1 引言
自上世紀(jì)90年代以來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展，dsp(digital signal processor, 數(shù)字信號(hào)處理器)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，特別是需要大量計(jì)算的場(chǎng)合[1]。在dsp大量應(yīng)用于控制領(lǐng)域之前，數(shù)字化控制系統(tǒng)的核心由微控制器主導(dǎo)著。在不涉及復(fù)雜計(jì)算的各種工業(yè)控制場(chǎng)合，單片機(jī)由于成本低廉，軟硬件資源豐富，易于開發(fā)，在工業(yè)控制領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。然而為了獲得更高的控制性能以及適應(yīng)更加復(fù)雜的控制對(duì)象，隨著控制理論的發(fā)展涌現(xiàn)出許多復(fù)雜而先進(jìn)的控制算法。新的電力電子變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的出現(xiàn)也使得控制它們所需的計(jì)算量和控制功能大大增加[2]。而現(xiàn)代電力電子與電機(jī)控制系統(tǒng)大多要求很高的實(shí)時(shí)性，單片機(jī)的運(yùn)算速度已經(jīng)無(wú)法滿足要求。
dsp誕生之初，主要被用于信號(hào)處理領(lǐng)域，需要進(jìn)行大量復(fù)雜運(yùn)算的場(chǎng)合。相對(duì)于微控制器，dsp具有一些自身的特點(diǎn):
(1) dsp芯片采用改進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有多條總線，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸速度;
(2) dsp的指令系統(tǒng)采用流水線方式，dsp處理器可以同時(shí)處理多條指令;
(3) dsp處理器具有專用的處理單元，比如硬件乘法器、硬件移位器、硬件堆棧等等，大大提高了計(jì)算速度;
(4) dsp芯片大多具有一些特殊的指令，特別適合于信號(hào)處理工作;
(5) dsp還有其他一些優(yōu)點(diǎn)，比如快速的時(shí)鐘周期，多個(gè)處理單元，易于構(gòu)成多cpu系統(tǒng)等等。
dsp的這些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)使得它特別適用于算法復(fù)雜的高性能控制場(chǎng)合。
近年來交流電機(jī)調(diào)速控制有了較大發(fā)展, 特別是交流異步電機(jī)、交流永磁電機(jī)的控制都大量采用dsp。電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)諧波治理及無(wú)功補(bǔ)償、逆變電源、新能源利用等方面的應(yīng)用也越來越多, 發(fā)展出許多新的控制理論和方法，電力電子裝置朝高壓大容量發(fā)展, 功率變換電路的拓?fù)浜涂刂品椒ㄒ踩諠u復(fù)雜, 采用dsp控制是必然的趨勢(shì)。
2 c'2000之前的dsp在控制領(lǐng)域的應(yīng)用
1980年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室制成的dsp以及日本nec公司開發(fā)的 pd7720可以說是世界上最早的dsp芯片。美國(guó)德州儀器(ti)公司在1982年推出了首款可編程通用數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)—tms32010 dsp，拉開了dsp發(fā)展的序幕。其后很多公司紛紛向世界市場(chǎng)推出各自的dsp產(chǎn)品，比如摩托羅拉公司的dsp56000系列，日本富士通公司的mb8764等等。在20年的發(fā)展過程中，ti公司的dsp產(chǎn)品逐漸形成了一套相當(dāng)完整的系列。
1984年tms320c2x的面市使ti公司成為推出第二代dsp的第一家制造商。1988年ti公司推出業(yè)界首款浮點(diǎn)dsp—tms320c3x。1989年ti公司推出業(yè)界性能最高的定點(diǎn)dsp產(chǎn)品—tms320c5x。1990年ti公司推出第二代dsp架構(gòu)的浮點(diǎn)dsp產(chǎn)品—tms320c4x。在1996年ti公司推出tms320f240之前, 還沒有一款專門為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的dsp產(chǎn)品，上述幾個(gè)系列的dsp都主要被用于信號(hào)處理領(lǐng)域。然而由于dsp芯片在速度和計(jì)算能力方面相對(duì)于微控制器具有顯著的優(yōu)勢(shì)，在電機(jī)控制方面的研究已經(jīng)開始采用這些dsp產(chǎn)品, 從c2x到c5x系列的產(chǎn)品都曾被用于電機(jī)控制當(dāng)中。這個(gè)時(shí)期的dsp芯片主要是作為通用處理器使用, 缺乏a/d轉(zhuǎn)換器、pwm發(fā)生器等控制系統(tǒng)所需的外設(shè), 使得采用這些dsp的控制系統(tǒng)硬件相當(dāng)復(fù)雜。
3 早期的c'2000系列dsp
dsp在電機(jī)控制領(lǐng)域的真正大規(guī)模應(yīng)用開始于1998年ti公司面向電機(jī)、運(yùn)行及過程控制等領(lǐng)域推出業(yè)界首款具有片上閃存的dsp—tms320f240[4]。同年，ti推出code composer studio，業(yè)界第一款集成化、開放式dsp軟件開發(fā)環(huán)境，可將dsp的編碼時(shí)間縮短50％以上。在f240之后，ti公司又陸續(xù)推出了f241、f243等電機(jī)控制專用dsp芯片，在f240的基礎(chǔ)上對(duì)外設(shè)功能稍做修改，已適應(yīng)不同系統(tǒng)的應(yīng)用需求。tms320f240集成了一個(gè)運(yùn)行于20mhz的tms320c2xx dsp內(nèi)核，2個(gè)8路復(fù)用10位a/d轉(zhuǎn)換器，一個(gè)功能強(qiáng)大的事件管理器，spi和sci串行通訊口，看門狗電路，32k字flash rom以及其他一些外設(shè)。特別值得一提的是它所集成的事件管理器，它是電機(jī)控制專用外設(shè)的一個(gè)集合，也沿用到后來ti的電機(jī)控制專用dsp當(dāng)中并加以改善。事件管理器中集成了3個(gè)16位定時(shí)器，并以這3個(gè)定時(shí)器為基礎(chǔ)，控制著事件管理器中其他的外設(shè)，包括比較器，pwm發(fā)生器，死區(qū)時(shí)間發(fā)生器，捕獲單元，正交編碼電路，還可以控制a/d轉(zhuǎn)換器的操作。其中pwm發(fā)生器從硬件上支持現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)和電機(jī)控制系統(tǒng)中常用的空間矢量pwm方式，使得生成pwm所需的代碼大大簡(jiǎn)化。同時(shí)該dsp為每個(gè)外設(shè)提供了豐富的中斷源，極大的方便了實(shí)時(shí)控制中處理各種實(shí)時(shí)事件。由于片內(nèi)集成了flash rom，使得控制系統(tǒng)的軟件調(diào)試和產(chǎn)品開發(fā)變得更加容易。另外從tms320f240開始，ti生產(chǎn)的電機(jī)控制專用dsp都采用jtag接口作為仿真器與dsp芯片的連接方式，大大提高了dsp仿真調(diào)試的效率。
圖1所示為一個(gè)基于tms320f240的典型系統(tǒng)框圖。從圖中可以看到，tms320f240的集成度較tms320c25有了很大提高，在外設(shè)功能上已經(jīng)趕上甚至超過了微控制器。只需在dsp外部連接很少的接口電路即可構(gòu)成一個(gè)功能完善的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)得到大大簡(jiǎn)化。由于tms320f240幾乎集成了所有電機(jī)控制所需的外設(shè)，因此由此可以構(gòu)成一個(gè)較為通用的控制平臺(tái)[3]，適用于不同的控制對(duì)象。例如，采用圖1所示的控制板與一個(gè)兩電平三相逆變器相連，則可以用于各種交流電機(jī)的控制，比如交流異步電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)、永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)等等，也可以用這樣的平臺(tái)進(jìn)行pwm整流、功率因數(shù)校正、無(wú)功補(bǔ)償、ups電源等等系統(tǒng)的控制研究。針對(duì)不同的控制對(duì)象，只需修改dsp中的軟件，硬件基本上無(wú)需改動(dòng)。采用這樣的控制平臺(tái)，異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制系統(tǒng)和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的采樣時(shí)間能夠被控制在100μs之內(nèi)，基本能夠滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能要求。
tms320f240將dsp內(nèi)核與眾多控制專用外設(shè)集成在一起，其性能和功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了同時(shí)代的微控制器，受到廣大科研人員的歡迎。從1999年開始，國(guó)內(nèi)外的高性能電機(jī)控制研究和產(chǎn)品開發(fā)紛紛從微控制器轉(zhuǎn)向tms320f240，取得了許多成果。目前，國(guó)內(nèi)外多家工業(yè)變頻器廠家都有采用tms320f240作為核心控制器件的變頻器產(chǎn)品，變頻器性能比以往顯著提高。然而運(yùn)行在20mhz的16位dsp內(nèi)核在執(zhí)行矢量控制這樣的高性能閉環(huán)控制算法的時(shí)候仍然顯得不太夠用，6.6μs的a/d轉(zhuǎn)換時(shí)間也顯得較慢，迫使研發(fā)人員在大多數(shù)情況下只能使用匯編語(yǔ)言編寫控制軟件。ti公司也認(rèn)識(shí)到控制領(lǐng)域給dsp帶來的機(jī)遇和第一代電機(jī)控制專用dsp的不足，不斷開發(fā)新的電機(jī)控制專用dsp芯片。
4 c'2000系列的完善和發(fā)展
由于f240系列dsp在控制領(lǐng)域獲得了極大成功，ti公司在2000年夏季推出了改進(jìn)的tms320lf240x系列電機(jī)控制專用dsp。f240x系列dsp包括2402、2406和2407等不同型號(hào)，采用3.3v電壓供電。自此，ti公司的電機(jī)控制專用dsp包含了5v的c24x系列和3.3v的c240x系列，通稱為c2000平臺(tái)。此外adi公司也開發(fā)出了自己的電機(jī)控制專用dsp, admcxxx系列，但是其市場(chǎng)占有率大大低于ti公司。由于性能、成本等方面的原因，目前電機(jī)控制專用dsp的主流已經(jīng)從tms320f240發(fā)展到以tms320lf2407a為主的c240x系列dsp。tms320lf240x與tms320f24x的主要區(qū)別在于采用了3.3v供電電壓以減小芯片功耗，高達(dá)40mhz的指令執(zhí)行速度，集成了兩組事件管理器，采用更快速更容易操作的a/d轉(zhuǎn)換器，集成了汽車行業(yè)廣泛采用的can總線通訊接口[5]。此外，c240x系列dsp加入了對(duì)flash rom中的代碼進(jìn)行加密的功能，有效的保護(hù)燒寫到芯片內(nèi)程序的安全。外設(shè)功能的增加直接加強(qiáng)了dsp連接外部設(shè)備的能力，比如tms320lf2407a具有兩組事件管理器，其功能相當(dāng)于兩個(gè)tms320f240，可以不加擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)兩個(gè)兩電平三相逆變器，或者用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)三電平三相逆變器，也可以用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)兩電平pwm整流器和一個(gè)逆變器。由于計(jì)算性能和控制功能都較f24x系列dsp有所增強(qiáng)，同時(shí)很好地保持了與f24x系列dsp的兼容性，許多基于f24x的研究和應(yīng)用都紛紛升級(jí)到f240x。并且由于f240x系列dsp在控制功能上的增強(qiáng)，其應(yīng)用也比f(wàn)24x系列有所擴(kuò)展，例如采用三電平逆變器供電的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、帶有三相可控整流的兩電平逆變器系統(tǒng)以及大容量有源濾波系統(tǒng)等等。
tms320lf2407a是f240x系列dsp中功能最完善的一個(gè)型號(hào)，采用這款dsp可以構(gòu)成功能非常強(qiáng)大的電力電子和電機(jī)控制系統(tǒng)平臺(tái)。如圖2所示為筆者開發(fā)的采用tms320lf2407a和tms320vc33浮點(diǎn)dsp構(gòu)成的雙dsp電力電子和電機(jī)控制系統(tǒng)平臺(tái)。該平臺(tái)將計(jì)算性能強(qiáng)大的32位浮點(diǎn)dsp與控制功能強(qiáng)大的電機(jī)控制專用dsp相結(jié)合，形成一個(gè)功能強(qiáng)大的控制平臺(tái)。該系統(tǒng)采用一片雙口ram完成兩顆處理器之間的數(shù)據(jù)交換，利用一片cpld完成幾乎所有的地址譯碼和分配工作以及其他的一些邏輯運(yùn)算。在這樣的控制平臺(tái)上，可以非常方便地完全采用c語(yǔ)言編程，大大提高了控制軟件的開發(fā)效率。該平臺(tái)用于交流異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)時(shí)，可以將系統(tǒng)采樣周期控制在30μs以內(nèi)。目前，該平臺(tái)已被用于高性能異步電機(jī)控制、大容量電力濾波系統(tǒng)、雙饋異步發(fā)電系統(tǒng)以及高性能三電平逆變器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等多個(gè)科研項(xiàng)目當(dāng)中。
2002年末，ti公司推出了其最新一代電機(jī)控制專用dsp產(chǎn)品—tms320f2812和tms320f2810，進(jìn)一步壯大了c'2000系列dsp的陣營(yíng)。f2812和f2810不論從內(nèi)核還是外設(shè)方面都較前兩代電機(jī)專用dsp有了較大的提高，并且加入了很多新的特性，是一代全新的電機(jī)控制專用dsp[6]。f2812采用1.8v的更低核心電壓，運(yùn)行速度達(dá)到了150mhz，采用了32位的處理器內(nèi)核，改進(jìn)了中斷響應(yīng)和處理的速度，改進(jìn)了存儲(chǔ)器管理，具有更高的c/c++編程效率。f2812內(nèi)部集成了更大的存儲(chǔ)器，有128k×16位的flash rom，1k×16位otp rom，總共18k×16位的saram，在其4k×16位boot rom中還集成了一些標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)函數(shù)表。在外設(shè)方面，f2812比以往的dsp也更加強(qiáng)大。f2812的外部存儲(chǔ)器接口可以訪問1m字節(jié)的地址空間，其等待狀態(tài)發(fā)生器和靈活的片選信號(hào)使得外部存儲(chǔ)器配置更加方便。它集成了3個(gè)32位cpu定時(shí)器，方便了調(diào)試軟件的使用和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的運(yùn)行。在電機(jī)控制專用外設(shè)方面，集成了2組事件管理器，與c'2000系列完全兼容，同時(shí)集成了轉(zhuǎn)換速度達(dá)到80ns的12位16通道復(fù)用a/d轉(zhuǎn)換器，使得控制系統(tǒng)的采樣速度和精度大大提高。其通訊接口也更加完善，除了兩個(gè)sci接口、spi接口和增強(qiáng)的ecan總線接口之外，還集成了一個(gè)mcbsp串行接口，增強(qiáng)了通訊能力和外接其他串行外設(shè)的能力。此外，芯片上與外設(shè)相關(guān)的管腳大多可以復(fù)用作為通用的i/o口，i/o接口非常豐富。特別值得一提的是f2812和f2810當(dāng)中設(shè)計(jì)了專門用于實(shí)時(shí)調(diào)試的硬件，可以在不中斷程序運(yùn)行的狀態(tài)下，由仿真器通過jtag接口獲得cpu和存儲(chǔ)器的狀態(tài)，這對(duì)于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)來說意義重大。ti公司還為其開發(fā)了更高效率的c/c++語(yǔ)言編譯器和新一代的code composer studio集成調(diào)試軟件，使得軟件開發(fā)和調(diào)試更加容易。
目前已經(jīng)有一些科研和生產(chǎn)單位開始在他們的研究和開發(fā)當(dāng)中采用f2812或者f2810設(shè)計(jì)電機(jī)控制系統(tǒng)。本文作者所在的實(shí)驗(yàn)室已將f2812用于高性能矢量控制變頻器的研制當(dāng)中。
5 發(fā)展趨勢(shì)
隨著電機(jī)控制專用dsp在現(xiàn)代電力電子與交流電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，許多以往用微控制器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的高性能算法得以應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)當(dāng)中，反過來又更加促進(jìn)了dsp的發(fā)展。綜觀dsp應(yīng)用于控制系統(tǒng)的發(fā)展過程和現(xiàn)狀可以看到，電機(jī)控制專用dsp未來的發(fā)展呈現(xiàn)以下的趨勢(shì)。
(1) dsp的硬件性能將不斷提高
dsp內(nèi)核的時(shí)鐘頻率將進(jìn)一步增加，處理器字長(zhǎng)從16位逐步擴(kuò)展到32位，采用浮點(diǎn)處理器內(nèi)核，這些措施都將大大增加dsp的計(jì)算速度，以適應(yīng)更加復(fù)雜的算法并獲得更快的實(shí)時(shí)性能。在目前沒有基于浮點(diǎn)dsp內(nèi)核的電機(jī)控制專用dsp芯片的情況下，采用浮點(diǎn)dsp加定點(diǎn)電機(jī)控制專用dsp的方案可以獲得很高的性能，大大簡(jiǎn)化軟件的開發(fā)和調(diào)試，代價(jià)是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。此外，更加優(yōu)化的中斷處理功能也將大大提高處理器的實(shí)時(shí)控制能力，而對(duì)以太網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)的支持將使得電機(jī)控制系統(tǒng)與pc機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)更加方便，從而方便了人們從pc機(jī)上遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理電機(jī)控制設(shè)備。
(2) 在軟件方面的進(jìn)步
包括更高效的支持c/c++等高級(jí)語(yǔ)言編程，采用更強(qiáng)大的集成調(diào)試環(huán)境，從硬件上更好的支持實(shí)時(shí)在線調(diào)試。這些特點(diǎn)已經(jīng)可以從tms320f2812和tms320f2810及其開發(fā)系統(tǒng)上看出端倪。軟件方面的另一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)則是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在控制系統(tǒng)軟件中的應(yīng)用。目前，ti公司已將其用于c'5000和c'6000系列dsp的dsp/bios實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)擴(kuò)展到f28x系列。osii也是一種容易移植到c'2000系列dsp當(dāng)中的高性能實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它對(duì)系統(tǒng)資源的占用極少，非常適用于實(shí)時(shí)性要求很高的場(chǎng)合。此外 linux也因其強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)能力而受到實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)開發(fā)者的關(guān)注，但由于其對(duì)硬件資源要求較高，目前還不太適宜交流電機(jī)控制這樣對(duì)實(shí)時(shí)性非常敏感的領(lǐng)域。
(3) 除了dsp軟硬件本身的發(fā)展變化之外，dsp與其他電子器件的結(jié)合也將是未來基于dsp的控制系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。在將來的dsp芯片當(dāng)中，將有可能直接集成fpga、cpld等大規(guī)模邏輯器件，將兩者的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合。
6 存在的問題
dsp的速度不斷提高，功能日漸增強(qiáng)，推動(dòng)了現(xiàn)代電力電子及交流電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展，同時(shí)也帶來一些問題。
(1) 供電的問題
隨著dsp芯片的時(shí)鐘速度成倍的增加，芯片供電電壓也不斷降低。而電力電子和電機(jī)控制系統(tǒng)的控制板上往往還需要設(shè)計(jì)一些模擬電路用于a/d采樣或者d/a輸出，它們往往需要±5v甚至±15v的電源。這樣就需要為dsp單獨(dú)設(shè)計(jì)供電電源，一種方法是直接采用開關(guān)電源獲得dsp所需要的電壓，但是這樣很難保證開關(guān)電源能夠提供足夠穩(wěn)定的供電。另一種方法是采用專門的電源芯片，從5v電源當(dāng)中降壓得到所需電壓。
（2) 設(shè)計(jì)基于dsp的控制系統(tǒng)還需要解決dsp芯片與周圍外部設(shè)備的連接問題
隨著dsp芯片速度的提高和供電電壓的降低, dsp與周邊器件的連接存在著電壓匹配和速度匹配的問題。采用一些電平轉(zhuǎn)換芯片或者將整個(gè)系統(tǒng)的器件都替換為較低電壓供電的芯片是兩個(gè)可選的解決途徑。另外由于dsp芯片的運(yùn)行速度非?？? 因而在與外部較慢速度的器件連接的時(shí)候需要設(shè)置等待周期。ti的電機(jī)控制專用dsp都集成了等待狀態(tài)發(fā)生器，這樣就可以將訪問外部器件的速度降低到cpu時(shí)鐘的七分之一。同時(shí)這些dsp還提供busy信號(hào)用于連接更慢的器件。隨著dsp芯片速度的提高, 這個(gè)問題將變得日漸尖銳。
(3) 抗干擾問題
電力電子系統(tǒng)和電機(jī)控制系統(tǒng)往往是電磁環(huán)境非常復(fù)雜的強(qiáng)電系統(tǒng)，其中的電磁干擾非常嚴(yán)重。由于運(yùn)行頻率很高以及供電電壓較低的原因，dsp的抗干擾能力往往比微控制器更弱。因此，提高dsp及其周邊電路的抗干擾能力對(duì)于保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行非常重要。在設(shè)計(jì)基于dsp的控制系統(tǒng)時(shí)，需要從設(shè)計(jì)電路板布線時(shí)就考慮到抗干擾的要求，并在與外部強(qiáng)電部分連接時(shí)采取良好的隔離措施，對(duì)整個(gè)控制板采取電磁屏蔽也是減少電磁干擾的有效措施。
7 結(jié)束語(yǔ)
ti公司的c'2000系列電機(jī)控制專用dsp將高性能的dsp處理器內(nèi)核與豐富的電機(jī)控制專用外設(shè)集成在一顆芯片當(dāng)中，大大方便了電力電子和電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，推動(dòng)了現(xiàn)代高性能電力電子和電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展。目前在高性能控制領(lǐng)域，dsp已經(jīng)取代了微控制器成為控制的核心，未來高性能控制系統(tǒng)將會(huì)更加廣泛的采用基于dsp的處理器，實(shí)現(xiàn)弱電與強(qiáng)電的有機(jī)融合。
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作者簡(jiǎn)介
李永東(1962-) 男 教授/博士生導(dǎo)師 哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系畢業(yè)，于法國(guó)圖盧茲國(guó)家理工學(xué)院電氣工程及自動(dòng)化系獲得碩士和博士學(xué)位，現(xiàn)于清華大學(xué)電機(jī)工程系任教，主要研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化和電機(jī)控制。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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