★ FEATURED ARTICLE 简介这份资源是STMicroelectronics出品的STKNX芯片手册中文版面向从事KNX总线通信开发的硬件工程师、嵌入式开发者及小型化KNX节点设计人员。STKNX是一款通过KNX认证、支持KNX TP1-256协议的微型收发器采用4x4x1.0mm、间距0.5mm的VFQFPN24封装内部集成可选3.3V/5V的20mA线性调节器与1V至12V、150mA的高效DC/DC降压转换器总线取电能力达30mA无需晶振即可工作便于用极少外围器件替代分立物理层方案。手册完整给出引脚定义与功能说明、方框图、降压转换器与线性调节器及阻抗调制器等典型应用电路、外部组件典型值选型表以及-40°C至85°C工作温度、总线电流旋转速率等参数细节。资源包为1个PDF文件约937KB查阅方便。目前已有430人学习下载适合需要快速完成KNX节点原理图设计与器件选型的开发者参考。1. 从一块塞不进 86 盒的节点板说起这颗收发器要解决什么做 KNX 双绞线节点的工程师大多经历过同一个阶段物理层用分立件搭收发、恒流源、总线取电、极性保护一大串板子改到第三版还是塞不进 86 盒。STKNX 这类 KNX 收发器的思路是把物理层整体收进一颗 4×4 mm、0.5 mm 间距的 VFQFPN24 里——总线取电、收发、阻抗调制、两路稳压全部内建MCU 侧只留三根数字线。这份 KNX 芯片手册中文版要解决的正是“对着英文数据表一页页啃、还容易看漏配置位”的问题TP1-256 的电流预算怎么算、VCC_SEL 与 DCDC_IN 的组合怎么配、外部元件里哪些能省哪些不能省都落在纸面上。它适合正在做 KNX 节点毕设的学生也适合要把分立物理层换成单芯片方案的从业者。2. 需求与选型定位KNX TP1-256 节点对物理层的六项硬指标KNX 总线节点真正的难点不在协议栈而在物理层。TP1-256 一条线路最多挂 256 个设备按 64×4 的逻辑分区总线既是通信介质又是供电母线节点必须做到“从总线取电、在总线上发差分电流、还不能把母线拉塌”。分立方案要做恒流源、要做 AC 耦合、要做阻抗调制、还要防反接每一块都能单独写一份调试笔记。单芯片方案的价值就在于把这些约束一次性封在器件内部但它同时把选择权交给了设计者外接几个电容、几个电阻、两路调节器开不开、总线电流上限设多少全都得自己定。选型阶段我一般先列六条硬指标总线取电能力是否够、发射电流回转速率是否可调、是否需要外部晶振、封装与热阻是否允许贴片在小盒子里、与 MCU 的接口是否足够简单、以及有没有总线掉电告警。这份手册里对应的是 30 mA 取电上限、可调 dI/dt、免晶振、35 °C/W 热阻、三线数字接口和 KNX_OK 状态脚。指标看着平淡落到板子上每一条都会变成具体的走线和元件。下面三节把最容易算错的三个点拆开讲。2.1 总线取电 30 mA 与整机功耗预算器件内部的 KNX 总线电源提取器支持最高 30 mA 的总线电流这 30 mA 不是给芯片自己吃的是芯片自身需求加外部负载的总和。一个常见误判是“反正有 30 mAMCU 随便选”结果节点一上电就掉总线。实际预算要按最坏情况做MCU 运行电流 传感器或按键背光 收发器自身全部折到总线侧再留 20% 余量。两路调节器的存在就是为了把这件事变得可控。线性调节器可选 3.3 V 或 5 V、20 mA降压开关变换器可调 1 V 到 12 V、150 mA。前者适合给 MCU 的 IO 域和模拟基准供电后者适合给整机主电源。手册的四张典型应用电路图本质上就是这两路“开/不开”的四种组合选哪种取决于整机功耗和对纹波、成本、板面积的要求。热是这条预算的另一半。手册给出的结到环境热阻是 35 °C/W2s2p 板、底部散热过孔、底面铺铜最高结温 110 °C环境温度上限 85 °C。也就是说整颗芯片允许的自身耗散只有 (110 − 85) / 35 ≈ 0.71 W。这个数应该写在原理图扉页上因为它直接决定了你敢不敢让线性调节器长时间大电流输出。# 结温与允许耗散的粗算参数取自手册热特性表 RTH_JA 35.0 # °C/W2s2p 板 底部散热过孔 TJ_MAX 110.0 # °C最高工作结温 TAMB_MAX 85.0 # °C环境温度上限 pd_allow (TJ_MAX - TAMB_MAX) / RTH_JA # 允许自身耗散 print(f允许耗散 {pd_allow*1000:.0f} mW) def tj(tamb, pd): return tamb pd * RTH_JA # 假设线性调节器输出 5 V / 15 mA前级落到 24 V压差全变热 pd_lin (24 - 5) * 15e-3 print(f线性调节器耗散 {pd_lin*1000:.0f} mW - Tj {tj(TAMB_MAX, pd_lin):.1f} °C)这段代码的结论通常很扎心线性调节器在大压差、十几毫安输出下就已经吃掉大半预算。所以只要整机电流超过十几毫安就该让降压变换器承担主供电线性调节器退回去只供 MCU 的 IO 域和基准。参数只需要改RTH_JA换板层结构要重算和TAMB_MAX装在密闭盒里要往下调其余是固定量。2.2 封装与热0.5 mm 间距换来的板级代价VFQFPN24、4×4×1.0 mm、0.5 mm 间距这组数字在选型表上很漂亮在 PCB 上就不那么友好了。0.5 mm 间距意味着焊盘宽约 0.25 mm、间隙约 0.25 mm普通两层板用 0.15 mm 线宽走引出线没问题但散热焊盘必须打阵列过孔到底层地平面否则前面算的 35 °C/W 根本不成立。我一般会在这颗器件下面做一块和裸焊盘等大的铜皮过孔按 1.0 mm 间距打 9 到 16 个孔径 0.3 mm盖油塞孔避免回流焊时锡从过孔漏走。外露焊盘必须接模拟地手册里明确写了这一点而模拟地和数字地的汇合点要放在芯片下方不要让 MCU 的回流路径穿过总线取样区域。还有一处容易忽略的板级代价间距 0.5 mm 的封装对丝印和阻焊对位要求高小批量打样时如果工厂的阻焊桥精度不够容易出现焊盘间连锡。选型阶段把这些算进去比在调试阶段返工三次便宜得多。也是因为这个原因节点板我做第一版时都会多留两个测试点——一个在 KNX_A一个在 KNX_B方便后面挂示波器。2.3 与 MCU 的接口为什么可以不要晶振MCU 侧真正要接的数字线只有三根KNX_TX 发射输入内部 6 µA 下拉、KNX_RX 接收输出、以及可选的 KNX_OK 总线电源正常指示再加上 VCC_OK 这颗 VCC_CORE 电源良好的 CMOS 输出一共四根就够跑起来。手册特别强调了“不需要晶振”收发器的时钟恢复在内部完成这一条对 BOM 的意义比看上去大——省掉一颗晶振、两个负载电容、两条走线还省掉了晶振在总线干扰下的起振玄学问题。RX 输出的电平域是 VCC_CORE也就是 3.3 V 或 5 V 可选这和 MCU 的 IO 电压直接对齐不需要电平转换。TX 输入是数字脚驱动能力要求很低但走线要短TX 到总线发射之间只有几十微秒的时序余量长走线加上拉电阻会让边沿变缓。总线侧的 KNX_TX 反馈通过 KNX_AC 引脚交流耦合取样这个引脚内部偏置在约 9.7 V外部只接一颗 10 nF 的交流耦合电容就够。很多初学者在这里加二极管或者分压电阻反而破坏了偏置点。接口简单是这颗器件的核心卖点简单的前提是按手册接不是按直觉接。3. 总体设计引脚分组与供电拓扑的职责划分原理图阶段最容易出错的地方不是算错电阻而是把引脚的功能分组搞混。24 个引脚大致可以分成四组总线侧KNX_A、KNX_B、KNX_AC、R68、阻抗调制侧VDDHV、VDDHV_PD、VGATE、VFLT、VREF、CP_H、CP_L、电源侧VDD_REGIN、VCC_CORE、DCDC_IN、DCDC_LX、DCDC_GND、DCDC_FB、DCDC_SS、VCC_SEL、以及数字侧KNX_TX、KNX_RX、KNX_OK、VCC_OK。分组清楚了布线就不会把大电流回路和小信号回路搅在一起。3.1 24 个引脚的功能分组与接法下表按手册引脚说明整理右列写的是实际设计时我一般怎么接方便直接对着画图。脚号名称类型设计接法1VDD_REGIN线性调节器输入接降压输出短接 VCC_CORE 可禁用线性调节器2KNX_AC总线交流耦合取样经 10 nF 接总线内部偏置约 9.7 V勿加分压3R68发射输出串 68 Ω / ≥1 W 限流电阻到总线4KNX_B模拟地与总线负极、模拟地汇合5CP_H均衡电容100 nF / ≥50 V 到 KNX6CP_L均衡电容经 1 kΩ 串阻接 KNX−7VFLT阻抗调制补偿47 nF / ≥35 V 到地8VREF基准470 nF / ≥35 V 到地9VDDHV阻抗调制反馈接阻抗调制输出网络10VDDHV_PD阻抗调制功率输出接 ≥100 µF / ≥35 V 储能电容11KNX_A总线电源输入经反极性/瞬态保护接总线正12KNX_B模拟地同脚 413VGATE阻抗调制储能10–47 µF / ≥10 V 到地14DCDC_IN降压输入接总线取电后的中间轨接地或悬空即禁用降压15DCDC_LX开关输出接 33 µH 电感16DCDC_GND降压地与功率地短接单点汇合17DCDC_SS软启动10–470 nF / ≥6.3 V 到地18DCDC_FB反馈电阻分压设定 1–12 V 输出19VCC_OK电源良好上拉到 MCU 的 IO 域可做复位源20VCC_CORE线性输出4.7 µF / ≥6.3 V 到地供 MCU IO 与数字脚21KNX_OK总线电源良好上拉到 VCC_CORE接 MCU 中断或轮询22VCC_SEL输出选择接 VCC_CORE 选 5 V接地或悬空选 3.3 V23KNX_RX接收输出直连 MCU 的 UART RX 或外部中断脚24KNX_TX发射输入直连 MCU 的 UART TX走线尽量短—外露焊盘模拟地满铺铜 过孔阵列散热看表的时候注意脚 1 和脚 14 这两个“多功能脚”它们既是输入也是开关。VDD_REGIN 短接到 VCC_CORE 就关掉线性调节器DCDC_IN 接地或悬空就关掉开关变换器。这两个动作不是软件配置是硬件连线决定的改一次就要改一版板所以一定要在原理图评审时定死。3.2 三种供电拓扑与 VCC_SEL、DCDC_IN 的配置真值表把两路调节器的使能状态排列组合实际可用的拓扑是三种第一种是“降压 线性全开”。总线经取电后进 DCDC_IN降压输出可调 1–12 V再喂给 VDD_REGIN线性输出 3.3 V 或 5 V 给数字域。这是最通用的形态适合节点带 MCU、传感器、显示屏的场合。第二种是“只用降压”。VDD_REGIN 短接到 VCC_CORE线性调节器被旁路整机由降压变换器直接供电。这种形态效率最高、发热最小但数字域的电源质量完全取决于降压的纹波和布局需要更认真的输出电容和地平面。第三种是“只用线性”。DCDC_IN 接地或悬空降压被禁用整机由总线取电经线性调节器供给。这种形态外围最少、成本最低、纹波干净代价是电流被压在 20 mA 以内而且大压差下的耗散要吃满前面算的那 0.71 W 预算。配置关系可以用一张真值表锁死画图时逐行对照VCC_SEL 接法VCC_CORE 输出DCDC_IN 接法降压状态适用场景接 VCC_CORE5 V接中间轨启用5 V 逻辑、带外设接 VCC_CORE5 V接地/悬空禁用小电流、低成本接地或悬空3.3 V接中间轨启用主流 3.3 V MCU接地或悬空3.3 V接地/悬空禁用极小节点、按键面板有一点必须提前确认VCC_SEL 内部有约 6 µA 的下拉悬空时默认选 3.3 V所以“不接”和“接地”是等价的。反过来如果板上没有把 VCC_SEL 明确拉到 VCC_CORE就永远得不到 5 V 输出这是个很隐蔽的坑——万用表量出来 3.3 V你会以为是芯片坏了。3.3 上电时序与 VCC_OK、KNX_OK 的状态机用法节点上电的顺序通常是总线电压建立 → 内部取电 → 降压或线性输出爬升 → VCC_CORE 稳定 → VCC_OK 拉高 → MCU 启动。手册里 VCC_OK 是 VCC_CORE 的电源良好输出KNX_OK 是总线电源良好输出两个都是 CMOS 推挽直接接到 MCU 的 IO 上就能用。我在固件里一般把这两个信号做成两级判断KNX_OK 为低说明总线掉电或电压不足此时立刻停止发送、把状态存储刷到非易失区VCC_OK 为低说明本地电源异常此时不启动协议栈避免在欠压状态下跑 Flash 擦写。这两个信号比软件里的 ADC 采样可靠得多因为它们由硬件比较器产生不受 MCU 主频和中断延迟影响。时序上还有一个细节值得写进设计说明如果用了降压变换器软启动时间由 DCDC_SS 上的电容决定手册给出 10 nF 到 470 nF 的范围时间关系见手册等式(3)。软启动太短会让输入电流冲击总线太长会让 MCU 在电源未稳时就开始跑。经验值是把t_ss控制在 5 到 15 ms然后让 MCU 的复位延时比它长 20 ms 以上。4. 外围电路落地从元件表到四种典型应用电路手册里那张外部组件典型值表是全篇最该打印出来贴墙上的东西。它把每个电容电阻的取值、耐压、作用都列了一遍看起来只是抄数实际上每一条都对应一个失效模式。照着抄不会错但要知道为什么这么抄才能在改板时做出正确取舍。4.1 元件表怎么读必需件、选配件与抗扰度冗余把表里的元件按“能不能省”分三类比按位号顺序背要有效得多。必需件CP_H 与 CP_L 各 100 nF≥50 V的均衡存储电容、C_AC 10 nF≥50 V的总线交流耦合电容、C_VDDHV ≥100 µF≥35 V的阻抗调制储能电容、C_CORE 4.7 µF≥6.3 V的线性输出电容、R_TX 68 Ω≥1 W的发射限流电阻、R_FB2 10 kΩ 的反馈下臂。这几样少一个要么通信不上要么总线波形畸形。条件件C_GATE 10–47 µF≥10 V、C_SS 10–470 nF、R_FB1、C_FB1、L 33 µH饱和电流 550 mA、D1/D3/D4 三颗 LL4148 或等效。它们的存在取决于你选哪种供电拓扑、输出多少伏、用不用降压。抗扰度冗余D2 的 SMAJ40CA 瞬态抑制、R_DIS 4.7 MΩ 反极性放电电阻、R_SH 与 R_SL 两个 1 kΩ 串阻、以及可选的 KNX_AC 钳位二极管。这些在实验室里可能一直看不出作用但在有感性负载、长总线、雷击感应的工作现场它们决定节点是“偶尔丢帧”还是“直接不坏”。有一个取值要特别当心反馈分压下臂手册建议小于 100 kΩ取值太大时反馈脚的高阻节点容易拾取开关噪声表现为输出电压随负载跳动。另外 CFB1 的算法是 1/(2π·R_FB1·28 kHz)当 R_FB1 取 0 Ω输出就是 1 V时这颗电容不装。4.2 四种典型应用电路的选用与改法手册给了四张典型应用电路图对应两路调节器的开与不开。理解它们的关键不是记图而是记住两条硬约束当线性调节器被旁路时V_OUT 必须落在 VDD_REGIN 的推荐工作范围内当降压变换器被禁用时VCC_SEL 必须按 VCC_CORE 的实际电平设置不能随手悬空。第一种全开形态是默认起点改板时只需要调 R_FB1/R_FB2 定 V_OUT、调 C_SS 定软启动。第二种只用降压缩小了板面积但要求降压输出的纹波和负载调整率都过关输出电容要给足电感选低直流电阻的型号。第三种只用线性外围最省改动时要先把整机电流压到 20 mA 以内否则热预算直接爆掉。第四种是降压禁用但线性的输出还要供外部此时 V_OUT 的电平必须符合 VCC_CORE 的推荐条件这条在图上只是个注释漏看就会烧后级。改板时我的习惯是先把这四种形态在纸上各画一遍标出哪些元件消失、哪些网络短接然后再进 EDA。直接在图 1 上删元件极容易留下悬空的反馈网络或者没断开的电源轨。# 反馈电阻与补偿电容的取值估算 VREF 1.0 # 降压反馈基准手册标称 1 V RFB2 10e3 # 下臂 10 kΩ建议 100 kΩ def rfb1(vout): VOUT (1 RFB1/RFB2) * VREF 反解上臂 return (vout / VREF - 1) * RFB2 def cfb1(r1): 补偿电容 1/(2π*RFB1*28kHz)R10 时不装 return None if r1 0 else 1 / (2 * 3.14159 * r1 * 28e3) for v in (1.0, 3.3, 5.0, 12.0): r1 rfb1(v) c cfb1(r1) print(fVOUT{v:5.1f}V RFB1{r1/1e3:9.2f}kΩ fCFB1{f{c*1e9:.1f}nF if c else 不装})这段脚本的输出可以直接写进 BOM 备注。要注意两点一是标准阻值需要就近取取整后要回代验证实际 V_OUT 偏差二是 1 V 输出档位 R_FB1 为 0 Ω此时反馈脚直接接参考属于手册明确允许的“虚拟输出”配置不要额外加电阻。4.3 阻抗调制器与软启动把参数算准阻抗调制器是 KNX 物理层里最容易被忽略、又最影响通信质量的部分。它的作用是在总线上维持正确的交流阻抗让不同节点发出的差分电流能被正确识别。手册给它配了一整套外围CP_H/CP_L 的均衡电容、V_GATE 的储能电容、V_FLT 的补偿电容、C_VDDHV 的大容量储能以及 VDDHV/VDDHV_PD 的反馈网络。这些电容不是随便凑的。C_VDDHV 容量不够总线在发射瞬间会被拉塌表现为“单独测试正常一挂上其他节点就丢帧”V_FLT 补偿电容取值偏离阻抗调制的环路会振荡示波器上看总线波形会有周期性畸变。C_GATE 的 10–47 µF 区间给了设计余量节点功耗大就往上取功耗小就往下取但没有下限保护取太小同样会掉总线。软启动电容 C_SS 的作用是限制上电瞬间的输入冲击。手册给出的 10 nF 到 470 nF 范围对应一段可编程时间具体关系按手册等式(3)计算。我在做带大容量输入电容的节点时会把 C_SS 取到 100 nF 以上配合前端的热插拔限流避免上电瞬间把总线电压拉到复位阈值以下——KNX 线路上几十个节点同时上电的场景这个细节能省掉大量“莫名重启”的售后。另外一个实操建议阻抗调制相关的元件全部放在芯片同一侧地回流路径短而宽。跨层走线会让补偿电容的接地参考偏移环路行为随之变化。这类问题用万用表永远查不出来只能用示波器看总线波形所以调试阶段务必留出测试点。5. 避坑与排查五个最容易翻车的点下面这五条基本覆盖了我在 KNX 节点调试现场见过的绝大多数故障。每一条都按“现象 → 原因 → 解决”写遇到问题可以直接对号入座。5.1 总线侧三个高频故障现象一节点能上电但总线上其他设备收不到它的报文。原因通常出在发射链路上R68 的 68 Ω 限流电阻用了 1/4 W 的贴片发射瞬间峰值电流把它烧成开路或阻值漂移或者 R68 到总线的走线过长引入了额外阻抗。解决方式很直接换成 ≥1 W 的型号把电阻贴在芯片旁边走线控制在几毫米内然后用示波器在 R68 两端量发射波形确认幅度和边沿。手册标注这颗电阻的耗散要求不是保守估计是实测结论。现象二单独测试一切正常一接入整条线路就开始周期性丢帧。原因多半是阻抗调制外围取值不对或者 C_VDDHV 容量不足。总线挂的设备越多等效阻抗越低节点自身的阻抗调制如果偏离设计值就会和线路上其他节点打架。解决顺序是先确认 C_VDDHV 是否 ≥100 µF 且耐压 ≥35 V再核对 V_FLT 与 C_GATE 是否按手册取值最后用示波器观察总线差分波形有无周期性畸变。这类问题改电容就能解决的比例很高。现象三通信偶发失败重启就好过一段时间又出现。这种情况先查接地。KNX_B 是模拟地外露焊盘也要求接模拟地如果板上把模拟地和数字地随便连在一起MCU 的开关噪声会直接灌进总线取样回路。表现就是“实验室没事现场跑几小时出一次错”。解决办法是把模拟地和数字地的汇合点收敛到芯片下方单点同时在 KNX_AC 的耦合电容旁边不要再走任何数字信号线。这条血泪经验值得写在丝印上。5.2 电源侧两个高频故障现象四VCC_CORE 量出来一直是 3.3 V明明想让它输出 5 V。原因是 VCC_SEL 没有拉到 VCC_CORE。这个脚内部有约 6 µA 的下拉悬空时默认选 3.3 V很多人以为不接就是“自动”实际上不接等于明确选了 3.3 V。解决方式是在原理图上直接把 VCC_SEL 连到 VCC_CORE不要留跳线帽或者 0 Ω 电阻的选项减少一版板之后忘记贴的几率。现象五节点工作十几分钟后开始复位凉下来又正常。这是典型的热问题。线性调节器在大压差下持续输出耗散超过前面算出的 0.71 W 预算结温顶到 110 °C 触发保护。解决路径有两条一是把主供电切到降压变换器线性只留小电流二是重新做散热把外露焊盘的过孔阵列补齐、底面铺铜面积加大。用红外测温枪对着芯片量一下表面温度如果已经超过 80 °C就不该再指望软件层面的优化。还有一条不属于故障但经常被当成故障上电瞬间 MCU 不启动等一两秒才正常。这不是芯片坏了是软启动时间和 MCU 复位延时没对齐。把 C_SS 调小或把 MCU 复位延时加长都能解决但更稳妥的做法是在固件里等 VCC_OK 拉高之后再初始化外设用硬件信号而不是固定延时做判断。6. 验收与答辩把样机从“能通信”验到“敢交付”到了验收这一步很多人只会演示“我的节点能发报文”这在实际交付里远远不够。我一般按四层验收电源层、总线层、协议层、环境层。每一层都有可量化的判据答辩时把这张表打在 PPT 上比讲十页原理图有说服力。层次测试项工具判据电源层VCC_CORE 电压与纹波万用表 示波器3.3 V 或 5 V ±5%纹波 50 mV电源层满载结温测温枪 / 热电偶环境 85 °C 下芯片表面 95 °C电源层上电冲击电流电流探头不触发总线电压跌落至复位阈值总线层总线电流抽取串接采样电阻≤30 mA含全部外部负载总线层发射波形差分探头幅度、边沿符合手册典型值总线层掉电告警可调电源KNX_OK 在阈值附近翻转无抖动协议层连续收发总线分析工具连续 24 h 无丢帧、无重传激增环境层高低温循环温箱−40 °C 与 85 °C 各稳定通信验收时的几个实操技巧值得说清楚。总线电流不要用钳形表量量不准串一个 1 Ω 的采样电阻用示波器看压降更可靠还能同时观察动态峰值。发射波形一定要用差分探头单端探头会把共模噪声一起收进来看起来像波形畸变实际是测量方法的问题。KNX_OK 的翻转点要用可调电源慢慢扫扫快了看不出抖动而抖动恰恰是电源余量不足的早期信号。答辩环节最容易被问到的是“为什么选这颗”“为什么这么配外围”。回答这两问的抓手就是前面算过的三个数30 mA 的总线取电预算、0.71 W 的允许耗散、以及 35 °C/W 的热阻。把这三个数和你的实测值对上去整条设计链路就闭合了。反过来如果只讲“手册推荐这么接”评委一定会追问下去。还有一个加分项把你的失败记录也带上去。哪一版因为 VCC_SEL 悬空导致输出不对、哪一版因为 R68 功率不够烧了电阻、哪一版因为地没分开导致偶发丢帧——这些问题加解决方式列成一张表比任何性能指标都更能证明你真的做完了这个项目。从那以后我每次投板前都会强制走一遍同样的流程先对着引脚表逐脚核对网络标号再把供电拓扑的真值表贴在原理图扉页上确认 VCC_SEL 和 DCDC_IN 的接法最后把热预算和总线电流预算写在旁边签字。这三步花不到半小时能挡掉我过去两年里绝大多数返工。希望帮到你。本文还有配套的精品资源点击获取
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