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文檔簡介

1、會計學(xué)1智能測試系統(tǒng)設(shè)計一智能測試系統(tǒng)設(shè)計一 前言: 測試方法的變化:從單一參數(shù)的測試發(fā)展為多參數(shù)的綜合測試;從接觸式測試到非接觸式測試;從近距離測試到遠距離測試等;從需要人工參與過渡到自動完成測試任務(wù)。 通常把由計算機參與、能自動進行測試、數(shù)據(jù)處理、自動顯示測試結(jié)果的系統(tǒng)稱為智能測試系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中,整個測試工作是在預(yù)先編制好的測試程序統(tǒng)一控制下自動完成的。 智能測試系統(tǒng)有三種基本組成形式:小型測試系統(tǒng)常以單片機系統(tǒng)為主機;中、大型測試系統(tǒng)以PC機或工控機為主機;而復(fù)雜的測試系統(tǒng)多以單片機為數(shù)據(jù)處理核心,以PC機或工控機為主機組成多機系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 智能測試系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容主要包括硬件電路設(shè)

2、計、接口選型設(shè)計和軟件設(shè)計。第1頁/共49頁4.1 被測信號種類第2頁/共49頁4.2 智能測試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及功能4.2.1 系統(tǒng)硬件組成 智能測試系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖4-2所示(1) 微機子系統(tǒng) 微機子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心,對整個系統(tǒng)起監(jiān)督、管理、控制作用。 例如進行復(fù)雜的信號處取、控制決策、產(chǎn)生特殊的測試信號、控制整個測試過程等。此外利用微機強大的信息處理能力和高速運算能力,實現(xiàn)命令識別、邏輯判斷、非線性誤差修正、系統(tǒng)動態(tài)特性的自校正、系統(tǒng)自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自診斷、自組織等功能。(2) 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)及接口 和傳感器、測試元件、變送器聯(lián)接,實現(xiàn)參數(shù)采集、選路控制、零點校正、量程自動切換等功能

3、。第3頁/共49頁第4頁/共49頁(3) 基本I/O子系統(tǒng)及接口 實現(xiàn)人機交互接口(HMI)功能,完成人機交互作用。 用于輸入或修改系統(tǒng)參數(shù)、改變系統(tǒng)工作狀態(tài)、輸出測試結(jié)果、動態(tài)顯示測控過程、實現(xiàn)以多種形式輸出、顯示、記錄、報警等功能。(4) 通信子系統(tǒng)及接口 用于實現(xiàn)本系統(tǒng)與其他儀器儀表、系統(tǒng)的通信與互聯(lián)功能。 (5)控制子系統(tǒng)及接口 系統(tǒng)實現(xiàn)對被控對象、被測試組件、測試信號發(fā)生器、甚至于系統(tǒng)本身和測試操作過程的自動控制。按口的作用是完成它所聯(lián)接的設(shè)備之間的信號轉(zhuǎn)換交換、信號傳輸、信號拾取等功能。 第5頁/共49頁4.2.2 系統(tǒng)軟件組成u設(shè)計過程:軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計、軟件編制、軟件調(diào)試等u設(shè)計方

4、法:模塊化和結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計;面向過程和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計u軟件組成:監(jiān)控程序、中斷服務(wù)程序、測試算法、通信與控制程序等第6頁/共49頁(1) 初始化模塊 軟件初始化包括中斷安排、堆棧初始化、狀態(tài)變量初始化、各軟件標志初始化、系統(tǒng)時鐘初始化、各變量存儲單元初始化、系統(tǒng)參數(shù)初始化等。(2) 數(shù)據(jù)采集模塊 完成對數(shù)據(jù)采集電路的控制、測試數(shù)據(jù)的讀取、存儲等。(3) 測試算法模塊 非線性校正、標度變換、量程自動轉(zhuǎn)換、軟件抗干擾等。(4) 人-機接口 測試結(jié)果顯示方法:模擬顯示、數(shù)字顯示、混合顯示等; 控制輸入方式:鍵盤輸入、鼠標操作、按鍵操作、數(shù)據(jù)手套輸入等。(5) 通信與控制 實現(xiàn)與上位機或其他儀器儀表

5、、系統(tǒng)的互聯(lián)與通信控制。軟件模塊設(shè)計與系統(tǒng)采用的通信總線標準、通信協(xié)議、通信接口電路等因素有關(guān)。第7頁/共49頁(6) 時鐘管理 定時功能主要有:數(shù)據(jù)采樣周期定時;控制周期定時;參數(shù)顯示周期定時;故障監(jiān)視電路的定時信號等。 定時實現(xiàn)方法有硬件、軟件和軟硬件結(jié)合等方法。(7) 故障自診斷與處理 是提高系統(tǒng)可靠性和可維護性的重要手段。 主要內(nèi)容包括:開機自檢、周期性自診斷、鍵控自診斷等。(8) 中斷管理(9) 監(jiān)控程序 主要作用是及時響應(yīng)來自系統(tǒng)或外部的各種服務(wù)請求,有效管理系統(tǒng)軟硬件資源。 監(jiān)控程序是系統(tǒng)軟件的核心,它調(diào)用各種功能模塊,形成一有機整體,實現(xiàn)對測試系統(tǒng)的全面管理。 第8頁/共49頁

6、4.3 智能測試系統(tǒng)的設(shè)計原則4.3.1 組建測試系統(tǒng)的基本原則 組建測試系統(tǒng)的基本原則:使測試系統(tǒng)的基本參數(shù)、靜態(tài)性能及動態(tài)性能均達到預(yù)先規(guī)定的要求。其中預(yù)估是非常重要的工作。 預(yù)估工作就是根據(jù)對測量系統(tǒng)規(guī)定的參數(shù)指標要求,選擇和確定系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)(傳感器、調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))。 正確的預(yù)估表現(xiàn)在:根據(jù)預(yù)估確定的環(huán)節(jié)組成測試系統(tǒng)后,經(jīng)過標定實驗進行性能評定能達到規(guī)定的要求,同時測試系統(tǒng)的總成本最低。 預(yù)估過程是一個反復(fù)設(shè)定、權(quán)衡調(diào)整的過程,屬于誤差分配問題。第9頁/共49頁4.3.2 組建測試系統(tǒng)的基本方法 圖中,S1代表傳感器;S2代表放大器;S3代表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(A/D環(huán)節(jié));H1(

7、j)和H2(j)分別代表相應(yīng)環(huán)節(jié)的頻率特性。 1. 基本參數(shù)的預(yù)估 2動態(tài)性能的預(yù)估 3靜態(tài)性能的預(yù)估第10頁/共49頁1. 基本參數(shù)的預(yù)估 主要項目:分辨力和量程 系統(tǒng)總的靈敏度為: 其中,S1為傳感器靈敏度;S2為放大器的放大倍數(shù);S3為A/D轉(zhuǎn)換的分度值。 預(yù)估過程:通常按系統(tǒng)的精度與量程以及工作環(huán)境等要求,先確定傳感器類型及其靈敏度值S1,然后再根據(jù)系統(tǒng)要求的分辨率(由量程及精度指標得到)確定A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率;最后,根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的量程與傳感器的輸出范圍確定放大器的增益。 預(yù)估原則:一般要求A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率應(yīng)稍高于系統(tǒng)要求的分辨率。若系統(tǒng)要求的A/D分辨率很高(14位以上),

8、可考慮采用可編程增益放大器進行自動量程切換以達到所需分辨率。 3212121SSSuyuuxuxyS第11頁/共49頁4.4 單片機自動測試系統(tǒng)u特點: 作為小型測試系統(tǒng),以單片機作為系統(tǒng)主機的自動測試系統(tǒng),結(jié)構(gòu)簡單、價格低、測量參數(shù)少、功能相對簡單。u定義: 對模擬信號和數(shù)字信號進行分時的數(shù)字化測量,從而獲得大量數(shù)據(jù),用單片機對這些采集數(shù)據(jù)進行處理的系統(tǒng)稱為單片機自動測試系統(tǒng)。u設(shè)計內(nèi)容: 包括硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計兩方面4.4.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)u多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu):多通道共享采樣器和AD轉(zhuǎn)換器、多通道共享AD轉(zhuǎn)換器、多通道A/D轉(zhuǎn)換電路和差動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四種。最常用的形式是多通道

9、共享采樣器與AD轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)。第12頁/共49頁u多路直流信號和時域信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(圖4-5) 為避免小信號通過模擬開關(guān)造成較大的附加誤差,在傳感器輸出小信號時,每個通道應(yīng)在多路開關(guān)前設(shè)置放大器;在多路開關(guān)后設(shè)置一個可編程放大器,利用單片機編程控制放大器的增益,以滿足各通道信號的不同增益要求。u頻率信號和開關(guān)量采集系統(tǒng)(圖4-6): 只要將頻率量和開關(guān)量調(diào)節(jié)到能滿足單片機輸入要求的TTL電平即可。 第13頁/共49頁第14頁/共49頁1. 多路開關(guān)u作用:輪流切換各被測回路A/D轉(zhuǎn)換電路間通路,以達到分時的目的。u模擬開關(guān)的理想情況:開關(guān)接通時導(dǎo)通電阻等于零,無附加殘余電動勢,能不失真地傳輸模

10、擬信號;開關(guān)斷開時電阻無窮大,無泄露電流。但由于多通道間相互影響,實際上并不能達到理想情況。u選擇和設(shè)計模擬多路開關(guān)時應(yīng)考慮的問題(1)通道數(shù)目一般為四路、八路或十六路。通道數(shù)目增加,開關(guān)的寄生電容及泄露電流的影響也增大,降低了傳輸精度和切換速度。對于輸入通道多的情況,可用多個多路開關(guān)并聯(lián)。(2)開關(guān)接通電阻要盡量小,關(guān)斷電阻盡量大。(3)開關(guān)切換時間要盡量短。(4)開關(guān)的極間電容和寄生電容要小。(5)采集信號的輸入方式考慮:有些采集信號的信號源本身具有較大的共模電壓,要考慮對共模信號的抑制和使用差分輸入方式。第15頁/共49頁u常用的多路開關(guān) 四選一、雙四選一、八選一、雙八選一、十六選一5種

11、類型 八選一多路開關(guān):4051(5G4051、CD4051、CC4051、AD7501) 雙四選一:CD4052、AD7502 十六選一:CD4067、AD7506 特點:采用標準雙列直插式結(jié)構(gòu);控制信號直接與TTL電平兼容;轉(zhuǎn)換速度快,導(dǎo)通和關(guān)閉時間小于1us,導(dǎo)通電阻一般小于100歐,斷開電阻很高。AD7501的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳(圖4-7c) 8路輸入,1路選擇輸出。 選址信號:A0、A1、A2;芯片的允許輸入端:EN;芯片電源正、負端及公共地端:VDD、VSS、GND;8路模擬量輸入:S1S8;模擬量輸出:OUT第16頁/共49頁第17頁/共49頁第18頁/共49頁第19頁/共49頁AD7

12、502的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳(圖4-8c)雙路輸入,雙路輸出,是一種雙四通道的模擬開關(guān)。第20頁/共49頁2.采樣/保持電路u定義:采樣/保持電路是根據(jù)狀態(tài)控制指令截取輸入模擬電壓瞬時值(采樣過程),并把這一瞬時值保留一段時間(保持時間)的功能單元。u作用:A/D轉(zhuǎn)換需要時間,在轉(zhuǎn)換期間,信號要保持不變才能保證一定的轉(zhuǎn)換精度。為保證轉(zhuǎn)換精度,必須在A/D轉(zhuǎn)換之前加采樣保持電路,使得在AD轉(zhuǎn)換期間輸入的模擬信號保持不變。u結(jié)構(gòu)組成:采樣保持電路(圖4-)由輸入輸出緩沖放大器、模擬開關(guān)及控制電路、保持電容(用戶外接)組成。u工作原理:采樣保持電路有兩種工作狀態(tài):一是采樣狀態(tài)(電容充電),控制信號由低變高

13、,控制開關(guān)合上,電路處于采樣狀態(tài),輸出隨輸入而變化;二是保持狀態(tài),控制信號由高到低開關(guān)打開,輸出保持充電時的最終電壓值。采樣保持示意如圖4-10所示。 第21頁/共49頁第22頁/共49頁u采樣保持電路的主要參數(shù)孔徑時間:采樣保持電路接到保持命令后開關(guān)S由導(dǎo)通變成斷開所需的時間。 采樣時間(捕捉時間):采樣保持電路接到采樣命令到采樣保持器輸出達到當前輸入信號值(規(guī)定的采樣精度)所需的時間。 保持電壓下降速率:由于電容漏電,導(dǎo)致保持電壓下降。饋送、瞬變效應(yīng)u常用的采樣保持器件:LF398(圖4-11)、AD582等。uLF398內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳(圖4-11)電源端(1、4):可在正負5 18V之間

14、選擇兩個控制端(7、8):采樣保持的控制指令,7接地時,8接控制信號(大于1.4V),處于采樣狀態(tài);8接地時,處于保持狀態(tài)。模擬輸入、輸出(3、5) 第23頁/共49頁第24頁/共49頁3.放大器u放大器的作用:傳感器的輸出信號電平低、內(nèi)阻高,且常伴隨著較高的共模電壓,因此傳感器的輸出信號需要經(jīng)過高輸入阻抗(遠大于信號源內(nèi)阻)、抗共模電壓干擾能力強的放大器的放大才能送到A/D轉(zhuǎn)換器。u常用的放大器:測量放大器又稱儀器放大器)與可編程增益放大器。(1)測量放大器u集成測量放大器AD627:是美國模擬器件(AD)公司生產(chǎn)的測量放大器,具有體積小、功耗低、精度高、可單電源或雙電源供電的特點。u引腳定

15、義及使用(圖4-12)引腳:電源端、信號輸入、輸出端、反饋端、增益調(diào)整端。放大增益由引腳1、8間阻抗Rg決定: )/200(5gRKG第25頁/共49頁第26頁/共49頁(2) 可編程增益放大器u可編程增益的要求 一方面同一被測量所處的環(huán)境和時間不同,變化范圍可能不同;另一方面被測量不同、變化范圍也可能不同。因此測試系統(tǒng)中,要求能自動改變放大器的增益,從而使信號經(jīng)過放大后、具有合適的動態(tài)范圍。可編程增益放大器能實現(xiàn)這個功能。uAD526 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖(圖413) 增益可調(diào)的原理:運算放大器的反饋電阻的比例調(diào)節(jié)由程序控制的多路開關(guān)實現(xiàn)。增益設(shè)定控制邏輯輸入端為A0、A1、A2。 第27頁/共49頁

16、第28頁/共49頁4. A/D轉(zhuǎn)換器u常用的A/D轉(zhuǎn)換器:8位ADC0801、ADC0809和12位的AD574A等。uA/D轉(zhuǎn)換器與單片機接口設(shè)計目的:將兩部分信息可靠、簡潔地聯(lián)系起來。u數(shù)據(jù)線連接u啟動A/D轉(zhuǎn)換u判斷A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束第29頁/共49頁u判斷A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后,發(fā)出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號,通知單片機可以讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。單片機在判斷A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束時,有3種方式。(1) 中斷方式:將A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號接至單片機的中斷信號輸入端,一旦轉(zhuǎn)換結(jié)束,單片機響應(yīng)中斷后,執(zhí)行中斷服務(wù)程序,讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。該方法判斷效率高,實時性好,且不影響單片機的其他工作。

17、(2) 程序查詢方式:計算機執(zhí)行查詢程序,監(jiān)視并響應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)。該方式判斷方法簡單、直觀,且可靠性好,但實時性差。(3) 軟件延時方式:計算機程序按照略大于A/D轉(zhuǎn)換時間的原則進行延時后,直接讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。該方式不需連接轉(zhuǎn)換結(jié)束信號線,硬件電路相對簡單,但轉(zhuǎn)換效率低,實時性差。 第30頁/共49頁5. 驅(qū)動電路 設(shè)計接口電路時,必須考慮接口的驅(qū)動能力。u接口負載的影響 負載過大會使系統(tǒng)工作不正常;負載過多,會增大驅(qū)動電路的等效電容,產(chǎn)生信號延遲和失真。u驅(qū)動電路的分類(按信號傳輸距離): 板內(nèi)(近距離)驅(qū)動,主要考慮器件的輸入負載大??;長線驅(qū)動,不僅要考慮負載能力,還要考慮信號反

18、射、抗干擾能力等。第31頁/共49頁6. 單片機的選擇原則u常見產(chǎn)品 Intel公司的MCS-51系列8位單片機、MCS96系列16位單片機;Motorola公司的MC68系列單片機;Zilog公司的Z8系列單片機等u帶A/D轉(zhuǎn)換器的單片機:如PHLIPS公司的83C552,有一8路輸入的10位ADC,可用于多路模擬量測量。u低功耗設(shè)計選擇:Microchip公司的MAX16Cxx系列單片機,是低功耗、低成本便攜式職能儀器較為適意的微控制器。u大數(shù)據(jù)量處理選擇:Intel公司的80196系列單片機,以及專用的DSP芯片等。第32頁/共49頁u總結(jié) 單片機的應(yīng)用開發(fā)是一個實踐性、經(jīng)驗性很強的工作

19、。新的單片機不斷推廣應(yīng)用,選用單片機的空間也越來越大。在實際工作中,選擇單片機時要充分考慮測試系統(tǒng)的功能要求和用戶環(huán)境,同時兼顧設(shè)計者的實際經(jīng)驗,盡量選用既符合系統(tǒng)功能要求,又是設(shè)計者較為熟悉或短時間內(nèi)能很快掌握的單片機機型。 第33頁/共49頁4.4.2 單片機自動測試系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) 單片機自動測試系統(tǒng)典型的軟件結(jié)構(gòu)主要包括準備程序、鍵功能程序等,如圖4-14。1. 準備程序(1) 初始化:將系統(tǒng)中所有命令、狀態(tài)以及有關(guān)存儲單元置位成初試狀態(tài)。(2) 自檢程序:檢查程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器以及硬件功能是否正常(如系統(tǒng)間的通信應(yīng)答)。(3) 提示符顯示:顯示正常標記,等待鍵掃描(人機交互)。(4

20、) 鍵掃描等待:對所有按鍵進行查詢,當有鍵按下時,便進入鍵功能軟件控制。2. 鍵功能程序 是一組由散轉(zhuǎn)指令控制選擇的鍵功能程序模塊,每個模塊完成按鍵所指定的功能,完成信號測量、數(shù)據(jù)處理、顯示、打印等功能。第34頁/共49頁第35頁/共49頁4.4.3 標度變換 被測試的各種參數(shù)都有不同的數(shù)值和量綱,這些參數(shù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后,統(tǒng)一變?yōu)?-M個數(shù)碼,這些數(shù)碼雖然代表參數(shù)值的大小,但并不表示帶有量綱的參數(shù)值,必須轉(zhuǎn)換成有量綱的數(shù)值才能進行顯示和打印。這種轉(zhuǎn)換稱為標度變換或工程量轉(zhuǎn)換。1. 線性參數(shù)標度變換 是最常用的標度變換方法,其前提是參數(shù)值與A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果(采樣值)之間呈線性關(guān)系,如下式所示: 式

21、中:A0、Am為參數(shù)量程的下限和上限,Ax為參數(shù)測量值(工程值),N0、Nm、Nx分別為A0、Am、Ax所對應(yīng)的A/D值(采樣值) 。 0000)(NNNNAAAAmxmx第36頁/共49頁0000)(NNNNAAAAmxmx 式中:A0、Am為參數(shù)量程的下限和上限,Ax為參數(shù)測量值(工程值),N0、Nm、Nx分別為A0、Am、Ax所對應(yīng)的A/D值(采樣值)。 特殊情況的簡化算式:在參數(shù)量程起點,A/D值為零(N0=0);參數(shù)量程起點為零(A0=0),對應(yīng)的A/D值也為零(N0=0)。 工程值 A0 Ax Am 數(shù)字量 N0 Nx Nm第37頁/共49頁2. 非線性參數(shù)標度變換 如果傳感器的輸

22、出特性是非線性的,如熱敏電阻值溫度特性的指數(shù)變化規(guī)律、熱電偶的電壓值溫度特性的非線性規(guī)律等,需要重新建立標度變換公式。 變換方法:一般而言,許多傳感器的非線性輸出特性變量關(guān)系寫不出一個簡單公式,或能寫出,但計算困難,這時可用查表法進行標度變換。 實例:熱敏電阻電橋測溫(圖4-16)第38頁/共49頁u建立標度變換參量對應(yīng)表 整個參量變換過程為: 溫度熱敏電阻值電橋輸出電壓A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字量(1)測量出溫度測試回路的電阻-電壓特性曲線(2)根據(jù)熱敏電阻值溫度特性(圖4-17),得出溫度-電壓特性。(3) 按照A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)及相應(yīng)的電壓值范圍,從溫度-電壓特性得出相應(yīng)的電壓數(shù)值量-溫度特性表。

23、如測溫范圍為35-450C,選8位A/D轉(zhuǎn)換器進行單極性轉(zhuǎn)換,則測溫電路中熱敏電阻應(yīng)選擇350C時使電橋平衡的阻值,通過計算得到相應(yīng)的溫度-電壓-數(shù)字量對應(yīng)特性(表4-7)。 數(shù)字量數(shù)字量23H24H25H 26H27H. . .電壓電壓/ V1.41.441.481.521.56. . .溫度溫度/ 0C45.0044.0043.0042.0041.00. . .第39頁/共49頁u使用參量對應(yīng)表:將參量對應(yīng)表編程固化在單片機的EPROM中,當采集到數(shù)字量后,通過查表就能準確得出環(huán)境溫度值。實例:PC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)標度變換(壓縮機性能綜合測試系統(tǒng))溫度1(0 100度)溫度2(0 200度)壓力1(0 1MPa)壓力2 (-100 900KPa)差壓(0 30KPa)420mA15V DC數(shù)字量工程值測量值250歐姆電阻傳感器A/D第40頁/共49頁第41頁/共49頁4.4.4 單片機自動測試系統(tǒng)的設(shè)計1. 溫度自動測試系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計要求:對某冷庫8個冷凍室進行溫度巡回測試,被測量溫度范圍-30+5度,溫度測試精度小于1度,要求基于單片機設(shè)計測試系統(tǒng)。(1) 硬件電路設(shè)計 硬件電路如圖4-18(同圖3-9)所示。采用8031作為主芯片,擴展4KB的外部程序存儲器,設(shè)計4位數(shù)據(jù)顯示電路,8路溫度采集信號分別接到ADC的8個輸入端。u溫度/電壓轉(zhuǎn)

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