CN1325517A - 智能卡读出器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种智能卡(芯片卡)读出器(10)它包括一个中央处理机(20),此中央处理机又包括一种装置(MP2,MEM2,PG20,23)用于通过通信总线(60)按照由触点式智能卡的通信协议所确定的第一格式发送和接收二进制消息(信息),还包括一个智能卡接收装置(40)它包括一个经过通信总线(60)与中央处理机(20)相连的触点式智能卡连接器(42),还有一个无触点智能卡(53)的读头(30)它包括一个串行接口(31)直接至少与通信总线的一条数据线(I/O)连接,而且无触点读头(30)要进行硬件和/或软件配备,以便不响应触点智能卡的启动指令而响应不同于触点智能卡启动指令的一种专用启动指令(ACTIV)。

Description

智能卡读出器
本发明涉及智能卡读出器，更具体地说涉及的是两种工作模式的读出器。
近几年来，人们发展并瞄准了那些所说的“无触点”集成电路，这些集成电路的设计是利用天线线圈通过电磁感应来接收或发送消息。例如在以申请人的名义申请的世界专利WO 98/02840,WO 98/0298,WO 98/05123,WO 98/06057,WO 98/06056中就描述了这类集成电路。这些电路可以制备无触点智能卡，它们应该能逐渐取代传统的触点式卡。
既然在商业中触点卡读出器存在广泛的领域，那么很快就会提出这样的问题，即人们要了解怎样才能以简便而又合理的方式实现从触点卡工艺向无触点卡工艺的过渡，又没有必要更换现有读出器的整个系统及使用者所持有的全部触点卡。
因此人们就提出了双工作模式的智能卡，或混合卡，它同时包括触点范围及一个天线线圈。以申请人的名义提出的专利申请WO98/06057和WO 98/59319提到了这类混合型卡。
不过，混合型卡的成本明显地高于另外两种类型的卡，很可能触点卡还将继续商品化出售。因此，智能卡市场在不久的将来还会包括无触点卡读出器、触点卡读出器、触点卡、无触点卡及混合型卡。
为了减少智能卡读出器的总量，因而人们还考虑到了发展两种工作模式的读出器，它能无区别地与触点智能卡及无触点智能卡互相配合。
专利申请WO 97/46964描述了一种这类读出器，它包括[图10]无触点智能卡读头[50]及触点智能卡读头[28]两者都通过多路转换器[61]与读出器中央处理机[64]的通信总线[62]相连接。按照多路转换器[61]的位置，中央处理机[64]与无触点读头[50]或与触点读头[28]连接。
本发明的内容就是关于设计出一种以两种工作模式卡的读出器代替这种普通结构的方法。
本发明的一个比较特殊的目的是制备一种双工作模式卡读出器，它能简便地由一种普通触点卡读出器制成，无需对读出器作大量的硬件改动。
该目的就是利用智能卡读出器来达到的，此智能卡读出器包括一个中央处理机，它含有一种装置可通过通信总线发送和接收具有由触点智能卡通信协议确定的第一格式的二进制消息，还包括一个卡接收装置它带有一个触点卡连接器通过通信总线连接到中央处理机，还有一个无触点智能卡读头，它带有一个串行接口，其中无触点读头的串行接口直接至少连接到通信总线的一条数据线上，并且无触点读头硬件和/或软件式设计要不响应在串行接口上接收的触点智能卡启动指令而是响应无触点读头的专用启动指令，它不同于触点智能卡的启动指令。
根据一种实施方式，无触点读头另外由通信总线的一条电源线供电。
根据一种实施方式，无触点读头包括一种装置用来在其接通电源(充电)时处于禁止(抑制)状态，并且在处于接收专用启动指令的情况下脱离禁止状态。
根据一种实施方式，中央处理机包括一种装置可在接收到卡存在于读出器中的探测信号的情况下进行以下的操作：在通信总线上发送触点卡的启动指令并等待第一响应；如果收到了第一响应，就建立或力求建立与触点卡的通信；如果在确定的时间间隔内没有收到第一响应，就在通信总线上发送无触点读头的专用启动指令并等待第二响应；如果第二响应收到了，就建立或力求建立与无触点卡的通信。
根据一种实施方式，触点卡的启动指令就是一种按照ISO 7816标准的复位(复位)指令。
根据一种实施方式，读头的专用启动指令是一种可能从不发送到触点智能卡的指令。
根据一种实施方式，读头的专用启动指令是一种在通信总线的至少一条导线上传送的信号，它没有被触点智能卡所利用。
根据一种实施方式，无触点读头包括一种装置可用来把在第一格式下于串行接口上接收到的消息转换成具有由无触点智能卡通信协议所确定的第二格式的消息，反过来也可以把在第二格式下接收的消息转换成具有第一格式的消息。
根据一种实施方式，无触点读头被集成在一种小尺寸的电路中，此电路安装在卡接收装置的附近或内部。
本发明还涉及一种无触点智能卡读头，它包括一个串行接口可接收或发送呈现由触点智能卡通信协议所确定第一格式的消息，还包括一种装置可在其充电时处于一种禁止状态，并且可在接收到串行接口上收到的专用启动指令的情况下脱离禁止态。
根据一种实施方式，禁止态可解释为：除了读头的启动指令之外，读头不响应任何指令。
根据一种实施方式，禁止态可解释为：除了读头的启动指令或智能卡的启动指令之外，读头不响应任何指令。
根据一种实施方式，读头包括一种装置可在接收到串行接口上所接收的撤消指令的情况下恢复到禁止状态。
根据一种实施方式，读头包括一种装置可以把串行接口上在第一格式下接收的消息转换成第二格式下的消息，该第二格式是由无触点智能卡通信协议所确定的，反过来也可把在第二格式下接收的消息转换成第一格式下的消息，并且响应无触点读头的专用启动指令，它不同于触点智能卡的启动指令。
本发明的这些目的、特征及优点以及其它一些内容可在后面针对本发明智能卡读出器及无触点读头的一种实施方式所作的描述中更详细地显示出来，还参照一些附图加以说明，图中有：
-图1以功能块的形式表示出了本发明智能卡读出器及无触点读头的电结构图；
-图2A至2C表示出了可以由图1读出器读出的卡的各种实例，以及
-图3是本发明卡容纳装置的一种实施例的分解图。
图1表示出了本发明卡读出器10，它通常包括：
-中央处理机20，
-内通信总线60，这里是ISO 7816型的，它包括一条电源线VCC，一条地线GND，数据线I/O，时钟线CLK及复位线RST，以及
-卡的容纳装置40它设计有一个用于触点智能卡的电连接器42。
装置40通常包括一个可容纳卡50的容器41而且配备一个手动或自动的任何一种插入器(图中未示出)。在容器41的内部有一个普通的磨擦式或停靠式的连接器42，以及一个行程终点探测器43，当插入卡时它可发出信号DET。连接器42包括与智能卡接触的各种元件，例如金属触点片或薄片，每个都与通信总线60的一条导线连接。
根据本发明，读出器10包括无触点智能卡读头30，它含直接与通信总线60连接的串行接口31，无需借助于多路转换器或其它任何等效转换装置。读头30另外还与天线线圈44连接，该线圈在这里安装在卡容纳装置40中连接器42附近。
根据本发明，无触点读头30具有软件范畴或功能范畴的各种特性，现在就加以描述，可以使其直接与总线60连接，可以简便而又低费用的制得两种工作模式的读出器，无需改动中央处理机20的硬件结构也没有必要改变其管理与触点卡通信所使用的软件。
读头30的结构本身是很普通的而且它包括一个微处理机MP1、一个存储器MEM1、串行接口31及无触点通信接口32。
无触点通信接口32通常包括一个驱动器电路DRV、一个调制电路MD及一个解调电路DMD它们都与线圈44端子连接。电路DRV输出125KHz或13.56MHz标准化频率的交流驱动信号。电路MD根据由微处理机MP1所提供的要传输的消息DTX调制驱动信号。电路DMD对驱动信号解调以便从中取出由载荷调制和电感耦合所接收的消息DTR。消息DTR输送到微处理机MP1。
串行接口31带有ISO 7816端子I/O,VCC,GND,CLK,RST。它连接到总线60的I/O,VCC及GND线而且在此不接到RST及CLK线。端子I/O连接到微处理机MP1的输入/输出端对P1。端子RST尽管未连接到线RST但考虑到后面将要描述的一种实施方式，仍然可以连到微处理机MP1的输入/输出端对P2。
有利地是，连接到总线60中相应线的端子VCC在这里可作为读头30整体系统的供电结点。
此外，存储器MEM1包含数据DATA及程序PG30，它具有常规的层形结构，程序PG30包括由下列表1所描述的各种子程序PG31到PG39。
        表1(存储器MEM1的内容)
    PG39 禁止/激活状态的管理程序
    PG38 串行接口31的管理程序
    PG37 协议PCTL转换成协议ISO 7816的转换程序
    PG36 协议ISO 7816转换成协议PCTL的转换程序
    PG35 安全措施管理程序
    PG34 密码算法
    PG33 消息DTR的解码算法
    PG32 消息DTX的编码算法
    PG31 微处理机MP1的使用系统(“操作系统”)
本身是常用的程序PG32和PG33分别提供传输到无触点卡的消息DTS编码和从卡接收的消息DTR解码。程序PG35管理无触点卡的认证过程，并且依据程序PG34而生成加密编码的认证二进制字码。程序PG36提供按ISO 7816-4格式在串行接31上接收到的消息转换成具有由无触点通信协议所确定格式的消息，把它指定为PCTL。该通信协议还没有实现标准化的目的，每个集成电路的设计者目前可自由地对其加以选择使得更适合于他本人。因此，作为非限定性的实例，由申请人所规定的用于向无触点卡发送指令的格式PCTL包括如下四个二进位组字节：
CODE：指令代码
ADD：卡存储器中的地址
CRC1：第一个签字字节
CRC2：第二个签字字节
在这种情况下，按以下格式接收的由标准ISO 7816-4所规定的指令ADPU都转换成上述类型的指令，或者相反：
CLA    INS  P1 P2 Lc DATALe
为了确定概念，READ型的ISO指令包括以下二进位组字节(以十六进制表示)：
CLA=80h(所有人类别)
INS=B2h(阅读指令)
P1=XXh(要阅读的字组数)
P2=04h(错误参数)
L=3(要阅读的字节数)
上面类型的指令可转换成如下类型的指令PCTL：
CODE=30h
Adresse(地址)=XX/4
CRC1
CRC2
这里人们可看到，格式变换不仅可以涉及到指令格式而且根据应用的要求及所用无触点卡的存储器结构也可以涉及到指令代码及地址字段。
补充性地，程序PG37把在格式PCTL下由无触点接32接收的消息转换成下面类型的ISO 7816-4响应：
指令本体部分    词尾1    词尾2
  数据字段          SW1     SW2
这些指令通过串行接口31在总线60上传送。
另一方面，程序PG38是监控读头30全部操作及其协调它程序PG32至PG37的程序，此外它可以对读头30的某些选择及微处理机MP1的某些状态寄存器进行编程。通常程序PG38总是在总线60上传送一种响应，比如当指令未被无触点卡执行时的一种错误信息。
根据本发明，程序PG39的设计是为了防止程序PG38在读头30充电时控制接31，假使专用启动指令未传送到读头。只要未接收到启动指令程序PG39使读头30就保持在禁止状态中，禁止状态的确定是根据读头除了上述启动指令之外不向串行接31所接收的指令发送任何响应。
下面的表2概括地描述了程序PG39的运算操作，并且指出了当收到启动指令时该程序如何协同转换到程序PG38。由数字标记符号39开头的各个步骤是程序PG39的各阶段步骤，而用数字标记符38开头的各个步骤是关于程序PG38的各阶段性步骤。当没有考虑程序分枝转接时(表中右侧一栏)，后面的执行步骤就是直接跟随当前步骤之后的那个步骤。此外，如果在无触点通信结束时总线60上的电源电压VCC被消去了，撤消指令的预报被看作是可任意选择的。
                表2(程序PG39及PG38)
  步骤         操    作     分    接
39.1 触发/接通电源
39.2 接收的指令？ 否(NO)：返回到39.2
39.3 接收的指令=ACTIV 否(NO)：返回到39.2
39.4 传送响应=OK-ACTIV 到38.1
39.5 (从PG38返回)接收的指令=DESACTIV 是(Yes)：到39.2否(NO)：返回到38.1
39.6 传送响应OK-DESACTIV
38.1 接收的指令？(延迟) 否(NO)：到39.5
38.2 执行指令或把指令以格式PCTL传输到无触点接口32
38.3 在总线60上传送ISO响应或以ISO格式返回从无触点卡接收的响应
38.4 通信结束？ 是(Yes)：到39.5否(NO)：到38.1
根据本发明以ISO格式接收的启动指令ACTIV和撤消指令DESACTIV最好是曾经由中央处理机20从未传送或可能从未被传送到触点卡的那些类型的指令。换句话说，形成这些指令的二进位数串不应该重新出现在触点卡当前指令系统中。例如关于标准ISO 7816所禁止的指令(禁止的CLA，禁止的INS……)或者关于编入特定二进位组字节串的指令，该字节串在与触点卡通信过程中被利用的几率很小。
为了更好理解，可在下面找到一些ISO指令实例，这些指令可被选作为启动指令和撤消指令。
启动指令：CLA=8Eh(所有人类型)
INS=AAh(指令代码ACTIV)
P1=55h
P2=BCh
L=0    (没有按响应要求的参数)
撤消指令：CLA=8Eh
INS=ADh(指令代码DESACTIV)
P1=55h
P2=BCh
L=0    (没有按响应要求的参数)
在一种实施变型中，启动指令或撤消指令还可以采用一个或几个脉冲或信号的形式，这些脉冲或信号在一条或几条通信总线60的导线上传输，不同于导线VCC、GND、RST、CLK、I/O，这些导线都是由ISO 7816标准所规定的，但是通常都不能被触点智能卡所利用。
最后，只要它处在禁止状态中本发明读头就不响应在总线60上传输的ISO指令。因此就防止了与总线60上由触点卡所传送响应的冲突风险。
本发明读出器10的运行操作在阅读了下面中央处理机20的说明之后就可更好地理解。
中央处理机20本身是普通的结构，主要包括一个微处理机MP2、一个存储器MEM2，附带地还包括一个键盘21和一个显示屏22。微处理机MP2包括一个串行端23，它与通信总线60的导线VCC、GND、I/O、CLK及RST连接。
存储器MEM2包含数据(DATA)和一种分层程序PG20包括由下列表3所描述的各种子程序PG21至PG25。
                   表3(存储器MEM2)
    PG25     工作模式的选择程序
    PG24     无触点模式的应用程序
    PG23     触点模式的应用程序
    PG22     ISO 7816通信协议的管理
    PG21     微处理机MP2的使用系统(“操作系统”)
程序PG22，或读出器的软件“协议”层，是一种普通程序，它可提供指令为ISO形式设置以及通信的管理。应用程序PG23，也是一种普通程序，它是用于管理与触点卡的事务处理的。实际上，中央处理机20可以使用多个应用程序PG23以便能够与多个不同来源的触点卡进行相互联系，在遵守标准ISO建议的同时，每个卡的制造者可确定其本人所特有的一组指令。在这种情况下，插入卡的识别及相适应用程序的选择程序将会像专业技术人员所熟知的那样进行设计。
本身是普通的应用程序PG24可以管理无触点通信。这里也一样，该程序与无触点卡所用的一组指令及其制造者有关。因而，几个无触点应用程序可共存于存储器MEM2中。
根据本发明，程序PG25可以选择读出器的工作模式，如有必要还可触发读头30。程序PG25的操作可由下列表4概述出来。由数字标记符23、24及25开头的各步骤分别与程序PG23、PG24及PG25有关。优先权是在触点方式中对话时给出的。如果没有任何触点卡响应ISO7816启动指令，也就是说没有响应总线60上信号RST转到1或0，中央处理机20触发读头30并且力求建立与无触点卡的通信。如果企图失败了，有一个错误消息传送给使用者。
            表4(程序PG23、PG24及PG25)
  步骤             操    作     分    接
 25.1 起动/接通电源 是(Yes)：到23.1
 25.2 插入的卡？(接收的信号DET？) 否(NO)：返回25.2
 25.3 指令ACTIV的发送(读头30启动) 到24.1
 25.4 错误消息的发送：卡暂时不在或者里面朝上
 25.5 指令DESACTIV的发送(读头30消除启动) 到25.2
 23.1 与触点卡通信的搜索：在导线RST上复位
 23.2 在收到复位时的响应ISO 7816？(建立通信？) 否(NO)：到25.3
 23.3 触点方式交谈
 23.4 交谈结束 到25.2
 24.1 与无触点卡通信的搜索
 24.2 建立通信？ 否(NO)：到25.4
 24.3 无触点方式交谈
 24.4 交谈结束 到25.5
当然，本发明可以有各种不同的实施变型及实施方式。尤其是，读头不响应ISO 7816复位指令这种情况不一定意味着这种响应不被在程序PG39中提供。作为实例，下面的表5描述了一种程序PG39的变化，其中步骤39.31至39.34都是为此而考虑设计的。在此情况下，必要的是接口31的端子RST不连接总线60的RST线，以便步骤39.31至39.34从不被执行。其实，这些步骤都是准备用于可以使读头30在专一无触点读出器的实施范围内响应ISO复位指令。程序PG39的这种实施变化使得读头30是多性能的并且适合于各种应用类型。
           表5(步骤39.1到39.3的变化)
  步骤          操    作     分    接
 39.1 起动/接通电源
 39.2 所接收的指令？ 否(NO)：返回39.2
 39.3 所接收的指令=ACTIV 否(NO)：到39.32
 39.4 传送响应：OK-ACTIV 到38.1*
 39.31 所接收的指令=ISO复位？ 否(NO)：到39.2
 39.32 传输无触点卡启动消息PTCL
 39.33 所接收的无触点卡响应 否：返回9.2
 39.34 发传送ISO 7816-2标准化响应 转到38.1*
(*参见表2)
由上述可见，本发明读出器10能够阅读存在于接收装置40中的各类智能卡。
为了更好理解，图2A至2C表示出三种可以被阅读的普通卡。图2A表示的是一个混合卡51，它装有一个同时带接触区52-2和线圈52-1的微型组件52。图2B表示出一个专一无触点卡53，它装有只带线圈的微型组件54，而图2C表示一个专一触点卡55，它装有一个只带接触区的微型组件56。
然而，正如已指出的那样，本发明的优点不是局限在实施两种工作模式的读出器，而且还涉及到把常规卡的读出器改变成两种工作模式的读出器。因此，由上述情况可看出，把读头30附加到触点卡读出器只需在存储器MEM2中增添程序PG24和PG25。
此外，无触点读头30可以较简便地附加到读出器上而无需改变读出器的硬件结构及卡容纳装置40的结构。实际上只需把读头30串行接口31分接到通信总线60上就足够了，例如借助一个插入中央处理机20的连接器与总线60连接器之间的一个插接/套接连接器，或者以下面所描述的方式进行，以便配置一个两种工作模式的读出器。
图3表示一个常用触点卡读出器的简单配接实例，它可以制备出本发明两个工作模式的读出器。卡容纳装置40通常包括一个用于容纳卡而设计的塑料盒60，它是以无盒底的仰视图表示的。盒中包括一些挠性薄片61它们都是呈凸面状以便可形成一种磨擦连接器。这些薄片61都延伸到盒60的外部用于形成一些指定焊接到印刷电路板上的连接引线62。
天线线圈44和无触点读头30的其它元件(MP1、MEM1、32)都呈现为焊接到印刷电路板71上的平面型元件的形状，该印刷电路板71安装在与盒60相类似的塑料盒70中。盒70带有一些与盒60的引线62相吻合的连接引线72，用于把读头30连接到读出器的通信总线上。因此，改变常用卡读出器只需把盒70安装在盒60上，并把引线72焊在引线62上。
在所描述的实例中，线圈44安置在板71上使得当卡插入到盒60中时它正好与图2B所示的无触点卡53的微型组件54相对。尽管如此，还能考虑设计可在盒60整体系统中辐射磁场的更大尺寸的天线，适合于可含更大直径天线线圈的无触点卡读出器。
对本专业人员来说显然很清楚的是：本发明可以进行很多其它的变型和改进。特别是，本发明读头可以制成带有集成天线线圈的小尺寸专用芯片(“ASIC”)形状，在这种情况下芯片就安置在卡容纳装置内部连接器附近。
另外，虽然上面所进行的说明参照了标准ISO 7816，但对于本专业技术人员来说很明显的是：本发明的想法、原理及特征可毫无困难地转换到其它类型的卡读出器，尤其是可转换到响应AFNOR标准的银行卡读出器。

Claims (14)

1．智能卡(50、51、53、55)的读出器(10)它包括：
-一个中央处理机(20)带有装置(MP2、MEM2、PG20、23)，可在通信总线(60)上发送和接收具有由触点智能卡通信协议(ISO 7816)所确定第一格式的二进制消息；
-一个卡容纳装置(40)它带有一个触点卡的连接器(42)，经过通信总线(60)连接到中央处理机(20)；
-无触点智能卡(53)的读头(30)带有串行接口(31)，其特征在于：
-无触点读头(30)的串行接口(31)至少直接连接到通信总线(60)的一个数据线(I/O)上，以及
-无触点读头(30)要进行硬件和/或软件配备，以便不响应在串行接口(31)上所接收到的触点智能卡的启动指令，而是响应不同于触点智能卡启动指令的无触点读头的专用启动指令(ACTIV)。
2．根据权利要求1所述的读出器，其中无触点读头(30)另外由通信总线(60)的电源线(Vcc)供电。
3．根据权利要求1和2中任一权利要求所述的读出器，其中无触点读头(30)包括装置(MP1,PG39)可使其处在接通电源时的禁止状态，并且在接收所述专用启动指令(ACTIV)时脱离禁止状态。
4．根据权利要求3所述的读出器，其中中央处理机(20)包括可在接收到卡存在于读出器中的探测信号(DET)时，实施以下操作的装置(MP2,PG20)：
-在通信总线(60)上传送触点卡的启动指令，并等待第一响应；
-如果接收到第一响应，则建立或力求建立与触点卡的通信；
-如果在确定的时间间隔内未接收到第一响应，就在通信总线(60)上发送所述无触点读头的专用启动指令(ACTIV)，并且等待第二响应；
-如果接收到第二响应，就建立或力求建立与无触点卡的通信。
5．根据权利要求1至4中任一权利要求所述的读出器，其中所述触点卡的启动指令是按照标准ISO 7816的复位指令。
6．根据权利要求1至5中任一权利要求所述的读出器，其中上述读头的专用启动指令(ACTIV)是可能从不传送到触点智能卡的指令。
7．根据权利要求1至5中任一权利要求所述的读出器，其中上述读头的专用启动指令(ACTIV)是至少在通信总线(60)的一条导线上传送的信号，该通信总线未被触点智能卡所利用。
8．根据权利要求1至7中任一权利要求所述的读出器，其中无触点读头(30)包括装置(MP1,PG30)，用于将在串行接口(31)上在第一格式下接收的消息转换成具有由无触点智能卡通信协议(PTCL)所确定的第二格式的消息，反之亦然，可把以第二格式接收的消息转换成具有第一格式的消息。
9．根据上述权利要求中任一权利要求所述的读出器，其特征在于：无触点读头(30)被集成到配置在卡容纳装置(40)附近或内部的小尺寸电路中。
10．无触点智能卡读头(30)包括一个串行接口(31)可接收或发送具有由触点智能卡通信协议(ISO 7816)所确定第一格式的消息，其特征在于它包括装置(MP1,PG39)可在其接通电源时仍处于禁止状态中，并且在接收到串行接口(31)上所收到的专用启动指令(ACTIV)的情况下脱离禁止状态。
11．根据权利要求10所述的读头，其中禁止状态可解释为：读头除了上述读头启动指令(ACTIV)外不响应任何指令。
12．根据权利要求10所述的读头，其中禁止状态可解释为：除了上述读头启动指令(ACTIV)或智能卡启动指令(RST)之外，读头不响应任何指令。
13．根据权利要求10至12中任一权利要求所述的读头，其特征在于它包括一种装置可在接收到由串行接口所接收的撤消指令(DESACTIV)的情况下返回到禁止状态。
14．根据权利要求10至13中任一权利要求所述的读头，其特征在于它包括装置(MP1,PG36,PG37)用于把串行接口上以第一格式接收的消息转换成具有由无触点智能卡通信协议(PCTL)所确定第二格式的消息，反之亦然，可把以第二格式接收的消息转换成具有第一格式的消息，并且该装置还可响应与触点智能卡启动指令不同的无触点读头专用启动指令(ACTIV)。
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