CN1117348C - 提供伺服环路增益校准的方法和装置 - Google Patents

提供伺服环路增益校准的方法和装置 Download PDF

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  • Moving Of The Head To Find And Align With The Track (AREA)
  • Adjustment Of The Magnetic Head Position Track Following On Tapes (AREA)

Abstract

一种产生定位硬盘驱动器的读取磁头的伺服信号的方法和装置,该装置包含一壳体、装到壳体的一致动器臂、装到致动器臂的磁头、装到壳体的一旋转电机和连到旋转电机的磁盘。所述磁盘具有多个轨道,其中一个轨道具有有着多个伺服位的伺服区。控制所述伺服位的读取的伺服控制器耦接到磁头,该伺服控制器具有根据所述伺服位检测硬盘驱动器在预定频率的系统响应的补偿电路,该补偿电路根据系统响应产生预定频率的伺服信号,以定位磁头。

Description

提供伺服环路增益 校准的方法和装置
                        技术领域
本发明一般涉及磁盘存储系统,尤其涉及提供用在伺服系统中的伺服环路增益校准(servo loop gain calibration),以便定位硬盘驱动器的读取磁头(read head)的方法和装置。
                        背景技术
磁盘是用于存储信息的磁记录装置。信息记录在一个或多个磁记录盘的任意一个表面上的同心轨道上。磁盘可转动地安装到旋转电机上,并且信息通过安装到致动器臂的读/写磁头存取,该致动器臂由音圈(voice coil)电机转动。该音圈电机由一电流励磁,以转动致动器并移动磁头。读/写磁头必须与磁盘上的存储轨道正确对准,以确保正确读写信息。
为准确写入和读取数据,需要将磁头保持在轨道的中心。为帮助控制磁头的定位,磁盘的每一个扇区通常包括相对于轨道中心线准确定位的多个伺服位。伺服位产生的原始信号通常解调为一位置信号,该位置信号由一伺服系统利用以确定磁头相对于轨道的位置,并且如果磁头没有位于轨道中心线上则移动致动器臂。
伺服系统的增益通常相对于磁盘表面上的磁头位置而变化。这种变化的主要原因包括位置反馈增益中的变化和致动器转矩常数的变化。伺服系统的增益变化影响交叉频率的增益、相位和增益裕度,以及磁头的稳定时间,这种情况又造成了磁头在试图到达和跟踪特定轨道位置时的上冲(overshoot)和/下冲(undershoot)。此外,高于最优伺服环路增益可造成不想要的高频分量出现在环路误差函数中,从而造成读/写错误率的增加。类似地,低于最优伺服环路增益可造成伺服环路移动(shiffness)的下降,增加误差函数中的低频分量,并使拒绝冲击和振动输入的能力恶化,也造成了读/写错误率的增加。结果,磁盘驱动器的生产时间增加,从而降低了产品收益。
图1A是说明在接近理想条件下的伺服突发信号(servo burst signal)(A-B)和(C-D)之间的差值相对于磁盘驱动器的读取磁头的位置而变化的图。伺服突发信号(A-B)和(C-D)之间的差值相对于读取磁头的位置的变化,是一种用于提供位置差错信号幅度,和磁头和轨道中心之间的距离,这两者之间的相关信息的通用技术。图1B是说明在接近理想条件下的流过读取磁头的磁通密度相对于磁盘驱动器的读取磁头位置而变化的图。从伺服突发脉冲(servoburst)所读取的信号与流过读取磁头的磁通量成比例。如图1B所示,在不存在边缘效应时,由伺服突发脉冲所建立的磁场在突发脉冲边缘突然变为零,并且磁场密度分布类似于方波。在接近理想的条件下,伺服突发信号与读取磁头的轨道位置成线性变化关系。这种线性变化允许伺服系统校正读取磁头的脱轨(off-track)位置。
然而,在多数磁盘驱动器中,伺服突发信号相对于MR磁头的轨道位置的实际变化是非线性特性,并在不同的磁头之间变化很大。图2A是说明在实际情况中伺服突发信号(A-B)和(C-D)之间的差值相对于磁盘驱动器的读取磁头的位置而变化的图。轨道分布的非线性变化是流过读取磁头的磁通的边缘效应的结果。图2B是说明在实际情况中流过读取磁头的磁通密度相对于轨道宽度而变化的图。流过读取磁头的磁通密度的变化由下列表达式表示:
Figure C9910239100061
其中,K是流过读取磁头的磁通密度的幅度;h是轨道宽度,而d是距离。
流过读取磁头的磁通密度的非线性变化也可以造成非线性位置信号。由于该位置信号与位置反馈增益成比例,因此该位置信号的变化造成了位置反馈增益的变化。为补偿位置信号p中的这种变化,采用由下列表达式表示的标准化技术:
p=(A-B)/(A+B)
其中A和B是伺服突发脉冲值。然而,已经看到这种标准化技术不能提供固定的位置反馈增益。尤其是,已发现读取磁头的轨道分布与磁通密度分布成比例,并且通过读取的突发脉冲A和突发脉冲B而得到的轨道分布相同,用下列表达式表示:
  A(x)=f(x-h/2)
  B(x)=f(x+h/2)
考虑到读取磁头的操作仅在轨道分布的线性部分,可得到下列表达式:
  (A-B)/(A+B)=2x/(h+d)
可以看到,位置反馈增益受值d的影响。由于d相对于磁头的位置不统一,故标准化技术(A-B)/(A+B)相对于磁头位置也不统一。
致动器转矩常数的变化也造成非恒定伺服系统增益的出现。为在整个致动器位置范围内提供统一的转矩常数,相对于致动器位置的磁通密度分布必须等同于方波分布。实际上,在突发脉冲边缘的磁通密度的陡然变化是不可能实现的。结果,就不可能在整个致动器位置范围内提供统一的转矩常数。
                            技术内容
因此,本发明的目的是提供一种具有恒定增益的伺服系统从而提供统一的伺服系统性能的方法和装置的技术。这种恒定的伺服增益的提供能允许磁头在所有磁盘位置上的正确对准,从而提高了产品收益。
为了实现上述目的,本发明提供了一种用于产生用在定位硬盘驱动器的读取磁头的过程中的伺服信息的方法和装置。所述装置包含一壳体、安装到所述壳体的一致动器臂、安装到所述致动器臂的一磁头、安装到所述壳体的一旋转电机、和连接到所述旋转电机的磁盘。所述磁盘具有多个轨道,其中一个轨道具有有着多个伺服位的伺服区。一伺服控制器耦接到所述磁头,用于控制所述伺服位的读取。所述伺服控制器具有根据所述伺服位检测硬盘驱动器在预定频率的系统响应的补偿电路。所述补偿电路根据所述系统响应产生一预定频率的伺服信号,用以定位所述磁头。
本发明还提供了一种用于控制安装于硬盘驱动器臂上的磁头的方法,该方法包括步骤:提供连接到一硬盘驱动器组件的一盘,所述盘具有多个轨道,其中一个所述轨道具有一伺服区,该伺服区上有多个伺服位;读取所述多个伺服位;根据所述伺服位产生一初始位置信号;根据所述伺服位检测所述硬盘驱动器在一预定频率处的系统响应;根据所述系统响应产生一伺服信号;和根据所述伺服信号定位所述硬盘驱动器臂。
                            附图说明
图1A是说明用在现有技术中的,在接近理想条件下,伺服突发信号(A-B)和(C-D)之间的差值相对于磁盘驱动器的读取磁头的位置而变化的图。
图1B是说明用在现有技术中的,在接近理想条件下,流过读取磁头的磁通密度相对于读取磁头位置而变化的图。
图2A是说明用在现有技术中的,在非理想条件下,伺服突发信号(A-B)和(C-D)之间的差值相对于磁盘驱动器的读取磁头的位置而变化的图。
图2B是说明用在现有技术中的,在非理想条件下,流过读取磁头的磁通密度相对于读取磁头位置而变化的图。
图3说明采用本发明的方法的硬盘驱动器。
图4说明一轨道的伺服区范围的总体布置。
图5是根据本发明的集成电路读取通道部分的方框图。
图6是根据本发明的伺服控制器部分的方框图。
图7是说明根据本发明的教导的伺服环路增益确定过程的流程图。
图8A是执行本发明的处理过程的通用磁盘驱动器的增益交叉频率的图。
图8B是不执行本发明的处理过程的通用磁盘驱动器的增益交叉频率的图。
                        具体实施方式
本发明提供了一种识别伺服环路增益的装置和方法。根据这种识别方法,可提供对伺服环路增益的补偿,从而有助于提供统一的伺服性能。伺服环路增益首先是通过测量伺服系统在特定频率的开环频率响应而识别的。为进行此测量,在轨道跟踪操作中首先将预定频率的正弦励磁信号加到位置信号。在到达稳定状态后,测量伺服系统的输入和输出信号幅度。对所述输入和输出信号进行滤波,以消除噪声。根据滤波后的输入和输出信号,便可获得伺服系统在预定频率的频率响应幅度。然后调节伺服环路增益,以便在所有的磁头位置上在预定频率处的频率响应幅度都统一。
A.实现方式
下面参照附图尤其是附图标记,图3示出了硬盘驱动器100。硬盘驱动器100包括由旋转电机104转动的磁盘102。旋转电机104安装到基板106上。安装到基板106上的还有致动器臂组件108。致动器臂组件108包括安装到相应活动臂112的多个磁头110。活动臂112装接到可以绕轴承组件116转动的致动器臂104。组件108也包含耦接到磁体119的音圈118,磁体119安装到基板106上。对音圈118的励磁使得磁头110相对于磁盘102移动。通常对每一个磁盘的表面有一个单独的磁头。旋转电机104、音圈118和磁头110耦接到多个安装于印刷电路板122上的电子电路120。在下面的讨论中,仅参照磁头110。电子电路120通常包括一读取通道电路、一基于微处理器的控制器和一随机存取存储器(RAM)器件。
如图4所示,数据通常存储在位于磁盘102上的放射状同心轨道的扇区内。通常的扇区具有自动增益控制(AGC)区150、同步区(sync)152、识别轨道的灰度码区154、确定扇区的识别(ID)区156、包括多个伺服位A、B、C、D的伺服区158、包含数据的数据区160和纠错码区162。在操作中,磁头110移动到一轨道,而提供于伺服区158中的伺服信息被读出并提供到电子电路120。电子电路120利用伺服位(A-B)或(C-D)中的变化产生用于对准磁头110的定位信号Q。
图5是驱动器的电子电路120的方框图。电子电路120包括耦接到读/写(R/W)通道电路154的前置放大器152。R/W通道电路154包括R/W自动增益控制和滤波电路156、全波整流器158和峰值检测器160。电子电路120还包括基于微处理器的伺服控制器162,该控制器162包括模/数转换器(ADC)164、数字信号处理器(DSP)166,突发脉冲定序和定时电路168以及存储器170,比如随机存取存储器(RAM)器件。DSP166包括逻辑电路172、校准电路174、求和电路176和控制逻辑电路178。
电子电路120耦接到检测磁盘102的磁场的磁头110中的一个磁头。当读取磁盘102上的伺服区范围10中的伺服信息时,磁头110产生对应于磁盘102的磁场的读取信号。该读取信号首先由前置放大器152放大,然后提供到R/W通道电路154。包括在该读取信号中的AGC数据提供到R/W AGC和滤波电路156。电路156中的R/W AGC电路监视由该读取信号所提供的AGC数据,然后由位于R/W AGC和滤波电路156中的滤波电路对该读取信号进行滤波。全波整流器158对该读取信号进行整流并将整流后的读取信号提供到峰值检测器160。峰值检测器160检测该读取信号的幅度。然后,该读取信号提供到ADC164,ADC164提供模拟读取信号的数字化样值。然后,该数字化样值提供到位于DSP166内的逻辑电路172。逻辑电路172根据由磁头110所读取的伺服位A、B、C和D产生一位置信号Xo。该位置信号Xo提供给校准电路174和求和电路176。校准电路174校准磁盘驱动器100的伺服环路增益。通过在多个磁头位置上测量伺服系统在预定频率处的开环频率中响应得到伺服环路增益。
具体地讲,预定频率的正弦励磁信号X首先加到位置信号Xo。在到达稳定状态后,由校准电路174检测并计算输入和输出信号XI和Xo的幅度,以获得在预定频率处的频率响应XI、Xo的幅度。根据所获得的数据,控制逻辑电路178计算和绘出环路增益变化。控制逻辑电路178也计算包括对环路增益变化补偿的补偿位置信号Q。补偿位置信号Q对所有的磁头位置都一致。所得的环路增益变化和补偿位置信号Q存储在存储器170中。补偿位置信号Q随后提供到致动器臂组件108以移动磁头110。或者,补偿位置信号Q可直接提供到致动器臂组件108,以移动磁头110。
图6是根据本发明的教导的图5的校准电路174的详细略图。校准电路174包括第一滤波器180、第二滤波器190和波形发生器200。每一个滤波器180和190都包括一离散付立叶(Fourier)变换(DFT)电路210、212,一逆离散变换(IDFT)电路216和214,和一峰值检测器218、220。波形发生器200产生单波信号X,单波信号X通过求和电路176附加到由逻辑电路172产生的位置信号Xo。求和电路176的输出XI提供到校准电路174和控制逻辑电路178这两个电路。校准电路174然后根据信号Xo和XI检测磁盘驱动器100的开环频率响应。
更具体地讲,利用求和电路176将特定频率(ω0)的正弦励磁信号X加到位置信号Xo。求和电路的Xo提供到校准电路174和控制逻辑电路178这两个电路。为产生特定频率(ω0)的正弦波,采用下列的三角恒等式:
cos(ω0(n+1)T)=cos(ω0)cos(ω0nT)-sin(ω0T)-sin(ω0nT)
sin(ω0(n+1)T)=sin(ω0)cos(ω0nT)+cos(ω0T)-sin(ω0nT)
其中n为整数而T为时间。可以从下列状态方程和初始值中产生幅度为M和频率为ω0的递归正弦波X: X C ( n + 1 ) X S ( n + 1 ) = cos ( ω 0 T ) - sin ( ω 0 T ) sin ( ω 0 T ) - cos ( ω 0 T ) X C ( n ) X S ( n ) , X C ( 0 ) X S ( 0 ) = M 0 ,
其中,XC是余弦状态,而XS是正弦状态。
在施加正弦励磁后到达稳定状态时,对N个样值记录Xo和XI的值,以助于计算选定频率ω0处的开环频率响应。因为相位响应不再是环路的函数,所以只考虑幅度响应。
首先,信号Xo和XI分别提供到离散付立叶变换(DFT)电路210和212。然后,变换后的输入和输出信号XOT和XIT各自分别提供到逆付立叶变换(IDFT)电路216和214。执行上述操作是为了消除由于偏转力(bias force)和避开干扰(runout disturbance)而出现的任何噪声分量。
具体地讲,离散付立叶变换(DFT)电路210和212各自分别变换信号Xo和XI到频域。这是利用最小平方技术通过计算正弦波信号X的最佳形式到信号Xo和XI的实验数据来完成的,如本领域普通技术人员所已知的。如果给定数据的最佳形式由ACcos(ω0nT)+ASsin(ω0nT)来确定,则付立叶系数为: A C = 1 N Σ n = 1 n = N X ( n ) X C ( n ) , A S = 1 N Σ n = 1 n = N X ( n ) X S ( n )
其中,AC是余弦状态的付立叶系数,而AS是正弦状态的付立叶系数。从AC和AS中,可以得到计算系统幅度响应所需的信号Xo和XI的幅度,即, A C 2 + A S 2 .
为获得所选频率ω0处的开环频率响应,将转换的信号XOT和XIT各自分别提供到逆付立叶变换(IDFT)电路216和214。结果便可得到以X(n)=ACXC(n)+ASXS(n)形式表达的所得信号XOT和XIT的幅度。然后,所得信号XOT,和XIT,各自分别提供到峰值检测器218和220,峰值检测器218和220将信号XOT,和XIT,与对应于所选频率ω0的参考值进行进行比较。在此参考值之下的值不输出,而在此参考值之上的值提供为输出。这个过程滤除了所有的噪声分量,并有助于在频率ω0处的开环频率响应MO/MI
在测量多个磁头位置上的开环频率响应后,可以看到环路增益变化。在一个实施例中,频率响应的幅度是在初始化过程中在数个磁头位置上测量的。然后,利用线性插补根据这些测量值计算出其它磁头位置的频率响应幅度。所得结果存入存储器中。根据环路增益变化,产生补偿位置信号Q(根据开环频率响应)并将其用于使磁头110保持在轨道的中心线CL上。如果磁头偏离中心线,则电子电路120产生位置信号Q,其电压幅度随着磁头110离开轨道中心线的距离而变化。在一个优选实施例中,位置信号Q以一个频率处的频率响应幅度在每一个磁头位置都统一的方式补偿环路增益变化。
图7是说明根据本发明的教导的伺服环路增益确定和补偿处理过程S100的流程图。从开始状态起,处理过程S100进到处理步骤S102,在此步骤中根据伺服位A、B、C和D产生原始位置信号Xo。然后,处理过程S100进到处理步骤S104,在此步骤中产生具有预定频率ω0的励磁信号X。然后,处理过程S100将Xo和X相加,以提供信号XI(步骤S106)。接下来,处理过程S100进到处理步骤S108,在此步骤中对信号Xo和XI进行滤波以提供信号MO和MI,信号MO和MI是信号MO和MI在预定频率ω0处的分量。然后,处理过程S100开始计算开环频率响应MO/MI(处理步骤S110)。接下来,该处理过程计算补偿位置信号KK/(MO/MI),如处理步骤S112所示。然后,该补偿位置信号存储在存储器170中,如处理步骤S114所示。或者,该补偿位置信号也可以直接提供到致动器臂组件108,以移动磁头110。然后处理过程S100结束。
B.实验结果
在一个实施例中,250Hz的正弦励磁信号X作为输入提供给伺服系统。对于正确产生的正弦波,极点(poles)必须位于单元周期中。但由于固定点计算的量化效应,极点位置可能偏离单元周期,并使产生的正弦波不稳定。如果要稳定产生,XC和XS的状态必须在任何新周期开始都设定为它们的初始值。用在该实施中的状态议程由下式表示: X C ( n + 1 ) X S ( n + 1 ) = 0.9709 - 0.2393 0.2393 - 0.9709 X C ( n ) X S ( n ) , X C ( 0 ) X S ( 0 ) = 128 0 ,
在DFT操作中数据间隔的选择对于提供准确的操作非常重要。在一个实施例中,选择3周期数据间隔以助于获得准确结果。根据上面指定的参数,测量多个磁头位置上的开环频率响应。
然后,调节伺服环路增益,以使在磁盘表面上所有磁头位置上的250Hz的开环频率响应都为6dB。这是通过提供具有补偿值为KK/(MO/MI)的位置信号来完成的,其中KK是常数。在一个实施例中,KK是1.9953或6dB。选择1.9953或6dB的值来提供500Hz的增益交叉频率。举例来说,如果正弦励磁信号的频率为f,则所得的增益交叉频率为f/2n,其中n=0,1,2,3...。总的来讲,可以选择任何想要的励磁和增益比率的组合,以获得想要的增益校准。
根据上述描述的参数,测量几个磁头位置的增益交叉频率。图8A是执行本发明的补偿过程的通用磁盘驱动器的增益交叉频率的图。图8B是不执行本发明的补偿过程的通用磁盘驱动器的增益交叉频率的图。从图8A可以看到,当采用本发明的补偿过程时,增益交叉频率的变化是30Hz,而当不采用本发明的补偿过程时,增益交叉频率的变化是100Hz,如图8B所示。这说明当采用本发明的补偿过程时,大大减少了所有磁头位置上的伺服性能的变化。
通过实施本发明,可提供具有固定增益的伺服系统。结果,可实现统一的伺服系统性能。这种固定伺服增益的提供允许磁头在磁盘所有位置的对准,从而提高了产品收益。
虽然已描述并在附图中示出了本发明的某些示范性实施例,应当理解,这些实施例仅是对本发明范围的说明而并不是限制,并且本发明并不限于所示出和描述的具有结构和安排,因为对于本领域的普通技术人员来讲,可以对本发明进行各种其它修改。

Claims (19)

1.一种硬盘驱动器,包括:
一壳体;
安装到所述壳体的一致动器臂;
安装到所述致动器臂的一磁头;
安装到所述壳体的一旋转电机;和
连接到所述旋转电机的一磁盘,所述磁盘具有多个轨道,其中一个所述轨道具有有着多个伺服位的伺服区;以及
耦接到所述磁头的一伺服控制器,用于控制所述伺服位的读取,所述伺服控制器具有根据所述伺服位检测所述硬盘驱动器在一预定频率的系统响应的补偿电路,所述补偿电路根据所述系统响应产生一伺服信号,用以定位所述磁头。
2.如权利要求1所述的硬盘驱动器,其中所述补偿电路包括一波形发生器,用于产生提供到一初始位置信号的一输入信号,所述初始位置信号是由所述伺服控制器根据对所述伺服位的读取产生的,所述伺服控制器根据所述输入信号和所述初始位置信号提供一输出信号,其中所述系统响应是依据所述初始位置信号和所述输出信号的。
3.如权利要求2所述的硬盘驱动器,还提供第一和第二滤波器,其中所述初始位置信号提供到所述第一滤波器,而所述输出信号提供到所述第二滤波器。
4.如权利要求3所述的硬盘驱动器,其中所述第一滤波器和所述第二滤波器各自都包含一离散付立叶变换(DFT)电路、耦接到所述离散付立叶变换(DFT)电路的一逆离散付立叶变换(IDFT)电路以及耦接到所述逆离散付立叶变换(IDFT)电路的一峰值检测器。
5.如权利要求3所述的硬盘驱动器,其中所述第一滤波器对所述初始位置信号进行滤波,以提供所述初始位置信号在所述预定频率处的分量,而所述第二滤波器对所述输出信号进行滤波,以提供所述输出信号在所述预定频率处的分量。
6.如权利要求5所述的硬盘驱动器,其中位置信号是基于所述初始位置信号的分量与所述输出信号的分量的比率的倒数而产生的。
7.如权利要求6所述的硬盘驱动器,其中所述位置信号是所述倒数的倍数。
8.如权利要求1所述的硬盘驱动器,其中所述伺服信号存储于存储器中。
9.如权利要求1所述的硬盘驱动器,其中所述伺服信号提供给所述致动器臂,用于控制所述磁头的位置。
10.如权利要求2所述的硬盘驱动器,其中所述波形发生器是正弦波发生器。
11.一种用于控制安装于硬盘驱动器臂上的磁头的方法,包括下列步骤:
提供连接到一硬盘驱动器组件的一盘,所述盘具有多个轨道,其中一个所述轨道具有一伺服区,该伺服区上有多个伺服位;
读取所述多个伺服位;
根据所述伺服位产生一初始位置信号;
根据所述伺服位检测所述硬盘驱动器在一预定频率处的系统响应;
根据所述系统响应产生一伺服信号;和
根据所述伺服信号定位所述硬盘驱动器臂。
12.如权利要求11所述的方法,其中所述检测步骤包括下列步骤:
产生一输入信号,该输入信号加到所述初始位置信号;
根据所述输入信号和所述初始位置信号产生一输出信号;
对所述初始位置信号进行滤波和对所述输出信号进行滤波;和
根据所述初始位置信号和所述输出信号计算所述系统响应。
13.如权利要求12所述的方法,其中对所述初始位置信号进行滤波的所述步骤包括步骤:对所述初始位置信号实施离散付立叶变换;对所述变换后的初始位置信号进行逆离散付立叶变换;和将所述逆变换后的初始位置信号提供到一峰值检测器,如果所述初始位置信号高于一参考值,则所述峰值检测器提供一输出。
14.如权利要求12所述的方法,其中对所述输出信号进行滤波的所述步骤包括步骤:对所述输出信号实施离散付立叶变换;对所述变换后的输出信号进行逆离散付立叶变换;和将所述逆变换后的输出信号提供到一峰值检测器,如果所述输出信号高于一参考值,则所述峰值检测器提供一输出。
15.如权利要求12所述的方法,其中,对所述初始位置信号进行滤波,以提供所述初始位置信号在所述预定频率处的分量,并且其中,对所述输出信号进行滤波,以提供所述输出信号在所述预定频率处的分量。
16.如权利要求12所述的方法,其中所述位置信号是基于所述初始位置信号的分量与所述输出信号的分量的比率的倒数而产生的。
17.如权利要求16所述的方法,其中所述位置信号是所述倒数的倍数。
18.如权利要求11所述的方法,还包括步骤:将所述伺服信号的值存储在一存储器中。
19.如权利要求11所述的方法,其中所述伺服信号提供到所述致动器臂,用于控制所述磁头的位置。
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