机电产品低频电磁辐射监测仪的研究与设计
机电产品低频电磁辐射监测仪的研究与设计[20191213092101]
本人签名： 日期： 摘 要
随着科学技术的发展，人们在生产及生活中使用的电子设备的数量越来越多,电磁泄漏污染日趋严重。因此，实时准确地监测我们生活环境和机电产品的电磁泄漏污染，并对监测结果给予准确判断具有非常重要的意义。
论文实现机电产品低频电磁辐射监测仪的研究与设计。选择ATmega128单片机作为监测仪核心处理器。为了提高检测精度以及实现快速测量，并且降低成本以便于普及应用，本课题采用感应线圈式测量，其精度在30—5KHZ内可以保证有很好的准确度，这一范围正包括常用机电产品的电磁场强度范围，所以具有很好的应用性以及可行性。
本课题设计的电磁辐射监测仪可以显示被测机电产品产生的磁场在X、Y、Z传感轴方向的磁场强度，而且可以实现自动调零、自动增益选择、自动误差补偿等功能。
论文由七章组成。第一章阐述了课题研究方向的重要性，第二章介绍了课题的技术方案，第三章分析对比了多种电磁辐射监测方法，最终选择了能检测空间三维方向磁场的感应线圈法，第四章、第五章分别完成了本课题硬件、软件的设计，第六章介绍了对系统的调试，并对系统可靠性进行了分析。第七章总结了设计过程中的心得体会。
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关键字:电磁辐射监测；空间三维方向；单片机嵌入式控制系统
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 - 1 -
第一节 国内电磁辐射现状及管理 - 1 -
第二节 课题简介 - 2 -
一、课题背景 - 2 -
二、课题研究意义 - 2 -
三、课题的主要工作 - 3 -
第二章 电磁辐射监测仪技术方案分析 - 4 -
第一节 核心处理器 - 4 -
一、单片机的定义 - 4 -
二、单片机的发展方向 - 5 -
三、单片机的应用 - 6 -
四、ATmega128简介 - 6 -
第二节 液晶显示模块 - 7 -
第三节 数模转换模块 - 8 -
一、TLC2543引脚介绍 - 8 -
二、串行A/D转换器TLC2543的特点 - 9 -
三、 串行A/D转换器TLC2543的使用方法 - 9 -
第三章 电磁辐射监测方法研究 - 11 -
第一节 磁阻传感器法 - 11 -
第二节 霍尔效应法 - 12 -
第三节 感应线圈法 - 14 -
第四节 其他方法 - 15 -
第四章 电磁辐射监测仪的硬件设计与实现 - 17 -
第一节 电磁辐射监测仪总体结构设计 - 17 -
第二节 电磁辐射监测仪的硬件电路设计 - 18 -
一、微处理器模块 - 19 -
二、信号检测模块 - 21 -
三、信号处理模块 - 22 -
四、数模转换模块 - 23 -
五、键盘输入模块 - 24 -
六、液晶显示模块 - 25 -
七、电源模块 - 26 -
八、实时时钟模块 - 29 -
九、信息存储模块 - 30 -
第五章 电磁辐射监测仪的软件设计与实现 - 32 -
第一节 电磁辐射监测仪的系统软件设计 - 32 -
第二节 有限状态机分析设计的基本原理介绍 - 33 -
第三节 软件系统的总体结构 - 34 -
第四节 键盘软件程序设计 - 35 -
第五节 液晶显示软件设计 - 38 -
第六节 电源管理软件设计 - 39 -
第七节 实时时钟软件设计 - 39 -
第八节 信息存储模块软件设计 - 40 -
一、字库信息存储 - 40 -
二、监测数据存储 - 41 -
第六章 系统调试及问题分析和解决 - 42 -
第一节 系统硬件调试 - 42 -
一、电源模块 - 42 -
二、仿真和测试接口（JTAG）电路调试 - 43 -
三、微处理器模块调试 - 43 -
四、液晶显示模块调试 - 43 -
五、键盘输入模块调试 - 43 -
六、实时时钟模块调试 - 44 -
七、信息存储模块调试 - 44 -
八、数模转换模块调试 - 45 -
九、其余部分电路调试 - 45 -
第二节 系统可靠性分析 - 45 -
第三节 系统软件调试 - 46 -
第七章 总结与展望 - 46 -
参考文献 - 47 -
致 谢 - 50 -
附图、附录 - 51 -
一、系统实现的总体原理图和PCB - 51 -
二、系统PCB版和效果图 - 52 -
三、电磁辐射监测仪使用说明书 - 53 -
第一章 绪论
第一节 国内电磁辐射现状及管理
20世纪80年代以来，我国产生电磁辐射的设备、设施分布越来越广、功率越来越大，与此同时，城市人口、建筑密度不断加大，电磁辐射已成为一种新的城市污染源。随着农村居民家用电器的迅速增加和电力、通信、交通事业的发展，电磁辐射污染由大城市迅速向中小城市及农村扩散。
据国家环境保护总局1997-1998年在全国30个省、直辖市进行的环境电磁辐射污染调查显示，我国目前环境中人为电磁辐射不断增强的主要原因是：
1、广播电视发射设备的增多、功率的增大；
2、通信发射设备的普及和频繁使用；
3、工业、科研、医疗应用中高频用电设备的增加；
4、电力部门高压输电线路的发展；
据统计，目前全国广播电视发射设备有1万多台，总功率超过13万千瓦；而工业、科研、医疗等高频设备近1.5万台，合计功率达250万千瓦；移动通信设备的发展更是迅速，在过去几年的时间里手机用户数量猛增，到2000年6月底，我国的移动电话用户数已发展到近6千万，移动通信基站超过7万个。
在电子技术为我们生活、工作带来巨大方便的同时，其电磁辐射对人体健康的影响也越来越受到人们的广泛关注。我国有关的政府管理部门和科研机构在此方面做了大量的调查研究工作，并逐渐建立起相应的管理体系，针对存在的主要问题采取了必要的控制措施。近几年，为适应全球贸易一体化的需要，我国加强了在电磁辐射领域的国际交流与合作，积极参与到国际EMF项目中。
中国政府于1998年正式受世界卫生组织邀请加入国际EMF研究项目。两年来，我国的政府管理人员和科学专家参加了一系列重要的国际EMF项目活动，与来自不同国家、不同组织的专家共同分享各自的研究成果，并就标准协调等焦点问题进行了讨论，这对我国在电磁辐射领域的科学研究和管理工作起到了积极促进作用，相信也必然会对国际电磁辐射标准的一致性作出有益贡献。
第二节 课题简介
一、课题背景
最早的磁场探测器已有2000多年的历史，通过感应地球磁场辨别方向或为舰船导航[1]。随着现代科技的进步，磁场传感器的应用越来越广泛，磁场传感器技术向着高灵敏度、高分辨率、小型化以及电磁设备兼容方向发展。通过查阅文献，了解国内外的应用情况并对之进行了系统总结，可以知道国产的磁场测量系统精度普遍偏低，进口测量电磁泄漏系统价格昂贵，而且绝大多数只能测量一维磁场或二维磁场，空间三维磁场的分布情况需要多次测量和复杂的数据处理才能得到，无法实现快速测量。
目前国外电磁泄漏检测设备可以对电子产品进行电磁场强进行测量，有些设备精度较高，已得到广泛应用，国内近期也开发出了基于异性磁阻传感器的手持式智能三轴磁场与定向仪，但是国内外该类产品目前只能进行测量不具备对测量结果分析功能，没有对电磁泄漏指标是否符合规定要求给出明确判断，即基于专家决策分析功能的电子产品电磁泄漏检测系统，国内外还没有开始研究，由于电子产品电磁泄漏检测装置没有基于专家决策分析功能，这样在对电子产品进行电磁泄漏检测时，电子产品电磁泄漏是否超标不能进行实时判断，给检测者带来不便[2]。
二、课题研究意义
电磁污染源很广泛，它就在我们生活的周围，几乎包括所有的家电，只是污染的程度有强弱之分罢了。计算机首当其冲，是因为人们必须与它面对面地操作，而且长时间接触，不像电视机能远距离接触。据德国慕尼黑大学医学研究所自1994年以来对近万名长期操作电脑的职业女性进行的跟踪调查表明，长时间操作电脑的妇女患乳腺癌的危险性，比其她职业妇女的概率高出43%，研究人员用雌性白鼠在电磁场中进行模拟实验，不久发现白鼠的乳腺出现肿癌，其成长速度与磁场强度有关。
因此，许多研究机构和生产厂家都在相继研究开发防电磁辐射的民用产品，以减少电磁辐射对人类健康的危害。任何生物或设备，都处在电磁的包围之中，并受其影响，除非采取一定的屏障防护。随着社会的发展与进步，电磁辐射污染对环境的危害越来越严重，所以说，电磁波既是有益于社会发展的信息载体和能量流载体，又是有害于人类生活的污染要素，其危害已引起国内外高度重视。因此，实时准确地监测我们生活环境和电子产品的电磁泄漏污染，并对监测结果给予准确判断具有非常重要的意义。
三、课题的主要工作
在本人的本科毕业设计阶段主要完成本课题的以下工作：
1、阅读、学习参考文献以及相关知识，奠定良好的背景知识，为开展研究工作打好基础。
2、确定机电产品电磁泄漏监测及分析系统总体技术条件及方案。
3、确定机电产品电磁泄漏监测及分析系统设计方案。
4、完成机电产品低频电磁辐射监测仪的硬件设计。
5、完成机电产品低频电磁辐射监测仪的软件设计。
6、完成系统调试。
第二章 电磁辐射监测仪技术方案分析
第一节 核心处理器
电磁辐射监测仪需要实现的功能种类较多，且所有功能都需要由微处理器芯片控制外围电路来完成，因此选择什么样的微处理器芯片对电磁辐射监测仪硬件系统至关重要。微处理器的选型主要考虑以下几方面：微处理器芯片的集成度、体积、功耗、处理速度、硬件资源、扩展性等特点，同时需要考虑设计的简易程度、开发周期及经济成本等问题。
目前微处理器的型号多样，种类各不相同，主要有以下几种：
（1）单片机：包括51系列单片机、PIC系列单片机、AVR系列单片机等。
（2）CPLD(Complex Programmable Logic Device)复杂可编程逻辑器件以及FPGA(Field－Programmable Gate Array) 现场可编程门阵列等利用Verilog 或 VHDL设计完成的集成电路器件[3]。
（3） DSP：DSP是数字信号处理器。其最值得称道的特点是具有强大数据处理能力和极高运行速度。
（4）ARM：ARM 是Advanced RISC Machines的缩写。具有性能高、成本低和能耗省的特点
（5） MIPS：MIPS是世界上很流行的一种RISC处理器。意思是“无内部互锁流水级的微处理器”(Microprocessor without interlocked piped stages)，其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。
（6） PPC：PowerPC 是一种精简指令集（RISC）架构的中央处理器（CPU）。PowerPC架构的特点是可伸缩性好、方便灵活。
对于电磁辐射监测仪的核心处理器的选择，设计要求为：满足一定的I/O口需要，具有一定的数据处理能力，一定的运行速度，造价符合常用电子仪器的要求，能够支持便携式功能，即能耗不能太大，综合如上考虑，我们选择AVR系列的ATmega128单片机作为核心处理器。
一、单片机的定义
所谓单片机，即把组成微型计算机的各个功能部件，如中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出接口电路（I/O口）、定时/计数器以及串行通信接口等集成在一块芯片中，构成一个完整的微型计算机。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。与微处理器相比，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，它有唯一的、专门为嵌入式应用而设计的体系结构和指令系统这是单片机最大的特征。
现代单片机加上了中断单元、定时单元及A/D转换电路等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。因此可以把单片机理解为一个单芯片形态的微控制器。
单片机是单芯片形态作为嵌入式应用的计算机，它有唯一的、专门为嵌入式应用而设计的体系结构和指令系统，加上它的芯片级体积的优点和在现场环境下可高速可靠地运行的特点，因此单片机又称为嵌入式微控制器。
二、单片机的发展方向
单片机的发展趋势将是向着高性能化，大容量，小容量、低价格化及外围电路内装化等几个方面发展。
本人签名： 日期： 摘 要
随着科学技术的发展，人们在生产及生活中使用的电子设备的数量越来越多,电磁泄漏污染日趋严重。因此，实时准确地监测我们生活环境和机电产品的电磁泄漏污染，并对监测结果给予准确判断具有非常重要的意义。
论文实现机电产品低频电磁辐射监测仪的研究与设计。选择ATmega128单片机作为监测仪核心处理器。为了提高检测精度以及实现快速测量，并且降低成本以便于普及应用，本课题采用感应线圈式测量，其精度在30—5KHZ内可以保证有很好的准确度，这一范围正包括常用机电产品的电磁场强度范围，所以具有很好的应用性以及可行性。
本课题设计的电磁辐射监测仪可以显示被测机电产品产生的磁场在X、Y、Z传感轴方向的磁场强度，而且可以实现自动调零、自动增益选择、自动误差补偿等功能。
论文由七章组成。第一章阐述了课题研究方向的重要性，第二章介绍了课题的技术方案，第三章分析对比了多种电磁辐射监测方法，最终选择了能检测空间三维方向磁场的感应线圈法，第四章、第五章分别完成了本课题硬件、软件的设计，第六章介绍了对系统的调试，并对系统可靠性进行了分析。第七章总结了设计过程中的心得体会。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:电磁辐射监测；空间三维方向；单片机嵌入式控制系统
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 - 1 -
第一节 国内电磁辐射现状及管理 - 1 -
第二节 课题简介 - 2 -
一、课题背景 - 2 -
二、课题研究意义 - 2 -
三、课题的主要工作 - 3 -
第二章 电磁辐射监测仪技术方案分析 - 4 -
第一节 核心处理器 - 4 -
一、单片机的定义 - 4 -
二、单片机的发展方向 - 5 -
三、单片机的应用 - 6 -
四、ATmega128简介 - 6 -
第二节 液晶显示模块 - 7 -
第三节 数模转换模块 - 8 -
一、TLC2543引脚介绍 - 8 -
二、串行A/D转换器TLC2543的特点 - 9 -
三、 串行A/D转换器TLC2543的使用方法 - 9 -
第三章 电磁辐射监测方法研究 - 11 -
第一节 磁阻传感器法 - 11 -
第二节 霍尔效应法 - 12 -
第三节 感应线圈法 - 14 -
第四节 其他方法 - 15 -
第四章 电磁辐射监测仪的硬件设计与实现 - 17 -
第一节 电磁辐射监测仪总体结构设计 - 17 -
第二节 电磁辐射监测仪的硬件电路设计 - 18 -
一、微处理器模块 - 19 -
二、信号检测模块 - 21 -
三、信号处理模块 - 22 -
四、数模转换模块 - 23 -
五、键盘输入模块 - 24 -
六、液晶显示模块 - 25 -
七、电源模块 - 26 -
八、实时时钟模块 - 29 -
九、信息存储模块 - 30 -
第五章 电磁辐射监测仪的软件设计与实现 - 32 -
第一节 电磁辐射监测仪的系统软件设计 - 32 -
第二节 有限状态机分析设计的基本原理介绍 - 33 -
第三节 软件系统的总体结构 - 34 -
第四节 键盘软件程序设计 - 35 -
第五节 液晶显示软件设计 - 38 -
第六节 电源管理软件设计 - 39 -
第七节 实时时钟软件设计 - 39 -
第八节 信息存储模块软件设计 - 40 -
一、字库信息存储 - 40 -
二、监测数据存储 - 41 -
第六章 系统调试及问题分析和解决 - 42 -
第一节 系统硬件调试 - 42 -
一、电源模块 - 42 -
二、仿真和测试接口（JTAG）电路调试 - 43 -
三、微处理器模块调试 - 43 -
四、液晶显示模块调试 - 43 -
五、键盘输入模块调试 - 43 -
六、实时时钟模块调试 - 44 -
七、信息存储模块调试 - 44 -
八、数模转换模块调试 - 45 -
九、其余部分电路调试 - 45 -
第二节 系统可靠性分析 - 45 -
第三节 系统软件调试 - 46 -
第七章 总结与展望 - 46 -
参考文献 - 47 -
致 谢 - 50 -
附图、附录 - 51 -
一、系统实现的总体原理图和PCB - 51 -
二、系统PCB版和效果图 - 52 -
三、电磁辐射监测仪使用说明书 - 53 -
第一章 绪论
第一节 国内电磁辐射现状及管理
20世纪80年代以来，我国产生电磁辐射的设备、设施分布越来越广、功率越来越大，与此同时，城市人口、建筑密度不断加大，电磁辐射已成为一种新的城市污染源。随着农村居民家用电器的迅速增加和电力、通信、交通事业的发展，电磁辐射污染由大城市迅速向中小城市及农村扩散。
据国家环境保护总局1997-1998年在全国30个省、直辖市进行的环境电磁辐射污染调查显示，我国目前环境中人为电磁辐射不断增强的主要原因是：
1、广播电视发射设备的增多、功率的增大；
2、通信发射设备的普及和频繁使用；
3、工业、科研、医疗应用中高频用电设备的增加；
4、电力部门高压输电线路的发展；
据统计，目前全国广播电视发射设备有1万多台，总功率超过13万千瓦；而工业、科研、医疗等高频设备近1.5万台，合计功率达250万千瓦；移动通信设备的发展更是迅速，在过去几年的时间里手机用户数量猛增，到2000年6月底，我国的移动电话用户数已发展到近6千万，移动通信基站超过7万个。
在电子技术为我们生活、工作带来巨大方便的同时，其电磁辐射对人体健康的影响也越来越受到人们的广泛关注。我国有关的政府管理部门和科研机构在此方面做了大量的调查研究工作，并逐渐建立起相应的管理体系，针对存在的主要问题采取了必要的控制措施。近几年，为适应全球贸易一体化的需要，我国加强了在电磁辐射领域的国际交流与合作，积极参与到国际EMF项目中。
中国政府于1998年正式受世界卫生组织邀请加入国际EMF研究项目。两年来，我国的政府管理人员和科学专家参加了一系列重要的国际EMF项目活动，与来自不同国家、不同组织的专家共同分享各自的研究成果，并就标准协调等焦点问题进行了讨论，这对我国在电磁辐射领域的科学研究和管理工作起到了积极促进作用，相信也必然会对国际电磁辐射标准的一致性作出有益贡献。
第二节 课题简介
一、课题背景
最早的磁场探测器已有2000多年的历史，通过感应地球磁场辨别方向或为舰船导航[1]。随着现代科技的进步，磁场传感器的应用越来越广泛，磁场传感器技术向着高灵敏度、高分辨率、小型化以及电磁设备兼容方向发展。通过查阅文献，了解国内外的应用情况并对之进行了系统总结，可以知道国产的磁场测量系统精度普遍偏低，进口测量电磁泄漏系统价格昂贵，而且绝大多数只能测量一维磁场或二维磁场，空间三维磁场的分布情况需要多次测量和复杂的数据处理才能得到，无法实现快速测量。
目前国外电磁泄漏检测设备可以对电子产品进行电磁场强进行测量，有些设备精度较高，已得到广泛应用，国内近期也开发出了基于异性磁阻传感器的手持式智能三轴磁场与定向仪，但是国内外该类产品目前只能进行测量不具备对测量结果分析功能，没有对电磁泄漏指标是否符合规定要求给出明确判断，即基于专家决策分析功能的电子产品电磁泄漏检测系统，国内外还没有开始研究，由于电子产品电磁泄漏检测装置没有基于专家决策分析功能，这样在对电子产品进行电磁泄漏检测时，电子产品电磁泄漏是否超标不能进行实时判断，给检测者带来不便[2]。
二、课题研究意义
电磁污染源很广泛，它就在我们生活的周围，几乎包括所有的家电，只是污染的程度有强弱之分罢了。计算机首当其冲，是因为人们必须与它面对面地操作，而且长时间接触，不像电视机能远距离接触。据德国慕尼黑大学医学研究所自1994年以来对近万名长期操作电脑的职业女性进行的跟踪调查表明，长时间操作电脑的妇女患乳腺癌的危险性，比其她职业妇女的概率高出43%，研究人员用雌性白鼠在电磁场中进行模拟实验，不久发现白鼠的乳腺出现肿癌，其成长速度与磁场强度有关。
因此，许多研究机构和生产厂家都在相继研究开发防电磁辐射的民用产品，以减少电磁辐射对人类健康的危害。任何生物或设备，都处在电磁的包围之中，并受其影响，除非采取一定的屏障防护。随着社会的发展与进步，电磁辐射污染对环境的危害越来越严重，所以说，电磁波既是有益于社会发展的信息载体和能量流载体，又是有害于人类生活的污染要素，其危害已引起国内外高度重视。因此，实时准确地监测我们生活环境和电子产品的电磁泄漏污染，并对监测结果给予准确判断具有非常重要的意义。
三、课题的主要工作
在本人的本科毕业设计阶段主要完成本课题的以下工作：
1、阅读、学习参考文献以及相关知识，奠定良好的背景知识，为开展研究工作打好基础。
2、确定机电产品电磁泄漏监测及分析系统总体技术条件及方案。
3、确定机电产品电磁泄漏监测及分析系统设计方案。
4、完成机电产品低频电磁辐射监测仪的硬件设计。
5、完成机电产品低频电磁辐射监测仪的软件设计。
6、完成系统调试。
第二章 电磁辐射监测仪技术方案分析
第一节 核心处理器
电磁辐射监测仪需要实现的功能种类较多，且所有功能都需要由微处理器芯片控制外围电路来完成，因此选择什么样的微处理器芯片对电磁辐射监测仪硬件系统至关重要。微处理器的选型主要考虑以下几方面：微处理器芯片的集成度、体积、功耗、处理速度、硬件资源、扩展性等特点，同时需要考虑设计的简易程度、开发周期及经济成本等问题。
目前微处理器的型号多样，种类各不相同，主要有以下几种：
（1）单片机：包括51系列单片机、PIC系列单片机、AVR系列单片机等。
（2）CPLD(Complex Programmable Logic Device)复杂可编程逻辑器件以及FPGA(Field－Programmable Gate Array) 现场可编程门阵列等利用Verilog 或 VHDL设计完成的集成电路器件[3]。
（3） DSP：DSP是数字信号处理器。其最值得称道的特点是具有强大数据处理能力和极高运行速度。
（4）ARM：ARM 是Advanced RISC Machines的缩写。具有性能高、成本低和能耗省的特点
（5） MIPS：MIPS是世界上很流行的一种RISC处理器。意思是“无内部互锁流水级的微处理器”(Microprocessor without interlocked piped stages)，其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。
（6） PPC：PowerPC 是一种精简指令集（RISC）架构的中央处理器（CPU）。PowerPC架构的特点是可伸缩性好、方便灵活。
对于电磁辐射监测仪的核心处理器的选择，设计要求为：满足一定的I/O口需要，具有一定的数据处理能力，一定的运行速度，造价符合常用电子仪器的要求，能够支持便携式功能，即能耗不能太大，综合如上考虑，我们选择AVR系列的ATmega128单片机作为核心处理器。
一、单片机的定义
所谓单片机，即把组成微型计算机的各个功能部件，如中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出接口电路（I/O口）、定时/计数器以及串行通信接口等集成在一块芯片中，构成一个完整的微型计算机。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。与微处理器相比，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，它有唯一的、专门为嵌入式应用而设计的体系结构和指令系统这是单片机最大的特征。
现代单片机加上了中断单元、定时单元及A/D转换电路等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。因此可以把单片机理解为一个单芯片形态的微控制器。
单片机是单芯片形态作为嵌入式应用的计算机，它有唯一的、专门为嵌入式应用而设计的体系结构和指令系统，加上它的芯片级体积的优点和在现场环境下可高速可靠地运行的特点，因此单片机又称为嵌入式微控制器。
二、单片机的发展方向
单片机的发展趋势将是向着高性能化，大容量，小容量、低价格化及外围电路内装化等几个方面发展。
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