将不同质量的货物装入车辆，重复步骤3)～步骤6)3次，再解出3组W₁、W₂、W₃、W₄的值，最后将这4组值中的W₁、W₂、W₃、W₄分别取平均值，最终得到W₁、W₂、W₃、W₄的标定值。

当速度选择键被按下时，信号处理器是按如下方法计算建议速度的：

首先对不同路面的轮胎压力阈值参数进行标定，并将标定得到的压力阈值存储入中央控制单元中，在汽车行驶过程中，当速度选择键被按下时，中央控制单元根据行驶路面情况及每个轮胎的压力变化值给定一建议行驶速度；

对不同行驶路面的轮胎压力阈值的标定过程如下：

1)开启检测单元和中央控制单元的电源，使其开始工作；

2)在沥青混凝土路面上，以100km/h的速度匀速行驶100米，在行驶过程中，记录每个轮胎的最大压力值和最小压力值，然后计算最大压力值和最小压力值之间的压差；以100米为间隔，保持行驶速度不变，再继续向前行驶3次，并计算每个轮胎的最大压力值和最小压力值之间的差值；这样每个轮胎都得到4次压差值，然后对每个轮胎的4次压差值分别取平均值，得到的4个平均值分别作为在第一种路面(沥青混凝土路面)上四个轮胎的压力阈值κ₁₁，κ₁₂，κ₁₃，κ₁₄；

3)将汽车行驶在沥青碎石路面上，以70km/h的速度匀速行驶，重复步骤2)，得到在第二种路面(沥青碎石路面)上四个轮胎的阈值参数κ₂₁，κ₂₂，κ₂₃，κ₂₄；

4)将汽车行驶在沙石路面上，以50km/h的速度匀速行驶，重复步骤2)，得到在第三种路面(沙石路面)上四个轮胎的阈值参数κ₃₁，κ₃₂，κ₃₃，κ₃₄。

5)将汽车行驶在沙土路面上，以30km/h的速度匀速行驶，重复步骤2)，得到在第四种路面(沙土路面)上四个轮胎的阈值参数κ₄₁，κ₄₂，κ₄₃，κ₄₄。

在完成上述硬件部分和参数标定后，将软件进行下载。软件运行后检测单元和中央控制单元首先分别进行I/O口和无线发射器、无线接收器的初始化。检测单元配置完无线发射器的参数后对采集到的压力与温度信号进行A/D转换，转换完毕后加入自己的轮胎编号对数据进行打包，并以一定的频率将数据发射出去。当有两个以上的无线发射器同时发射数据时，采用时序差的方法，即第1个以1s的时间间隔向外发送数据，第2个以1.5s的时间间隔向外发送数据，以此类推。中央控制单元初始化完成后，判断Load键是否按下，如果按下进行载重计算，先计算当前平均胎压并显示。在Load键再次按下时再次纪录胎压值，并计算轮胎压力差ΔF₁，ΔF₂，ΔF₃，ΔF₄，然后将压力差乘以相应的权重系数W₁，W₂，W₃，W₄，得到载重：L＝W₁×ΔF₁+W₂×ΔF₂+W₃×ΔF₃+W₄×ΔF₄，并显示。中央控制单元根据接收的检测单元发射的信号，得到四个轮胎在行驶过程中的最大压力值和最小压力值之间的压力差值ΔN₁，ΔN₂，ΔN₃，ΔN₄，当速度选择键被按下时按下式计算

${\mathrm{\γ}}_i=\sqrt{{(\mathrm{\Δ}{N}_1-K_{i1})}^2+{(\mathrm{\Δ}{N}_2-K_{i2})}^2+{(\mathrm{\Δ}{N}_3-K_{i3})}^2+{(\mathrm{\Δ}{N}_4-K_{i4})}^2},$ 其中：i＝1，2，3，4

从γ₁，γ₂，γ₃，γ₄中选择最小的对应的那组阈值作为最接近的阈值参数，然后将这组阈值对应的速度作为建议行驶速度，并显示在该路面情况下的建议行驶速度。如果以上两个键都没有按下，则进行实时胎压监控。在胎压监控时，中央控制单元的无线接收器监听空中信号，当收到数据包后将数据包解析并提取出轮胎号、胎压、胎温。如果胎压胎温超出阈值则显示报警，如果在阈值之内则显示胎压正常。

Claims (3)

1.一种集载重计算和建议速度于一体的多功能无线胎压检测器，包括安装在各个轮胎内部的结构相同的检测单元和安装在驾驶舱的中央控制单元组成，所述的检测单元包括压力传感器、温度传感器、信号处理器和无线发射器，压力传感器、温度传感器分别与信号处理器连接，将测量到的压力信号和温度信号传递给信号处理器，信号处理器将信号处理后由无线发射器将信号发射出去；所述的中央控制单元包括无线接收器、信号处理器和LCD液晶显示屏，其特征在于：中央控制单元还包括功能选择键，所述的功能选择键包括载重选择键和速度选择键，无线接收器、功能选择键和LCD液晶显示屏分别与信号处理器相连接，信号处理器首先通过无线接收器接收检测单元中的无线发射器发射的信号，然后识别传送信号信息的轮胎编号来判断轮胎位置，当载重选择键被按下时，信号处理器进行载重运算并将计算结果发送给LCD液晶显示屏进行显示，当超载时报警；当速度选择键被按下时，信号处理器进行建议行驶速度的计算，并将计算结果发送LCD液晶显示屏进行显示。

2.根据权利要求1所述的一种集载重计算和建议速度于一体的多功能无线胎压检测器，其特征在于：当所述的载重选择键被按下时，信号处理器是按如下方法进行载重计算的：

假设为四轮车辆

首先测量装入货物前后的四个轮胎的压力变化值ΔF₁，ΔF₂，ΔF₃，ΔF₄，然后将压力变化值乘以各个轮胎的相应权重W₁、W₂、W₃、W₄来得到最终装载的货物重量L，即

L＝W₁×ΔF₁+W₂×ΔF₂+W₃×ΔF₃+W₄×ΔF₄。

其中：权重W₁、W₂、W₃、W₄为待标定的参数，在使用前要进行标定，标定过程如下：

1)开启检测单元和中央控制单元的电源，使其开始工作；

2)分别为每个轮胎设定一个待标定权重W₁、W₂、W₃、W₄，记录空载时的每个轮胎压力值Fb₁、Fb₂、Fb₃、Fb₄；

3)将质量为M₁的货物装入车辆，并记录此时每一个轮胎的压力值Fl₁₁、Fl₂₁、Fl₃₁、Fl₄₁，此时车辆的载重M₁由下式计算：

(W₁×(Fl₁₁-Fb₁)+W₂×(Fl₂₁-Fb₂)+W₃×(Fl₃₁-Fb₃)+W₄×(Fl₄₁-Fb₄))/4＝M₁

4)将步骤3)中装入的质量为M₁的货物卸下，然后再将质量为M₂的货物装入车辆，并记录此时每一个轮胎的压力值Fl₁₁、Fl₂₁、Fl₃₁、Fl₄₁，得到此时的载重为：(W₁×(Fl₁₂-Fb₁)+W₂×(Fl₂₂-Fb₂)+W₃×(Fl₃₂-Fb₃)+W₄×(Fl₄₂-Fb₄))/4＝M₂

5)重复步骤3)，分别将质量为M₃、M₄的货物装入车辆，并根据步骤3)中的公式得到此时的载重计算式；

6)从步骤3)～步骤5)这四个计算式解出一组W₁、W₂、W₃、W₄的值；

7)重复步骤3)～步骤6)3次，能够再解出3组W₁、W₂、W₃、W₄的值，最后将得到4组W₁、W₂、W₃、W₄值，分别对每个权值取平均值，该平均值即为最终得到的W₁、W₂、W₃、W₄的标定值。

3.根据权利要求1所述的一种集载重计算和建议速度于一体的多功能无线胎压检测器，其特征在于：当所述的速度选择键被按下时，信号处理器是按如下方法计算建议速度的：

首先对不同路面的轮胎压力阈值参数进行标定，并将标定得到的压力阈值存储入中央控制单元中，在汽车行驶过程中，当速度选择键被按下时，中央控制单元根据行驶路面情况及每个轮胎的压力变化值给定一建议行驶速度；

对不同行驶路面的轮胎压力阈值的标定过程如下：

1)开启检测单元和中央控制单元的电源，使其开始工作；

2)在第一种路面上，以80～120km/h的速度匀速行驶100米，在行驶过程中，分别记录每个轮胎的最大压力值和最小压力值，然后计算最大压力值和最小压力值之间的压差；以100米为间隔，保持行驶速度不变，再继续向前行驶3次，并计算每个轮胎的最大压力值和最小压力值之间的差值；这样每个轮胎都得到4次压差值，然后对每个轮胎的4次压差值分别取平均值，得到的4个平均值分别作为在第一种路面上四个轮胎的压力阈值κ₁₁，κ₁₂，κ₁₃，κ₁₄；

3)将汽车行驶在第二种路面上，以60～80km/h的速度匀速行驶，重复步骤2)，得到在第二种路面上四个轮胎的阈值参数κ₂₁，κ₂₂，κ₂₃，κ₂₄；

4)将汽车行驶在第三种路面上，以40～60km/h的速度匀速行驶，重复步骤2)，得到在第三种路面上四个轮胎的阈值参数κ₃₁，κ₃₂，κ₃₃，κ₃₄；

5)将汽车行驶在第四种路面上，以20～40km/h的速度匀速行驶，重复步骤2)，得到在第四种路面上四个轮胎的阈值参数κ₄₁，κ₄₂，κ₄₃，κ₄₄；

在行驶过程中，中央控制单元实时接收安装在轮胎内部的各检测单元的发射信号，得到四个轮胎在行驶过程中的压力变化值ΔN₁，ΔN₂，ΔN₃，ΔN₄，当速度选择键被按下时按下式计算

${\mathrm{\γ}}_i=\sqrt{{(\mathrm{\Δ}{N}_1-K_{i1})}^2+{(\mathrm{\Δ}{N}_2-K_{i2})}^2+{(\mathrm{\Δ}{N}_3-K_{i3})}^2+{({\mathrm{\ΔN}}_4-K_{i4})}^2},$

其中：i＝1，2，3，4；

上式计算得到的γ₁，γ₂，γ₃，γ₄中的最小值对应的那组阈值参数作为与目前车辆行驶路面最接近的阈值参数，然后将这组阈值参数对应的速度作为建议行驶速度。

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