CN106068631A - 总线系统的用户站和减小总线系统中的线路传导的发射的方法 - Google Patents

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Abstract

表明了一种用于总线系统（1）的用户站（10；30）和一种用于减小总线系统（1）中的线路传导的发射的方法的方法。用户站（10；30）包括用于经由所述总线系统（1）发送或者接收总线系统（1）的至少一个其他的用户站的消息（45；46；47）的发送/接收装置（12；120；1200），在所述总线系统（1）中至少间歇地确保用户站（10，20，30）独占地、无冲突地访问所述总线系统（1）的总线（40），其中所述发送/接收装置（12；120；1200）具有用于控制所述发送/接收装置（12；120；1200）的特性来减小在所述总线系统（1）中的线路传导的发射的发射控制装置（126），并且其中所述发送/接收装置（12；120；1200）此外还被构建来根据消息（45；46；47）的仲裁阶段（451；453）和数据区域（452）来接通或者关断所述发射控制装置（126）。

Description

总线系统的用户站和减小总线系统中的线路传导的发射的 方法
技术领域
本发明涉及一种用于总线系统的用户站和一种用于减小总线系统中的线路传导的（leitungsgebunden）发射的方法，其中除了仲裁之外还对总线系统的用户站的发送/接收装置的特性进行控制。
背景技术
针对在两个或者更多个总线用户、譬如（多个）传感器、（多个）控制设备等之间的通信，CAN总线系统已得到广泛流行。在CAN总线系统中，借助CAN协议来传输消息，如其在ISO11898中的CAN规范中所描述的那样。在车辆中的智能传感器的数目增加并且控制设备较强联网的进程中，在CAN总线上的用户站的数目并且在CAN总线上的数据量一直不断增长。
DE 10 000 305 A1描述了CAN（控制器局域网络（Controller Area Network））以及CAN的称作TTCAN（Time Trigger CAN=时间触发的CAN）的扩展。使用在CAN中的介质访问控制方法基于逐位仲裁。在CAN中，逐位仲裁依据在经由总线要传输的消息之内的前导标识符（fuehrender Identifier）来进行。
如已经在DE 10 2012 200 997中所描述的那样，在逐位仲裁中，多个用户站可以同时将数据发送到总线系统上，而由此不干扰数据传输。
最近，曾建议譬如CAN-FD之类的技术，其中消息根据规范“CAN with FlexibleData-Rate, Specification Version 1.0（具有灵活的数据速率的CAN（规范版本1.0））”（来源http://www.semiconductors.bosch.de）而被传输等。在这种技术中，最大可能的数据速率通过在数据字段的范围中采用较高的计时（Taktung）而被提高超过为1MBit/s的值。
总线拓扑结构对于信号完整性和由此快速的数据传输而言起到了重要作用。尤其是有问题的是，在数据传输时在CAN总线系统的用户站的数据线路的每个分支上形成反射。这些反射与所发送的信号叠加并且干扰接收器的接收。反射越大，则数据速率必须被选择得越缓慢，以便还能够可靠地传输该信号。
对CAN高速发送/接收装置（也称为CAN-Highspeed-Transceiver（CAN-HS收发器））的最重要的要求除了遵守功能参数之外还满足在如下方面的要求：
- 发射，
- 直接功率注入（DPI，Direct Power Injection），这是用于在电磁兼容性（EMV）领域中进行抗干扰性测量的方法，以及
- 静电放电（ESD=Electrostatic Discharge）。
随着通过几个CAN应用者引进CAN-FD，现在使用超过每秒1MBit（1Mbps）、2Mbps、4Mbps并且必要时更高的比特率。对此有问题的是，尽管CAN总线系统的数据速率提高，但是制造商对发射极限值需要相同的值，如在传统的CAN总线系统的数据速率的情况下那样，该传统的CAN总线系统例如根据“Hardware Requirement. for CAN Interfaces 1.3（CAN接口的硬件要求1.3）”来建立。目前，当使用较高的比特率时，这些极限值利用CAN-FD并不能被遵守。违犯极限值的原因在发送/接收装置（收发器）不变的情况下是提高的能量密度，因为在CAN信号中每单位时间驱动更多边沿。
利用现有技术不能满足的另一要求是需要如下CAN应用者：所述CAN应用者即使在至两个总线线路的耦合输出网络中的为+/- 10欧姆的不对称的电阻的情况下也遵守发射极限。该需要应模拟在实际车辆中的两个总线线路的不同的线路电阻。
发明内容
因而，本发明的任务是提供一种用于总线系统的用户站和一种方法，该用户站和方法解决了前面提到的问题。尤其是，应提供一种用于总线系统的用户站和一种方法，其中在CAN发送/接收装置（CAN收发器）正常运行时将发射减小到最小值，使得CAN应用者的发射极限也针对CAN-HS或者CAN-FD得以遵守。
该任务通过具有权利要求1的特征的用于总线系统的用户站来解决。所述用户站包括：用于经由总线系统发送或者接收总线系统的至少一个其他的用户站的消息的发送/接收装置，在该总线系统中至少间歇地（zeitweise）确保用户站独占地、无冲突地访问总线系统的总线，其中该发送/接收装置具有用于控制该发送/接收装置的特性来减小在该总线系统中的线路传导的发射的发射控制装置，并且其中发送/接收装置此外还被构建用于根据消息的仲裁阶段和数据区域（Datenbereich）来接通或者关断发射控制装置。利用该用户站能够即使在CAN-FD比特率的情况下也实现遵守目前预先给定的用于CAN的发射极限值。此外，在测量时利用总线系统的耦合输出网络中的不对称的电阻能够遵守发射极限值。
另一优点在于，可能自动地匹配现场中的总线线路情况。
因此，用户站也适合于在被较高计时的系统、譬如CAN-FD等中采用。即使在其中迄今因为预先给定的发射极限值尚不可能进一步提高数据速率的应用中，前面所描述的用户站也适合于采用CAN-FD。
此外，利用前面所描述的用户站可以提高在CAN-FD中的最大可传输的数据速率。
另一优点在于：利用前面所描述的用户站可以通过类似于另外的数据传输协议、譬如以太网（Ethernet）等来发送消息而显著更简单地实现数据速率的提高。
用户站原则上可以应用于所有双线接口中，这些双线接口的特征在于通信阶段，在该通信阶段中保证了只有一个用户进行发送。
用户站的有利的其他构建方案在从属权利要求中予以描述。
该用户站优选地此外还包括用于控制总线系统中的通信的通信控制装置，其中该通信控制装置或者发送/接收装置具有用于检测数据区域的检测装置。
可能地，发送/接收装置具有检测装置，所述检测装置被构建为使得所述检测装置基于在仲裁阶段结束时对BRS位的检测来识别所述数据区域。
根据其他变型方案，发送/接收装置被构建为基于通信控制装置的开关信号来识别数据区域。在这种情况下，该通信控制装置可以具有检测装置，该检测装置被构建为使得该检测装置在识别了数据区域之后经由端子向发送/接收装置输出开关信号。
还根据其他变型方案，发送/接收装置具有检测装置，该检测装置被构建为使得该检测装置基于对发送信号的监控来识别数据区域。在这种情况下，该检测装置可以具有用于对发送信号的下降边沿或者上升边沿进行计数的计数器。也可能的是，该检测装置此外还具有用于使计数器复位的时间元件（Zeitglied）。
前面所描述的用户站可以是如下总线系统的部分：该总线系统具有总线和至少两个用户站，所述至少两个用户站经由总线彼此连接，使得所述至少两个用户站能够相互通信。在这种情况下，所述至少两个用户站中的至少一个是前面所描述的用户站。
前面所提到的任务此外还通过一种具有权利要求10的特征的用于减小在总线系统中的线路传导的发射的方法来解决。该方法包括如下步骤：利用发送/接收装置经由总线系统发送总线系统的至少一个其他的用户站的消息，在该总线系统中至少间歇地确保用户站独占地、无冲突地访问总线系统的总线；利用发送/接收装置的发射控制装置来控制发送/接收装置的特性，以便减小总线系统的线路传导的发射；以及根据消息的仲裁阶段和数据区域来接通或者关断发射控制装置。
该方法提供了与前面在用户站方面提到的优点同一的优点。
本发明的其他可能的实施方案也包括在前面或者在下文中关于这些实施例所描述的特征或者实施形式的未明确提到的组合。在此，本领域技术人员也将添加单个方面作为对本发明的相应基本形式的改进或者补充。
附图说明
随后参照所附的附图并且依据实施例更详细地描述了本发明。在附图中：
图1示出了根据第一实施例的总线系统的简化的方框电路图；
图2示出了在根据第一实施例的总线系统中的总线信号关于时间的额定电压变化过程；
图3示出了在根据第一实施例的总线系统中用于测量线路传导的发射的耦合输出网络的电路图；
图4示出了根据第一实施例的总线系统的用户站的发送/接收装置的方框电路图；
图5示出了用于阐明由根据第一实施例的总线系统的用户站发送的消息的结构的图解；
图6示出了根据第二实施例的总线系统的用户站的发送/接收装置的方框电路图；以及
图7示出了根据第三实施例的总线系统的用户站的发送/接收装置的方框电路图。
在这些附图中，相同的或者功能相同的要素只要未另外说明就被配备有同一附图标记。
具体实施方式
图1示出了总线系统1，该总线系统1例如可以是CAN总线系统、CAN-FD总线系统等。总线系统1可以在车辆、尤其是机动车、飞机等中或者在医院等中得到应用。
在图1中，总线系统1具有多个用户站10、20、30，所述用户站10、20、30分别被连接到总线40上，所述总线40具有第一总线缆芯41和第二总线缆芯42。这些总线缆芯41、42也可以称为CAN_H和CAN_L并且用于在发送状态下耦合输入显性（dominant）电平。消息45、46、47可以以信号为形式经由总线40在各个用户站10、20、30之间被传输。用户站10、20、30例如可以是机动车的控制设备或者显示设备。
如在图1中所示出的那样，用户站10、30分别具有通信控制装置11和发送/接收装置12。而用户站20具有通信控制装置11和发送/接收装置13。用户站10、30的发送/接收装置12和用户站20的发送/接收装置13分别直接被连接到总线40上，即使这在图1中未示出也如此。
通信控制装置11用于控制相应的用户站10、20、30经由总线40与连接到总线40上的用户站10、20、30中的另一用户站的通信。发送/接收装置12用于以信号为形式发送消息45、47并且用于减小总线系统1中的线路传导的发射，以便遵守在CAN-FD比特率中的发射极限，如稍后还更详细地描述的那样。线路传导的发射可在总线40上出现。通信控制装置11可以如传统的CAN控制器那样被实施。发送/接收装置13可以如传统的CAN收发器那样被实施。
图2示出了关于时间t的带有开关边沿51、52的电压变化过程U，如该电压变化过程由在图4中更精确地示出的发送/接收装置12产生的那样。开关边沿51对应于信号从显性状态53到隐性（rezessive）状态54的过渡。开关边沿52对应于信号从隐性状态54到显性状态53的过渡。所示出的电压变化过程具有开关边沿51、52，如要由发送/接收装置12产生的额定电压变化过程那样。显性状态53对应于显性总线状态。隐性状态54对应于隐性总线状态。
图3示出了在用于总线40的CAN_H和CAN_L的两个总线缆芯上的耦合输出网络。该耦合输出网络应用于测量CAN收发器或发送/接收装置12和发送/接收装置13的线路传导的发射。在该耦合输出网络中，由第一电容C1和第一电阻R1构成的串联电路被分配给总线缆芯CAN_H，而由第二电容C2和第二电阻R2构成的串联电路被分配给总线缆芯CAN_L。第一电容C1和第二电容C2分别在其一侧上与第三电阻R3和测量装置50连接，用于耦合输出发射极限值EMI1。电阻R3在其另一端接地。CAN收发器或发送/接收装置13和发送/接收装置12的线路传导的发射根据150欧姆方法（150 Ohm-Methode）（IEC 61967-4，Integrated circuits,Measurement of electromagnetic emissions, 150 kHz to 1GHz – Part 4:Measurement of conducted emissions - 1/150 direct coupling method（集成电路、电磁发射测量、150kHz到1GHz-第4部分：传导发射测量-1/150直接耦合方法））和根据IEC62228（EMC evaluation of CAN Transceivers=CAN收发器的EMC评估）来测量。在利用图3的耦合输出网络进行发射测量时，评估两个总线缆芯CAN_H和CAN_L的被再分的（heruntergeteilt）AC信号，该AC信号是交流电压信号。在测量装置50上，除了第三电阻R3之外再一次利用50欧姆内阻进行测量。
对发射的影响量是：
- 针对CAN_H、CAN_L的两个发送级关于驱动电流和内阻相协调（Matching），
- 在这两个发送级之间的操控定时，以及
- 这两个发送级的电流电压特性曲线（I-U特性曲线）。
用户站20的发送/接收装置13管控对发射的影响量，使得达到目前对CAN-HS的要求的极限值，即达到直至每秒500KBit（500 kbps）。
与此相对照，图4更精确地示出了用户站10、30的发送/接收装置12的结构。因此，发送/接收装置12在其一侧连接到总线40上，而在其另一侧连接至通信控制装置11。因此，发送/接收装置12可以接收通信控制装置11的发送信号TX并且耦合输入到总线40上。
在图4中，发送/接收装置12具有用于总线缆芯41的信号CAN_H的路径，在该路径中布置有第一晶体管121和第一驱动器（DRV）122，并且发送/接收装置12具有用于总线缆芯42的信号CAN_L的路径，在该路径中布置有第二晶体管123和第二驱动器（DRV）124。第一晶体管121经由二极管1211与电压VCC5连接，该电压VCC5在图2中阐明。第二晶体管123经由二极管1231与信号CAN_L的端子连接。此外，第二晶体管123与地GNDL连接，即接地。这两个信号CAN_H和CAN_L被输送给电压对称性测量装置125并且紧接着被输送给发射控制装置126。发射控制装置126由检测装置127经由连接1271被接通或者被关断。如果发射控制装置126被接通并且由此处于运行中，则该发射控制装置126可以经由连接1261向第一驱动器（DRV）122输出用于设定（Einstellung）路径CAN_H中的发射的影响量的信号。此外，发射控制装置126可以经由连接1262向第二驱动器（DRV）124输出用于设定路径CAN_L中的发射的影响量的信号。
电压对称性测量装置125测量CAN_H和CAN_L的AC总信号。检测装置127在CAN通信期间检测并且确定适合于利用发射控制装置126进行控制的阶段。
如在图5中依据针对在图5中的上部的CAN帧和在图5中的下部的CAN-FD帧的消息45分别作为关于时间t的电压U所示出的那样，在总线40上的CAN通信可以基本被划分成两个不同的阶段，也就是仅示意性示出的仲裁阶段451、453和数据区域452，该数据区域452在CAN-HS中也称为数据字段或在CAN-FD中也称为数据阶段。在CAN-FD中，与典型的CAN相比在仲裁阶段结束时，接着的数据阶段的比特率被提高到例如2、4、8Mbps。由此适用的是，在CAN-FD中，仲裁阶段451、453中的比特率小于在数据区域452中的比特率。在CAN-FD中，数据区域452相对于CAN帧的数据区域452明显被缩短。CAN-FD尽管数据阶段较短也仍然能够实现比在CAN-HS中更多数据的传输。
当保证用户站10、30自己进行发送并且总线系统1中没有其他用户站进行发送时，那么始终是利用发射控制装置126进行控制的合适阶段或者区域。在CAN和CAN-FD中，这是在图5中的数据区域452中的情况。
在本实施例中，经由BRS位实现利用检测装置127识别仲裁阶段451、453或者数据区域452的结束，该BRS位存在于仲裁阶段451、453结束时。在这种情况下，发送/接收装置12能够对在数据区域452中使用的数据传输协议解码。因此，发送/接收装置12是用于子网运行的收发器（局部网络收发器（Partial-Networking-Transceiver））。
如果检测装置127已检测了数据区域452，则该检测装置127经由连接1271激活发射控制装置126，使得执行发射控制并且尤其是执行发射调节。发射控制装置126为此可以检测不同的量。例如，发射控制装置126可以检测发射极限值EMI1的量度，该量度可以在CAN_H和CAN_L收发器内部上、即在发送/接收装置12中被量取。发射控制装置126在由发送/接收装置12本身发送的显性阶段期间也可以检测在CAN_H和CAN_L上的驱动电流。
通过发射控制装置126进行的发射控制在识别数据区域452时开始并且设定CAN_H和CAN_L的发送级的影响量，使得线路传导的发射被最小化。为此，如下方法可以得到应用：该方法在本申请人的未公开的较早申请中予以描述。在数据区域452结束时，通过发射控制装置126进行的发射控制结束。在此，所使用的设定被存储并且保持长时间获得，直至检测装置127检测并且因此识别接下来的数据区域452或者检测并且因此识别仲裁阶段451、453的结束。由此，发射控制装置126可以根据消息45或者消息46；47的仲裁阶段451；453和数据区域452而被接通或者关断。
用户站30以同用户站10相同的方式工作。
当集成到发送/接收装置12中的用于局部网络功能的协议控制器存在并且可用于在仲裁结束时识别尤其BRS位时，根据本实施例的发送/接收装置12可以特别成本低廉地被实现。在这种情况下，协议控制器要由足够精确的时钟（Takt）来运行。
图6示出了根据第二实施例的通信控制装置110和发送/接收装置120。在发送/接收装置120中，利用检查控制装置（Kontrollsteuereinrichtung）110的数据字段检测装置111识别数据区域452。数据字段检测装置111可以由通信控制装置110的CAN模块实施。通信控制装置110将识别的结果借助开关信号S从检测装置111经由端子128输出给发送/接收装置120。开关信号S用信号通知数据区域452。在该情况下，发送/接收装置120和通信控制装置110分别具有用于端子128的附加的管脚。
在其他情况下，根据本实施例的总线系统以与根据第一实施例的总线系统1相同的方式被建立。
在根据本实施例的发送/接收装置120中，因此对于端子128仅必需两个附加的管脚。这比根据第一实施例的解决方案更成本低廉，在根据第一实施例的解决方案中必需集成到发送/接收装置12中的协议控制器，该协议控制器在仲裁结束时尤其还识别BRS位并且要由足够精确的时钟运行。
图7示出了根据第三实施例的发送/接收装置1200。在发送/接收装置1200中，利用检测装置1270通过监控发送信号TX来进行数据区域452的识别。因此，发送/接收装置1200的发送信号TX的输入被评估，以便由此识别数据区域452。更精确地说，为了检测数据区域452和由此识别数据区域452，观察从通信控制装置11到达发送/接收装置1200的发送信号TX的下降边沿。检测装置1270依据发送信号TX的被计数的下降边沿判断：发送/接收装置1200是否作为数据区域452中的发送方起作用。因此，数据字段检测装置1270包括计数器1272，该计数器1272尤其是被构建为5位计数器。发送信号TX的下降边沿用作检测装置1270或计数器1272的时钟输入。可替选地，计数器1272也可以对发送信号TX的上升边沿进行计数。
在这种情况下，利用的是，在仲裁阶段451、453发送最大35位，没有（多个）填塞位（Stopfbit）（stuff condition（填塞情况）），也就是说出现最大17个下降边沿。这例如可以通过使用5位计数器来检测。对计数器1272的复位通过时间元件1273进行。仲裁阶段451、453的比特率被传送给检测装置1270。时间元件1273典型地为8位。然而，时间元件1273也可以为至少6位和最大11位。时间元件1273的选择视总线系统的分别所使用的数据传输协议而定。
在其他情况下，根据本实施例的总线系统以与根据第一实施例的总线系统1相同的方式被建立。
根据本实施例的发送/接收装置1200不仅可以应用于CAN-HS而且也可应用于CAN-FD。利用发送/接收装置1200识别数据区域452，而在发送/接收装置1200和通信控制装置11上没有附加的管脚。此外，如在第一实施例中那样的附加的协议控制器不是必需的。
利用发送/接收装置1200可以针对每种应用情况都实现线路传导的发射的减小。
根据第一至第三实施例的方法和用户站10、20、30的总线系统1的所有前面所描述的构建方案都可以单个地或者以所有可能的组合地得到应用。附加地，尤其是可设想如下修改方案。
前面所描述的根据第一至第三实施例的总线系统1依据基于CAN协议的总线系统来描述。然而，根据第一至第三实施例的总线系统1也可以是其他类型的通信网络。有利的是，但是不是必然的前提条件：在总线系统1中至少在确定的时间段内确保用户站10、20、30独占地、无冲突地访问总线40或者总线40的共同的通道。
根据第一至第三实施例的通信系统1尤其是CAN网络或者CAN-FD网络，或者在由发射控制装置126执行的发射控制和尤其是发射调节方面是FlexRay网络。
根据第一至第三实施例的总线系统1中的用户站10、20、30的数目和布局是任意的。尤其是，在第一至第三实施例的总线系统1中也可以只存在用户站10或者用户站30。
为了实现还更高的数据速率，在消息45、46、47的CAN帧之内可以进行类似于诸如以太网等的数据传输协议的数据传输。
前面所描述的实施例的功能可以被实现在收发器或发送/接收装置12或收发器或者CAN收发器或者收发器芯片组或者CAN收发器芯片组中，或者也可以实现在通信控制装置11等中。附加地或者可替选地，可以集成在现有的产品中。尤其是可能的是，所观察的功能要么在收发器中作为分离的电子组件（芯片（Chip））实现，要么嵌入在集成的其中仅存在电子组件（芯片）的总解决方案中。

Claims (10)

1.用于总线系统（1）的用户站（10；30），其具有：
用于经由所述总线系统（1）发送或者接收所述总线系统（1）的至少一个其他的用户站的消息（45；46；47）的发送/接收装置（12；120；1200），在所述总线系统（1）中至少间歇地确保用户站（10，20，30）独占地、无冲突地访问所述总线系统（1）的总线（40），
其中所述发送/接收装置（12；120；1200）具有用于控制所述发送/接收装置（12；120；1200）的特性来减小在所述总线系统（1）中的线路传导的发射的发射控制装置（126），并且
其中所述发送/接收装置（12；120；1200）此外还被构建用于根据消息（45；46；47）的仲裁阶段（451；453）和数据区域（452）来接通或者关断所述发射控制装置（126）。
2.根据权利要求1所述的用户站（10；30），其此外还具有通信控制装置（11；110），用于控制在所述总线系统（1）中的通信，其中所述通信控制装置（110）或者所述发送/接收装置（12；1200）具有用于检测数据区域（452）的检测装置（111；127；1270）。
3.根据权利要求2所述的用户站（10；30），其中，所述发送/接收装置（12）具有检测装置（127），所述检测装置（127）被构建为使得所述检测装置（127）基于在仲裁阶段（451；453）结束时对BRS位的检测来识别数据区域（452）。
4.根据权利要求2所述的用户站（10；30），其中，所述发送/接收装置（12）被构建为基于所述通信控制装置（110）的开关信号（S）来识别所述数据区域（452）。
5.根据权利要求2或者4所述的用户站（10；30），其中，所述通信控制装置（110）具有检测装置（111），所述检测装置（111）被构建为使得所述检测装置（111）在识别数据区域（452）之后经由端子（128）向发送/接收装置（120）输出开关信号（S）。
6.根据权利要求2所述的用户站（10；30），其中，所述发送/接收装置（120）具有检测装置（1270），所述检测装置（1270）被构建为使得所述检测装置（1270）基于对发送信号（TX）的监控来识别数据区域（452）。
7.根据权利要求6所述的用户站（10；30），其中，所述检测装置（1270）具有用于对发送信号（TX）的下降边沿或者上升边沿进行计数的计数器（1272）。
8.根据权利要求7所述的用户站（10；30），其中，所述检测装置（1270）此外还具有用于使所述计数器（1272）复位的时间元件（1273）。
9.一种总线系统（1），其具有：
总线（40），以及
至少两个用户站（10；20；30），所述至少两个用户站（10；20；30）经由所述总线（4）彼此连接，使得所述至少两个用户站（10；20；30）能够彼此通信，
其中所述至少两个用户站（10；20；30）中的至少一个是根据上述权利要求之一所述的用户站（10；30）。
10.一种用于减小在总线系统（1）中的线路传导的发射的方法，其具有如下步骤：
利用发送/接收装置（12；120；1200）来经由所述总线系统（1）发送所述总线系统（1）的至少一个其他的用户站的消息（45；46；47），在所述总线系统（1）中至少间歇地确保用户站（10，20，30）独占地、无冲突地访问所述总线系统（1）的总线（40），
利用所述发送/接收装置（12；120；1200）的发射控制装置（126）来控制所述发送/接收装置（12；120；1200）的特性，以便减小所述总线系统（1）的线路传导的发射，以及
根据消息（45；46；47）的仲裁阶段（451；453）和数据区域（452）来接通或者关断所述发射控制装置（126）。
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