CN110784235A - 一种m-bus主机收发电路 - Google Patents
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Abstract
本发明属于通信与电子电路领域，提供了一种M‑BUS主机收发电路，包括接收电路、发送电路、发送分路电路和限流电路；接收电路中，从机发送的电流信号经采样电阻采样后，采样信号依次经抗混叠滤波电路、一级放大电路、限流滤波电路、二级放大电路和整形电路后输入到MCU；发送电路中，控制信号进入电路后分为两路，一路通过三极管控制的放大器控制PMOS管导通或关断，另一路通过三极管控制NMOS管导通或关断；发送分路电路包括多个发送分支路，每个发送分支路中均设置有一个MOS管，通过单片机的选通信号控制MOS来实现信号通路的开启，限流电路用于发送分路电路进行限流。本发明提高了发送电流和接收灵敏度，可以广泛应用于通信领域。
Description
技术领域
本发明涉及通信与电子电路技术领域，具体涉及一种M-BUS主机收发电路。
背景技术
目前M-BUS总线被大量用于水气热表等公共事业表计自动抄表系统，也可用于各种工业控制系统。是一种一对多通讯优秀的总线协议。具有抗干扰能力强、从机电路结构简单、总线主机自供电、从机无需区分极性等特性，十分适合公共事业表计系统。
总线通过电流或电压来传输信号，主机通过改变总线电压来对从机传输数据，从机通过改变负载电流来对主机应答数据。电路设计上分为发送电路与接收电路。
现有技术中的M-BUS电路，一般通过控制运算放大器的输出电压实现发送电压波形调制，从机回复数据通过一个采样电阻采样电流信号再通过接收电路进行比较电压，比较电压一般是通过均值检波电路实现。以上电路存在以下缺点：
1)采样电阻阻值较大，减小带载设备供电电流的最大值。
2)接收电路均值比较器容易出现饱和等情况，特别是波特率较低又持续发送0的情况。
3)接收电路在从机发送信号上升沿缓慢的情况下，波形畸变明显。
4)接收电路灵敏度较低，提高灵敏度需要提高采样电阻值，减小带载设备供电电流的最大值。
因此，需要对现有技术中的M-BUS主机收发电路进行改进，以提高电路的灵敏度以及电路带载能力。
发明内容
为了提高MBUS接收电路灵敏度，提高发送电路带载能力，本发明克服现有技术存在的不足，提供了一种M-BUS主机收发电路。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种M-BUS主机收发电路，包括接收电路、发送电路、发送分路电路和限流电路；
所述接收电路包括采样电阻R71、抗混叠滤波电路、一级放大电路、限流滤波电路、二级放大电路和整形电路，从机发送的电流信号经所述采样电阻R71采样后，采样信号依次经抗混叠滤波电路、一级放大电路、限流滤波电路、二级放大电路和整形电路后输入到MCU的串口输入引脚；
所述发送电路包括第一发送支路和第二发送支路，所述第一发送支路包括三极管V8、运算放大器D9A和PMOS管M1，所述第二发送支路包括三极管V9和NMOS管M2；PMOS管M1的S极与发送信号连接，NMOS管M2的S极接地，PMOS管M1的G极和NMOS管M2的G极分别与三极管V8和三极管V9的输出端连接，PMOS管M1的D极与NMOS管M2的D极连接在一起并与发送电路的输出端子BUS1+连接；MCU发送的控制信号进入发送电路后分为两路，一路通过三极管V8控制的运算放大器D9A控制PMOS管M1导通或关断，另一端通过三极管V9控制NMOS导通或关断，从而实现推挽式输出模式；
所述发送分路电路包括多个发送分支电路，每个发送分支路中均设置有一个MOS管，所述MOS管的S极与发送电路的输出端连接，D极作为收发电路的正输出端子MBSU+与从机连接，G极与MCU的选通信号端子EN_MBUS连接；
所述限流电路用于对发送分路电路进行限流。
所述接收电路中，抗抗混叠滤波电路包括电阻R69、电阻R76、电容C44；所述一级放电电路包括运算放大器D9C、电阻R70、电阻R75、电阻R79和电阻R67；所述限流滤波电路包括电容C45、电阻R78、电阻R74、二极管VD8、二极管VD9、电阻R73、电容C41、电阻R72、电容C46和运算放大器D9B；所述二级放大电路包括运算放大器D9D、电阻R81和电阻R82，所述整形电路包括稳压二极管TS10、电阻R77、电阻R80、电阻R68、三极管V7和电容C47；所述采样电阻R71的一端与从机连接，另一端与电源正极连接，采样电阻R71的一端经电阻R76和电阻R75与运算放大器D9C的反相输入端连接，另一经电阻R69和电阻R70与运算放大器D9C的同相输入端连接，电容C44的两端分别与电阻69和电阻R76的输出端连接，运算放大器D9C的同相输入端经电阻R67接地；运算放大器D9C的输出端经电阻R79与其反向输入端连接，运算放大器D9C的输出端经依次电容C45、电阻R74、电阻R73、和电阻R72与运算放大器D9B的同乡输入端连接，电阻R78与二极管VD9串联连接后并联在电阻R74的两端，二极管VD8与二极管VD9反向并联连接；电容C46连接在运算放大器D9B的同相输入端与地之间，电容C41连接在电阻R73的输出端与运算放大器D9B的输出端之间，运算放大器D9B的输出端还与其反向输入端连接在一起；运算放大器D9B的输出端与运算放大器D9D的同相输入端连接，运算放大器D9D的反向输入端经电阻R82接地，输出端经电阻R81与反向输入端连接；运算放大器D9D的输出端经稳压二极管TS10、电阻R77与三极管V7的基极连接，三极管V7的集电极经电阻R68与电源正极连接,三极管的集电极作为接收电路的输出端与MCU连接，三极管的发射极接地，电阻R80与电容C47并联连接后连接在三极管V7的基极与发射极之间。
所述发送电路中还包括电阻R89，电阻R89的一端与电源正极连接，另一端与MCU发送的控制信号连接；第一发送支路还包括电阻R90、电阻R92、电阻R84和电阻R87，MCU发送的控制信号经电阻R90与三极管V8的基极连接，三极管V8的基极经电阻R92与地连接，三极管V8的发射极接地，三极管V8集电极经电阻R87与运算放大器D9A的同相输入端连接，运算放大器D9A的同相输入端经电阻R84与电源正极连接；运算放大器D9A的输出端与反相输入端连接，输出端还与PMOS管M1的G极连接；第二发送支路还包括电阻R91、电阻R96、电阻R93、电阻R95和电阻R94，MCU发送的控制信号经电阻R91与三极管V9的基极连接，三极管V9的基极经电阻R96与地连接，三极管V9的发射极接地，三极管V9的集电极经电阻R93与电源正极连接，三极管V9的集电极还经电阻R95与NMOS管M2的G极连接，NMOS管M2的S极经电阻R94接地。
所述采样电阻R71的阻值为5.1欧姆。
所述的一种M-BUS主机收发电路，还包括负压电源电路，所述负压电源电路用于对电路负压进行降压，包括电阻R91、电阻R96、电阻R93和稳压源TS11，所述电阻R88的一端与电源负极连接，另一端经电阻R86和电阻R85接地，所述稳压源TS11的正极与电源负极连接，负极与电阻R86的输出端连接并输出低压负电压，参考极与电阻R88的输出端连接。
所述发送分路电路中，每个发送支路均包括电阻R99、三极管V10、电阻R98、电阻R97、三极管V11、电阻R100、电阻R101、电容C49和MOS管V12，所述MOS管V12的G极经电阻R100与三极管V11的集电极连接，三极管V11的发射极与电源负极连接，三极管V11的基极经电阻R97与发射极连接，三极管V11的基极经电阻R98与三极管V10的集电极连接，三极管V10的基极接地，发射极经电阻R99与与MCU的选通信号端子EN_MBUS连接。
所述限流电路包括电阻R106、三极管V15、稳压源TS12和电阻R8，所述三极管V15的基极经电阻R108与地连接，集电极与收发电路的负输出端子MBSU-连接，发射极经电阻R106与电源负极连接；所述稳压源TS12的阴极与三极管V15的基极连接，阳极与电源负极连接，参考极与三极管V15的发射极连接。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
(1)本发明可以有效提高发送电流，采用双mos推挽结构可以让发送电流达到1A以上，信号上升沿和下降沿陡峭，有利于信号远距离传输。
(2)本发明可以有效提高接收灵敏度，接收电路采用运算放大器放大电流信号，可以用较小的采样电阻避免对发送电路有影响，并增加滤波电路过滤线路上的噪声干扰。可以有效对长距离传输的微弱信号进行放大，提高带载数量。
附图说明
图1为本发明实施例提出的一种M-BUS主机收发电路的结构框图；
图2为本发明实施例中接收电路的电路原理图；
图3为本发明实施例中发送电路的电路原理图；
图4为本发明实施例中负压电源电路的电路原理图；
图5为本发明实施例中发送分路电路和限流电路的电路原理图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种M-BUS主机收发电路，包括接收电路、发送电路、发送分路电路和限流电路。
其中，所述接收电路包括采样电阻R71、抗混叠滤波电路、一级放大电路、限流滤波电路、二级放大电路和整形电路，从机发送的电流信号经所述采样电阻R71采样后，采样信号依次经抗混叠滤波电路、一级放大电路、限流滤波电路、二级放大电路和整形电路后输入到MCU的串口输入引脚。
其中，所述发送电路包括第一发送支路和第二发送支路，所述第一发送支路包括三极管V8、运算放大器D9A和PMOS管M1，所述第二发送支路包括三极管V9和NMOS管M2；PMOS管M1的S极与发送信号连接，NMOS管M2的S极接地，PMOS管M1的G极和NMOS管M2的G极分别与三极管V8和三极管V9的输出端连接，PMOS管M1的D极与NMOS管M2的D极连接在一起并与发送电路的输出端子BUS1+连接；MCU发送的控制信号进入发送电路后分为两路，一路通过三极管V8控制的运算放大器D9A控制PMOS管M1导通或关断，另一端通过三极管V9控制NMOS导通或关断，从而实现推挽式输出模式；
其中，所述发送分路电路包括多个发送分支路，每个发送分支路中均设置有一个MOS管，所述MOS管的S极与发送电路的输出端连接，D极作为收发电路的正输出端子MBSU+与从机连接，G极与MCU的选通信号端子EN_MBUS连接。
所述限流电路设置在发送分路电路的负端，用于对回路进行限流。
具体地，如图2所示，为本发明实施例中接收电路的电路原理图，本实施例的接收电路中，抗抗混叠滤波电路包括电阻R69、电阻R76、电容C44；所述一级放电电路包括运算放大器D9C、电阻R70、电阻R75、电阻R79和电阻R67；所述限流滤波电路包括电容C45、电阻R78、电阻R74、二极管VD8、二极管VD9、电阻R73、电容C41、电阻R72、电容C46和运算放大器D9B；所述二级放大电路包括运算放大器D9D、电阻R81和电阻R82，所述整形电路包括稳压二极管TS10、电阻R77、电阻R80、电阻R68、三极管V7和电容C47；所述采样电阻R71的一端与从机连接，另一端与电源正极+18V连接，采样电阻R71的一端经电阻R76和电阻R75与运算放大器D9C的反相输入端连接，另一经电阻R69和电阻R70与运算放大器D9C的同相输入端连接，电容C44的两端分别与电阻69和电阻R76的输出端连接，运算放大器D9C的同相输入端经电阻R67接地；运算放大器D9C的输出端经电阻R79与其反向输入端连接，运算放大器D9C的输出端经依次电容C45、电阻R74、电阻R73、和电阻R72与运算放大器D9B的同乡输入端连接，电阻R78与二极管VD9串联连接后并联在电阻R74的两端，二极管VD8与二极管VD9反向并联连接；电容C46连接在运算放大器D9B的同相输入端与地之间，电容C41连接在电阻R73的输出端与运算放大器D9B的输出端之间，运算放大器D9B的输出端还与其反向输入端连接在一起；运算放大器D9B的输出端与运算放大器D9D的同相输入端连接，运算放大器D9D的反向输入端经电阻R82接地，输出端经电阻R81与反向输入端连接；运算放大器D9D的输出端经稳压二极管TS10、电阻R77与三极管V7的基极连接，三极管V7的集电极经电阻R68与电源正极+18V连接,三极管的集电极作为接收电路的输出端与MCU连接，三极管的发射极接地，电阻R80与电容C47并联连接后连接在三极管V7的基极与发射极之间。
本实施例中，接收电路是通过放大滤波从机的电流信号来实现，从机回复的数据通过改变总线负载电流10mA来发送数据。具体原理如下：电流信号通过R71采样后，经过电阻R69、电阻R76和电容C44组成的抗混叠滤波后进入运算放大器D9C进行放大；放大后的信号经过电容C45隔直后，再经过电阻R74限流，进入二极管VD8和二极管VD9进行幅度限制，之后进入运算放大器D9B和电阻R72、电阻R73、电容C41和电容C46组成的有源二阶低通滤波器滤除线路噪声；之后进入运算放大器D9D进行输出放大，之后进入三极管V7进行整形后输出，输出信号MCU_RXD接MCU串口输入脚。
具体地，本实施例中，所述采样电阻R71的阻值为5.1欧姆。接收电路采用两级运算放大器来放大电流信号，则可以用较小的采样电阻来避免采样电路对发送电路的影响，并增加滤波电路过滤线路上的噪声干扰，可以有效对长距离传输的微弱信号进行放大，提高带载数量。
具体地，如图3所示，本发明实施例中，所述发送电路中还包括电阻R89，电阻R89的一端与电源正极3.3V连接，另一端与MCU发送的控制信号连接；第一发送支路还包括电阻R90、电阻R92、电阻R84和电阻R87，MCU发送的控制信号经电阻R90与三极管V8的基极连接，三极管V8的基极经电阻R92与地连接，三极管V8的发射极接地，三极管V8集电极经电阻R87与运算放大器D9A的同相输入端连接，运算放大器D9A的同相输入端经电阻R84与电源正极+18V连接；运算放大器D9A的输出端与反相输入端连接，输出端还与PMOS管M1的G极连接；第二发送支路还包括电阻R91、电阻R96、电阻R93、电阻R95和电阻R94，MCU发送的控制信号经电阻R91与三极管V9的基极连接，三极管V9的基极经电阻R96与地连接，三极管V9的发射极接地，三极管V9的集电极经电阻R93与电源正极+18V连接，三极管V9的集电极还经电阻R95与NMOS管M2的G极连接，NMOS管M2的S极经电阻R94接地。
本实施例中，发送电路采用MOS推挽结构，发送的信号从MCU_TXD进入电路，之后分为两路，一路通过三极管V8控制的运算放大器D9A控制PMOS管M1导通或关断。另一路通过V9控制NMOS管M2导通或关断，从而实现推挽式输出模式。
进一步地，本实施例提供的一种M-BUS主机收发电路，还包括负压电源电路，所述负压电源电路用于对电路负压进行降压，如图4所示，所述负压电路包括电阻R91、电阻R96、电阻R93和稳压源TS11，所述电阻R88的一端与电源负极-18V连接，另一端经电阻R86和电阻R85接地，所述稳压源TS11的正极与电源负极-18V连接，负极与电阻R86的输出端连接并输出-6V低压负电压，参考极与电阻R88的输出端连接。此外，本实施例中，电源正极+18V与-6V电压负电压之间还设置有电容C48。负压电源电路中，稳压源TS11采用TL431，由于电路提供的是正负18V供电，可能超过放大器的工作极限，对负压进行一定的降压后给电路中的放大器(例如发送电路中的运算放大器D9A)提供电源，避免烧坏运放。
进一步地，，如图5所示，示出了本实施例中发送分路的支路包括两路的情况，以第一个发送分路的支路为例，其包括电阻R99、三极管V10、电阻R98、电阻R97、三极管V11、电阻R100、电阻R101、电容C49和MOS管V12，所述MOS管V12的G极经电阻R100与三极管V11的集电极连接，三极管V11的发射极与电源负极-18V连接，三极管V11的基极经电阻R97与发射极连接，三极管V11的基极经电阻R98与三极管V10的集电极连接，三极管V10的基极接地，发射极经电阻R99与MCU的选通信号端子EN_MBUS连接。
本实施例中，发送分路采用MOS管来选通MBUS正信号达到分路的目的，来自单片机EN_MBUS信号选通某一路的MOS管，使得BUS1+信号导通到MBUS1+上，完成信号通路的开启。为了避免总线上出现的短路等异常情况，增加了限流电路。限流电路是R106、TS12、V15、R108组成。限流值可设置，通过改变R106的阻值改变限流值，TS12器件是TL431，限流值就是2.5/R106。
进一步地，如图5所示，本实施例中，所述限流电路包括电阻R106、三极管V15、稳压源TS12和电阻R8，所述三极管V15的基极经电阻R108与地连接，集电极与收发电路的负输出端子MBSU-连接，发射极经电阻R106与电源负极-18V连接；所述稳压源TS12的阴极与三极管V15的基极连接，阳极与电源负极-18V连接，参考极与三极管V15的发射极连接。此外，电路的负输出端子MBSU-与证输出端子MBUS+之间连接有双向稳压二极管。本实施例中，由于MBUS信号电流总是从正回到负，所以只在发送分路的支路负端进行限流就可以对整个回路进行限流。而正信号可以分为很多路，同一时间只能选通一路进行通信，这个时候负端是并在一起的。
本发明提供了一种M-BUS主机收发电路，采用双mos推挽结构可以让发送电流达到1A以上，可以有效提高发送电流，信号上升沿和下降沿陡峭，有利于信号远距离传输。此外，本发明接收电路采用运算放大器放大电流信号，可以用较小的采样电阻避免对发送电路有影响，因此可以有效提高接收灵敏度，并增加滤波电路过滤线路上的噪声干扰，可以有效对长距离传输的微弱信号进行放大，提高带载数量。
上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种M-BUS主机收发电路，其特征在于，包括接收电路、发送电路、发送分路电路和限流电路；
所述接收电路包括采样电阻R71、抗混叠滤波电路、一级放大电路、限流滤波电路、二级放大电路和整形电路，从机发送的电流信号经所述采样电阻R71采样后，采样信号依次经抗混叠滤波电路、一级放大电路、限流滤波电路、二级放大电路和整形电路后输入到MCU的串口输入引脚；
所述发送电路包括第一发送支路和第二发送支路，所述第一发送支路包括三极管V8、运算放大器D9A和PMOS管M1，所述第二发送支路包括三极管V9和NMOS管M2；PMOS管M1的S极与发送信号连接，NMOS管M2的S极接地，PMOS管M1的G极和NMOS管M2的G极分别与三极管V8和三极管V9的输出端连接，PMOS管M1的D极与NMOS管M2的D极连接在一起并与发送电路的输出端子BUS1+连接；MCU发送的控制信号进入发送电路后分为两路，一路通过三极管V8控制的运算放大器D9A控制PMOS管M1导通或关断，另一端通过三极管V9控制NMOS导通或关断，从而实现推挽式输出模式；
所述发送分路电路包括多个发送分支电路，每个发送分支路中均设置有一个MOS管，所述MOS管的S极与发送电路的输出端连接，D极作为收发电路的正输出端子MBSU+与从机连接，G极与MCU的选通信号端子EN_MBUS连接；
所述限流电路用于对发送分路电路进行限流。
2.根据权利要求1所述的一种M-BUS主机收发电路，其特征在于，所述接收电路中，抗抗混叠滤波电路包括电阻R69、电阻R76、电容C44；所述一级放电电路包括运算放大器D9C、电阻R70、电阻R75、电阻R79和电阻R67；所述限流滤波电路包括电容C45、电阻R78、电阻R74、二极管VD8、二极管VD9、电阻R73、电容C41、电阻R72、电容C46和运算放大器D9B；所述二级放大电路包括运算放大器D9D、电阻R81和电阻R82，所述整形电路包括稳压二极管TS10、电阻R77、电阻R80、电阻R68、三极管V7和电容C47；
所述采样电阻R71的一端与从机连接，另一端与电源正极连接，采样电阻R71的一端经电阻R76和电阻R75与运算放大器D9C的反相输入端连接，另一经电阻R69和电阻R70与运算放大器D9C的同相输入端连接，电容C44的两端分别与电阻69和电阻R76的输出端连接，运算放大器D9C的同相输入端经电阻R67接地；运算放大器D9C的输出端经电阻R79与其反向输入端连接，运算放大器D9C的输出端经依次电容C45、电阻R74、电阻R73、和电阻R72与运算放大器D9B的同乡输入端连接，电阻R78与二极管VD9串联连接后并联在电阻R74的两端，二极管VD8与二极管VD9反向并联连接；电容C46连接在运算放大器D9B的同相输入端与地之间，电容C41连接在电阻R73的输出端与运算放大器D9B的输出端之间，运算放大器D9B的输出端还与其反向输入端连接在一起；运算放大器D9B的输出端与运算放大器D9D的同相输入端连接，运算放大器D9D的反向输入端经电阻R82接地，输出端经电阻R81与反向输入端连接；运算放大器D9D的输出端经稳压二极管TS10、电阻R77与三极管V7的基极连接，三极管V7的集电极经电阻R68与电源正极连接,三极管的集电极作为接收电路的输出端与MCU连接，三极管的发射极接地，电阻R80与电容C47并联连接后连接在三极管V7的基极与发射极之间。
3.根据权利要求1所述的一种M-BUS主机收发电路，其特征在于，所述发送电路中还包括电阻R89，电阻R89的一端与电源正极连接，另一端与MCU发送的控制信号连接；
第一发送支路还包括电阻R90、电阻R92、电阻R84和电阻R87，MCU发送的控制信号经电阻R90与三极管V8的基极连接，三极管V8的基极经电阻R92与地连接，三极管V8的发射极接地，三极管V8集电极经电阻R87与运算放大器D9A的同相输入端连接，运算放大器D9A的同相输入端经电阻R84与电源正极连接；运算放大器D9A的输出端与反相输入端连接，输出端还与PMOS管M1的G极连接；
第二发送支路还包括电阻R91、电阻R96、电阻R93、电阻R95和电阻R94，MCU发送的控制信号经电阻R91与三极管V9的基极连接，三极管V9的基极经电阻R96与地连接，三极管V9的发射极接地，三极管V9的集电极经电阻R93与电源正极连接，三极管V9的集电极还经电阻R95与NMOS管M2的G极连接，NMOS管M2的S极经电阻R94接地。
4.根据权利要求1所述的一种M-BUS主机收发电路，其特征在于，所述采样电阻R71的阻值为5.1欧姆。
5.根据权利要求1所述的一种M-BUS主机收发电路，其特征在于，还包括负压电源电路，所述负压电源电路用于对电路负压进行降压，包括电阻R91、电阻R96、电阻R93和稳压源TS11，所述电阻R88的一端与电源负极连接，另一端经电阻R86和电阻R85接地，所述稳压源TS11的正极与电源负极连接，负极与电阻R86的输出端连接并输出低压负电压，参考极与电阻R88的输出端连接。
6.根据权利要求1所述的一种M-BUS主机收发电路，其特征在于，所述发送分路电路中，每个发送支路均包括电阻R99、三极管V10、电阻R98、电阻R97、三极管V11、电阻R100、电阻R101、电容C49和MOS管V12，所述MOS管V12的G极经电阻R100与三极管V11的集电极连接，三极管V11的发射极与电源负极连接，三极管V11的基极经电阻R97与发射极连接，三极管V11的基极经电阻R98与三极管V10的集电极连接，三极管V10的基极接地，发射极经电阻R99与与MCU的选通信号端子EN_MBUS连接。
7.根据权利要求1所述的一种M-BUS主机收发电路，其特征在于，所述限流电路包括电阻R106、三极管V15、稳压源TS12和电阻R8，所述三极管V15的基极经电阻R108与地连接，集电极与收发电路的负输出端子MBSU-连接，发射极经电阻R106与电源负极连接；所述稳压源TS12的阴极与三极管V15的基极连接，阳极与电源负极连接，参考极与三极管V15的发射极连接。
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