CN113759781B - 一种航空气动式火警传感器的信号采集电路 - Google Patents

一种航空气动式火警传感器的信号采集电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种航空气动式火警传感器的信号采集电路，包括：非相似余度的三个余度通道；第一、第二余度通道分别通过正相比较器、反相比较器的形式进行比较，通过将第一特征压力值、第二特征压力值分别与至少两个比较器的预设电压阈值进行比较，以区分出报警膜盒和故障膜盒所形成信号回路的至少三种状态；第三余度通道采用模拟量电压采集的形式，通过对第一特征压力值和第二特征压力值的差分信号进行采集和处理，并通过解算出的电阻值区分出报警膜盒和故障膜盒所形成信号回路的至少三种状态。本发明的技术方案解决了现有单路电阻采集通道为针对小型、且发动机火警传感器数量少的飞机设计的，对中大型飞机的火警信号采集并不适用的问题。

Description

一种航空气动式火警传感器的信号采集电路
技术领域
本发明涉及但不限于航空气动式火警传感器的信号采集技术领域，尤其涉及一种航空气动式火警传感器的信号采集电路。
背景技术
目前航空机载广泛采用气动式火警传感器，其主要利用氮气受热膨胀的原理工作，在探测区域范围内温度发生变化时，气动式火警传感器内部的气体室压力发生变化，传感器的报警膜盒阻抗值和故障膜盒阻抗值均发生变化，通过对阻抗值的测量可以辨别正常、火警、故障(故障包括传感器短路、断路、污染)等多种不同工况。
传统的单路电阻采集通道的采集方式适用于小型、且发动机火警传感器数量少的飞机，若将其用于中大型飞机的火警信号采集，其存在采集通道虚警率高、火警信号采集任务可靠性低的问题。
发明内容
本发明的目的：为了解决背景技术中的问题，本发明提出一种航空气动式火警传感器的信号采集电路，以解决现有单路电阻采集通道为针对小型、且发动机火警传感器数量少的飞机设计的，对中大型飞机的火警信号采集并不适用的问题。
本发明的技术方案：本发明实施例提出一种航空气动式火警传感器的信号采集电路，所述航空气动式火警传感器内配置有报警膜盒和故障膜盒，且其输出包括第一特征压力值和第二特征压力值，所述信号采集电路包括：非相似余度的三个余度通道；
第一余度通道通过正相比较器的形式进行比较，所述第一特征压力值对应的分压点1分别连接到至少两个比较器的正相输入端，通过将第一特征压力值分别与至少两个比较器的预设电压阈值进行比较，以区分出报警膜盒和故障膜盒所形成信号回路的至少三种状态；
第二余度通道通过反相比较器的形式进行比较，所述第二特征压力值对应的分压点2分别连接到至少两个比较器的反相输入端，通过将第二特征压力值分别与至少两个比较器的预设电压阈值进行比较，以区分出报警膜盒和故障膜盒所形成信号回路的至少三种状态；
第三余度通道采用模拟量电压采集的形式，通过对第一特征压力值和第二特征压力值的差分信号进行采集和处理，并通过解算出的电阻值区分出报警膜盒和故障膜盒所形成信号回路的至少三种状态。
可选地，如上所述的航空气动式火警传感器的信号采集电路中，所述航空气动式火警传感器包括：传感器等效电阻(RX)，分别连接在传感器等效电阻(RX)两端的上拉电阻(R1)和下拉电阻(R2)，以及与上拉电阻(R1)连接的电压激励源，且下拉电阻(R2)接地；
其中，所述电压激励源、传感器等效电阻(RX)，以及上拉电阻(R1)和下拉电阻(R2)形成分压回路；所述分压回路中，上拉电阻(R1)与传感器等效电阻(RX)+下拉电阻(R2)形成分压点1的第一特征压力值，上拉电阻(R1)+传感器等效电阻(RX)与下拉电阻(R2)形成分压点2的第二特征压力值。
可选地，如上所述的航空气动式火警传感器的信号采集电路中，所述传感器等效电阻(RX)的电阻值由火警传感器中报警膜盒和故障膜盒的阻抗叠加形成，用于表征对应火警传感器的五种状态；
所述五种状态包括：传感器的正常状态、报警状态和故障状态，其中，所述故障状态具体包括短路状态、断路状态、污染状态。
可选地，如上所述的航空气动式火警传感器的信号采集电路中，
所述第一余度通道通和第二余度通道中分别包括4个比较器，用于通过正相比较方式和反相比较方式分别形成的五个比较区间，以区分出报警膜盒和故障膜盒所形成信号回路的五种不同状态；
且同一状态下，第二余度通道的输出值与第一余度通道通的输出值呈相反的形式。
可选地，如上所述的航空气动式火警传感器的信号采集电路中，
所述第一余度通道中包括四个正相比较器，分压点1分别连接到每个正相比较器的正相输入端，通过每个正相比较器将分压点1处的第一特征压力值与本正相比较器的预设电压阈值进行比较，通过四个正相比较器的四个比较点总共形成五个比较区间以区分出报警膜盒和故障膜盒所形成信号回路的五种不同状态。
可选地，如上所述的航空气动式火警传感器的信号采集电路中，
所述第二余度通道中包括四个反相比较器，分压点2分别连接到每个反相比较器的反相输入端，通过每个反相比较器将分压点2处的第二特征压力值与本反相比较器的预设电压阈值进行比较，通过四个反相比较器的四个比较点总共形成五个比较区间以区分出报警膜盒和故障膜盒所形成信号回路的五种不同状态。
可选地，如上所述的航空气动式火警传感器的信号采集电路中，
分压点1连接到差分运放(N9)的输入正端，分压点2连接到差分运放(N9)的输入负端，差分运放(N9)的输出端连接到AD转换器(N10)的输入端，将AD转换器(N10)转换后的数字电压值传输至微处理器(D1)，使得微处理器(D1)根据所述数字电压值对传感器等效电阻(RX)的电阻值进行换算，从而根据电阻值区分出报警膜盒和故障膜盒所形成信号回路的五种不同状态。
可选地，如上所述的航空气动式火警传感器的信号采集电路中，
所述信号采集电路，还用于根据三个余度通道的输出结果进行三取二表决；其中，至少两个余度通道故障时，信号功能失效。
本发明的有益效果：本发明实施例提出一种航空气动式火警传感器的信号采集电路，采用非相似余度的三个余度通道实现三种非相似余度的状态采集和状态判断，第一、第二余度通道分别通过正相比较器、反相比较器的形式进行比较，且同一状态下，这两个余度通道的输出值呈相反的形式；第三余度通道采用模拟量电压采集的形式，通过对差分信号进行采集和处理，以解算出的电阻值进行状态判断。本发明实施例提供的信号采集电路，以较小的硬件开销代价实现了非相似余度的三余度通路的高可靠性气动式火警传感器信号的采集；另外，依据三取二的余度表决机制，单一传感器信号采集通路的可靠性可以达到1e-9(故障数/小时)以上，同时能够提供高测试覆盖率，对外部传感器的短路和开路故障进行全面的故障检测。
附图说明：
图1为本发明实施例提供的一种航空气动式火警传感器的信号采集电路的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种航空气动式火警传感器的信号采集电路的结构示意图。
具体实施方式：
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
上述背景技术中已经说明，传统的单路电阻采集通道的采集方式适用于小型、且发动机火警传感器数量少的飞机。
在航空机载计算机信号采集领域，火警信号为关键信号，如果对真实的火警信号无法采集，那么就可能酿成飞行事故症候甚至导致I类或II类飞行事故。如果火警信号产生虚警，则会对正常飞行任务造成极大干扰，大大加重飞行员心理压力，破坏正常飞行任务的执行。针对特种中大型飞机，机上火警传感器数量众多，依据整机系统的可靠性和安全性的分配，对于单一传感器信号采集通路的基本可靠性要达到1e-9(故障数/小时)以上。
若将上述传统的单路电阻采集通道应用于中大型飞机的火警信号采集，其存在采集通道虚警率高、火警信号采集任务可靠性低的问题。显然，传统的单路电阻采集通道的技术方案不能满足中大型飞机对火警信号采集的高可靠性要求。
针对上述问题，本发明实施例提出一种航空气动式火警传感器的信号采集电路，具体为一种火警传感器信号的三模冗余采集监控电路，该信号采集电路实现了降低火警信号的虚警率，提高火警信号采集的可靠性，从而满足中大型飞机气动式火警传感器对单路采集电路的可靠性要求。
本发明提供以下几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
图1为本发明实施例提供的一种航空气动式火警传感器的信号采集电路的结构示意图。本发明实施例提供的信号采集电路用于对航空气动式火警传感器的进行信号采集，从而判断出火警传感器的各种状态；该火警传感器的内部配置有报警膜盒和故障膜盒，结合这两个膜盒的状态可以判断出传感器内部回路的状态，且火警传感器的输出包括第一特征压力值和第二特征压力值。针对上述火警传感器，本发明实施例提供的信号采集电路可以包括：非相似余度的三个余度通道。如图1所示，该信号采集电路中，各余度通道的具体结构为：
第一余度通道：通过正相比较器的形式进行比较，第一特征压力值对应的分压点1分别连接到至少两个比较器的正相输入端，通过将第一特征压力值分别与至少两个比较器的预设电压阈值进行比较，以区分出报警膜盒和故障膜盒所形成信号回路的至少三种状态；
第二余度通道：通过反相比较器的形式进行比较，第二特征压力值对应的分压点2分别连接到至少两个比较器的反相输入端，通过将第二特征压力值分别与至少两个比较器的预设电压阈值进行比较，以区分出报警膜盒和故障膜盒所形成信号回路的至少三种状态；
第三余度通道：采用模拟量电压采集的形式，通过对第一特征压力值和第二特征压力值的差分信号进行采集和处理，并通过解算出的电阻值区分出报警膜盒和故障膜盒所形成信号回路的至少三种状态。
本发明实施例中，通过非相似余度的三个余度通道进行信号采集和处理，其中一个通道具体对分压点1处的第一特征压力值进行状态判断，另一个通道具体对分压点2处的第二特征压力值进行状态判断，又一个通道针对分压点1和分压点2的差分信号进行状态判断；显然，三余度通道采用不同的输入信号，这就避免了三余度通道相同可能形成的共模故障的发生概率，提高采集和判断结果的可靠性。
需要说明的是，图1所示实施例提供的信号采集电路，以第一余度通道和第二余度通道中分别包括两个比较器为例予以示出，在上述第一和第二余度通道中仅包括两个比较器时，可以通过设置每个余度通道中两个比较器的阈值不同，即可以实现三个区间的比较结果，因此，可以对火警传感器的三种状态进行判断；相应的，第三余度通道解算出的电阻值也可以划分为三个区间。上述三种状态例如包括：正常状态、报警状态和故障状态。另外，如果需要实现对更多状态的判断，可以根据状态类型的数量设置第一和第二余度通道中的比较器数量。
如图1所示，本发明实施例中的航空气动式火警传感器可以包括：传感器等效电阻RX，分别连接在传感器等效电阻RX两端的上拉电阻R1和下拉电阻R2，以及与上拉电阻R1连接的电压激励源，且下拉电阻R2接地。
如图1所示信号采集电路的结构中，电压激励源、传感器等效电阻RX，以及上拉电阻R1和下拉电阻R2形成分压回路；且在该分压回路中，上拉电阻R1与传感器等效电阻RX+下拉电阻R2形成分压点1的第一特征压力值，上拉电阻R1+传感器等效电阻RX与下拉电阻R2形成分压点2的第二特征压力值。
需要说明的是，本发明实施例中传感器等效电阻RX的电阻值由火警传感器中报警膜盒和故障膜盒的阻抗叠加形成，用于表征对应火警传感器的五种状态。上述五种状态包括：传感器的正常状态、报警状态和故障状态，其中，故障状态又具体包括短路状态、断路状态、污染状态；这样火警传感器就具有五中状态，即正常状态、报警状态，以及短路状态、断路状态和污染状态。
可选地，图2为本发明实施例提供的另一种航空气动式火警传感器的信号采集电路的结构示意图。基于火警传感器具有的五种状态，图2所示实施例中的信号采集电路要求实现对五种状态的区分。
如图2所示信号采集电路的结构中，第一余度通道通和第二余度通道中分别包括4个比较器，这种电路结构，通过正相比较方式和反相比较方式分别形成的五个比较区间，以区分出报警膜盒和故障膜盒所形成信号回路的五种不同状态。
本发明实施例在实际应用中，同一状态下，第二余度通道的输出值与第一余度通道通的输出值呈相反的形式。
如图2所示实施例中信号采集电路的具体结构，第一余度通道中包括四个正相比较器，如图2中的N1、N2、N3、N4，分压点1分别连接到每个正相比较器的正相输入端，通过每个正相比较器将分压点1处的第一特征压力值与本正相比较器的预设电压阈值(N1、N2、N3、N4对应的阈值电压分别为Ref1、Ref2、Ref3、Ref4)进行比较，通过四个正相比较器的四个比较点总共形成五个比较区间，从而可以区分出报警膜盒和故障膜盒所形成信号回路的五种不同状态。
相应地，该实施例中第二余度通道中同样包括四个反相比较器，如图2中的N5、N6、N7、N8，分压点2分别连接到每个反相比较器的反相输入端，通过每个反相比较器将分压点2处的第二特征压力值与本反相比较器的预设电压阈值(N5、N6、N7、N8对应的阈值电压分别为Ref5、Ref6、Ref7、Ref8)进行比较，通过四个反相比较器的四个比较点总共形成五个比较区间，从而可以区分出报警膜盒和故障膜盒所形成信号回路的五种不同状态。
本发明实施例的第三余度通道中，分压点1连接到差分运放N9的输入正端，分压点2连接到差分运放N9的输入负端，差分运放N9的输出端连接到AD转换器N10的输入端，将AD转换器N10转换后的数字电压值传输至微处理器D1，使得微处理器D1根据数字电压值对传感器等效电阻RX的电阻值进行换算，从而根据电阻值区分出报警膜盒和故障膜盒所形成信号回路的五种不同状态。
进一步地，本发明实施例提供的信号采集电路，基于非相似余度的三个余度通道的比较和判断，还可以根据三个余度通道的输出结果进行三取二表决；在具体实现中，至少两个余度通道故障时，信号功能失效。
本发明实施例提供的航空气动式火警传感器的信号采集电路，采用非相似余度的三个余度通道实现三种非相似余度的状态采集和状态判断，第一、第二余度通道分别通过正相比较器、反相比较器的形式进行比较，且同一状态下，这两个余度通道的输出值呈相反的形式；第三余度通道采用模拟量电压采集的形式，通过对差分信号进行采集和处理，以解算出的电阻值进行状态判断。本发明实施例提供的信号采集电路，以较小的硬件开销代价实现了非相似余度的三余度通路的高可靠性气动式火警传感器信号的采集；另外，依据三取二的余度表决机制，单一传感器信号采集通路的可靠性可以达到1e-9(故障数/小时)以上，同时能够提供高测试覆盖率，对外部传感器的短路和开路故障进行全面的故障检测。
以下通过一个具体实施示例对本发明实施例提供的航空气动式火警传感器的信号采集电路的具体实施方式进行说明。
如图2所示信号采集电路，该具体实施示例提供的信号采集电路具体为航空气动式火警传感器信号三模冗余采集监控电路，火警传感器输出给传感器的电压激励信号通过电压激励源、上拉电阻R1、下拉电阻R2和传感器等效电阻RX构成完整通路，且传感器等效电阻RX上形成电阻分压效应。
1、第一余度通道实现一个余度采集通路：
该第一余度通道中，将分压点1的电压(即第一特征压力值)接入正相比较器N1、N2、N3、N4的正相输入端(+)。正相比较器N1的负相输入端(-)接预设的参考电压Ref1；正相比较器N2的负相输入端(-)接预设的参考电压Ref2；正相比较器N3的负相输入端(-)接预设的参考电压Ref3；正相比较器N4的负相输入端(-)接预设的参考电压Ref4。依据正相比较器自身特性，当分压点1电压大于参考电压Ref1、Ref2、Ref3、Ref4时，对应的正相比较器N1、N2、N3、N4应输出开路，通过驱动器N11实现电平的变换，可以将采集状态转换为高电平信号送入微处理器D1内。当分压点1电压小于参考电压Ref1、Ref2、Ref3、Ref4时，对应的正相比较器N1、N2、N3、N4应输出地，通过驱动器N11实现电平的变换，可以将采集状态转换为低电平信号送入微处理器D1内。通过采集N1、N2、N3、N4输出的高低电平的状态，可以判别分压点1与参考电压Ref1、Ref2、Ref3、Ref4的逻辑大小的关系，进而推断出外部火警传感器等效电阻的电阻值范围。
2、第二余度通道实现另一个余度采集通路：
该第二余度通道中，将分压点2的电压(即第二特征压力值)接入反相比较器N5、N6、N7、N8的反相输入端(-)。反相比较器N5的正相输入端(+)接预设的参考电压Ref5；反相比较器N6的正相输入端(+)接预设的参考电压Ref6；反相比较器N7的正相输入端(+)接预设的参考电压Ref7；反相比较器N8的正相输入端(+)接预设的参考电压Ref8。依据反相比较器自身特性，当分压点2电压大于参考电压Ref5、Ref6、Ref7、Ref8时，对应的反相比较器N5、N6、N7、N8应输出地，通过驱动器N12实现电平的变换，可以将采集状态转换为低电平信号送入微处理器D1内。当分压点2电压小于参考电压Ref5、Ref6、Ref7、Ref8时，对应的反相比较器N5、N6、N7、N8应输出地，通过驱动器N12实现电平的变换，可以将采集状态转换为高电平信号送入微处理器D1内。通过采集N5、N6、N7、N8输出的高低电平的状态，可以判别分压点2与参考电压Ref5、Ref6、Ref7、Ref8的逻辑大小的关系，进而推断出外部火警传感器等效电阻的电阻值范围。
需要说明的是，上述正相比较器N1、N2、N3、N4的高低电平状态与反相比较器N5、N6、N7、N8的高低电平状态应恰好相反。
3、第三余度通道实现又一个余度采集通路：
该第三余度通道中，将分压点1和分压点2的电压通过差分电压放大器N9，将差分电压(即分压点1和分压点2的电压差值)转换为单端电压值，通过A/D转换器N10对单端电压值进行采集并转换为数字电压值，送入微处理器D1，进行电压转电阻的换算，判定外部火警传感器的状态。
对于外部的气动式火警传感器，火警传感器内部报警膜盒的电阻和故障膜盒的电阻分别采用本发明实施例提供的信号采集电路进行采集，按照下表1进行气动式火警传感器的状态判别。
表1气动式火警传感器等效电阻阀值状态
采用本发明实施例提供的航空气动式火警传感器的信号采集电路进行信号采集，并依据采集信号判断火警传感器的状态，由于具体通过非相似余度的三个余度通道分别进行状态判断，可以大大降低共模故障的发生概率，提高采集结果的可靠性。若单纯采用余度一的采集方式，相关功能电路的基本可靠性约为2.7197e-6(故障数/小时)；若单纯采用余度二的采集方式，相关功能电路的基本可靠性约为1.9235e-6(故障数/小时)；若单纯采用余度三的采集方式，相关功能电路的基本可靠性约为1.9235e-6(故障数/小时)；若采用三种相同余度方式进行采集，则可能造成一个驱动器故障，或分压点1无法采集，造成三种余度均故障。
另外，本发明实施例的信号采集电路采用三取二的表决方式，只有当两种以上的余度故障时，整个采集功能才会失效，其单个接口采集的任务可靠性可以达到18.6505e-12(故障数/小时)，可以支撑大型飞机火警系统高任务可靠性的要求。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种航空气动式火警传感器的信号采集电路，其特征在于，所述航空气动式火警传感器内配置有报警膜盒和故障膜盒，且其输出包括第一特征压力值和第二特征压力值，所述信号采集电路包括：非相似余度的三个余度通道；
第一余度通道通过正相比较器的形式进行比较，所述第一特征压力值对应的分压点1分别连接到至少两个比较器的正相输入端，通过将第一特征压力值分别与至少两个比较器的预设电压阈值进行比较，以区分出报警膜盒和故障膜盒所形成信号回路的至少三种状态；
第二余度通道通过反相比较器的形式进行比较，所述第二特征压力值对应的分压点2分别连接到至少两个比较器的反相输入端，通过将第二特征压力值分别与至少两个比较器的预设电压阈值进行比较，以区分出报警膜盒和故障膜盒所形成信号回路的至少三种状态；同一状态下，第二余度通道的输出值与第一余度通道通的输出值呈相反的形式，通过设置第一余度通道和第二余度通道中两个比较器的阈值，实现三个区间的比较结果，以区分出报警膜盒和故障膜盒所形成信号回路的至少三种不同状态；
第三余度通道采用模拟量电压采集的形式，通过对第一特征压力值和第二特征压力值的差分信号进行采集和处理，并通过解算出的电阻值区分出报警膜盒和故障膜盒所形成信号回路的至少三种状态；
其中，所述航空气动式火警传感器包括：传感器等效电阻(RX)，分别连接在传感器等效电阻(RX)两端的上拉电阻(R1)和下拉电阻(R2)，以及与上拉电阻(R1)连接的电压激励源，且下拉电阻(R2)接地；
其中，所述电压激励源、传感器等效电阻(RX)，以及上拉电阻(R1)和下拉电阻(R2)形成分压回路；所述分压回路中，上拉电阻(R1)与传感器等效电阻(RX)+下拉电阻(R2)形成分压点1的第一特征压力值，上拉电阻(R1)+传感器等效电阻(RX)与下拉电阻(R2)形成分压点2的第二特征压力值。
2.根据权利要求1所述的航空气动式火警传感器的信号采集电路，其特征在于，所述传感器等效电阻(RX)的电阻值由火警传感器中报警膜盒和故障膜盒的阻抗叠加形成，用于表征对应火警传感器的五种状态；
所述五种状态包括：传感器的正常状态、报警状态和故障状态，其中，所述故障状态具体包括短路状态、断路状态、污染状态。
3.根据权利要求2所述的航空气动式火警传感器的信号采集电路，其特征在于，
所述第一余度通道通和第二余度通道中分别包括4个比较器，用于通过正相比较方式和反相比较方式分别形成的五个比较区间，以区分出报警膜盒和故障膜盒所形成信号回路的五种不同状态。
4.根据权利要求3所述的航空气动式火警传感器的信号采集电路，其特征在于，
所述第一余度通道中包括四个正相比较器，分压点1分别连接到每个正相比较器的正相输入端，通过每个正相比较器将分压点1处的第一特征压力值与本正相比较器的预设电压阈值进行比较，通过四个正相比较器的四个比较点总共形成五个比较区间以区分出报警膜盒和故障膜盒所形成信号回路的五种不同状态。
5.根据权利要求3所述的航空气动式火警传感器的信号采集电路，其特征在于，
所述第二余度通道中包括四个反相比较器，分压点2分别连接到每个反相比较器的反相输入端，通过每个反相比较器将分压点2处的第二特征压力值与本反相比较器的预设电压阈值进行比较，通过四个反相比较器的四个比较点总共形成五个比较区间以区分出报警膜盒和故障膜盒所形成信号回路的五种不同状态。
6.根据权利要求3所述的航空气动式火警传感器的信号采集电路，其特征在于，
分压点1连接到差分运放(N9)的输入正端，分压点2连接到差分运放(N9)的输入负端，差分运放(N9)的输出端连接到AD转换器(N10)的输入端，将AD转换器(N10)转换后的数字电压值传输至微处理器(D1)，使得微处理器(D1)根据所述数字电压值对传感器等效电阻(RX)的电阻值进行换算，从而根据电阻值区分出报警膜盒和故障膜盒所形成信号回路的五种不同状态。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的航空气动式火警传感器的信号采集电路，其特征在于，
所述信号采集电路，还用于根据三个余度通道的输出结果进行三取二表决；其中，至少两个余度通道故障时，信号功能失效。
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