CN113541738A - 一种具有有功及无功功率计量等功能的电力载波通信芯片 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开一种具有有功及无功功率计量等功能的电力载波通信芯片，通过合理的结构设计和算法融合，使得电能计量和电力线载波通信中都使用电压电流取样模块、模数转换模块、专用数字信号处理模块、第一信号放大模块、电压电流信号失真恢复模块、信号合成模块、第二信号放大模块、通讯接口等电路模块复用可以大大降低在电能计量领域的电力线载波通信方案的产品成本，降低产品自身功耗，减小产品的体积。

Description

一种具有有功及无功功率计量等功能的电力载波通信芯片

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体而言，涉及一种具有有功及无功功率计量等功能的电力载波通信芯片。

背景技术

目前，电力线载波通信一个重要应用是电力抄表。传统的电力抄表系统中，电能计量和载波通信通常为两个芯片和外围电路组成。电能计量芯片和电力线载波通信芯片中，有较大一部分电路的功能是重叠的。使用两个核心芯片组成的系统，不仅会增加系统的成本，也会增加系统的功耗和电路系统的体积。

发明内容

本发明提供了一种方法及装置，以实现。具体的技术方案如下：

本发明实施例提供了一种具有有功及无功功率计量等功能的电力载波通信芯片，包括：

电压电流取样模块，对接收到的信号分别进行电流取样、电压取样，并对取样信号进行限幅保护；

第一信号放大模块，受控于专用数字信号处理模块，用于所述专用数字信号处理模块确认的第一放大增益对取样后的电流信号、电压信号进行放大，并将放大处理后的电流信号、电压信号发送至模数转换模块；

模数转换模块，与所述专用数字信号处理模块连接，用于根据所述专用数字信号处理模块设置的转换速度与转换精度，将电流信号、电压信号转换为对应的数字信号；

电压电流信号失真恢复模块，根据所述电压电流取样模块中的电流信号、电压的变化趋势、第一信号放大模块中电流信号及电压信号的增益状态，确定电流信号及电压信号的变化趋势，并根据电流信号及电压信号的变化趋势对失真的电流信号和/或电压信号进行拟合得到失真前的电流电压波形数据；

专用数字信号处理模块，分别与所述电压电流取样模块、第一信号放大模块、模数转换模块以及电压电流信号失真恢复模块连接，实时计算电流电压的限幅、放大增益、转换速度与转换精度；

信号合成模块，接收专用数字信号处理模块的待发送信号，将所述待发送信号合成待发送的波形信号；

第二信号放大模块，受控于专用数字信号处理模块，用于根据所述专用数字信号处理模块确认的第二放大增益对所述波形信号进行放大，并将放大处理后的所述波形信号经过输出阻抗匹配网络耦合到电力线，完成信号发送。

根据本发明的一个实施例，所述一种具有有功及无功功率计量等功能的电力载波通信芯片，还包括：

通用数字信号处理模块，控制所述专用数字信号处理模块，具有4k临时数据存储空间，64k用户代码存储空间，加载控制程序；用于向所述专用数字信号处理模块的数据发送控制指令和/或数据；

所述专用数字信号处理模块，还用于接受通用数字信号处理模块的控制，实时计算有功功率、无功功率、视在功率等计量数据，根据接收到的控制指令和/或数据进行通信信号的调制和预处理，调制和预处理所述通信信号后，并处理结果发送至所述通用数字信号处理模块。

根据本发明的一个实施例，所述一种具有有功及无功功率计量等功能的电力载波通信芯片，还包括：

可调阻抗匹配网络，分别连接输入相线、零线与取样电路，受控于所述专用数字信号处理模块，用于在电力线载波通信的信道上匹配电力线的阻抗，以最佳匹配状态接收通信信号；

所述专用数字信号处理模块，还用于输入预设通信范围阻抗，并根据所述预设通信范围阻抗匹配网络至最佳接收匹配状态；

当通信信道不适合通信时，根据信道差别计算是否存在合适通信信道，并将阻抗匹配网络调节到合适信道上，并根据接收信号分析确认是否在合适信道上优化阻抗匹配网络；

当不存在合适通信信道时，循环遍历所有通信信道并从所有通信信道中选择最佳的信道作为通信信道，重新设置阻抗匹配网络。

根据本发明的一个实施例，所述一种具有有功及无功功率计量等功能的电力载波通信芯片，

所述电压电流信号失真恢复模块，还用于根据所述电压电流取样模块中的电流信号、电压的变化趋势、可调阻抗匹配网络的状态、第一信号放大模块中电流信号及电压信号的增益状态，确定电流信号及电压信号的变化趋势，并根据电流信号及电压信号的变化趋势对失真的电流信号和/或电压信号进行拟合得到失真前的电流电压波形数据。

根据本发明的一个实施例，所述一种具有有功及无功功率计量等功能的电力载波通信芯片，还包括：

电源模块，用于为整个电力线载波通信芯片供电，且不同模块的供电电压不同。

根据本发明的一个实施例，所述一种具有有功及无功功率计量等功能的电力载波通信芯片，还包括：

通讯接口，所述通讯接口为串行通讯接口，用于将通用数字信号处理模块待外传的数据进行传输发送。

根据本发明的一个实施例，所述一种具有有功及无功功率计量等功能的电力载波通信芯片，还包括：

通用滤波器模块，在所述电压电流取样模块对电压取样后，经高通滤波器滤除模数转换模块所带来的直流分量，保留所需的交流电压/电流信号量；

失调校准模块，用于补偿第一信号放大模块和模数转换模块直流失调造成的信号偏差，得到电压瞬时值/电流瞬时值。

由上述内容可知，本发明实施例提供的一种具有有功及无功功率计量等功能的电力载波通信芯片，通过合理的结构设计和算法融合，使得电能计量和电力线载波通信中都使用电压电流取样模块、模数转换模块、专用数字信号处理模块、第一信号放大模块、电压电流信号失真恢复模块、信号合成模块、第二信号放大模块、通讯接口等电路模块复用可以大大降低在电能计量领域的电力线载波通信方案的产品成本，降低产品自身功耗，减小产品的体积。

应用本发明实施例，可以。当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

本发明实施例的创新点包括：

1、通过电压电流取样模块可以改变电压或者电流取样网络，使得电压取样和电流取样的取样电压范围有合适的电压幅度；同时，对于过大信号进行限幅保护，防止信号过大造成后续电路损伤；

2、通过可调阻抗匹配网络，接收数字信号控制并改变特定频段的输入阻抗；可实现在电力线阻抗变化的情况下自适应调整匹配网络，实现最佳信号接收。此外，在通信频段变化时，根据新的频段特点，修改匹配参数，实现各个信道的最佳阻抗匹配。

3、通过电压电流信号失真恢复模块，将结合第一信号放大模块反馈的状态信息，根据专用数字信号处理模块计算出的阻抗状态反推出合理的电压信号/电流信号。

4、通过专用数字信号处理模块控制各个信号处理模块的处理速度从而根据需要实现满足功能要求的情况下，实现低功耗。各数字信号处理模块可以单独控制是否开启，实现按照需求灵活控制功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的具有电能计量功能的电力线载波通信芯片的一种结构示意图；

图2为本发明实施例提供的专用数字信号处理模块各功能模块一种示意图。

具体实施方式

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、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅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付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。

需要说明的是，本发明实施例及附图中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含的一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

本发明实施例提供了一种具有有功及无功功率计量等功能的电力载波通信芯片，如图1所示，包括：

电压电流取样模块11，对接收到的信号分别进行电流取样、电压取样，并对取样信号进行限幅保护；电压电流取样模快11(也可称为电压电流取样电路)，对信号进行取样，取样电路会对电压取样信号进行限幅保护，防止浪涌或者其他干扰信号对后续电路造成损伤；电流取样电路会受到专用数字信号处理模块的控制，根据电流信号强弱，选择合适的取样方式，减小取样引入的噪声。

第一信号放大模块12，受控于专用数字信号处理模块，用于所述专用数字信号处理模块确认的第一放大增益对取样后的电流信号、电压信号进行放大，并将放大处理后的电流信号、电压信号发送至模数转换模块；在实际应用过程中，第一信号放大模块12包括电压信号放大模块和电流信号放大模块，取样后的电压信号和电流信号分别进入电压信号放大模块、电流信号放大模块，电压、电流信号放大模块具备增益可调功能，可以根据专用数字信号处理模块分析出的信号幅度，和最佳信号幅度范围进行比较，以判定是否调高或者调低放大器增益，以使进入模数转换模块的信号在合适的范围内。

模数转换模块13，与所述专用数字信号处理模块连接，用于根据所述专用数字信号处理模块设置的转换速度与转换精度，将电流信号、电压信号转换为对应的数字信号；

电压电流信号失真恢复模块14，根据所述电压电流取样模块11中的电流信号、电压的变化趋势、第一信号放大模块12中电流信号及电压信号的增益状态，确定电流信号及电压信号的变化趋势，并根据电流信号及电压信号的变化趋势对失真的电流信号和/或电压信号进行拟合得到失真前的电流电压波形数据；当电压信号存在限幅时，参考电流信号的变化趋势，拟合出实际电压信号值；当电压信号存在异常突变时，参考电流信号，分析出电压变化趋势，重新拟合出合理数据。

专用数字信号处理模块15，分别与所述电压电流取样模块11、第一信号放大模块12、模数转换模块13以及电压电流信号失真恢复模块14连接，实时计算电流电压的限幅、放大增益、转换速度与转换精度；

信号合成模块16，接收专用数字信号处理模块15的待发送信号，将所述待发送信号合成待发送的波形信号；

第二信号放大模块17，受控于专用数字信号处理模块15，用于根据所述专用数字信号处理模块15确认的第二放大增益对所述波形信号进行放大，并将放大处理后的所述波形信号经过输出阻抗匹配网络耦合到电力线，完成信号发送。

综上，电力线载波通信的待发送数据先送到编码、调制器中，完成编码和调制后，进入串并转变器(模数转换模块13)中，进行波形转换，然后经过成型滤波器后，送入信号合成模块16，转换成模拟波形信号，模拟波形信号经过信号放大模块放大后，经过输出阻抗匹配耦合到电力线上，完成信号发送。

通过合理的结构设计和算法融合，使得电能计量和电力线载波通信中都使用电压电流取样模块11、模数转换模块13、专用数字信号处理模块15、第一信号放大模块12、电压电流信号失真恢复模块14、信号合成模块16、第二信号放大模块17、通讯接口等电路模块复用可以大大降低在电能计量领域的电力线载波通信方案的产品成本，降低产品自身功耗，减小产品的体积。

所述的一种具有有功及无功功率计量等功能的电力载波通信芯片，还包括：

通用数字信号处理模块18，控制所述专用数字信号处理模块15，具有4k临时数据存储空间，64k用户代码存储空间，加载控制程序；用于向所述专用数字信号处理模块15发送控制指令和/或数据；能够接收并记录电能计量数据和通信数据，可以支持用户的控制代码，执行用户的需求操作。

所述专用数字信号处理模块15，还用于接受通用数字信号处理模块18的控制，实时计算有功功率、无功功率、视在功率等计量数据，根据接收到的控制指令和/或数据进行通信信号的调制和预处理，调制和预处理所述通信信号后，并处理结果发送至所述通用数字信号处理模块18。

专用数字信号处理模块15根据通用数字信号处理模块18设定的计算精度、工作模式等状态，计算电量、解调电力线载波通信信号；具体实施如下：

电压数据经降采样后输入通用滤波器模块，经带通滤波BPF后得到电力线载波通信的基带信号，此基带信号输入至同步和频偏估计模块。同步和频偏估计模块完成信号的粗同步和频偏值估计。后经过去频偏模块，消除频偏对帧同步性能的影响，至此完成信号的同步。信号同步后至解调器完成信号的解调，校验模块对解调后的数据进行校验，丢弃错误数据，输出正确数据。

电压数据同时输入至可编程数字延迟器DLY1，此可编程数字延迟器DLY1可用作角差校准，补偿由外围器件(例如互感器)或PCB走线引入的角差。经抽样滤波器模块得到电压采样值，将此电压采样值输入至通用滤波器模块，经高通滤波器HPF滤除模数转换器所带来的直流分量，留下所需要的交流电压信号量。失调校准模块用于补偿由于可变增益放大器和模数转换器直流失调造成信号偏差，经此失调校准模块后得到电压的瞬时值VIN，此瞬时电压值VIN可用于后续可视功率、有用功率和无用功率的计算。

电流值输入至可编程数字延迟器DLY2，此可编程数字延迟器DLY2可用作角差校准，补偿由外围器件(例如互感器)或PCB走线引入的角差。经抽样滤波器模块得到电流采样值，将此电流值输入至通用滤波器模块，经高通滤波器HPF滤除模数转换器所带来的直流分量，留下所需要的交流电流信号量。失调校准模块用于补偿由于可变增益放大器和模数转换器直流失调造成信号偏差，经此失调校准模块后得到电流的瞬时值IAIN，此瞬时电流值IAIN可用于后续可视功率、有用功率和无用功率的计算。

瞬时电压值VIN和瞬时电流值IAIN输入至所连接的乘法器模块相乘计算后至低通滤波器LPF1得到有功功率，此有功功率存在一定的偏差，需经过校准器校准后输出准确的有功功率。

计算无功功率需要将瞬时电压值VIN和瞬时电流值IAIN分别移相90°，移相器模块完成对瞬时电压值VIN和瞬时电流值IAIN的90°移相，输入至连接的乘法器模块相乘计算后至低通滤波器LPF1得到无功功率，此无功功率存在一定的偏差，需经过校准器2校准后输出准确的无功功率。

电流有效值测量采用均方根计算，配置为瞬时电流值IAIN至顺次相连的平方模块、低通滤波器LPF2模块，经开方运算模块后得到电流有效值IARMS。电压有效值测量也采用均方根计算，配置为瞬时电压值VIN至顺次相连的平方模块、低通滤波器LPF2模块，经开方运算模块后得到电压有效值VRMS。将电压有效值VRMS与电流有效值IARMS相乘后得到视在功率，经校准器校准后输出准确的视在功率。

进一步的，为了实现自适应调整匹配网络所述的一种具有有功及无功功率计量等功能的电力载波通信芯片，还包括：

可调阻抗匹配网络19，分别连接输入相线、零线与取样电路，受控于所述专用数字信号处理模块15，用于在电力线载波通信的信道上匹配电力线的阻抗，以最佳匹配状态接收通信信号；

所述专用数字信号处理模块15，还用于输入预设通信范围阻抗，并根据所述预设通信范围阻抗匹配网络至最佳接收匹配状态；当通信信道不适合通信时，根据信道差别计算是否存在合适通信信道，并将阻抗匹配网络调节到合适信道上，并根据接收信号分析确认是否在合适信道上优化阻抗匹配网络；当不存在合适通信信道时，循环遍历所有通信信道并从所有通信信道中选择最佳的信道作为通信信道，重新设置阻抗匹配网络。

实际应用过程中，专用数字信号处理模块15会根据接收到的信号情况，判断当前通信信道是否存在干扰，输入阻抗是否在适当范围内；如果信道适合通信，就根据估算的输入阻抗调节阻抗匹配网络到最佳接收匹配状态。如果信道不适合通信，先根据信道差别估算是否存在合适的信道，如果存在合适信道CHx，将阻抗匹配网络调节到CHx信道上，然后根据接收信号分析是否需要在CHx信道上优化阻抗匹配网络；如果不存在适合通信的信道，则循环遍历所有信道，分析是否存在适合通信的信道；如不存在适合的信道，则从信道中选择最佳的信道作为通信信道，重新设置匹配网络。阻抗匹配网络调节的逻辑电路在芯片工作过程中始终保持对信道的分析，并实时进行上述分析。同时，如果通用数字信号处理模块18有设置通信信道的话，则不修改信道，只优化匹配阻抗。

实际应用过程中，所述电压电流信号失真恢复模块14，还用于根据所述电压电流取样模块11中的电流信号、电压的变化趋势、可调阻抗匹配网络19的状态、第一信号放大模块12中电流信号及电压信号的增益状态，确定电流信号及电压信号的变化趋势，并根据电流信号及电压信号的变化趋势对失真的电流信号和/或电压信号进行拟合得到失真前的电流电压波形数据。

所述的一种具有有功及无功功率计量等功能的电力载波通信芯片，还包括：

电源模块110，用于为整个电力线载波通信芯片供电，且不同模块的供电电压不同。输出电压包括，专用数字信号处理模块15和通用数字信号处理模块18使用1.8V电压，可调阻抗匹配网络19、电流电压取样模块使用的、电压信号放大模块、电流信号放大模块(第一信号放大模块12)使用的5V电压、模数转换模块13使用的1.8V和3.3V电压、信号合成模块16、通讯接口模块使用的3.3V电压，输出阻抗匹配、第二信号放大模块17使用的12V电压；各个用电电路模块都可以通过寄存器方式配置是否供电。

所述的一种具有有功及无功功率计量等功能的电力载波通信芯片，还包括：

通讯接口111，所述通讯接口为串行通讯接口，用于将通用数字信号处理模块18待外传的数据进行传输发送。如有数据需要传输到外部，可通过通讯接口，该通讯接口支持全双工异步串行通信，供用户进行数据交互。

本发明实施例提供的一种具有有功及无功功率计量等功能的电力载波通信芯片，具有下述优点：

1、通过合理的结构设计和算法融合，使得电能计量和电力线载波通信中都使用电压电流取样模块11、模数转换模块13、专用数字信号处理模块15、第一信号放大模块12、电压电流信号失真恢复模块14、信号合成模块16、第二信号放大模块17、通讯接口等电路模块复用可以大大降低在电能计量领域的电力线载波通信方案的产品成本，降低产品自身功耗，减小产品的体积。

2、通过电压电流取样模块11可以改变电压或者电流取样网络，使得电压取样和电流取样的取样电压范围有合适的电压幅度；同时，对于过大信号进行限幅保护，防止信号过大造成后续电路损伤；

3、通过可调阻抗匹配网络19，接收数字信号控制并改变特定频段的输入阻抗；可实现在电力线阻抗变化的情况下自适应调整匹配网络，实现最佳信号接收。此外，在通信频段变化时，根据新的频段特点，修改匹配参数，实现各个信道的最佳阻抗匹配。

4、通过电压电流信号失真恢复模块14，将结合第一信号放大模块12反馈的状态信息，根据专用数字信号处理模块15计算出的阻抗状态反推出合理的电压信号/电流信号。

5、通过专用数字信号处理模块15控制各个信号处理模块的处理速度从而根据需要实现满足功能要求的情况下，实现低功耗。各数字信号处理模块可以单独控制是否开启，实现按照需求灵活控制功耗。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种具有有功及无功功率计量等功能的电力载波通信芯片，其特征在于，包括：

电压电流取样模块，对接收到的信号分别进行电流取样、电压取样，并对取样信号进行限幅保护；

第一信号放大模块，受控于专用数字信号处理模块，用于所述专用数字信号处理模块确认的第一放大增益对取样后的电流信号、电压信号进行放大，并将放大处理后的电流信号、电压信号发送至模数转换模块；

模数转换模块，与所述专用数字信号处理模块连接，用于根据所述专用数字信号处理模块设置的转换速度与转换精度，将电流信号、电压信号转换为对应的数字信号；

电压电流信号失真恢复模块，根据所述电压电流取样模块中的电流信号、电压的变化趋势、第一信号放大模块中电流信号及电压信号的增益状态，确定电流信号及电压信号的变化趋势，并根据电流信号及电压信号的变化趋势对失真的电流信号和/或电压信号进行拟合得到失真前的电流电压波形数据；

专用数字信号处理模块，分别与所述电压电流取样模块、第一信号放大模块、模数转换模块以及电压电流信号失真恢复模块连接，实时计算电流电压的限幅、放大增益、转换速度与转换精度；

信号合成模块，接收专用数字信号处理模块的待发送信号，将所述待发送信号合成待发送的波形信号；

第二信号放大模块，受控于专用数字信号处理模块，用于根据所述专用数字信号处理模块确认的第二放大增益对所述波形信号进行放大，并将放大处理后的所述波形信号经过输出阻抗匹配网络耦合到电力线，完成信号发送。

2.根据权利要求1所述的一种具有有功及无功功率计量等功能的电力载波通信芯片，其特征在于，还包括：

通用数字信号处理模块，控制所述专用数字信号处理模块，具有4k临时数据存储空间，64k用户代码存储空间，加载控制程序；用于向所述专用数字信号处理模块发送控制指令和/或数据；

所述专用数字信号处理模块，还用于接收通用数字信号处理模块的控制指令和/或数据，实时计算有功功率、无功功率、视在功率等计量数据，根据接收到的控制指令和/或数据进行通信信号的调制和预处理，调制和预处理所述通信信号后，并处理结果发送至所述通用数字信号处理模块。

3.根据权利要求1所述的一种具有有功及无功功率计量等功能的电力载波通信芯片，其特征在于，还包括：

可调阻抗匹配网络，分别连接输入相线、零线与取样电路，受控于所述专用数字信号处理模块，用于在电力线载波通信的信道上匹配电力线的阻抗，以最佳匹配状态接收通信信号；

所述专用数字信号处理模块，还用于输入预设通信范围阻抗，并根据所述预设通信范围阻抗匹配网络至最佳接收匹配状态；

当通信信道不适合通信时，根据信道差别计算是否存在合适通信信道，并将阻抗匹配网络调节到合适信道上，并根据接收信号分析确认是否在合适信道上优化阻抗匹配网络；

当不存在合适通信信道时，循环遍历所有通信信道并从所有通信信道中选择最佳的信道作为通信信道，重新设置阻抗匹配网络。

4.根据权利要求3所述的一种具有有功及无功功率计量等功能的电力载波通信芯片，其特征在于，

所述电压电流信号失真恢复模块，还用于根据所述电压电流取样模块中的电流信号、电压的变化趋势、可调阻抗匹配网络的状态、第一信号放大模块中电流信号及电压信号的增益状态，确定电流信号及电压信号的变化趋势，并根据电流信号及电压信号的变化趋势对失真的电流信号和/或电压信号进行拟合得到失真前的电流电压波形数据。

5.根据权利要求4所述的一种具有有功及无功功率计量等功能的电力载波通信芯片，其特征在于，还包括：

电源模块，用于为整个电力线载波通信芯片供电，且不同模块的供电电压不同。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的一种具有有功及无功功率计量等功能的电力载波通信芯片，其特征在于，还包括：

通讯接口，所述通讯接口为串行通讯接口，用于将通用数字信号处理模块待外传的数据进行传输发送。

7.根据权利要求6所述的一种具有有功及无功功率计量等功能的电力载波通信芯片，其特征在于，还包括：

通用滤波器模块，在所述电压电流取样模块对电压取样后，经高通滤波器滤除模数转换模块所带来的直流分量，保留所需的交流电压/电流信号量；

失调校准模块，用于补偿第一信号放大模块和模数转换模块直流失调造成的信号偏差，得到电压瞬时值/电流瞬时值。

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