CN107359654A - 一种计量仪表无线通信装置电源控制系统 - Google Patents

一种计量仪表无线通信装置电源控制系统 Download PDF

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李大伟
钭伟明
章欢
盛成龙
吴燕娟
谭华
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    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0063Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with circuits adapted for supplying loads from the battery
    • H02J2007/0067

Abstract

本发明公开了一种计量仪表无线通信装置电源控制系统,包括单片机、无线通信装置、电压检测电路、电源直供电路和升压电路,电源同时与电压检测电路、电源直供电路,升压电路相连接,单片机同时与电压检测电路、电源直供电路,升压电路相连接,单片机用于对电压检测电路、电源直供电路,升压电路相连接进行供电控制,单片机的通信接口与无线通信装置相连接,单片机还对电压检测电路的输出电压进行电压采样,电源直供电路和升压电路同时与无线通信装置相连接。整个电路设计简单,可靠性高,成本低,低功耗,长寿命,安全环保并能够在宽温度范围环境下工作。

Description

一种计量仪表无线通信装置电源控制系统
技术领域
本发明涉及电源技术领域,尤其是指一种计量仪表无线通信装置电源控制系统。
背景技术
物联网燃气表(或采集器),是由传统基表(膜式或电子式)或流量计,结合带有无线远传功能的控制器组成。通过无线远传技术,可以实现计量仪表的信息远程传输与控制等功能(例如智能抄表,收费信息监控等),有效的解决了上门抄表难及费用维护等应用问题。
其中,无线通信装置作为控制器与基站的数据传输接口,对远传功能起着关键的作用。因此,为了保证无线远传功能的正常工作,就需要对无线通信模块提供可靠的工作电源。
第一方面,需要在无线模块工作时瞬时输出较大(最大输出2A)的电流,并且要在模块内部负载突变时,具有瞬间释放大电流的响应能力,即能够满足间歇性大功率负载工作的条件。
第二方面,要保持供电电压的稳定,在输出最大电流时,电压仍要稳定在模块的最低工作电压以上。
第三方面,供电电源需要在低温-25℃的条件下同时满足前两个方面。
无线通信模块的电源供电方式:
1、采用4节碱性电池或碳性电池串联,并通过低压差线性稳压器(LDO)降压供电。
碱性电池或碳性电池在市场上的种类各异,相对容量小,如果使用碳性电池,或质量差的碱性电池,电池容量更会导致需要经常进行更换。
另外,使用含汞的碱性电池,在使用结束后,如果处理不当,会对环境造成污染,环保性差。例如,假设全国共有1000万台燃气表,每台每年更换4节电池,则每年就会产生4000万的废电池对环境造成较大的污染。
2、采用单节3.9V复合型锂电池直接供电。
采用单节3.9V复合型锂电池,虽然能够满足应用在低温-25℃,在间歇性大功率负载工作的条件下,直接对无线通信模块进行可靠供电,但是采购成本较高。且当前此项技术全球只有一家公司垄断的状态。
3、采用单节3.6V复合型锂电池直接供电。
单节3.6V复合型锂电池虽然也能够满足应用在间歇性大功率负载工作的条件下,直接对无线通信模块进行供电,并且成本相对较低。但由于开路电压只有3.6V,随着锂电池使用,锂电池电压逐渐降低。在低温-25℃条件下,电压会被无线通信模块的最大工作电流拉低到通信模块的最低工作电压以下,导致模块复位。减少了锂电池容量的利用率,不能够高效使用锂电池容量。相比单节3.9V的复合锂电池使用寿命短。
4、使用2节3.6V功率型锂电池串联,通过低压差线性稳压器(LDO)降压,对无线通信模块进行供电。
功率型锂电池虽然能够提供更高的放电能力,但是其不可避免的会出现钝化,长此以往随着电池钝化的积累,必然会降低其放电能力。同时,由于其采用的卷绕式设计,无论是在安全风险出现的概率上,还是在出现安全风险后的影响程度上,功率型锂电池均较能量型锂电池更不安全。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中无线通信模块的电源供电系统长时间使用后放电能力下降,安全性降低的缺点,提供一种计量仪表无线通信装置电源控制系统。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现:
一种计量仪表无线通信装置电源控制系统,包括单片机、无线通信装置、电压检测电路、电源直供电路和升压电路,电源同时与电压检测电路、电源直供电路,升压电路相连接,单片机同时与电压检测电路、电源直供电路,升压电路相连接,单片机用于对电压检测电路、电源直供电路,升压电路相连接进行供电控制,单片机的通信接口与无线通信装置相连接,单片机还对电压检测电路的输出电压进行电压采样,电源直供电路和升压电路同时与无线通信装置相连接。
作为一种优选方案,电压检测电路包括第一开关电路和分压滤波电路,第一开关电路同时与分压滤波电路、单片机和电源相连接,分压滤波电路与单片机的电压采样接口相连接。
作为一种优选方案,电源直供电路包括第二开关电路和反向电流保护电路,第二开关电路同时与电源、单片机和反向电流保护电路相连接,反向电流保护电路与无线通信装置相连接。
作为一种优选方案,升压电路包括第三开关电路和升压转换电路,第三开关电路同时电源、单片机和升压转换电路相连接,升压转换电路与无线通信装置相连接。
作为一种优选方案,所述的升压转换电路包括前级滤波电路、升压电路和后级滤波电路,前级滤波电路包括电容C9、电容C10和电容C11,电容C9、电容C10和电容C11构成升压电路输入端滤波电路,后级滤波电路包括电容C15、电容C16、电容C17和电容C18,电容C15、电容C16、电容C17和电容C18构成输出端滤波电路,升压电路包括升压芯片,升压芯片的输入端与电容C9、电容C10和电容C11相连接,升压芯片的输出端与电容C15、电容C16、电容C17和电容C18相连接。
作为一种优选方案,升压芯片为型号是mp3422gg-Z的升压芯片,所述的电容C9、电容C10、电容C11、电容C16、电容C17和电容C18为无极性陶瓷电容,电容C15为电解电容,电容C15用于当负载电流瞬间变化时,提高输出电压的稳定性。
作为一种优选方案,计量仪表无线通信装置电源控制系统还包括温度检测电路,单片机的温度检测接口与温度检测电路相连接。
在本系统中引入了供电电路选择机制,根据电池电压的实际情况选择对应的供电电路。在需进行无线通信前,可以打开电压检测电路进行电压检测,根据当前电压阀值,判断使用升压电路,还是非升压电路进行通信供电。例如:当前电压值为Vt1,当Vt1电压在(3.5V ~ 3.6V)时,可以选择由第二开关电路到无线通信装置电路进行直接供电。当低于3.5V电压时,可以选择由第三开关电路和与其相关的升压电路对无线通信装置进行供电。在进行无线通信中,实时对电源电压进行检测,由于通信过程中需要电流较大,当检测到通信过程中电压值,低于一定阀值Vt2时,Vt2电压值是无线通信模块最低工作电压,如果当前电源使用的是由第二开关电路和反向保护电路进行提供电源,则需要切换到第三开关电路和升压电路进行供电。在进行无线通信后,如果检测到当前电压低于Vt1时,则需要等待一段恢复时间T1后,T1的时间可以在(4h ~ 24h)范围内,才允许再次进行通信操作,目的是等待复合电池的电池部分对化学电容进行充电,容量恢复。在恢复时间后,使用电压检测电路,如果电压恢复到Vt1,则可以进行下次通信。通信时,可根据上次通信过程中的电压检测结果,选择由第二开关电路所在回路的直接供电方式或者是由第三开关电路所在回路的升压供电方式。
作为一种优选方案,无线通信装置为GPRS模块。
作为一种优选方案,无线通信装置为NB-IoT模块。
作为一种优选方案,无线通信装置为LoRa模块。
作为一种优选方案,计量仪表无线通信装置电源控制系统由锂电池供电。
作为一种优选方案,锂电池为3.6V单节能量型电池与电容并联组合成的复合锂电池。
本发明的有益效果是:
1、设置升压电路,实现了无线远传表在低温环境下的电源供给,保证正常的无线表端工作,以及加入电源直供电路实现了对于是否使用升压电路实现判断。
2、解决了计量仪表在使用单节3.6V能量型复合能量型锂电池供电的基础上,在低温-25℃条件下,由于输出电压瞬间下降到无线通信模块的最低工作电压以下,导致无线通信失败的的技术问题,实现了无线通信模块在低温条件下的可靠工作。
3、采用3.6V能量型复合锂电池加升压电路代替3.9V能量型复合型锂电池或者功率型锂电池直接或降压供电,解决了单节3.6V能量型锂电池由于提供大电流而降低使用寿命问题。并降低了产品成本。
4、在无线通信控制供电电路中,升压模块前端设置开关模块,通过单片机I/O口控制,使得在不需要进行无线通信操作时,整个电路供电断开,达到降低功耗目的。本设计采用MOS管和三极管组成电源供制电路,当进行无线通信时,将锂电池电源与升压电路的电源断开,解决功耗问题。
5、高精准电压检测电路实现了电池的电量准确检测。温度检测机制与不同供电电路选择机制相结合,实现了在电压及温度均可以直接满足无线远传装置工作需要时,不通过升压电路,直接通过第二开关电路进行供电,在电压及温度中有一条不满足无线远传装置工作需要时,自动选择升压电路,实现无线远传装置的工作。延长电池的使用时间。提高了锂电池容量利用率。
6、整个电路设计简单,可靠性高,成本低,低功耗,长寿命,安全环保并能够在宽温度范围环境下工作。
附图说明
图1是本发明的一种电路原理框图;
图2是本发明电压检测电路的电路图;
图3是本发明电源直供电路的电路图;
图4是本发明升压供电电路的电路图;
图5是本发明温度检测电路的电路图。
其中:1、单片机,2、无线通信装置,3、电压检测电路,4、电源直供电路,5、升压电路,6、温度检测电路,31、第一开关电路,32、分压滤波电路,41、第二开关电路,42、反向电流保护电路,51、第三开关电路,52、升压转换电路,521、前级滤波电路,522、升压电路,523、后级滤波电路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步描述。
实施例:一种计量仪表无线通信装置电源控制系统,如图1所示,包括单片机1、无线通信装置2、电压检测电路3、电源直供电路4、升压电路5和温度检测电路6,电源同时与电压检测电路、电源直供电路,升压电路相连接,单片机同时与电压检测电路、电源直供电路,升压电路相连接,单片机用于对电压检测电路、电源直供电路,升压电路相连接进行供电控制,单片机的通信接口与无线通信装置相连接,单片机的温度检测接口与温度检测电路相连接。单片机还对电压检测电路的输出电压进行电压采样,电源直供电路和升压电路同时与无线通信装置相连接。
如图2所示,电压检测电路包括第一开关电路和分压滤波电路,第一开关电路同时与分压滤波电路、单片机和电源相连接,分压滤波电路与单片机的电压采样接口相连接。第一开关电路Vin与锂电池相连,另一个输入支路Ctr1与控制接口相连。VAT_AD接口与控制器的AD采样接口相连。
电压检测电路采用间歇性工作方式,优点一方面是节省功耗。另一方面是可以提高电路的抗干扰能力。
在设计上如果取消第一开关电路,将分压滤波电路,直接接到电源端,如电阻R1和电阻R3的阻值选择很大,优点是功耗低,缺点是当电路受到外界如射频等干扰时,BAT_AD电压信号会因干扰而产生纹波,造成电压不稳定。如果电阻R1和电阻R3的阻值选择小,在提高抗外界如射频等干扰能力的同时,会增大功耗。因此,通过第一开关电路选择间歇性导通,分压采样,即可以降低功耗,又可以达到抗干扰能力的目的。
第一开关电路具体为:当不需要电路工作时,Ctr1引脚被拉置低电平。三极管Q4的处于截止状态。三极管Q1的基极,没有确定状态。电阻R2作为上拉电阻,将三极管Q1的基极拉置高电平,即电源输入电压,使电平变为确定状态。三极管Q1的发射极到集电极截止。三极管的集电极不为后级电路供电,实现低功耗。
当需要电路工作时,Ctr1引脚被置高电平。三极管Q4处于饱和导通状态,三极管Q4的集电极被发射极拉置低电平,即GND。由此,R5与三极管Q4的连接端被拉置低电平,即GND。电源输入电压Vin,通过电阻R2,电阻R5构成分压回路。经电阻分压后,当电阻R2电压达到三极管导通电压时,一般情况下是0.7V,三极管Q1的发射极到集电极导通。此时,三极管的集电极为后级电路供电,后级电路开始工作。
电阻R2的作为上拉电阻,将三极管Q1的基极拉置高电平,使三极管Q1的基极电平,处于确定状态。三极管Q1使用MOS管实现电路功能时,电阻R2电阻也可以取消。
电阻R5作为限流电阻,当三极管Q1导通时,其可通过电流,与电阻R5的阻值,三极管Q1的放大倍数相关。计算公式如下:
Ic = βIb(公式1)
Ic:三极管导通后的集电极电流;β:三极管放大倍数;Ib:三极管基极电流。
Ib = (Vin – Vbe)/ Rc(公式2)
Vin:电源输入电压;Vbe:三极管基极导通压降;Rc:限流电阻R5的阻值。
电阻R13的作为下拉电阻,作用是单片机在上电初使化前,Ctr1引脚处于输入、悬空状态或出现异常时,将三极管Q4的基极拉置低电平,使三极管Q4的基极电平,处于确定状态。对于信号初使化状态要求不高时,可以取消电阻R13下拉电阻。
在第二开关电路中,三极管Q1的功能还可以使用P-MOS管来代替。如果三极管Q1使用P-MOS管,则不可以取消电阻R2电阻,目的是为P-MOS管的栅极,提供确定的高电平信号。当Ctr1引脚置低电平时,P-MOS管才可以处于截止状态。另外,当三极管Q1使用P-MOS时,限流电阻R5,可以使用0Ω阻值或取消电阻R5电阻,以直接连接。
电阻R1和电阻R3组合构成降压电路,应选用0.5%及以上精度等级的电阻。计算公式如下:
BAT_AD = Vin × [ R3 / (R1 + R3) ]。
BAT_AD:采样电压。
Vin:电源电压。
例如:采用芯片内部12位精度AD转换器,参考电压3V,对应最高4096
采样电压BAT_AD计算公式:
BAT_AD = AD_Value * 3 / 4096
AD_Value:芯片内部AD采样功能量化后的数值。
由此,即可计算出当前电源电压,计算公式:
Vin = [ R3 / (R1 + R3) ] / (AD_Value * 3 / 4096)
C1为AD采样输入端的滤波电容,作用是当三极管Q1导通瞬间,减小BAT_AD采样电压纹波,使电压保持稳定。
BAT_AD引脚状态说明:BAT_AD与单片机引脚连接,单片机可以通过内部的配置,使BAT_AD引脚连接到不同功能模块。当启动电压检测功能时,将BAT_AD引脚置为AD采样模块功能,进行电压AD(模/数转换)采样。此时,AD采样模块功耗相对较大。当电压检测结束后,单片机内部将BAT_AD引脚状态重新配置为输入状态,或者输出为低电平状态,如配置为输入状态,BAT_AD引脚电平状态可通过R3电阻拉置低电平,以达到降低功耗的目的。
如图3所示,电源直供电路包括第二开关电路41和反向电流保护电路42,第二开关电路同时与电源、单片机和反向电流保护电路相连接,反向电流保护电路与无线通信装置相连接。
第二开关电路Vin与锂电池相连,另一个输入支路Ctr2与控制接口相连。反向电流保护电路的负极作为电源的输入为下级电路提供电源。
第二开关电路设计原理同第一开关电路描述相同。
二极管D1:在器件选型设计上,选择肖特基二极管,例如:SS24。作用是,当电流通过2A大电流时,肖特基二极管压降低,一般情况下在0.3V ~ 0.5V之间,可以比选择常用硅材料二极管获得更大的电池容量使用率。
可根据不同的电流情况,选择不同型号的肖特基二极管或硅二极管,例如:SS14,SS24,1N4148,1N4007等。
反向电流保护电路的作用:防止当使用第三开关电路所在的升压电路回路,为无线通信模块进行供电时,其输出电压Vout会高于3.6V复合型锂电池Vin的输入电压,由于第二开关所在的直接供电电路输出端Vout和第三电路后级的升压电路输出端Vout是相连的,因此,会使得输出Vout和Vin构成回路。电流倒灌回输入电压Vin。
如图4所示,升压电路包括第三开关电路51和升压转换电路52,第三开关电路同时电源、单片机和升压转换电路相连接,升压转换电路与无线通信装置相连接。升压转换电路包括前级滤波电路521、升压电路522和后级滤波电路523。第三开关电路Vin与锂电池相连,另一个输入支路Ctr3与控制接口相连。后级滤波电路的输出端作为电源的输入为下级电路提供电源。
第三开关电路设计原理同第一开关电路描述相同。
电容C9,电容C10,电容C11,电容C15,电容C16,电容C17,电容C18,构成了升压电路输入和输出端的滤波电路,作用是减小输入和输出纹波,并使电压保持稳定。其中,电容C9,电容C10和电容C16,电容C17,可选择无极性陶瓷电容,作为低频滤波。确保在开关瞬变期间,输入Vin电压不会下降过多。电容C11和电容C18,选择无极性陶瓷电容,作为旁路电容,实现高频滤波。电容C15选择电解电容,作用是当负载电流瞬间变化时,提高输出电压的稳定性。
升压电路根据不同的无线通信模块种类,可以选择不同的升压芯片,例如:当要求最大工作电流要求为2A时,可以采用MP3422GG-Z型号,当最大工作电流要求为1.5A时,可以采用TPS62021A型号,或者根据其它要求,选择LMR62421等。本设计根据无线通信模块的实际电流需求,采用了MP3422GG0Z型号升压芯片,作为优选方案。
升压电路属于开关并联型升压电路。EN:芯片工作使能引脚,IN:电源输入引脚,SW:开关控制引脚,FB:输出电压反馈引脚,OUT:电源输出引脚。
当将EN引脚上拉至高电平时,升压电路开始工作,低电平时,升压电路停止工作。EN开关芯片使能引脚连接到IN电源输入引脚,可以节省一个控制引脚。
电感L1的作用:将电能和磁能相互转换。当芯片内部MOS管闭合,电感将电能转换为磁能储存起来,当芯片内部MOS管断开,电感将储存的磁能转换为电能,并且这个能量与输入电源电压叠加,通过二极管和电容的滤波后得到平滑的直流电压,提供给负载,由于这个电压是输入电源电压和电感的磁能转换为电能叠加后形成的,所以输出电压高于输入电压,即升压过程的完成。
电阻R20和电阻R22作为升压电路的反馈电阻。可以通过选择配置不同的阻值,用来调节输出电压。在输入电压Vout与升压芯片的FB引脚间,构成了电压负反馈电路,使输出电压稳定。
图5是温度检测电路的电路图,根据不同的温度范围和精度要求,可以不同的温度传感器芯片,例如:AD7416,DS18B20等。也可以直接采用芯片内部直接自带温度传感器的单片机。本设计根据无线通信模块的实际电流需求,采用了外部AD7416型号数字式温度传感器AD采样芯片,作为优选方案。
图中,Tem_VCC:温度传感器电源输入引脚。该芯片采用I2C总线协议进行数据传输。Tem_SCL:I2C总线的时钟引脚。Tem_SDA:I2C总线的数据引脚。
电阻R7和电阻R8分别作为I2C总线上,Tem_SCL时钟引脚和Tem_SDA数据引脚的上拉电阻,其阻值可以根据供电电压,通信速率参数进行选择,例如:Tem_Vcc供电电压为(3 ~5)V,通信速率为100kHz时,选择范围可在(4.7 ~ 10)k之间。
此芯片型号支持的最大工作电流为1mA,因此,如果单片机引脚电流输出能力超过1mA时,(大多数单片机芯片引脚的驱动电流均远远超过1mA),Tem_VCC可以与单片机引脚直接相连,可由单片机引脚直接对传感器提供供电电源。也可以将Tem_VCC电源,设计成与第一开关电路相同的第四开关电路。
芯片采用可以间歇性工作,以便于降低功耗。当需要取读温度数据时,将电源控制引脚打开,给Tem_VCC供电。操作结束后,将电源控制引脚关闭,停止供电。Tem_SDA和Tem_SCL,是温度传感器的数据传输接口,采用I2C总线协议,输出数字信号。
温度传感器在系统中的处理机制:将温度设置一个阀值T,该值的范围可以在T(-5℃ ~ -15℃)之间选择。当读取当前温度高于T(-5℃ ~ -15℃)时,采用第二开关电路对无线通信装置进行供电。当读取当前温度低于T(-5℃ ~ -15℃)时,可以采用第三开关电路与升压电路对无线通信装置进行供电。并结合引入的电压检测算法和时间算法,共同作为对无线通信模块供电的机制。
电池选型采用复合型锂电池,是由一个3.6V单节能量型锂电池和一个化学电容并联组成。在进行无线通信时,由于化学电容的内阻较低,因此,主要由化学电容进行大功率电流输出。通信完成后,能量型锂电池会以小电流形式为化学电容充电,不会产生锂电池过放电而导致使用寿命下降。

Claims (11)

1.一种计量仪表无线通信装置电源控制系统,其特征是,包括单片机、无线通信装置、电压检测电路、电源直供电路和升压输出电路,电源同时与电压检测电路、电源直供电路,升压电路相连接,单片机同时与电压检测电路、电源直供电路,升压电路相连接,单片机用于对电压检测电路、电源直供电路,升压电路相连接,单片机的通信接口与无线通信装置相连接,单片机还对电压检测电路的输出电压进行电压采样,电源直供电路和升压输出电路同时与无线通信装置相连接。
2.根据权利要求1所述的一种计量仪表无线通信装置电源控制系统,其特征是,所述的升压电路包括第三开关电路和升压转换电路,第三开关电路同时电源、单片机和升压转换电路相连接,升压转换电路与无线通信装置相连接。
3.根据权利要求2所述的一种计量仪表无线通信装置电源控制系统,其特征是,所述的升压转换电路包括前级滤波电路、升压电路和后级滤波电路,前级滤波电路与升压电路相连接,升压电路与后级滤波电路相连接。
4.根据权利要求3所述的一种计量仪表无线通信装置电源控制系统,其特征是,所述的前级滤波电路包括电容C9、电容C10和电容C11,电容C9、电容C10和电容C11构成升压电路输入端滤波电路,后级滤波电路包括电容C15、电容C16、电容C17和电容C18,电容C15、电容C16、电容C17和电容C18构成输出端滤波电路,升压电路包括升压芯片,升压芯片的输入端与电容C9、电容C10和电容C11相连接,升压芯片的输出端与电容C15、电容C16、电容C17和电容C18相连接。
5.根据权利要求3所述的一种计量仪表无线通信装置电源控制系统,其特征是,所述的升压芯片为型号是mp3422gg-Z的升压芯片,所述的电容C9、电容C10、电容C11、电容C16、电容C17和电容C18为无极性陶瓷电容,电容C15为电解电容,电容C15用于当负载电流瞬间变化时,提高输出电压的稳定性。
6.根据权利要求1所述的一种计量仪表无线通信装置电源控制系统,其特征是,所述的电压检测电路包括第一开关电路和分压滤波电路,第一开关电路同时与分压滤波电路、单片机和电源相连接,分压滤波电路与单片机的AD采样接口相连接。
7.根据权利要求1所述的一种计量仪表无线通信装置电源控制系统,其特征是,所述的电源直供电路包括第二开关电路和反向电流保护电路,第二开关电路同时与电源、单片机和反向电流保护电路相连接,反向电流保护电路与无线通信装置相连接。
8.根据权利要求1-5任意一项权利要求所述的一种计量仪表无线通信装置电源控制系统,其特征是,还包括温度检测电路,单片机的温度检测接口与温度检测电路相连接。
9.根据权利要求6所述的一种计量仪表无线通信装置电源控制系统,其特征是,所述的无线通信装置为GPRS模块、NB-IoT模块或LoRa模块。
10.根据权利要求1所述的一种计量仪表无线通信装置电源控制系统,其特征是,计量仪表无线通信装置电源控制系统由锂电池供电。
11.根据权利要求10所述的一种计量仪表无线通信装置电源控制系统,其特征是,所述的锂电池为3.6V单节能量型电池与电容并联组合成的复合锂电池。
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