CN110784601B - 运动传感器 - Google Patents

Abstract

加速度计在诸如移动电话的移动设备中用做运动传感器，以检测诸如敲击的用户输入。描述了用于移动设备的动作传感器，包括：扬声器，用于输出音频信号，所述扬声器具有扬声器输入；触发检测器，具有触发输入和触发输出，所述触发输入耦合到所述扬声器输入；其中，所述触发检测器可操作为，响应于由运动源在扬声器输入上导致的机械感应信号，在触发输出上输出检测信号。由于扬声器不需要任何DC偏置来检测诸如用户敲击运动传感器的运动源，因此运动传感器的电量消耗减少。

Description

运动传感器

本申请是申请日为2015年05月14日且题为“运动传感器”的中国国家申请(申请号：2015102458697)的分案申请。

技术领域

本发明涉及针对移动设备的运动传感器。

背景技术

随着“永远开启”功能越来越多(其连续感测环境以执行例如设备唤醒、语音关键词检测的动作)，移动设备(如移动电话和平板计算机)正在变得越来越智能。因此，移动设备具有各种传感器，例如触摸屏以及加速度计或运动传感器。这些传感器也可以用来代替传统的输入设备，如按钮。例如，传统上，使用在按压时唤醒主处理器的专用按钮来完成设备唤醒。目前，一些智能手机甚至支持通过敲击或挥动来唤醒和解锁设备，例如LG G2“Knock Knock”或HTC M8“Motion Launch”。此外，现在大部分加速度计支持低电量休眠模式，该模式允许以更少的电量消耗来检测特定事件(例如(双)敲击、自由下落、活动性……)。

发明内容

在附带的权利要求中对本发明的各个方面进行了定义。在第一方面中，定义了一种针对移动设备运动传感器，包括：扬声器，用于输出音频信号，该扬声器具有扬声器输入；触发检测器，具有触发输入和触发输出，所述触发输入耦合到扬声器输入；其中，触发检测器可操作为，响应于由运动源在扬声器输入上机械感应的信号，在触发输出上输出检测信号。

当在待机模式或休眠模式下时，由于扬声器不需要任何DC偏置，因此运动传感器需要很少的电流来工作。扬声器对机械振动敏感但对可通过声学耦合引起响应的音频源不太敏感。由于扬声器对机械脉冲的响应将会强于对外部音频源的响应，因此可以更简单的检测出扬声器对用户输入的响应。

运动源可以是例如用户敲击运动传感器或机械耦合到运动传感器的表面。运动源可以是例如用户拿起移动传感器。敲击或拿起运动传感器的动作会导致传送到扬声器的机械脉冲或振动。得到的扬声器响应可以在输入端上感应电信号。

在实施例中，触发检测器可以包括：基准波形模块，用于存储至少一个基准波形；以及比较模块，所述比较模块具有耦合到触发输入的第一输入、耦合到至少一个基准波形的输出的第二输入以及耦合到触发输出的输出，并且其中，如果触发输入上的信号与基准波形相匹配，则触发检测器可操作为在触发输出上输出检测信号，其中每个基准波形表示在扬声器的输入上产生的期望的机械感应信号。

基准波形可以是期望的信号波形，或者是表示期望的信号的参数的集合。参数的集合可被称为信号签名。例如，信号签名可以是在用于定义时间间隔内具有高于用户定义阈值的信号电平的信号。

在实施例中，触发检测器可以包括：滤波器，具有耦合到扬声器输入的输入。

由于扬声器的机械感应响应可以比声学响应具有更多的低频成分，因此滤波器可以是低通滤波器。滤波器的上限截止频率可以是比扬声器的谐振频率低至少一个音阶的频率。

在实施例中，触发检测器包括具有耦合到滤波器输出的输入的比较器，并且其中比较器可操作为输出高于预定阈值的信号。

在实施例中，触发检测器可以包括：控制器，具有耦合到比较器的输出的输入以及耦合到触发输出的输出，其中，所述控制器可操作为确定比较器的输出是否与预定的基准波形相匹配以及在触发输出上输出信号。

比较器可以具有根据期望的响应预定的阈值。由于通常对比较器的实现可能只消耗不到1毫安，因此比较器可以永远开启。

在运动传感器的实施例中，触发检测器可以包括：控制器，具有耦合到比较器输出的输入以及耦合到触发输出的输出，其中，所述控制器可操作为，如果比较器在预定的时间段内输出两个或更多个高于预定阈值的信号，则输出激活信号。

控制器可以包括用来确定已经检测到多少事件的一个或多个计数器。这可以改善运动检测的可靠性。控制器也可被配置为响应特定的运动源，例如用户双击运动传感器。

在实施例中，运动传感器可以包括：另一扬声器，用于输出音频信号，所述另一扬声器具有另一扬声器输入。触发检测器还包括：另一触发输入，耦合到另一扬声器输入，并且可操作为检测所述另一扬声器对运动源的机械感应响应，其中，所述扬声器机械地耦合到所述另一扬声器。

在具有多个扬声器的运动感测器的实施例中，触发检测器可以包括：耦合到触发输入、另一触发输入以及触发输出的多触发检测器模块，并且其中，所述多触发检测器模块可操作为将触发输入上接收的信号与基准波形进行比较，将另一触发输入上接收的信号与所述另一基准波形进行比较，以及如果基准波形与触发输入上接收的信号相匹配并且另一基准波形与另一触发输入上接收的信号相匹配，则在触发输出上输出激活信号，并且其中该另一基准波形表示响应于运动源在另一扬声器的输入上产生的期望的机械感应信号。

多个扬声器的使用可以改善检测运动源的可靠性。例如，只有在所有的触发检测器上都检测到响应高于预定的阈值时，才触发运动传感器的输出。

在具有多个扬声器的运动传感器的实施例中，触发检测器还被布置为根据对在触发输入上接收的信号与所述另一触发输入上接收的信号之间的延迟的测量来确定延迟值，以及根据延迟值来确定运动源的位置。

扬声器之间的响应延迟可以用来确定运动源的位置。例如，这可以是用户敲击机械地耦合到运动传感器的表面的位置。

在实施例中，运动传感器可被并入包括机械耦合到扬声器的外壳的移动设备。

由于外壳机械地耦合到扬声器，所以运动传感器可以对外壳上的任何振动都敏感。这可能是由于运动源导致的，例如用户敲击外壳或用于拿起移动设备。移动设备示例包括但不限于移动电话、平板计算机、膝上计算机或者便携式音频播放器。

在实施例中，运动传感器可被并入包括耦合到扬声器输入的音频放大器和耦合到触发输出的处理器的移动设备，其中，所述移动设备可操作为，响应于用户敲击外壳，从第一操作模式变为第二操作模式。

第一操作模式可以是待机模式，该模式比第二操作模式消耗的电量更少。运动传感器可以用来检测指示移动设备应当苏醒的用户敲击。

在实施例中，移动设备可操作为，响应于用户敲击外壳而开启。因为电量消耗极低，所以运动传感器可以用做开启开关的替代。

在运动传感器并入移动设备的实施例中，在第一操作模式中，启用触发检测器，并且禁用音频放大器，并且在第二操作模式中，禁用触发检测器且启用音频放大器。

如果只在特定的操作模式中需要运动检测，则通过禁用正常音频输出，可以简化触发检测器中的检测电路。例如，滤波器可以由简单的开关来代替。

在运动传感器并入移动设备的实施例中，移动设备可操作为确定用户敲击外壳的位置。

附图说明

在附图及其描述中，相同的附图标记标示相同的特征。现在仅以示例的形式对本发明的实施例进行详细描述，并通过附图示出，其中：

图1示出了根据实施例的运动传感器。

图2示出了根据实施例的运动传感器。

图3示出了根据实施例的具有运动传感器电路的扬声器控制系统。

图4a和图4b示出了根据实施例的具有两个扬声器的运动传感器。

图5a和图5b示出了使用图4a和图4b的运动传感器的位置检测。

图6描述了根据实施例的操作包括运动传感器的移动设备的方法。

具体实施方式

图1描述了运动传感器100。运动传感器100可以具有扬声器10，所述扬声器10可以具有与触发检测器14的输入的连接12。触发检测器14可以具有触发输出16。触发输出16可以与例如处理器(未示出)连接。在操作中，扬声器可以在普通模式中用于输出音频信号。在普通模式中，扬声器可以由音频放大器(未示出)来驱动，所述音频放大器可以是D级放大器。在感测模式中，触发检测器14可以由扬声器10的输入端上感应的信号来激活。信号可以由机械耦合到扬声器的移动源来感应。移动源可以在扬声器10中感应机械振动，并且因此在扬声器10的一个或多个输入端上感应变化的电压。变化的电压可以视为触发检测器14的输入信号。触发检测器14可以确定该信号输入是否由运动源导致的，所述运动源是例如用户敲击机械耦合到扬声器10的表面，或者备选地是用户移动扬声器，并且由于机械耦合由此在扬声器中感应振动。技术人员将理解的是，在扬声器中的机械振动是由扬声器的用户的运动导致的情况中，扬声器与扬声器的用户的机械耦合将会是临时的。对到触发检测器14的输入是由运动还是由其它因素(例如声学耦合到扬声器的音频源)导致的确定可以通过输入信号与扬声器10对运动源的期望的响应之间的比较来完成。备选地，或除此之外，该比较可以是相对于预定阈值的比较。当耦合到扬声器的音频放大器是活动的时，触发检测器14可被禁用。这可以避免错误地触发触发检测器14。触发检测器输出16可以用来触发处理器以唤醒设备，所述设备中合并有运动传感器100。运动传感器100因此可以用在设备的待机模式中，以对例如用户敲击该设备进行响应，由此在扬声器10的输入端上产生电压，该电压继而由触发检测器14检测到。由于扬声器10机械耦合到设备的其余部分，因此它在设备上感应的振动极其敏感。此外，当设备处在待机操作模式中时，扬声器10不需要任何DC偏置电压。所以运动传感器100可以消耗非常少的电量，通常小于1uA。由于运动传感器的电量消耗很低以至于它可以永久保持与电池连接并且实际上不吸取电流，因此这种运动传感器可以用做移动设备中的通断开关的替代。技术人员将会设想到触发检测器14可以在硬件、软件或硬件与软件的结合中实现。

扬声器10可以是例如电动扬声器。在包括移动传感器的移动设备示例中，触发检测器14可以在触发检测器输出16上输出中断信号，该中断信号可以用来向应用处理器发信号以唤醒移动设备，使移动设备从低功率待机或休眠操作模式变为高功率正常操作模式。

图2示出了运动检测器200。扬声器10可以具有从至少一个输入端到放大器26的输入端的连接12。放大器26可以将扬声器10的输入端上的感应电压放大以将信号调整到需要的电平。放大器26的输出可以连接到比较器模块24。基准信号发生器22可以具有连接到比较器模块24的输出。基准波形模块22可以包括存储一个或多个期望的波形或基准波形的存储器。基准波形可以是期望的信号波形或者可以是表示期望信号的参数集合。参数集合可以称为信号签名。例如，信号签名可以是在用户定义的时间间隔内具有高于用户定义的阈值的信号电平的信号。放大器26、比较器模块24以及基准信号发生器22可以形成触发检测器20。比较器模块24的输出可以连接到触发检测器输出18。比较器模块24可以将从放大器26的输出接收的信号与来自基准信号发生器22的一个或多个基准信号进行比较。如果输入信号与基准信号发生器22产生的一个或多个信号相匹配，则比较器模块24在触发检测器输出18上输出信号。在本文中使用的术语“匹配”的意思并不是输入信号必须与基准信号完全相同，而是输入信号特性被认为是期望的对机械耦合到扬声器的运动源的响应的代表。信号匹配可以是例如信号电平比较。运动源可以是例如用户直接敲击扬声器或者是敲击机械耦合到扬声器10的表面。运动源也可以是用户拿起扬声器10或拿起其中封装有扬声器10的设备。基准信号发生器22和比较模块24可以在硬件、软件或硬件与软件的结合中实现。技术人员将理解到，针对牵涉到运动传感器200的用户的运动源，用户与运动传感器200之间的机械耦合将会是短暂的。基准信号发生器22也可以包括其它类型的运动源，例如用户产生的不同类型的敲击，如指甲敲击或手指敲击。

在触发检测器20的备选示例的实现中，如果扬声器输出的信号电平足够大，大到运动源可以直接由比较器模块可靠地检测到，则可以省略放大器26。

图3示出了包括运动传感器300的扬声器系统。音频放大器46可以具有音频输入48以及连接到扬声器10的输出12。音频放大器46可以具有启用输入50。扬声器放大器46与扬声器10之间的连接12可以是一对扬声器放大器输出端子与一对扬声器端子之间的连接。备选地，连接12可以是与单一扬声器端子的连接，而另一个端子与地电压连接。扬声器10的输入也连接到滤波器34的输入，并且滤波器34的输出连接到比较器36。比较器36的输出连接到控制器32，并且控制器32的输出可以连接到中断请求线路42。控制器32也可以具有可以是控制总线的控制和状态线路40。配置模块38可以连接到滤波器34、比较器36以及控制器32。控制器32、滤波器34、比较器36以及配置模块38可以形成触发检测器30。到触发检测器30的启用输入44可以连接到控制器32、滤波器34以及比较器36。在正常操作模式中，音频放大器46可以通过使用放大器启用输入50启用放大器，来驱动扬声器10。在待机操作模式中，可以使用放大器启用输入50来禁用音频放大器46。当扬声器放大器46关闭时，扬声器放大器的输出可以处于三态或具有高阻抗。触发检测器30的操作如下。滤波器34可以从扬声器10的输入端中滤除不想要的信号。如果扬声器放大器50与触发检测器30同时启用，则这些不想要的信号可以是例如来自扬声器放大器50的音频信号。这些不想要的信号也可以是由声学耦合到扬声器的外部源导致的更高频的成分。滤波器34可以对机械耦合的信号源和其它信号源进行区分。通常地，当经由启用控制44启用触发检测器30时，扬声器放大器将被禁止，并且反之亦然。这可以允许简单得多的滤波器34，其可以简单地是在扬声器放大器46被禁止时连接到扬声器10的开关。比较器36可以具有可调整的触发阈值电平。在待机操作模式中，比较器36可能还需要供电。然而触发检测器30的其它部分(如控制器32)在接收到来自比较器36的输出之前可能不需要供电。比较器36可以是放大器，其将扬声器小的信号振幅放大到足够发出逻辑信号的电平。信号振幅可以在1mV的范围之内。阈值电平可以是100μV的量级。等效噪音电平可以是阈值电平的十分之一以下(ten times below)，但也可以高一些或低一些。比较器36的电流消耗可能例如在50到70纳安之间。控制器32可以具有在来自比较器36的出发信号之后被启用的时间基准。控制器可以具有计数器，该计数器对与从比较器36输出的出发信号相对应的两个事件之间的时间进行计数。用于对时间进行计数的振荡器或时钟的频率可以非常低，例如几赫兹，因为只需要检测由用户敲击移动传感器导致的两个事件之间的时间。控制器32可以包括模式识别器，其可以将到来的事件与存储的序列相比较。如果到来的序列与存储的序列相匹配，则在输出42上产生中断信号。可以连接到中断输出42的应用处理器(未示出)然后可以激活并唤醒其余的系统。检测的事件可以是用户敲击之间的时间。备选地，时间可以是零相交之间的时间或者是输入到控制器32的信号脉冲的持续时间。在这种情况下，在中断输出42上设置中断请求之前，可检测到更复杂的模式匹配。配置模块38可以为滤波器34设置变量，该变量可以是滤波器系数。配置模块38可以为比较器36设置阈值电平。配置模块38也可以确定控制器32的配置，例如以便确定是否要对来自比较器36输出的连续的事件之间的时间进行计数，或者对零相交或信号脉冲持续时间进行计数。零相交或信号脉冲持续时间将会对例如具有更多低频成分的敲击以及具有更多高频成分的击掌加以区分。这可以用于确定源是否与运动源机械耦合，以防止运动传感器的错误触发。

图4a和图4b示出了具有第一扬声器10和另一扬声器10’的运动传感器400。第一扬声器10以及第二扬声器10’可以封装在外壳52中。运动传感器400可以合并为移动设备的一部分。扬声器10的输入可以由连接12连接到第一放大器26。扬声器10’的输入可以由连接12’连接到第二放大器26’。第一放大器26的输出可以连接到多触发模块54的输入。第二放大器26’的输出可以连接到多触发模块54的另一输入。多触发模块54的输出可以连接到触发输出58。放大器26、第二放大器26’以及多触发模块54可以被认为形成触发检测器56。在操作中，运动传感器400可以检测来自运动源的运动，该运动可以导致外壳中的机械振动，引起扬声器10和第二扬声器10’的共振。运动源可以是例如用户敲击外壳52。由于外壳52机械耦合到第一扬声器10以及第二扬声器10’，外壳中感应的任何振动都将会耦合到第一扬声器10以及第二扬声器10’。备选地，运动源可以是用户移动外壳52。外壳52的移动也可以感应振动，继而向第一扬声器10和第二扬声器10’传送，因此包括在第一扬声器10和第二扬声器10’上的输入端上的电压。然后，可由多触发模块54感测在第一扬声器10的端子和第二扬声器10’的端子上感应的电压。多触发模块54然后可以在触发检测器输出58上产生输出信号。如果该输出信号连接到应用处理器(未示出)，则该输出信号可以用作中断。使用两个扬声器作为触发检测器56的输入可以用于提高触发检测的精度，从而防止错误触发。例如，触发检测器输出58可以只有在放大器26的输出和第二放大器26’的输出在预定的时间间隔内都产生信号的情况下才输出信号。

在其它示例中，可包括多个扬声器以进一步改善运动检测的准确度。

此外，对两个或更多的扬声器的使用可以使得位置信息能够被确定。该内容由例如图5a和图5b示出。

图5a示出了具有第一敲击区域60和第二敲击区域62的运动传感器400。图5b示出了基于距离运动源最近的位置的扬声器10以及第二扬声器10’的示例响应的图。曲线66示出了基于运动源的位置的扬声器10的输出响应。曲线70示出了基于运动源的位置的第二扬声器10’的响应。在该示例中，响应是针对用户在第一区域60中或第二区域62中敲击外壳52示出的。当用户在区域60中敲击时，第二扬声器10’首先响应，线64示出了第二扬声器10’与第一扬声器10之间响应的延迟。触发检测器52可以使用技术人员已知的技术来检测第一扬声器10与第二扬声器10’之间的响应的延迟。从而，该延迟给出关于在外壳52的区域60中检测到运动的指示。相反的，当用户在区域62中敲击时，由于第一扬声器最接近运动源，所以第一扬声器10首先响应。响应的延迟由图5b中的附图标记68示出。技术人员将理解的是，也可以使用其它技术和运动传感器400来确定运动源的位置。例如，对扬声器响应的放大也可以用于确定与运动源的距离。可以在时域或频域中执行用来确定与运动源的距离的信号处理。

运动传感器的实施例可以并入移动设备，例如移动电话、平板计算机或膝上计算机。图6示出了如本文描述的当在待机模式或其它低功率模式中时使用运动传感器通过敲击移动设备来产生唤醒信号的示例。在步骤80中，移动设备可以处在待机模式中。在这种情况下，事件计数器和超时计数器可以重置。在步骤82中，可以对阈值与扬声器信号进行比较。如果扬声器信号大于阈值，则检测到第一次敲击，并且方法进行到步骤84，在步骤84中，启动超时计数器。这可以通过例如启用振荡器来完成。还可以启动并递增事件计数器。当在步骤82中并且如果扬声器信号小于或等于阈值，则方法回到步骤80。当在步骤84中时，方法进行到步骤86，在步骤86中，检测到第二次敲击。如果扬声器信号低于阈值，则在步骤94中进行检查来确定是否达到了超时值。如果达到了超时，则在步骤96中生成关于检测到超时的指示，因此存在错误触发。在步骤96中，方法回到步骤80，在步骤80中，序列再次开始。如果在步骤94中没有达到超时，则方法回到比较步骤86。如果扬声器信号超过阈值，则在步骤88中存储信号和事件计数值，用于序列检测。在步骤90中，进行检查来查看是否检测到敲击序列。如果没有检测到敲击序列，则方法回到步骤86。如果检测到了敲击序列，则在步骤92中设置指示检测到的序列的输出触发。然后方法回到步骤80。技术人员将会理解的是，如果该输出触发然后用于唤醒连接到运动检测器的系统，则会退出待机模式，并且图6中描述的过程将会停止，直到重新进入待机模式。在本文中描述的运动传感器实施例中可以使用备选的唤醒序列。例如，可以使用输入信号与期望的基准信号的更复杂的匹配。备选地，可以测量连续检测到的信号或事件之间的延迟，来确定特定的输入模式，例如用户敲击的序列。

虽然附带的权利要求针对特征的特定组合，但是应该理解的是，本发明的公开范围还包括这里明确或隐含公开的或由此归纳的任何新特征或特征的任何新组合，不管其是否涉及与任何权利要求中当前所要求保护的发明相同的发明或是否如本发明一样解决了部分或全部的相同技术问题。

分离的实施方式的上下文中描述的特征也可在单个实施方式中组合提供。反过来，为了简明而在单个实施方式的上下文中描述的各个特征也可被分别提供或以任何适当的子组合来提供。

申请人在这里注明，可在本申请或由此得到的任何进一步申请的答辩过程中对这种特征或特征的组合构成新的权利要求。

为了完整起见，还注明术语“包括”不排除其他元素或步骤，术语“一”不排除多个，单个处理器或其它单元可实现权利要求中所记载的若干装置的功能，而且权利要求中的参考符号不应被理解为限制权利要求的范围。

Claims (11)

1.一种用于移动设备的运动传感器，所述运动传感器包括：

扬声器，用于输出音频信号，所述扬声器具有扬声器输入；

另一扬声器，所述扬声器机械地耦合到所述另一扬声器，该另一扬声器具有另一扬声器输入；

触发检测器，具有触发输入和触发输出，所述触发输入耦合到所述扬声器输入；所述触发检测器还包括耦合到所述另一扬声器输入的另一触发输入；其中

所述触发检测器可操作为：响应于在扬声器输入上的由用户对扬声器外壳的移动导致的机械感应信号，在触发输出上输出检测信号，以及可操作为检测所述另一扬声器输入对运动源的机械感应响应；

其中，所述触发检测器包括：耦合到触发输入、另一触发输入以及触发输出的多触发检测器模块；

其中，所述多触发检测器模块可操作为：将触发输入上接收的信号与基准波形进行比较，将另一触发输入上接收的信号与另一基准波形进行比较，以及如果基准波形与触发输入上接收的信号相匹配并且另一基准波形与另一触发输入上接收的信号相匹配，则在触发输出上输出激活信号；

其中，所述触发检测器还被布置为：根据对在触发输入上接收的信号与所述另一触发输入上接收的信号之间的延迟的测量来确定延迟值，以及根据延迟值来确定运动源的位置；

所述触发检测器包括：比较器，具有耦合到所述触发输入的比较器输入，并且其中，所述比较器可操作为输出高于预定阈值的信号；

所述触发检测器还包括：控制器，具有耦合到所述比较器的输出的输入以及耦合到所述触发输出的输出，所述控制器可操作为根据所述比较器的输出，在所述触发输出上输出信号。

2.根据权利要求1所述的运动传感器，其中，所述触发检测器包括：滤波器，具有耦合到所述扬声器输入的输入以及耦合到所述比较器输入的输出。

3.根据权利要求1或2所述的运动传感器，其中，所述控制器可操作为确定所述比较器的输出是否与预定基准波形相匹配以及在所述触发输出上输出信号。

4.根据权利要求1所述的运动传感器，其中，所述控制器可操作为：如果比较器在预定的时间段内输出两个或更多个高于预定阈值的信号，则输出激活信号。

5.根据权利要求1所述的运动传感器，其中所述另一基准波形表示响应于运动源在另一扬声器的输入上产生的期望的机械感应信号。

6.一种移动设备，包括根据前述任一权利要求所述的运动传感器，所述移动设备包括机械地耦合到所述扬声器的外壳。

7.根据权利要求6所述的移动设备，还包括：耦合到所述扬声器输入的音频放大器以及耦合到所述触发输出的处理器，其中，所述移动设备可操作为：响应于用户敲击外壳，从第一操作模式改变为第二操作模式。

8.根据权利要求6所述的移动设备，其中，移动设备可操作为响应于用户敲击外壳而开启。

9.根据权利要求7所述的移动设备，其中，在第一操作模式中，启用所述触发检测器且禁用所述音频放大器，并且在第二操作模式中，禁用所述触发检测器且启用所述音频放大器。

10.根据权利要求6所述的移动设备，其中，所述移动设备可操作为确定用户敲击所述外壳的位置。

11.根据权利要求10所述的移动设备，包括以下各项之一：移动电话、平板计算机和膝上型计算机。

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