KR102044361B1 - 아날로그 센서로부터의 출력 전압의 출력 해상도 조절 장치 - Google Patents

아날로그 센서로부터의 출력 전압의 출력 해상도 조절 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 아날로그 센서와 마이크로프로세서 사이에 연결되어 아날로그 센서로부터의 출력 전압의 출력 해상도를 조절하는 장치에 관한 것으로서, 아날로그 센서로부터 출력되는 전압과 마이크로프로세서로부터 입력되는 오프셋값에 의한 오프셋 전압을 출력하여 보정 증폭부로 전달하는 오프셋 보정부; 및 상기 오프셋 보정부로부터 출력되는 오프셋 전압을 마이크로프로세서로부터 입력되는 게인값만큼 증폭하여 증폭 전압을 마이크로프로세서로 출력하는 보정 증폭부를 포함하고, 상기 오프셋 보정부는 초기값으로서 마이크로프로세서로부터 0의 오프셋값을 입력받아 오프셋 전압을 출력하고, 상기 보정 증폭부는 마이크로프로세서로부터 초기값으로서 1의 게인값을 입력받아 증폭 전압을 출력하고, 상기 마이크로프로세서는 이 때의 증폭 전압을 디지털 변환하여 초기 결과값을 구하여 저장해 두고, 상기 오프셋 조정부는 마이크로프로세서로부터 상기 저장해 둔 초기 결과값을 오프셋값으로 입력받고, 상기 보정 증폭부는 추가적으로 확장하고자 하는 해상도에 사용되는 비트 수(n)에 상응하는 게인값을 입력받아 증폭 전압을 출력하고, 상기 마이크로프로세서는 이 때의 증폭 전압을 디지털 변환하여 최종 결과값을 구하는 것을 특징으로 하는 출력 해상도 조절 장치를 제공한다.

Description

아날로그 센서로부터의 출력 전압의 출력 해상도 조절 장치{APPARATUS FOR ADJUSTING RESOLUTION OF OUTPUT VOLTAGE FROM ANALOG SENSORS}
본 발명은 아날로그 센서로부터의 출력 전압의 출력 해상도 조절 장치에 관한 것이다.
4차 산업 혁명 시대가 도래하며 최근 산업계에서는 IoT(Internet of Things, 사물 인터넷) 및 빅 데이터(Bigdata) 기술을 산업 현장에 적극적으로 도입 및 활용하려는 움직임이 활발히 이뤄지고 있다. 이러한 활동이 성공적으로 되기 위해서는 각 산업 현장에서 사용되는 데이터를 여러 센서를 이용하여 충실하게 수집하고 이를 효율적으로 활용하는 것이 매우 중요하다.
이러한 센서들의 종류는 가장 기본적인 온도/습도를 측정하는 센서에서 비롯하여 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 암모니아(NH3), 조도, 대기압(Air Pressure) 등 그 활용도에 따라 수백 가지 이상이 된다. 이러한 센서들을 IoT 등 관련 산업에 활용하는 방법은 일반적으로 센서의 출력을 디지털화하여 MCU(Micro Controller Unit)에서 기본 처리후 무선 또는 유선 통신망으로 전달하여 상위 시스템에서 해당 수치를 이용하여 제어 또는 관리/경영의 기본 데이터로 활용하게 된다.
이러한 센서들의 출력 형태는 크게 디지털 방식과 아날로그 방식으로 나뉠 수 있으며 디지털 방식은 UART(Universial Asynchronous Receiver/Transmitter), I2C(Inter IC Communication), PWM(Pulse Width Modulation) 등의 인터페이스 형식으로 MCU와 데이터를 교환하여 센서값을 바로 디지털 형식으로 MCU에 전달하게 해주며 전달 과정에서 발생하는 오류및 부정확성이 거의 발생하지 않는다.
한편 아날로그 방식은 센서의 값이 전압(Voltage)또는 전류(Current) 형태로 출력되며 이들을 적당한 처리 회로를 거치게 한후 MCU의 ADC(Analog to Digital Converter)를 통하여 디지털화하는 방식을 취하게 된다.
도 1 내지 도 3은 종래의 아날로그 센서의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 1은 종래의 아날로그 센서의 동작을 블록도로 나타낸 것이고, 도 2는 종래의 아날로그 센서의 회로도를 나타낸 것이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 아날로그 센서의 출력(Vs)에 마이크로프로세서의 ADC(Analog to Digital Converter)의 입력 범위에 매칭되도록 적절한 게인(Gs)과 오프셋(VOffset)을 적용하여 마이크로프로세서의 ADC의 입력으로 전달된다.
도 3은 종래의 아날로그 센서에서 발생하는 양자화 오차(Qe: Quantization Error)를 나타낸 것이다.
주지된 바와 같이, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하게 되면 불가피하게 양자화 오차가 발생하게 되는데, 이는 도 2에 나타낸 바와 같이 아날로그 일정 영역의 값이 하나의 디지털 값(ADCV)으로 대표 변환이 되는 과정에서 발생하게 된다.
해당 양자화 오차는 사용되는 ADC의 해상도(Resolution)에 따라 변하게 되는데 ADC의 비트(BIT) 수가 크면 클수록 그 해상도는 증가하여 양자화 오차는 줄어들게 되고, 그 반대로 ADC 의 비트 수가 작으면 작을수록 양자화 오차는 크게 발생하게 된다.
최근 IoT에 사용되는 MCU들은 저전력 요구및 저렴한 시스템 구성이라는 요구사항에 맞춰져야 하므로 이러한 MCU 에 사용되는 ADC 등의 해상도는 일반적으로 8비트~ 12비트로 구성되어 진다(그 이상이 해상도를 가지는 ADC는 비용 등의 현실적인 문제로 거의 사용되고 있지 아니하다). 예를 들어 ADC 의 해상도가 10비트라면 사용되는 아날로그 센서 출력을 최대 1024 단위로 쪼개어 표현가능하다는 의미이며, 일례로 온도 센서가 -50도~ 150, 즉 전체 200도의 범위를 측정할 수 있다면 이러한 아날로그 온도 센서의 출력을 디지털 신호로 변환할 때 아래 식에 나타낸 바와 같이 0.2도 단위로 세분화해서 표현이 가능하게 된다
(150-(-50))/1024 = 0.2
즉, 해당 ADC를 사용하였을 경우 표현 가능한 온도의 해상도는 0.2도이며, 이러한 해상도는 특성은 시스템 노이즈 및 센서의 비선형성 등에 의해 나빠질 수도 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 한계점을 해결하기 위한 것으로서, 아날로그 센서로부터의 출력 전압의 출력 해상도를 간편하고 효율적으로 조절할 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명은 아날로그 센서를 ADC를 통하여 마이크로프로세서로 전달함에 있어서 한정된 ADC의 해상도를 DAC(Digital to Analog Converter) 및 증폭 회로를 이용하여 저렴한 비용으로 간편하게 확장함으로써 측정 정확도를 높일 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 아날로그 센서와 마이크로프로세서 사이에 연결되어 아날로그 센서로부터의 출력 전압의 출력 해상도를 조절하는 장치로서, 아날로그 센서로부터 출력되는 전압과 마이크로프로세서로부터 입력되는 오프셋값에 의한 오프셋 전압을 출력하여 보정 증폭부로 전달하는 오프셋 보정부; 및 상기 오프셋 보정부로부터 출력되는 오프셋 전압을 마이크로프로세서로부터 입력되는 게인값만큼 증폭하여 증폭 전압을 마이크로프로세서로 출력하는 보정 증폭부를 포함하고, 상기 오프셋 보정부는 초기값으로서 마이크로프로세서로부터 0의 오프셋값을 입력받아 오프셋 전압을 출력하고, 상기 보정 증폭부는 마이크로프로세서로부터 초기값으로서 1의 게인값을 입력받아 증폭 전압을 출력하고, 상기 마이크로프로세서는 이 때의 증폭 전압을 디지털 변환하여 초기 결과값을 구하여 저장해 두고, 상기 오프셋 조정부는 마이크로프로세서로부터 상기 저장해 둔 초기 결과값을 오프셋값으로 입력받고, 상기 보정 증폭부는 추가적으로 확장하고자 하는 해상도에 사용되는 비트 수(n)에 상응하는 게인값을 입력받아 증폭 전압을 출력하고, 상기 마이크로프로세서는 이 때의 증폭 전압에 기초하여 최종 결과값을 계산하는 것을 특징으로 하는 출력 해상도 조절 장치를 제공한다.
여기에서, 상기 마이크로프로세서는 최종 결과값을 계산할 때 상기 증폭 전압을 디지털 변환하여 게인값으로 나눈 값에 상기 초기 결과값을 더하여 최종 결과값을 계산할 수 있다.
또한, 상기 추가적으로 확장하고자 하는 해상도에 사용되는 비트 수(n)에 상응하는 게인값은 2n인 것이 바람직하다.
또한, 상기 추가적으로 확장하고자 하는 해상도에 사용되는 비트 수(n)에 상응하는 게인값은 조절가능한 값인 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 아날로그 센서로부터의 출력 전압의 출력 해상도를 간편하고 효율적으로 조절할 수 있는 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 아날로그 센서를 ADC를 통하여 마이크로프로세서로 전달함에 있어서 한정된 ADC의 해상도를 DAC(Digital to Analog Converter) 및 증폭 회로를 이용하여 저렴한 비용으로 간편하게 확장함으로써 측정 정확도를 높일 수 있는 장치를 제공할 수 있다.
도 1 내지 도 3은 종래의 아날로그 센서의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 아날로그 센서와 마이크로프로세서 사이에 연결되어 아날로그 센서의 출력 해상도를 조절하는 장치(100)의 연결 관계를 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6은 해상도 조절 장치(100)의 내부 구성을 나타낸 블록도 및 회로도이다.
도 7은 보정 증폭부(120)의 일예를 나타낸 회로도이다.
도 8은 해상도 조절 장치(100)에 의한 측정 1단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 해상도 조절 장치(100)에 의한 측정 2단계를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 아날로그 센서와 마이크로프로세서 사이에 연결되어 아날로그 센서의 출력 해상도를 조절하는 장치(100, 이하 간단히 "해상도 조절 장치(100)"라 한다)의 연결 관계를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 아날로그 센서(200)의 출력 전압(Vs)을 증폭하는 증폭부(300)로부터의 출력 전압을 오프셋 조정하는 오프셋 조정부(400)와 마이크로프로세서(500) 사이에 연결되어, 아날로그 센서(200)로부터의 출력 전압의 해상도(resolution)를 조절하고 조절된 해상도가 반영된 전압을 마이크로프로세서(500)가 계산할 수 있도록 하는 기능을 수행한다.
도 5 및 도 6은 해상도 조절 장치(100)의 내부 구성을 나타낸 블록도 및 회로도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 해상도 조절 장치(100)는, 오프셋 보정부(110) 및 보정 증폭부(120)를 포함한다.
오프셋 보정부(110)는 아날로그 센서(200)로부터 출력되어 증폭부(300)를 거쳐 증폭된 전압에 대해 오프셋 조정부(400)에 의해 오프셋 조정된 출력 전압과 마이크로프로세서(500)로부터 입력되는 오프셋값에 의한 오프셋 전압을 출력하여 보정 증폭부(120)로 전달한다.
여기에서, 상기 마이크로프로세서(500)로부터 입력되는 오프셋값은 마이크로프로세서(500)의 DAC(Digital to Analog Converter) 단자로부터 출력된다.
보정 증폭부(120)는 상기 오프셋 보정부(110)로부터 출력되는 오프셋 전압을 마이크로프로세서(500)로부터 입력되는 게인값(Gadc)만큼 증폭하여 증폭 전압을 마이크로프로세서(500)로 출력하는 기능을 수행한다.
여기에서, 상기 게인값(Gadc)은 마이크로프로세서(500)의 PIO 단자로부터 출력되는 값으로서, 1, 2, 4, 8, 16..등과 같이 2의 배수이다. 이는 해상도를 증가시키는데 사용되는 비트 수에 상응하는 값이다. 예컨대, 해상도를 증가시키기 위해 2비트를 추가적으로 사용하면 게인값(Gadc)은 22=4가 되고, 3비트를 추가로 사용한다면 게인값(Gadc)은 23=8이 된다.
즉, 게인값(Gadc)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Gadc = 2n(여기에서, n은 해상도를 증가시키기 위해 추가로 사용하는 비트의 수)
도 7은 보정 증폭부(120)의 일예를 나타낸 회로도이다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 보정 증폭부(120)는 저항, 아날로그 스위치 및 OP 앰프(amp)에 의해 쉽게 구성이 가능한다. 여기에서, 각각의 저항(R,2R,..32R)들은 마이크로프로세서(500)로부터 출력되는 게인값(Gadc)에 각각 해당하며, 이 게인값(Gadc)에 의해 아날로그 스위치가 각각의 상응하는 저항과 연결된다.
도 5 내지 도 7에서 설명한 해상도 조절 장치(100)는 다음과 같이 동작한다.
즉, 초기값으로서 마이크로프로세서(500)는 오프셋 전압을 0으로 하고, 게인값(Gadc)을 1로 설정하고, 이 때 증폭 전압을 Vadc라고 하면, 마이크로프로세서(500)는 Vadc를 ADC(Analog to Digital Converter)에 의해 디지털 변환 처리를 수행하고 그 결과값을 ADCV_org로 저장해 둔다. 이 경우는 해상도 조절 장치(100)는 특별한 동작을 수행하지 않고 오프셋 조정부(400)로부터의 출력 전압을 그대로 마이크로프로세서(500)로 출력하게 된다.
즉, 오프셋 보정부(110)는, 초기값으로서 마이크로프로세서(500)로부터 0의 오프셋값을 입력받아 오프셋 전압을 보정 증폭부(120)로 출력한다. 보정 증폭부(120)는, 마이크로프로세서(500)로부터 초기값으로서 1의 게인값(Gadc)을 입력받아 증폭 전압(Vadc)을 마이크로프로세서(500)로 출력한다. 그리고, 마이크로프로세서(500)는 이 때의 증폭 전압(Vadc)을 디지털 변환하고 그 결과를 초기 결과값(ADCV_org)로서 저장해 둔다.
다음으로, 마이크로프로세서(500)는 오프셋 전압을 상기 초기 결과값인 ADCV_org로 하고, 게인값(Gadc)을 추가적으로 확장하고자 하는 해상도에 사용되는 비트 수(n)에 맞게 2n으로 설정한다. 그리고, 마이크로프로세서(500)는 이 값들에 의해 해상도 조절 장치(100)에 의해 출력되는 전압에 기초하여 최종 결과값을 구한다.
즉, 오프셋 조정부(110)는 마이크로프로세서(500)로부터 상기 저장해 둔 초기 결과값(ADCV_org)을 오프셋값으로 입력받아 오프셋 전압을 보정 증폭부(120)로 출력한다. 보정 증폭부(120)는 추가적으로 확장하고자 하는 해상도에 사용되는 비트 수(n)에 상응하는 게인값(Gadc=2n)을 입력받아 증폭 전압을 마이크로프로세서(500)로 출력한다. 이 때의 증폭 전압을 Vadc2라고 하면, 마이크로프로세서(500)는 증폭 전압(Vadc2)에 기초하여 최종 결과값을 계산하게 된다.
도 8 및 도 9를 참조하여 해상도 조절 장치(100)의 동작을 보다 상세하게 설명한다.
도 8은 해상도 조절 장치(100)에 의한 측정 1단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 마이크로프로세서(500)는 초기값으로서 오프셋값을 0으로 하고, 게인값(Gadc)을 1로 설정하여 오프셋 보정부(110) 및 보정 증폭부(120)로 출력한다. 오프셋 보정부(110)와 보정 증폭부(120)는 상기 오프셋값(0)과 게인값(Gadc=1)에 의해 증폭 전압(Vadc)를 마이크로프로세서(500)로 출력하고, 마이크로프로세서(500)는 이 때 출력되는 증폭 전압(Vadc)을 디지털 변환한 측정 결과값을 초기결과값으로서 ADCV_org로 저장해 둔다.
이 때 측정된 증폭 전압(Vadc)은 앞서 배경 기술에서 설명한 양자화 오차(Qe)를 포함한다. 즉, Vadc는 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Vadc = ADCV_org + Qe
여기에서, Vadc는 실제 값(Real Value)이고, ADCV_org는 Vadc를 마이크로프로세서(500)에서 디지털 변환한 결과값으로서 측정할 수 있는 값이고 Qe는 양자화 오차로서 측정할 수 없는 값에 해당한다.
도 9는 해상도 조절 장치(100)에 의한 측정 2단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 마이크로프로세서(500)는 오프셋값을 도 8에서 설명한 바와 같이 저장된 초기 결과값인 ADCV_org로 하고, 게인값(Gadc)을 추가적으로 확장하고자 하는 해상도에 사용되는 비트 수(n)에 상응하도록 2n으로 설정하여 오프셋 보정부(110) 및 보정 증폭부(120)로 각각 출력한다.
오프셋 보정부(110)와 보정 증폭부(120)는 상기 오프셋값(ADCV_org)과 게인값(Gadc=2n)에 의해 증폭 전압(Vadc2)를 마이크로프로세서(500)로 출력하고, 마이크로프로세서(500)는 이 증폭 전압(Vadc2)에 기초하여 최종 결과값을 구하게 된다.
이러한 측정 2단계는, 도 8에서 설명한 측정 1단계에서 발생한 양자화 오차(Qe,Quantization Error)를 오프셋 전압과 게인값에 의해 알아내는 단계로 설명될 수 있다.
마이크로프로세서(500)는 DAC 단자를 통해 앞서 저장되어 있던 ADCV_org를 출력하게 되므로 보정 증폭부(120)에서 출력되는 값(Vadc2)은 도 9의 오른쪽에 나타난 바와 같이 Qe가 Gadc 배 증폭된 형태가 되고, 이는 아래 수학식 3과 같이 표시될 수 있다.
[수학식 2]
Vadc2 = Qe*Gadc = ADCV_fine + Qee
여기서, ADCV_fine은 상기 증폭 전압(Vadc2)를 디지털 변환한 값이고, Qee는 이 때의 양자화 오차를 나타낸다.
마이크로프로세서(500)는 보정 증폭부(120)에서 출력되는 값(Vadc2)을 ADC에 의해 디지털 변환함으로써 ADCV_fine을 구할 수 있다.
상기 수학식 2에 의하면, Qe = ADCV_fine/Gadc + Qee/Gadc이므로, 이를 상기 수학식 1에 대입하면, 다음 수학식 3으로 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Vadc = ADCV_org + ADCV_fine/Gadc + Qee/Gadc
이 Vadc는 실제로는 향상된 해상도가 반영된 값으로서, 여기에서, ADCV_fine은 마이크로프로세서(500)가 Vadc2를 디지털 변환하여 구해 둔 값이고, ADCV_org 및 Gadc는 저장해 둔 값이며, Qee/Gadc는 양자화 오차에 상응하므로 무시되는 값이다. 따라서, 마이크로프로세서(500)는 최종적으로 ADCV_org + ADCV_fine/Gadc에 상응하는 값을 최종 결과값으로 출력하게 된다.
즉, 해상도 조절 장치(100)에 의해 초기의 양자화 에러 Qe가 Qee/Gadc로 상당부분 축소되었으며 최종 결과값이 ADCV_fine/Gadc만큼 추가되므로 해상도가 향상되었음을 알 수 있다.
한편, 상기 측정 2단계에서 양자화 오차(Qe)가 마이너스 값을 갖는 경우에는 오프셋 전압으로 ADCV_org 를 출력할 경우 Vadc 값은 마이너스 값을 갖게 되므로, 단일 전원을 갖는 시스템인 경우에는 DAC 에 ADCV_org 보다 작은 값을 적용하여 본 발명이 목적하는 측정 2단계의 결과를 얻을 수 있다.
예를 들어 측정 2단계에서 Gadc = 16 , DAC = ADCV_org 을 적용하였다고 가정할 경우 최종적으로 즉청되는 센서 값의 해상도는 기존 ADC 가 가지는 해상도+4 비트로 표현가능하다. ADC의 원래 해상도가 10 비트였다면 본 발명에 의한 해상도 조절 장치(100)에 의하면 최종 14비트를 갖는 측정치를 얻을 수 있다.
이상에서 본 발명에 의한 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였으나 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아님은 물론이다.
예컨대, 게인값(Gadc)은 추가적으로 확장하고자 하는데 사용되는 비트 수(n)의 2n인 것으로 설명하였으나, 마이크로프로세서(500)에서 적절한 처리를 수행하는 구성을 포함하도록 하고 임의의 자연수를 사용할 수도 있다.
또한, 상기 실시예에서 마이크로프로세서(500)로부터 보정 증폭부(120)로 입력되는 게인값(Gadc)은 고정된 값이 아닌 조절가능한 값으로서 조작자가 선택할 수 있도록 할 수도 있다.
100...해상도 조절 장치
200...아날로그 센서
300...증폭부
400...오프셋 조정부
500...마이크로프로세서
110...오프셋 보정부
120...보정 증폭부

Claims (4)

  1. 아날로그 센서와 마이크로프로세서 사이에 연결되어 아날로그 센서로부터의 출력 전압의 출력 해상도를 조절하는 장치로서,
    아날로그 센서로부터 출력되는 전압과 마이크로프로세서로부터 입력되는 오프셋값에 의한 오프셋 전압을 출력하여 보정 증폭부로 전달하는 오프셋 보정부; 및
    상기 오프셋 보정부로부터 출력되는 오프셋 전압을 마이크로프로세서로부터 입력되는 게인값만큼 증폭하여 증폭 전압을 마이크로프로세서로 출력하는 보정 증폭부
    를 포함하고,
    상기 오프셋 보정부는 초기값으로서 마이크로프로세서로부터 0의 오프셋값을 입력받아 오프셋 전압을 출력하고, 상기 보정 증폭부는 마이크로프로세서로부터 초기값으로서 1의 게인값을 입력받아 상기 오프셋 전압을 상기 1의 게인값만큼 증폭한 증폭 전압을 마이크로프로세서로 출력하고, 상기 마이크로프로세서는 이 때의 증폭 전압을 디지털 변환하여 초기 결과값을 구하여 저장해 두고,
    상기 오프셋 보정부는 마이크로프로세서로부터 상기 저장해 둔 초기 결과값을 오프셋값으로 입력받고, 상기 보정 증폭부는 추가적으로 확장하고자 하는 해상도에 사용되는 비트 수(n)에 상응하는 게인값을 입력받아 증폭 전압을 출력하고, 상기 마이크로프로세서는 상기 증폭 전압을 디지털 변환하여 게인값으로 나눈 값에 상기 초기 결과값을 더하여 최종 결과값을 계산하고,
    상기 추가적으로 확장하고자 하는 해상도에 사용되는 비트 수(n)에 상응하는 게인값은 2n인 것을 특징으로 하는 출력 해상도 조절 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 추가적으로 확장하고자 하는 해상도에 사용되는 비트 수(n)에 상응하는 게인값은 조절가능한 값인 것을 특징으로 하는 출력 해상도 조절 장치.
KR1020180026403A 2018-03-06 2018-03-06 아날로그 센서로부터의 출력 전압의 출력 해상도 조절 장치 KR102044361B1 (ko)

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