CN104486182B - 一种串行Modbus扩展通信的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种串行Modbus扩展通信的方法，串行Modbus扩展通信支持的物理层与串行Modbus标准通信相同的物理层；设备在进入串行Modbus扩展通信模式后，采用64bit地址字段进行通信；串行Modbus扩展通信支持单播、广播无应答、广播有应答三种通信模式；从站进入串行Modbus扩展通信模式后，在未接收到新指令超时后自动退出串行Modbus扩展通信模式，或通过EXIT强制退出命令强制退出串行Modbus扩展通信模式。本发明的串行Modbus扩展通信的方法能够使得设备在Modbus地址未初始化或出现冲突时，还能与Modbus设备进行通信，可以枚举出无故障在线的所有从站，方便在线对串行Modbus网络进行故障诊断、安装、调试；可以方便设备的资产管理和问题跟踪。
Description
技术领域
本发明涉及通信的技术领域，特别是涉及一种串行Modbus扩展通信的方法。
背景技术
串行Modbus协议是国际标准的现场通信总线的一种。当在一Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。
由于具有实现方式简单、实现成本较低、支持的厂商及设备多等优点，串行Modbus协议在楼宇控制、工业现场控制等领域有着广泛的应用。
然而，串行Modbus协议本身具有一定的局限性，例如必须采用主从方式、寻址空间只有8bit。这就要求一条总线上的设备具有唯一的8bit地址(实际只能使用0～247)，否则会造成通信异常。由于地址只有8bit，通常只能在现场设置，因此，串行Modbus协议具有设置不便、容易冲突等缺陷。
现有技术中，地址设置方式通常采用以下方法：
(1)拨码开关的方法
该方法设计简单，但存在拨码开关本身质量不是很可靠的问题；同时，由于拨码开关需要占用一定的PCB及外壳开窗，对一些小型化的产品不是很适用。
(2)独立编程的方法
该方法须采用电脑或专用的编程器，且只连接待设置的一个设备，并对其设置地址。不足之处是需要设备脱离总线进行地址的设置。
3)选中编程的方法
该方法通常采用电脑作为主站连接待设置设备所在总线，电脑发送设置地址的广播指令，只有被选中的设备才会响应。因此，通常采用设备上额外的按键设置设备处于选中状态。
综上所述，现有技术虽然已经可以解决初始安装时串行Modbus地址的设置问题，但在运维过程中，对于诊断、定位和修复Modbus总线地址冲突等异常问题的解决还是比较繁琐和低效的。例如在无法准确定位故障设备前，可能需要采用尝试法逐个将设备脱离总线来进行定位和排除故障，从而导致操作繁琐，效率低下的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种串行Modbus扩展通信的方法，能够实现串行Modbus总线出现异常时的故障诊断、定位和修复，也便于串行Modbus总线安装时的地址等参数的初始化设置工作。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种串行Modbus扩展通信的方法，串行 Modbus扩展通信支持的物理层与串行Modbus标准通信相同的物理层；设备在进入串行 Modbus扩展通信模式后，采用64bit地址字段进行通信；串行Modbus扩展通信支持单播、广播无应答、广播有应答三种通信模式；从站进入串行Modbus扩展通信模式后，在未接收到新指令超时后自动退出串行Modbus扩展通信模式，或通过EXIT强制退出命令强制退出串行Modbus扩展通信模式。
根据上述的串行Modbus扩展通信的方法，其中：串行链路的Modbus帧的协议数据单元由地址字段、功能码、数据和校验域组成。
根据上述的串行Modbus扩展通信的方法，其中：串行Modbus扩展通信的地址字段为 64bit，有效地址为0～0xFFFF FFFF FFFF FFF0，其中0为广播地址，其余为保留地址。
根据上述的串行Modbus扩展通信的方法，其中：地址字段由8bit的地址长度和不定长度的地址组成；所述地址为出厂设置的全球唯一的地址或产品序列号。
根据上述的串行Modbus扩展通信的方法，其中：
所述单播模式下，主站寻址单个从站，从站接收并处理完请求之后，向主站返回一个报文；
所述广播无应答模式下，主站向所有从站发送写请求，从站不应答；
所述广播有应答模式下，主站向所有从站发送读请求，每个从站都应答。
根据上述的串行Modbus扩展通信的方法，其中：在Modbus扩展通信模式下，不响应标准Modbus帧。
根据上述的串行Modbus扩展通信的方法，其中：触发串行Modbus扩展通信模式的方式为：主站按固定间隔发送两次串行模式初始化命令，如从站确认收到两次初始化命令，并且中间无其它数据，则进入串行Modbus扩展通信模式，其中从站无应答。
根据上述的串行Modbus扩展通信的方法，其中：串行Modbus扩展通信模式的自动退出方式为：在从站进入串行Modbus扩展通信模式后，从站自动开启一个倒计时定时器；从站每次收到串行Modbus扩展通信指令时重置倒计时定时器；当倒计时定时器的计时到达时，自动退出扩展通信模式，其中从站无应答。
根据上述的串行Modbus扩展通信的方法，其中：所述广播有应答模式包括以下内容：
主站向所有从站发送有应答的广播命令；
从站在接收到有应答的广播命令后，处于随机等待时间Trandom；
等待Trandom时间后，从站执行检测发言动作，检测总线是否空闲；
如从站检测到总线空闲则发送一个发言声明帧；从站再等待Tcheck时间用于确认总线是否空闲；如Tcheck时间内总线空闲，则从站发送应答帧；如Tcheck时间内检测到数据，则从站重新随机等待Trandom时间；
如从站未检测到总线空闲，则继续等待Trandom时间；如从站在等待Trandom时间后检测到最近Tidle时间内总线被占用，则继续等待，直至Tidle时间内总线为空闲的，从站再发送一个发言声明帧；
主站在总线空闲Ttimeout后可以发送下一条有应答的广播命令。
根据上述的串行Modbus扩展通信的方法，其中：主站自动设置所有从站的地址时，包括以下步骤：
步骤S71、主站发送进入串行Modbus扩展通信模式的初始化命令至从站；
步骤S72、主站等待Tdelay时间；
步骤S73、主站再次发送进入串行Modbus扩展通信模式的初始化命令至从站；
步骤S74、主站发送读取参数命令功能的枚举地址命令至从站；
步骤S75、主站循环读取从站的64bit地址；
步骤S76、主站等待Ttimeout时间，确保主站下次发送数据前，所有从站数据已发送数据完毕，总线空闲；
步骤S77、主站按顺序设置从站Modbus地址；
步骤S78、主站发送EXIT强制退出命令退出串行Modbus扩展通信模式。
如上所述，本发明的串行Modbus扩展通信的方法，具有以下有益效果：
(1)能够使得设备在Modbus地址未初始化或出现冲突时，还能与Modbus设备进行通信，方便在线对串行Modbus网络进行故障诊断、安装、调试，无需物理上脱离网络；
(2)支持串行Modbus扩展通信模式的设备可以方便地将Modbus地址与设备全球唯一的地址相对应，上层应用程序无需扩展地址；
(3)可以方便设备的资产管理和问题跟踪。
附图说明
图1显示为本发明的串行Modbus扩展通信系统的结构示意图；
图2显示为本发明的串行链路的Modbus帧中协议数据单元的结构示意图；
图3显示为本发明的串行Modbus扩展通信地址字段；
图4显示为本发明的单播模式的主/从站通信时序图；
图5显示为本发明的广播无应答模式的主/从站通信时序图；
图6显示为本发明的广播有应答模式的主/从站通信时序图；
图7显示为本发明的自动设置从站地址流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明的串行Modbus扩展通信的方法包括以下内容：
(1)串行Modbus扩展通信支持的物理层与串行Modbus标准通信(GB/T 19582.2-2008) 相同的物理层。
具体地，串行Modbus扩展通信采用与串行Modbus标准通信相同的物理层，安装EIA/TIA-485(也称RS485标准)进行电气接口。该RS485标准允许标准“两线配置”的点对点和多点系统，此外一些设备可以实现“四线配置”RS485接口。
与串行Modbus标准系统一样，在串行Modbus扩展通信系统中，同一时间只能有一个主站设备和一个或几个从站设备在一个无源串行链路上进行通信。每台设备可以直接接到干线电缆上，或经分支电缆连接到一个无源分支器，或经专用电缆连接到一个有源分支器。典型的串行Modbus扩展通信系统的拓扑图如图1所示。其中，Master为主站、Slave为从站、Passive Tap为无源分支器、Active Tap为有源分支器。ITr为干线接口，以及级干线之间的接口。IDv 为分支接口，设备和无源分支器间的接口。AUI为附属单元接口，以及设备和有源分支器间的接口。LT为终端匹配电阻。
串行Modbus扩展通信的通信帧格式与串行Modbus标准的通信帧格式类似。如图2所示，串行Modbus扩展通信链路的Modbus帧的协议数据单元(PDU)由地址字段、功能码、数据、校验域组成。
(2)设备在进入串行Modbus扩展通信模式后，采用64bit地址字段进行通信。
具体地，与串行Modbus标准通信只有8bit的地址字段不同，本发明的地址字段由8bit 的地址长度和不定长度的地址组成，如图3所示。优选地，串行Modbus扩展通信的地址字段为64bit，有效地址为0～0xFFFF FFFF FFFF FFF0，其中0为广播地址，其余为保留地址。其中，地址为出厂设置的全球唯一的地址或产品序列号
(3)串行Modbus扩展通信支持单播、广播无应答、广播有应答三种通信模式。
串行Modbus扩展通信在串行Modbus标准通信的单播模式和广播无应答模式外，还支持广播有应答通信模式。下面详细介绍一下上述三种通信模式：
A、单播模式
主站寻址单个从站(地址1～0xFFFF FFFF FFFF FFF0)，从站接收并处理完请求之后，向主站返回一个报文(即一个“应答”)。其中，单播模式的主/从站通信时序图如图4所示。
B、广播无应答模式
主站向所有从站(地址为0)发送写请求，从站不应答。其中，广播无应答模式的主/从站通信时序图如图5所示。
C、广播有应答模式
主站向所有从站(地址为0)发送读请求，每个从站都应答。在广播有应答模式下进行通信时，为兼顾效率和解决通信冲突问题，本发明采用了如图6所示的载波侦听和冲突检测通信机制发送应答数据。具体地，广播有应答模式包括以下内容：
1)主站向所有从站发送有应答的广播命令。
2)从站在接收到有应答的广播命令后，处于随机等待时间Trandom(例如，10-64个字节的传输时间)。
3)等待Trandom时间后从站执行检测发言动作，检测总线是否空闲。
4)如从站检测到总线空闲则发送一个发言声明帧；从站再等待Tcheck时间(例如，3 个字节的传输时间)用于确认总线是否空闲；如Tcheck时间内总线空闲，则从站发送应答帧；如Tcheck时间内检测到数据，则从站重新随机等待Trandom时间。
本发明的发言声明帧采用7个字节，主站无需回复，发言声明帧格式如表1所示。
其中，检测总线空闲类似于先进先出(FIFO)机制。假设有一个定时器，定时间隔为当前通信速率下一个字节通信所需花费的时间。假设Tidle的时间为10个字节传输所需花费的时间，定时器会定时刷新前10个时刻的总线状态。因此，Tidle的结束时间与Trandom的结束时间相同。检测总线空闲就是查看在从Tramdon结束算起向前倒退Tidle时间内总线是否空闲，只要查看定时器刷新的10个寄存器是否全为空闲即可。
表1、发言声明帧格式
| 内容 | 字节数 | 说明或示例 |
| 地址长度 | 1字节 | 固定为0x02 |
| 短地址 | 2字节 | 64位地址的低16位 |
| 功能码 | 1字节 | 固定为0x65 |
| 数据长度 | 1字节 | 固定为0x00 |
| CRC | 2字节 |
5)如从站未检测到总线空闲，则继续等待Trandom时间；如从站在等待Trandom时间后检测到最近Tidle时间内总线被占用，则继续等待，直至Tidle时间内总线为空闲的，从站再发送一个发言声明帧。
6)主站在总线空闲Ttimeout(例如，74字节的传输时间)后可以发送下一条有应答的广播命令。
(4)从站进入串行Modbus扩展通信模式后，在未接收到新指令超时后自动退出串行 Modbus扩展通信模式，或通过EXIT强制退出命令强制退出串行Modbus扩展通信模式。
在串行Modbus扩展通信模式下，不响应标准Modbus帧。
具体地，本发明的串行Modbus扩展通信模式是需要特殊指令触发的，从而避免偶然因素触发而导致系统错误。本发明中，触发串行Modbus扩展通信模式的方式为：主站按固定间隔Tdelay发送两次串行模式初始化命令INIT，如从站确认收到两次INIT命令，并且中间无其它数据，则进入串行Modbus扩展通信模式，其中从站无应答。为便于现场识别，从站可以用LED灯等方式指示进入串行Modbus扩展通信模式状态。需要说明的是，初始化命令INIT为串行Modbus标准通信系统中诊断功能0x08的保留子功能码，其格式如表2所示。
表2、初始化命令INIT的Modbus帧格式
| 内容 | 字节数 | 说明或示例 |
| 地址 | 1字节 | 固定为0x00，广播地址 |
| 功能码 | 1字节 | 固定为0x08 |
| 功能子码 | 2字节 | 固定为0x30，无需响应 |
| 数据 | 0字节 | |
| CRC | 2字节 |
串行Modbus扩展通信模式的退出采用超时自动退出和EXIT强制退出命令强制退出两种方式，以避免系统死锁在串行Modbus扩展通信模式，导致常规应用受影响。本发明中，串行Modbus扩展通信模式的自动退出方式为：在从站进入串行Modbus扩展通信模式后，从站自动开启一个时间为Texit的倒计时定时器；当到达Texit时，自动退出扩展通信模式，其中从站无应答。在串行Modbus扩展通信模式下，从站每次接收到串行Modbus扩展通信命令，就会重置该倒计时定时器，以避免在正常调试时需要反复重新进入串行Modbus扩展通信模式。
在通过EXIT强制退出命令强制退出串行Modbus扩展通信模式时，从站不应答。需要说明的是，EXIT强制退出命令帧格式如表3所示。
表3、强制退出命令EXIT帧格式
串行Modbus扩展通信设计了读取参数功能码0x66，该功能码支持单播及广播有应答两种通信模式，主站发送的读取参数命令帧格式如下表4所示。
表4、读取参数命令的帧格式
| 内容 | 字节数 | 说明或示例 |
| 地址长度 | 1字节 | 固定为0x04 |
| 短地址 | 4字节 | 64位地址,0x00为广播地址 |
| 功能码 | 1字节 | 固定为0x66 |
| 功能子码 | 1字节 | |
| 数据长度 | 1字节 | 值为N(0-255) |
| 数据 | Nx2字节 | 请求内容 |
| CRC | 2字节 |
从站采用载波侦听和冲突检测通信机制进行应答，从站发送的读取参数的响应帧格式如下表5所示。
表5、读取参数命令的响应帧格式
| 内容 | 字节数 | 说明或示例 |
| 地址长度 | 1字节 | 固定为0x04 |
| 短地址 | 4字节 | 64位地址,本机地址 |
| 功能码 | 1字节 | 固定为0x66 |
| 功能子码 | 1字节 | |
| 数据长度 | 1字节 | 值为N(0-255) |
| 数据 | Nx2字节 | 返回内容 |
| CRC | 2字节 |
从站的读取参数命令的错误响应帧格式格式如下表6所示。
表6、读取参数命令的错误响应帧格式
| 内容 | 字节数 | 说明或示例 |
| 地址长度 | 1字节 | 固定为0x04 |
| 短地址 | 4字节 | 64位地址,本机地址 |
| 功能码 | 1字节 | 固定为0xE6 |
| 功能子码 | 1字节 | |
| 数据长度 | 1字节 | 固定为0x01 |
| 异常码 | 2字节 | 错误码 |
| CRC | 2字节 |
本发明中，读取参数命令的子功能如表7所示。
表7、读取参数命令的的子功能
串行Modbus扩展通信设计了写参数功能码0x67，该功能码支持单播及广播无应答两种通信模式。主站发送的写参数命令帧格式如下表8所示。
表8、写参数命令的帧格式
从站在单播模式下应答，写参数命令的响应帧格式如表9所示。
表9、写参数命令的响应帧格式
| 内容 | 字节数 | 说明或示例 |
| 地址长度 | 1字节 | 固定为0x04 |
| 短地址 | 4字节 | 64位地址,本机地址 |
| 功能码 | 1字节 | 固定为0x67 |
| 功能子码 | 1字节 | |
| 数据长度 | 1字节 | 值为N(0-255) |
| 数据 | Nx2字节 | 返回内容 |
| CRC | 2字节 |
从站的写参数命令的错误响应帧格式如表10所示。
表10、写参数命令的错误响应帧格式
| 内容 | 字节数 | 说明或示例 |
| 地址长度 | 1字节 | 固定为0x04 |
| 短地址 | 4字节 | 64位地址,本机地址 |
| 功能码 | 1字节 | 固定为0xE7 |
| 功能子码 | 1字节 | |
| 数据长度 | 1字节 | 固定为0x01 |
| 异常码 | 2字节 | 错误码 |
| CRC | 2字节 |
本发明中，写参数命令的子功能如表11所示。
表11、写参数命令的子功能
参照图7，在串行Modbus扩展通信系统中，主站自动设置所有从站的地址包括以下步骤：
步骤S71、主站发送进入串行Modbus扩展通信模式的初始化命令INIT至从站。
步骤S72、主站等待Tdelay时间，期间不执行任何操作。
步骤S73、主站再次发送进入串行Modbus扩展通信模式的初始化命令INIT至从站。
步骤S74、主站发送读取参数命令功能的枚举地址命令至从站。
步骤S75、主站循环读取从站的64bit地址。
步骤S76、主站等待Ttimeout时间，确保主站下次发送数据前，所有从站数据已发送数据完毕，总线空闲。
步骤S77、主站按顺序设置从站Modbus地址。
步骤S78、主站发送EXIT强制退出命令退出串行Modbus扩展通信模式。
综上所述，本发明的串行Modbus扩展通信的方法能够使得设备在Modbus地址未初始化或出现冲突时，还能与Modbus设备进行通信，可以枚举出无故障在线的所有从站，方便在线对串行Modbus网络进行故障诊断、安装、调试，无需物理上脱离网络；支持串行Modbus扩展通信模式的设备可以方便地将Modbus地址与设备全球唯一的地址相对应，上层应用程序无需扩展地址；可以方便设备的资产管理和问题跟踪。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种串行Modbus扩展通信的方法，其特征在于，包括：
串行Modbus扩展通信支持的物理层与串行Modbus标准通信相同的物理层；
设备在进入串行Modbus扩展通信模式后，采用64bit地址字段进行通信；
串行Modbus扩展通信支持单播、广播无应答、广播有应答三种通信模式；
从站进入串行Modbus扩展通信模式后，在未接收到新指令超时后自动退出串行Modbus扩展通信模式，或通过EXIT强制退出命令强制退出串行Modbus扩展通信模式；
所述广播有应答模式包括以下内容：
主站向所有从站发送有应答的广播命令；
从站在接收到有应答的广播命令后，处于随机等待时间Trandom；
等待Trandom时间后，从站执行检测发言动作，检测总线是否空闲；
如从站检测到总线空闲则发送一个发言声明帧；从站再等待Tcheck时间用于确认总线是否空闲；如Tcheck时间内总线空闲，则从站发送应答帧；如Tcheck时间内检测到数据，则从站重新随机等待Trandom时间；
如从站未检测到总线空闲，则继续等待Trandom时间；如从站在等待Trandom时间后检测到最近Tidle时间内总线被占用，则继续等待，直至Tidle时间内总线为空闲的，从站再发送一个发言声明帧；
主站在总线空闲Ttimeout后可以发送下一条有应答的广播命令。
2.根据权利要求1所述的串行Modbus扩展通信的方法，其特征在于：串行链路的Modbus帧的协议数据单元由地址字段、功能码、数据和校验域组成。
3.根据权利要求1所述的串行Modbus扩展通信的方法，其特征在于：串行Modbus扩展通信的地址字段为64bit，有效地址为0～0xFFFF FFFF FFFF FFF0，其中0为广播地址，其余为保留地址。
4.根据权利要求1所述的串行Modbus扩展通信的方法，其特征在于：地址字段由8bit的地址长度和不定长度的地址组成；所述地址为出厂设置的全球唯一的地址或产品序列号。
5.根据权利要求1所述的串行Modbus扩展通信的方法，其特征在于：
所述单播模式下，主站寻址单个从站，从站接收并处理完请求之后，向主站返回一个报文；
所述广播无应答模式下，主站向所有从站发送写请求，从站不应答；
所述广播有应答模式下，主站向所有从站发送读请求，每个从站都应答。
6.根据权利要求1所述的串行Modbus扩展通信的方法，其特征在于：在Modbus扩展通信模式下，不响应标准Modbus帧。
7.根据权利要求1所述的串行Modbus扩展通信的方法，其特征在于：触发串行Modbus扩展通信模式的方式为：主站按固定间隔发送两次串行模式初始化命令，如从站确认收到两次初始化命令，并且中间无其它数据，则进入串行Modbus扩展通信模式，其中从站无应答。
8.根据权利要求1所述的串行Modbus扩展通信的方法，其特征在于：串行Modbus扩展通信模式的自动退出方式为：在从站进入串行Modbus扩展通信模式后，从站自动开启一个倒计时定时器；从站每次收到串行Modbus扩展通信指令时重置倒计时定时器；当倒计时定时器的计时到达时，自动退出扩展通信模式，其中从站无应答。
9.根据权利要求1所述的串行Modbus扩展通信的方法，其特征在于：主站自动设置所有从站的地址时，包括以下步骤：
步骤S71、主站发送进入串行Modbus扩展通信模式的初始化命令至从站；
步骤S72、主站等待Tdelay时间；
步骤S73、主站再次发送进入串行Modbus扩展通信模式的初始化命令至从站；
步骤S74、主站发送读取参数命令功能的枚举地址命令至从站；
步骤S75、主站循环读取从站的64bit地址；
步骤S76、主站等待Ttimeout时间，确保主站下次发送数据前，所有从站数据已发送数据完毕，总线空闲；
步骤S77、主站按顺序设置从站Modbus地址；
步骤S78、主站发送EXIT强制退出命令退出串行Modbus扩展通信模式。
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Publications (2)
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| CN101592940A (zh) * | 2008-05-26 | 2009-12-02 | 张建华 | 一种接入自动化异构控制器的自动化控制系统及其用途 |
| CN103856578A (zh) * | 2014-01-03 | 2014-06-11 | 西南大学 | Modbus RTU从站自动获取站地址方法及从站 |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104486182A (zh) | 2015-04-01 |
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