CN111692003B - 一种基于vnx架构的发动机综合控制器 - Google Patents

Abstract

本发明属于发动机控制系统领域，公开了一种基于VNX架构的发动机综合控制器，包括互相连接的综合处理模块、信号采集模块、执行控制模块以及电源模块；信号采集模块用于采集发动机内部传感器的测量信号，得到采集信号并发送至综合处理模块；综合处理模块用于获取发动机状态指令，并根据发动机状态指令以及采集信号进行发动机控制规律解算，生成发动机控制指令并发送至执行控制模块，还用于上传采集信号；执行控制模块用于根据发动机控制指令以及预设的控制归零指令，进行发动机内部开关阀及流量阀的控制；电源模块用于按照供电电压给对应模块供电。实现了发动机综合控制器的小型化、系列化以及标准化，可以显著降低用户开发应用成本，应用前景广阔。

Description

一种基于VNX架构的发动机综合控制器

技术领域

本发明属于发动机控制系统领域，涉及一种基于VNX架构的发动机综合控制器。

背景技术

发动机综合控制器是发动机控制系统的核心部件，具有连续监控并控制发动机正常运转的功能。

现有的专用发动机综合控制器领域一直采用自定义的架构形式实现其相应功能，一直缺乏标准化架构理论指导，在通用性和扩展性上相对较差。随着系统的小型化，系统平台对发动机综合控制器的性能、体积、重量及功耗等的要求越来越苛刻；同时由于较差的通用性和扩展性，每次设计均需要重新设计整个发动机综合控制器，无法满足研制周期越来越短，研制进度越来越紧的现况，在这种情况下，现有的发动机综合控制器已无法满足设计需求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中系统平台对发动机综合控制器的性能、体积、重量及功耗等的要求越来越苛刻，同时通用性和扩展性相对较差的缺点，提供一种基于VNX架构的发动机综合控制器。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于VNX架构的发动机综合控制器，包括互相连接的综合处理模块、信号采集模块、执行控制模块以及电源模块；其中：

信号采集模块用于采集发动机内部传感器的测量信号，得到采集信号并发送至综合处理模块；

综合处理模块用于获取发动机状态指令，并根据发动机状态指令以及采集信号进行发动机控制规律解算，生成发动机控制指令并发送至执行控制模块；还用于上传采集信号；

执行控制模块用于根据发动机控制指令以及预设的控制归零指令，进行发动机内部开关阀及流量阀的控制；

电源模块用于将输入电压转换为综合处理模块、信号采集模块以及执行控制模块的供电电压，并按照供电电压给综合处理模块、信号采集模块以及执行控制模块供电。

本发明进一步的改进在于：

还包括对外接口模块；对外接口模块上设置电源接口、阀门接口、传感器接口以及总线接口；电源模块与电源接口连接，执行控制模块通过阀门接口与发动机内部开关阀及流量阀连接，信号采集模块通过传感器接口与发动机内部传感器连接，综合处理模块通过总线接口与发动机控制系统连接。

还包括底板，底板上设置若干串行总线，综合处理模块、信号采集模块、执行控制模块、电源模块以及对外接口模块之间均通过串行总线连接。

所述综合处理模块、信号采集模块、执行控制模块以及电源模块内均设置温度传感器和IPMC模块；IPMC模块与温度传感器连接；IPMC模块用于采集所在模块的电压数据和电流数据，还用采集所在模块内温度传感器的测量信息得到温度数据，将电压数据、电流数据和温度数据作为健康信息发送至综合处理模块，综合处理模块用于根据健康信息进行对应模块的健康维护和管理。

所述综合处理模块包括DSP处理器、DDR3 SDRAM、SPI FLASH、第一变压器、第二变压器以及收发器；DSP处理器与信号采集模块和执行控制模块均连接；DDR3 SDRAM、SPIFLASH、第一变压器、第二变压器以及收发器均与DSP处理器连接；第一变压器上设置1553B总线接口，第二变压器上设置网络接口，收发器上设置RS422接口。

所述信号采集模块包括FPGA、SPI FLASH、AD转换器、第一调理电路、第二调理电路、滤波整形电路以及F/V变换电路；FPGA与综合处理模块连接，SPI FLASH与FPGA连接，AD转换器一端连接FPGA，另一端连接第一调理电路、第二调理电路和F/V变换电路一端，第一调理电路上设置用于连接温度/压力传感器的温度/压力接口，第二调理电路上设置用于连接角位移传感器的角位移接口；F/V变换电路另一端连接滤波整形电路，滤波整形电路上设置用于连接转速传感器的转速接口。

所述执行控制模块包括FPGA、SPI FLASH、第一输出驱动电路、第二输出驱动电路、第三输出驱动电路、回采电路以及电流采集电路；FPGA与综合处理模块连接，SPI FLASH、第一输出驱动电路、第二输出驱动电路、第三输出驱动电路、回采电路以及电流采集电路均与FPGA连接，第一输出驱动电路和第二输出驱动电路均与回采电路连接，电流采集电路与第三输出驱动电路连接，第一输出驱动电路上设置若干预留控制接口，第二输出驱动电路上设置若干开关阀控制接口，第三输出驱动电路上设置若干流量阀控制接口；回采电路用于采集第一输出驱动电路和第二输出驱动电路的控制指令信号，并发送至FPGA，电流采集电路用于采集第二输出驱动电路的控制指令信号并发送至FPGA。

所述电源模块包括电压转换器和滤波器；电压转换器一端连接滤波器，另一端连接综合处理模块、信号采集模块以及执行控制模块，滤波器用于输入电压的滤波，电压转换器用于将滤波后的输入电压转换为综合处理模块、信号采集模块以及执行控制模块的供电电压，并按照供电电压给对应模块供电。

还包括机箱，所述综合处理模块、信号采集模块、执行控制模块以及电源模块均设置在机箱内部。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

通过基于VNX架构的设计，综合处理模块、信号采集模块、执行控制模块以及电源模块均采用VNX标准尺寸，该VNX标准尺寸（89mm×75mm×12.5mm和89mm×75mm×19mm）相对于传统结构尺寸（160mm×100mm×25.4mm），面积节约了约60%，有效地控制了发动机综合控制器的体积、重量，采用小型化和集成化的电路模块，可有效降低发动机综合控制器的功耗，对设备尺寸、重量、功耗受限的应用场合优势明显。同时，基于VNX架构标准化的结构形式及标准化的总线定义，实现了各部分功能的模块化，即综合处理模块、信号采集模块、执行控制模块以及电源模块的建立，提高了通用化水平，各个模块之间相互独立，可采取不同的技术实现，各模块的组合可任意搭配，便于扩展新的功能模块，易于改进和升级。并且由于模块功能独立，在出现故障的情况下，易于更换相应部件，有效地降低了维修成本，提高了综合控制器的维修性和保障性。通过标准化模块的设计，不同需求的发动机综合控制器仅需实现不同功能模块，相同功能可采用标准化模块实现，可有效降低发动机综合控制系统的设计复杂度，降低用户设计开发成本，提高控制系统的可靠性，应用前景广阔。

进一步的，还包括对外接口模块，通过对外接口模块汇总各模块的对外接口，便于整个发动机综合控制器的对外接线。

进一步的，还包括底板，底板上设置若干串行总线，综合处理模块、信号采集模块、执行控制模块、电源模块以及对外接口模块之间均通过串行总线连接，便于发动机综合控制器内部的接线。

进一步的，所述综合处理模块、信号采集模块、执行控制模块以及电源模块内均设置IPMC模块，采用IPMC模块实现发动机综合控制器的健康管理，可实时对综合控制器进行管理操作，及时隔离故障，确保系统正常运行。

附图说明

图1为本发明实施例的基于VNX架构发动机综合控制器基本架构图；

图2为发动机综合控制器基本原理框图；

图3为本发明实施例的基于VNX架构发动机综合控制器数据流图；

图4为本发明实施例的综合处理模块结构框图；

图5为本发明实施例的信号采集模块结构框图；

图6为本发明实施例的执行控制模块结构框图；

图7为本发明实施例的电源模块结构框图；

图8为本发明实施例的对外接口模块结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

发明人在实际生产中发现，现有的发动机综合控制器一直采用自定义的架构形式实现其相应功能，一直缺乏标准化架构，因此在通用性和扩展性上相对较差。

2017年由ANSI组织批准发布了VITA74.0基本规范，并命名为VNX。VNX架构是一个开放性的体系架构，VITA74对基于小尺寸加固计算机机箱内部的板卡结构形式及串行交换互连电气规范提供了一个标准开放架构定义，该标准是基于新一代高可靠性、微小型加固计算机平台的标准，对设备尺寸、重量、功耗、性能和成本敏感的应用场景，其优势更为凸显。由于VNX架构是一个开放性的体系架构，采用VNX架构实现综合控制器的相应功能，在满足综合控制器基本功能的前提下，在通用性、扩展性方面将有非常大的提升。

参见图1，本发明针对系统平台对航空用发动机综合控制器的性能、体积、重量及功耗等的要求越来越苛刻的应用需求，提出了一种基于VNX架构的发动机综合控制器，发动机综合控制器采用闭环控制技术，通过采集发动机的工作环境和工作状态各种传感器的信息，对信息进行处理后，按照发动机的各种控制规律，完成发动机各种工作状态控制，同时实时监测发动机的状态，保护发动机的安全，适用于各种航空发动机控制系统对设备尺寸、重量、功耗、性能和成本敏感的应用场合。

本发明基于VNX架构的发动机综合控制器，包括互相连接的综合处理模块、信号采集模块、执行控制模块以及电源模块；其中：信号采集模块用于采集发动机内部传感器的测量信号，得到采集信号并发送至综合处理模块；综合处理模块用于获取发动机状态指令，并根据发动机状态指令以及采集信号进行发动机控制规律解算，生成发动机控制指令并发送至执行控制模块；还用于上传采集信号；执行控制模块用于根据发动机控制指令以及预设的控制归零指令，进行发动机内部开关阀及流量阀的控制；电源模块用于将输入电压转换为综合处理模块、信号采集模块以及执行控制模块的供电电压，并按照供电电压给综合处理模块、信号采集模块以及执行控制模块供电。

本实施例中，基于VNX架构的发动机综合控制器还包括对外接口模块；对外接口模块上设置电源接口、阀门接口、传感器接口以及总线接口；电源模块与电源接口连接，执行控制模块通过阀门接口与发动机内部开关阀及流量阀连接，信号采集模块通过传感器接口与发动机内部传感器连接，综合处理模块通过总线接口与发动机控制系统连接。本领域技术人员应当清楚，这里对外接口模块是将各模块的对外接口整合后，便于进行与外部设备的连接，在不设置外接口模块时，只需将各个模块的对外接口分别与外部设备连接即可。

本实施例中，基于VNX架构的发动机综合控制器还包括底板，底板上设置若干串行总线，综合处理模块、信号采集模块、执行控制模块、电源模块以及对外接口模块之间均通过串行总线连接。本领域技术人员应当清楚，这里底板是将若干串行总线整合在一起，便于布线和进行各模块之间的连接，在不设置底板时，只需通过独立的串行总线将各个模块之间连接即可。

优选的，基于VNX架构的发动机综合控制器的综合处理模块、信号采集模块、执行控制模块以及电源模块内均设置温度传感器和IPMC模块（Intelligent PlatformManagement Controller智能平台管理控制模块）；IPMC模块与温度传感器连接；IPMC模块用于采集所在模块的电压数据和电流数据，还用采集所在模块内温度传感器的测量信息得到温度数据，将电压数据、电流数据和温度数据作为健康信息发送至综合处理模块，综合处理模块用于根据健康信息进行对应模块的健康维护和管理。

优选的，基于VNX架构的发动机综合控制器还包括机箱，上述所有模块均设置在机箱内部，通过机箱对各模块进行保护。

下面详细介绍本发明的原理和各模块组成。

首先，参见图2，示出了发动机综合控制器的基本原理，其中信号采集模块采集发动机进气道、燃烧室和油箱等各部位的压力、温度、转速和角位移等各种传感器的信号；数字控制模块接收控制系统的指令与数据信息，并向控制系统与遥测系统输出燃油控制相关信号的状态与遥测信息；按照燃油控制规律，驱动燃油调节器中各流量调节阀门，控制发动机按照指令要求工作。

本发明基于VNX架构的发动机综合控制器的功能模块划分为五种模块，分别是综合处理模块、信号采集模块、执行控制模块，电源模块和对外接口模块，各模块之间通过底板上的高速串行总线连接，对外连接器采用专用连接器实现。同时每个功能模块都具有健康管理模块，每个模块通过I2C总线收集和上报所在模块的健康信息，综合处理模块负责整个发动机综合控制器的健康维护和管理。参见图3，根据数据流特性，可以将基于VNX架构的发动机综合控制器的功能划分为系统总线、控制总线、扩展总线和用户定义四个部分。系统总线用于高速信息流的板间传输，控制总线用于控制信息的板间及外部传输，扩展总线用于自定义的信息传输，用户定义部分承载了系统采集及控制部分接口的信号传输。

参见图4，综合处理模块是整个发动机综合控制器的计算处理中心，具有较强的高速并行任务处理计算能力和大容量数据存储功能，主要实现与其它发动机设备的信息交互，通过1553B或网络等外部总线接收指令，比如发送机控制系统发送的发动机状态指令，依据指令及各种状态参数完成发动机控制规律解算，控制执行控制模块按照指令进行相应的控制及向发动机控制系统反馈系统运行状态等功能。主要包括CPU、复位电路、时钟电路、组合逻辑电路、存储器、总线控制及智能健康管理等功能，通过PCIe总线与各功能模块进行数据交互。

本实施例中，综合处理模块基于国产飞腾FT-DM6672的DSP处理器设计，片外扩展32位DDR3 SDRAM，所有内存颗粒均采用在板贴装。主要完成控制计算，实现1553B通讯、网络通讯、A/D采集、开关量输入和输出、板温测量、异常掉电保护以及程序的在线升级等功能，同时通过I²C接口收集各个功能板卡的健康信息，实现机箱的健康管理。提供4个PCIe X1高速串行总线接口，最多可支持4个功能板卡的扩展，同时提供1路网络接口（1000BASE-T），1路1553B总线接口，2路RS422，1路串行外设接口SPI以及1路通用GPIO接口等，单板模块规格为89mm×75mm×19mm。DSP处理器提供1路I²C接口，用于实现IPMC功能，通过IPMC模块采集综合处理模块的温度数据、电压数据和电流数据等数据，其中温度数据通过采集综合处理模块内部设置的温度传感器的测量信息得到，将温度数据、电压数据和电流数据等数据作为健康信息发送至DSP处理器，同时，DSP处理器还会接收其他模块的健康信息，DSP处理器根据健康信息进行对应模块的健康维护和管理。

参见图5，信号采集模块的主要功能是采集发动机进气道、燃烧室和油箱等各部位压力、温度、转速和角位移等各种传感器的信号；并通过PCIe总线与综合处理模块交互信息。

本实施例中，该信号采集模块基于国产FPGA设计，主要实现外部传感器信号与信号采集模块之间多种传感器信号的调理采集工作。外部传感器信号有转速传感器、温度/压力传感器、燃油调节器角位移传感器和发动机转速传感器等。通过对外部温度/压力和角位移等信号进行调理后输入到AD转换器进行信号采集，对于转速信号经过滤波整形和F/V变换后输入到AD转换器进行采集，通过FPGA内部PCIe总线和综合处理模块进行通信，接收综合处理模块的控制指令，并回传采集结果。该信号采集模块对外接口提供1路PCIe高速总线、2路转速信号采集、4路温度信号采集、4路压力信号采集以及2路角位移信号采集，单板模块规格为89mm×75mm×12.5mm。同时，提供1路I²C接口，用于实现IPMC功能，通过IPMC模块采集信号采集模块的温度数据、电压数据和电流数据等数据，其中温度数据通过采集信号采集模块内部设置的温度传感器的测量信息得到，将温度数据、电压数据和电流数据等数据作为健康信息发送至DSP处理器。

参见图6，执行控制模块，主要功能是依据综合处理模块的指令及相应的控制归零控制外部开关驱动控制、高温换向阀、高温截止阀以及电磁阀的开关驱动控制，驱动燃油调节器中各流量调节阀门，控制发动机按照指令要求工作；并通过PCIe总线与综合处理模块交互信息。

本实施例中，该执行控制模块基于国产FPGA设计，主要实现外部控制信号与控制器之间多种接口的控制工作。通过FPGA内部PCIe总线和综合处理模块进行通信，接收综合处理模块的控制指令，并通过第一输出驱动电路、第二输出驱动电路、第三输出驱动电路对外部开关阀、流量阀及其它控制量进行控制，同时通过回采第一输出驱动电路和第二输出驱动电路对输出控制信号进行回采，确认控制状态正确有效，通过电流采集电路采集第三输出驱动电路的控制电流大小，确认流量阀控制状态正确有效。该执行控制模块对外接口提供1路PCIe高速总线，2路流量阀驱动控制，6路开关阀驱动控制，6路其它控制量驱动控制，单板模块规格为89mm×75mm×12.5mm。同时，提供1路I²C接口，用于实现IPMC功能，通过IPMC模块采集执行控制模块的温度数据、电压数据和电流数据等数据，其中温度数据通过采集执行控制模块内部设置的温度传感器的测量信息得到，将温度数据、电压数据和电流数据等数据作为健康信息发送至DSP处理器。

参见图7，电源模块主要功能是实现将外部提供的28V电源转换为内部使用的12V、5V及3.3V电源，为其它模块提供电源。

本实施例中，电源模块包括电压转换器和滤波器，该电源模块采用+28V直流电压输入，通过滤波器进行输入电压的滤波处理，通过电压转换器对外输出+5V、+3.3V、+12V和-12V电源，输出总功率105W，该产品可作为VNX系统的通用电源板，适用于符合VITA74标准的系统供配电，单板模块规格为89mm×75mm×19mm。同时，提供1路I²C接口，用于实现IPMC功能，通过IPMC模块采集电源模块的温度数据、电压数据和电流数据等数据，其中温度数据通过采集电源模块内部设置的温度传感器的测量信息得到，将温度数据、电压数据和电流数据等数据作为健康信息发送至DSP处理器。

参见图8，对外接口模块主要功能是实现电源模块、综合处理模块、信号采集模块及执行控制模块等功能模块与外部系统的接口电气信号连接，对外接口模块通过底板与其它功能模块互连。

本实施例中，对外接口模块采用标准的侧出线接口板，用于综合控制器的无连线输出，配合整机使用，上面设置若干插座，包括一个电源插座和若干接口插座，主要用于+28V电源输入，各种传感器信号的输入，开关阀及流量阀等控制接口的输出，1553B、RS422和网络等通信接口。

按照上述内容试验制造了基于VNX架构的发动机综合控制器，通过测试结果表明：基于VNX架构的发动机综合控制器的性能优异，国产化率高，可以满足航空发动机系统平台对发动机综合控制器提出的小型化、标准化、系列化、低成本控制等要求。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于VNX架构的发动机综合控制器，其特征在于，包括互相连接的综合处理模块、信号采集模块、执行控制模块以及电源模块；其中：

信号采集模块用于采集发动机内部传感器的测量信号，得到采集信号并发送至综合处理模块；

综合处理模块用于获取发动机状态指令，并根据发动机状态指令以及采集信号进行发动机控制规律解算，生成发动机控制指令并发送至执行控制模块；还用于上传采集信号；

执行控制模块用于根据发动机控制指令以及预设的控制归零指令，进行发动机内部开关阀及流量阀的控制；

电源模块用于将输入电压转换为综合处理模块、信号采集模块以及执行控制模块的供电电压，并按照供电电压给综合处理模块、信号采集模块以及执行控制模块供电；

所述综合处理模块、信号采集模块、执行控制模块以及电源模块内均设置温度传感器和IPMC模块；IPMC模块与温度传感器连接；

IPMC模块用于采集所在模块的电压数据和电流数据，还用采集所在模块内温度传感器的测量信息得到温度数据，将电压数据、电流数据和温度数据作为健康信息发送至综合处理模块，综合处理模块用于根据健康信息进行对应模块的健康维护和管理。

2.根据权利要求1所述的基于VNX架构的发动机综合控制器，其特征在于，还包括对外接口模块；对外接口模块上设置电源接口、阀门接口、传感器接口以及总线接口；电源模块与电源接口连接，执行控制模块通过阀门接口与发动机内部开关阀及流量阀连接，信号采集模块通过传感器接口与发动机内部传感器连接，综合处理模块通过总线接口与发动机控制系统连接。

3.根据权利要求2所述的基于VNX架构的发动机综合控制器，其特征在于，还包括底板，底板上设置若干串行总线，综合处理模块、信号采集模块、执行控制模块、电源模块以及对外接口模块之间均通过串行总线连接。

4.根据权利要求1所述的基于VNX架构的发动机综合控制器，其特征在于，所述综合处理模块包括DSP处理器、DDR3 SDRAM、SPI FLASH、第一变压器、第二变压器以及收发器；DSP处理器与信号采集模块和执行控制模块均连接；DDR3 SDRAM、SPI FLASH、第一变压器、第二变压器以及收发器均与DSP处理器连接；第一变压器上设置1553B总线接口，第二变压器上设置网络接口，收发器上设置RS422接口。

5.根据权利要求1所述的基于VNX架构的发动机综合控制器，其特征在于，所述信号采集模块包括FPGA、SPI FLASH、AD转换器、第一调理电路、第二调理电路、滤波整形电路以及F/V变换电路；

FPGA与综合处理模块连接，SPI FLASH与FPGA连接，AD转换器一端连接FPGA，另一端连接第一调理电路、第二调理电路和F/V变换电路一端，第一调理电路上设置用于连接温度/压力传感器的温度/压力接口，第二调理电路上设置用于连接角位移传感器的角位移接口；F/V变换电路另一端连接滤波整形电路，滤波整形电路上设置用于连接转速传感器的转速接口。

6.根据权利要求1所述的基于VNX架构的发动机综合控制器，其特征在于，所述执行控制模块包括FPGA、SPI FLASH、第一输出驱动电路、第二输出驱动电路、第三输出驱动电路、回采电路以及电流采集电路；

FPGA与综合处理模块连接，SPI FLASH、第一输出驱动电路、第二输出驱动电路、第三输出驱动电路、回采电路以及电流采集电路均与FPGA连接，第一输出驱动电路和第二输出驱动电路均与回采电路连接，电流采集电路与第三输出驱动电路连接，第一输出驱动电路上设置若干预留控制接口，第二输出驱动电路上设置若干开关阀控制接口，第三输出驱动电路上设置若干流量阀控制接口；

回采电路用于采集第一输出驱动电路和第二输出驱动电路的控制指令信号，并发送至FPGA，电流采集电路用于采集第二输出驱动电路的控制指令信号并发送至FPGA。

7.根据权利要求1所述的基于VNX架构的发动机综合控制器，其特征在于，所述电源模块包括电压转换器和滤波器；电压转换器一端连接滤波器，另一端连接综合处理模块、信号采集模块以及执行控制模块，滤波器用于输入电压的滤波，电压转换器用于将滤波后的输入电压转换为综合处理模块、信号采集模块以及执行控制模块的供电电压，并按照供电电压给对应模块供电。

8.根据权利要求1所述的基于VNX架构的发动机综合控制器，其特征在于，还包括机箱，所述综合处理模块、信号采集模块、执行控制模块以及电源模块均设置在机箱内部。

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