基于VHDL语言的多功能数字钟设计

数字电子钟的设计

一、 绪论

（一）引言

20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。

时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。忘记了要做的事情，当事情不是很重要的时候，这种遗忘无伤大雅。但是，一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。例如，许多火灾都是由于人们一时忘记了关闭煤气或是忘记充电时间。尤其在医院，每次护士都会给病人作皮试，测试病人是否对药物过敏。注射后，一般等待5分钟，一旦超时，所作的皮试试验就会无效。手表当然是一个好的选择，但是，随着接受皮试的人数增加，到底是哪个人的皮试到时间却难以判断。所以，要制作一个定时系统。随时提醒这些容易忘记时间的人。

钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、定时启闭电路、定时开关烘箱、通断动力设备，甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。

（二）论文的研究内容和结构安排

本系统采用石英晶体振荡器、分频器、计数器、显示器和校时电路组成。由LED数码管来显示译码器所输出的信号。采用了74LS系列中小规模集成芯片。使用了RS触发器的校时电路。总体方案设计由主体电路和扩展电路两大部分组成。其中主体电路完成数字钟的基本功能,扩展电路完成数字钟的扩展功能。论文安排如下：

1、绪论 阐述研究电子钟所具有的现实意义。

2、设计内容及设计方案 论述电子钟的具体设计方案及设计要求。

3、单元电路设计、原理及器件选择 说明电子钟的设计原理以及器件的选择，主要从石英晶体振荡器、分频器、计数器、显示器和校时电路五个方面进行说明。

4、绘制整机原理图 该系统的设计、安装、调试工作全部完成。

二、设计内容及设计方案

（一）设计内容要求

1、设计一个有“时”、“分”、“秒”（23小时59分59秒）显示且有校时功能的电子钟。

2、用中小规模集成电路组成电子钟，并在实验箱上进行组装、调试。

3、画出框图和逻辑电路图。

4 、功能扩展：

(1)闹钟系统

(2)整点报时。在59分51秒、53秒、55秒、57秒输出750Hz音频信号，在59分59秒时，输出1000Hz信号，音像持续1秒，在1000Hz音像结束时刻为整点。

(3)日历系统。

（二）设计方案及工作原理

数字电子钟的逻辑框图如图1所示。它由石英晶体振荡器、分频器、计数器、译码器显示器和校时电路组成。振荡器产生稳定的高频脉冲信号,作为数字钟的时间基准,然后经过分频器输出标准秒脉冲。秒计数器满60后向分计数器进位,分计数器满60后向小时计数器进位,小时计数器按照“24翻1”规律计数。计数器的输出分别经译码器送显示器显示。计时出现误差时,可以用校时电路校时、校分。

图1 数字电子钟逻辑框图

三、单元电路设计、原理及器件选择

（一）石英晶体振荡器

1、重要概念的解释

(1) 反馈：将放大电路输出量的一部分或全部，通过一定的方式送回放大电路的输入端。

(2) 耦合：是指信号由第一级向第二级传递的过程。

2、石英晶体振荡器的具体工作原理

石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确、电路结构简单、频率易调整。它被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中。它还具有压电效应：在晶体某一方向加一电场，晶体就会产生机械变形；反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。在这里，我们在晶体某一方向加一电场，从而在与此垂直的方向产生机械振动，有了机械振动，就会在相应的垂直面上产生电场，从而使机械振动和电场互为因果，这种循环过程一直持续到晶体的机械强度限制时，才达到最后稳定，这种压电谐振的频率即为晶体振荡器的固有频率。

用反相器与石英晶体构成的振荡电路如图2所示。利用两个非门G1和G2 自我反馈，使它们工作在线性状态，然后利用石英晶体JU来控制振荡频率，同时用电容C1来作为两个非门之间的耦合，两个非门输入和输出之间并接的电阻R1和R2作为负反馈元件用，由于反馈电阻很小，可以近似认为非门的输出输入压降相等。电容C2是为了防止寄生振荡。例如：电路中的石英晶体振荡频率是4MHz时，则电路的输出频率为4MHz。

图2 石英晶体振荡电路

(二)分频器

1、8421码制,5421码制

用四位二进制码的十六种组合作为代码，取其中十种组合来表示0-9这十个数字符号。通常，把用四位二进制数码来表示一位十进制数称为二-十进制编码，也叫做BCD码，见表1。

表1

8421码 5421码

0 0000 0000

1 0001 0001

2 0010 0010

3 0011 0011

4 0100 0100

5 0101 1000

6 0110 1001

7 0111 1010

8 1000 1011

9 1001 1100

2、分频器的具体工作原理

由于石英晶体振荡器产生的频率很高，要得到秒脉冲，需要用分频电路。例如，振荡器输出4MHz信号，通过D触发器（74LS74）进行4分频变成1MHz,然后送到10分频计数器（74LS90,该计数器可以用8421码制，也可以用5421码制），经过6次10分频而获得1Hz方波信号作为秒脉冲信号。（见图3）

图3 分频电路

3、图中标志的含义

CP——输入的脉冲信号

C0——进位信号

Q——输出的脉冲信号

(三)计数器

秒脉冲信号经过6级计数器，分别得到“秒”个位、十位，“分”个位、十位以及“时”个位、十位的计时。“秒”、“分”计数器为60进制，小时为24进制。

1、60进制计数器

(1) 计数器按触发方式分类

计数器是一种累计时钟脉冲数的逻辑部件。计数器不仅用于时钟脉冲计数，还用于定时、分频、产生节拍脉冲以及数字运算等。计数器是应用最广泛的逻辑部件之一。按触发方式，把计数器分成同步计数器和异步计数器两种。对于同步计数器，输入时钟脉冲时触发器的翻转是同时进行的，而异步计数器中的触发器的翻转则不是同时。

(2)60进制计数器的工作原理

“秒”计数器电路与“分”计数器电路都是60进制，它由一级10进制计数器和一级6进制计数器连接构成，如图4所示，采用两片中规模集成电路74LS90串接起来构成的“秒”、“分”计数器。

图4 60进制计数电路

IC1是十进制计数器，QD1作为十进制的进位信号，74LS90计数器是十进制异步计数器，用反馈归零方法实现十进制计数，IC2和与非门组成六进制计数。74LS90是在CP信号的下降沿翻转计数，Q A1和 Q C2相与0101的下降沿，作为“分”（“时”）计数器的输入信号，通过与非门和非门对下一级计数器送出一个高电平1（在此之前输出的一直是低电平0）。Q B2 和Q C2计数到0110，产生的高电平1分别送到计数器的清零R0(1)， R0(2)，74LS90内部的R0(1)和R0(2)与非后清零而使计数器归零，此时传给下一级计数器的输入信号又变为低电平0，从而给下一级计数器提供了一个下降沿，使下一级计数器翻转计数，在这里IC2完成了六进制计数。由此可见IC1和 IC2串联实现了六十进制计数。

其中：74LS90——可二/五分频十进制计数器

74LS04——非门

74LS00——二输入与非门

2、24进制计数器

小时计数电路是由IC5和IC6组成的24进制计数电路，如图5所示。

当“时”个位IC5计数输入端CP5来到第10个触发信号时，IC5计数器自动清零，进位端QD5向IC6“时”十位计数器输出进位信号，当第24个“时”(来自“分”计数器输出的进位信号)脉冲到达时，IC5计数器的状态为“0100”，IC6计数器的状态为“0010”，此时“时”个位计数器的QC5和“时”十位计数器的QB6输出为“1”。把它们分别送到IC5和IC6计数器的清零端R0(1)和R0(2)，通过7490内部的R0(1)和R0(2)与非后清零，从而完成24进制计数。

图5 24进制计数电路

(四) 译码与显示电路

1、显示器原理（数码管）

数码管是数码显示器的俗称。常用的数码显示器有半导体数码管，荧光数码管，辉光数码管和液晶显示器等。

本设计所选用的是半导体数码管，是用发光二极管（简称LED）组成的字形来显示数字，七个条形发光二极管排列成七段组合字形，便构成了半导体数码管。半导体数码管有共阳极和共阴极两种类型。共阳极数码管的七个发光二极管的阳极接在一起，而七个阴极则是独立的。共阴极数码管与共阳极数码管相反，七个发光二极管的阴极接在一起，而阳极是独立的。

当共阳极数码管的某一阴极接低电平时，相应的二极管发光，可根据字形使某几段二极管发光，所以共阳极数码管需要输出低电平有效的译码器去驱动。共阴极数码管则需输出高电平有效的译码器去驱动。

2、译码器原理（74LS47）

译码为编码的逆过程。它将编码时赋予代码的含义“翻译”过来。实现译码的逻辑电路成为译码器。译码器输出与输入代码有唯一的对应关系。74LS47是输出低电平有效的七段字形译码器，它在这里与数码管配合使用，表2列出了74LS47的真值表，表示出了它与数码管之间的关系。

表2

输 入 输 出 显示数字符号

LT(——) RBI(——-) A3 A2 A1 A0 BI(—)/RBO(———)

a(—) b(—) c(—) d(—) e(—) f(—) g(—)

1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0

1 X 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1

1 X 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 2

1 X 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 3

1 X 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 4

1 X 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 5

1 X 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 6

1 X 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 7

1 X 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 8

1 X 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 9

X X X X X X 0 1 1 1 1 1 1 1 熄灭

1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 熄灭

0 X X X X X 1 0 0 0 0 0 0 0 8

(1)LT(——)：试灯输入，是为了检查数码管各段是否能正常发光而设置的。当LT(——)=0时，无论输入A3 ，A2 ，A1 ，A0为何种状态，译码器输出均为低电平，若驱动的数码管正常，是显示8。

(2)BI(—)：灭灯输入，是为控制多位数码显示的灭灯所设置的。BI(—)=0时。不论LT(——)和输入A3 ，A2 ，A1，A0为何种状态，译码器输出均为高电平，使共阳极数码管熄灭。

(3)RBI(——-)：灭零输入，它是为使不希望显示的0熄灭而设定的。当对每一位A3= A2 =A1 =A0=0时，本应显示0，但是在RBI(——-)=0作用下，使译码器输出全为高电平。其结果和加入灭灯信号的结果一样，将0熄灭。

(4)RBO(———)：灭零输出，它和灭灯输入BI(—)共用一端，两者配合使用，可以实现多位数码显示的灭零控制。

3、译码器与显示器的配套使用

译码是把给定的代码进行翻译，本设计即是将时、分、秒计数器输出的四位二进制数代码翻译为相应的十进制数，并通过显示器显示，通常显示器与译码器是配套使用的。我们选用的七段译码驱动器（74LS47）和数码管（LED）是共阳极接法（需要输出低电平有效的译码器驱动）。译码显示电路如图6所示。

图6 译码显示电路

（五）校时电路

1、RS触发器（见图7）

图7 基本RS触发器

R(—) S(—)

Q Q(—)

说 明

0 1

1 0

1 1

0 0 0

1

0或1

1 1

0

1或0

1 置0

置1

保持原来状态

不正常状态，0信号消失后，触发器状态不定

2、无震颤开关电路

无震颤开关电路的原理：（见图8）当开关K的刀扳向1点时，S(—)=0，R(—)=1，触发器置1。S(—)端由于开关K的震颤而断续接地几次时，也没有什么影响，触发器置1后将保持1状态不变。因为K震颤只是使S(—)端离开地，而不至于使R(—)端接地，触发器可靠置1。

当开关K从S(—)端扳向R(—)端时，有同样的效果，触发器可靠置0。从Q端或Q(—)端反映开关的动作，输出电平是稳定的。

3、校时电路的实现原理

当电子钟接通电源或者计时发现误差时，均需要校正时间。校时电路分别实现对时、分的校准，由于4个机械开关具有震颤现象，因此用RS触发器作为去抖动电路。采用RS基本触发器及单刀双掷开关，闸刀常闭于2点，每搬动一次产生一个计数脉冲，实现校时功能，电路如图8所示。

图8 校时电路

（六）调 试

毕满清等.电子技术实验与课程设计.北京:机械工业出

版社,1995.131~132

这本书上很全

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多功能数字钟设计

一 简介

时钟， 自从它发明的那天起，就成为人类的朋友，但随着时间的推移，人们对它的功能又提出了新的要求，怎样让时钟更好的为人民服务，怎样让我们的老朋友焕发青春呢？这就要求人们不断设计出新型时钟。本方案设计的多功能电子钟除了传统的显示时间功能之外还可以测试温度、电网频率、电压、并提供了过压报警、非接触止闹等功能。其中温度采用AD590温度传感器电路测得，非接触止闹则采用红外控制技术实现。

二 方案论证

时钟模块方案

方案一 基本门电路搭建 用基本门电路来实现数字钟，电路结构复杂，故障系数大，不易调试。

方案二 单片机编程 用单片机设计电路，由于使用软硬件结合的方式，所以电路结构简单、调试也相对方便。与第一种方案比较优点是非常明显的。我们选择了第二种方案

测温模块方案

方案一 热电阻测温 热电阻测量温度,精度和灵敏度都可以,但是它的电阻值与温度的线性关系不好.不便用数字的方法处理。

方案二 热电偶测温 热电偶是温度测量中应用最广泛的一种传感器 .在一般的测量和控制中,常用于中高温的温度检测.在 测量中需要温度的冷端补偿,在数字电子中实现不方便

方案三 AD590加运算放大器 二端式半导体温度传感器 AD590的工作电压要求不高,测温的范围比较宽最重要的是它的输出电流是紧随温度变化的电流源,所以它的线性非常好.我们选择了这种方案。

测电压模块方案

方案一 取样测试。用高速的取样电压取样，可得电压的峰值与主频率，并根据其电压大小进行相应的报警 *** 作。此方案功能实现复杂，造价相对较高，不适合一般的家用。

方案二 测得电压有效值 测电压的有效值的方法比较简单,可以把一段时间内的电压的整体情况反映出来 ,但不能测出电压的瞬时变化的情况,对电网的突然冲击不能测出.

方案三 测得峰值推得有效值。交流电经过整流滤波后得到直流电压大小就是交流电的峰值，分压测出此电压大小，后根据交流电有效值和峰值的关系可推得有效值。这种方案采用的电路简单，实现方便，易于调试，精度较高， 为我们的设计采用。

非接触止闹模块方案

方案一 声音止闹

声音代替肢体给人带来了很大便利，但是要采用声控装置不得不考虑外界噪声对正常声音信号带来的干扰，而这一点又很难控制，因此虽然声控方便，但在这里不太适用所以割舍。

方案二 红外止闹

红外控制技术现在已被广泛地应用到各个领域，此技术有其独特的特点，首先 *** 作方便抗干扰性好、探测灵敏度高、工作湿度范围宽设计电路有不太复杂，造价也不高，由于这些特点我们选用了红外遥控来止闹。

显示模块方案

方案一 段码显示。段码显示需要专门的驱动，增大了硬件电路，调试不易。而且用段码表示不够直观，因此不采用这种方案

方案二 单片机控制液晶显示。控制部分集成在单片机内软件调试，硬件集成度大，为本方案所采用。

综上所述得到以下方块图：

三 各模块功能

单片机控制显示部分：液晶显示片上显示时间、电压、温度，键盘控制，键盘如下图所示：

调节 ↑

闹铃 ↓

闹铃键用来设置闹铃，闹铃响时按下闹铃键可用来止闹，平时闹铃键可用来设置闹铃的开关，闹铃关时按下此键闹铃功能将被打开，反之闹铃功能将被关闭。需要调节时间时，按动调节按钮，显示片上需要设置的时间值以闪烁的方式出现，以示区别，表示当前调节内容，再次按动，跳至下个需要设置的时间值，我们可以通过切换选择我们需要调整的时间部分，然后按“上”“下”按钮进行设定。其中时钟部分以二十四或十二小时（AM/PM）制显示。

此外单片机还控制温度和电压的测量，通过测温端和测电压端输出的电压，由相应的函数关系求得被测端的被测参数，然后显示在液晶显示屏上.

测温部分

原理方块图：

温度检测电路的设计，电路图如下：

测温元件使用温度传感器AD590。A/D590在0℃时输出的电流I=273 uA，温度T每增加1℃，I增加1u A。输出的电压变化为:

Δv=1uA×R2

系统要求电压变化范围在0—5伏，可解得R2<62.5K，设计中R2采用了52K的电阻。

当温度为-10摄氏度时，要求输出电压尽量接近于0 V，

U0=(It-Vcc/R1) ×R2=0

由上述公式，得R1约为56k,本设计中取R1=56.3

3.A/D转换及显示电路的设计。本设计中所采用的单片机内置十位A/D转换器,显示电路也是通过编程单片机控制，控制程序见附录。

电压测量及欠压过压报警

电压测试电路如下：

交流电经变压器后，经半波整流后分压测得电压。电路图如下：

在变压器的中线上引出15v的交流电压，经过二极管以后相当滤掉了 负向电压。当电压从峰值下降到一定程度时，电容C1开始放电。取R3*C1>60ns,电阻上得到约等于交流电峰值的直流电压，分压后测得输出电压，有电路连接和交流电峰值、有效值的关系，

把三极管的基极接到单片机的一个控制口上，控制电容放电，保证每次的采样结果的正确性，也可以防止放电电流对电源的影响。由于我们已经知道现在用的是标准的电源，所以我们可以用电源的有效值计算出电压的最大值用于电压的上下限的报警。

我们用计数器接在J2 J3两端，通过每分钟计的的高电平或低电平个数就可以得出电网的频率。

非接触止闹：我们用红外控制技术控制闹钟的关闭。发射电路如下图

其中38khz方波发生电路由555接成，经74ls08后由三极管驱动两个发光二极管，当按钮按下时，发出控制光线。

接收电路如下图所示：

当接收到红外信号时，OUT端产生低电平信号，传到控制端，实现止闹功能。

单片机控制系统原理图如下：

控制系统主要由单片机应用电路、存储器接口电路、LCD显示接口电路、键盘电路、模拟量输入输出接口电路、供电电路及程序下载和调试接口电路组成。其中单片机应用电路是系统工作的核心，它主要负责控制各个部分协调工作.由于系统构成接口较多，为了更好的组织各个功能部件正常工作，我们选用功能强大的AVR单片机作为主控CPU.它集各种存储器（FLASH,RAM,EEPROM）、模拟器件（A/D转换器，模拟比较器）于一体，同时还集成了各种总线控制器等数字通信器件，是真正的片上系统(SOC).由于本系统涉及各种数字和模拟电子器件的应用，因此使用此单片机作为本系统的主控CPU，使开发速度大大提高。

四 系统调试过程与测试结果

本实验需要调试的主要有两部分：温度测试部分的调试和电压测试部分的调试

温度测试部分

实验数据如下

温度T(℃) 理论AD590输出电流（uA） 理论电压值Ut (V) 实际电压值Uo (V)

0 273 0.416 0.640

10 283 0.930 0.790

20 293 1.444 1.568

26.4 299.4 1.795 2.07

27.5 3090.5 1.852 2.10

30 303 1.985 2.35

40 313 2.471 3.130

50 323 2.985 3.312

60 333 3.499 3.845

70 343 4.013 4.378

100 373 5.62 5.98

表中AD590输出理论电流值由AD590本身的性质决定，理论电压输出则由仿真软件仿真计算得到。可以看出，理论电压和实际电压有明显的差别，实际输出电压高于理论算得的电压值，经不断分析测试可作如下总结：由于系统本身工作产生热量，使得AD590所测温度高于环境温度，但可以看出，实际电压值与温度依然呈线性关系变化，于是对测得数据进行一元线性回归处理，用最小二乘法求得此线性关系的斜率和初象，得到输出电压与温度变化之间的函数变化关系如下：

T=（100Uo-64）/5.34

在所得式中代入测得数据计算，其误差都不超过1摄氏度，可验证所得式的正确性。将此公式写入单片机控制程序中，就可以根据输入的电压变化得到相应的温度值。

电压调试部分：

测输入交流电压和输出交流电压的值，调10K电位器，市的交流输入为15是电压在2.5V到3V之间。保持电位器不变化，测得输入输出电压关系，得出相应函数关系。输入电压为十五伏时一边调电位器，一边观察输出电压。接入输出电压的电阻为2.17时输出电压在要求范围。这时测输入电压输出电压值如下表：

输入经变压器后的交流电压Ui’ (v) 输出直流电压Uo (v)

19.7 3.64

16.3 3

15 2.71

11.7 2.12

7.1 1.25

由表中数据可得以下结论：输入和输出约成正比变化，而经变压器后的电流是原电流的3/22，在由上述关系可得

Vi=Vo*80.2

测试过程中，经变压器后的交流电压和输出的直流电压线性关系符合得很好,上式作为最后的结果被写在程序中.

五 结束语

这款多功能计数器采用了现在广泛使用用的单片机技术为核心，软硬件结合，使硬件部分大为简化，提高了系统稳定性，并采用大屏幕液晶显示、红外遥控装置和电压报警装置使人机交互简便易行，较为有效地完成了题目的要求。

其他相关：

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仅供参考，请自借鉴

希望对您有帮助

ISPD是全球下一代半导体设计师荟萃的年会。半导体缩微过去通常可实现更小、更快的芯片，因为时钟速度和电源电压分别直接与器件尺寸成反比。不幸的是，由于原子尺度问题带来的电路和物理设计限制（比如由超薄栅氧化物导致的晶体管漏电流），在过去的几代工艺技术，时钟速度和电源电压的变化很小。人们采取了许多治标不治本的措施，如更厚的高k电介质。但这些举措只是拖延了对根本问题的解决，直到面对14纳米节点已无计可施，IBM的杰出工程师 James Warnock在其《14纳米技术节点面临的电路和物理设计挑战》一文中表示。“14纳米节点给设计师带来了许多挑战，因为前几代已经推迟了通过缩微解决问题的这一尝试，” Warnock说，“结果是近似（Nearish），最终将取决于经济因素，但在14纳米，单独依靠缩微，没办法再获得更高性能。”Warnock 称，缩微的最大问题是晶体管漏电流的一直增加，在以前节点，设计师使用较陡的亚阈值斜坡来缓解这一问题，最近的手段是采用高k电介质。在光刻技术中，通过双重图形（Double Patterning）弥补缺乏商用远紫外线光刻技术（EUV）的缺憾。但在14纳米，上述权宜之计都没用，Warnock说。图：多栅极3DFinFET将在实现14纳米工艺技术节点中扮演重要角色，IBM的研究科学家James Warnock称。资料来源：IBM “为解决漏电流问题，多栅极3DFinFET已经出现在22纳米（英特尔），而其它芯片制造商也在迅速采用，”Warnock说，“FinFET器件与生俱来地具有更陡峭的阈值斜坡和更优良的随机掺杂波动（RDF）指标，但它也引入新的变异源 ——例如鳍（Fin）的宽度和高度变异。”3D 需要多重图形（Multi-patterning）是平版印刷受到的新限制，为此，也需要新工具以支持兼容标准库的FinFET架构的协同设计。较高的 RC延迟也给自动布线器在识别和优化不会缩微到14nm的线平面和过孔时带来显著压力。随着电流密度在 “热”线上的增加，新工具还需要缓解电迁移问题，以确保在14nm，芯片的寿命不会受到不利影响。

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