STM32F103

STM32F103（共7篇）

STM32F103 篇1

1 方案设计

普通的光电鼠标通过底部的LED灯以一定角度照射在桌面上, 在鼠标移动时反射光线通过一块透镜传入传感器来得到连续的图案, 然后通过对比前后的图案变化来分析鼠标的位移来得到鼠标在二维坐标的具体移动数值, 最终将数据传送给电脑。正是由于工作原理的限制, 所以在实际使用中光电鼠标在一些特殊的场合使用将受到限制。不同于光电鼠标的位移检测原理, 本设计的位移检测是通过MPU6050芯片来检测空间的对应坐标方向的角速度, 由于MPU6050是六轴运动处理器件, 而电脑鼠标指针的移动是二维平面, 所以只用读取X轴和Z轴的角速度即可。STM32F103芯片读取对应值后通过NRF24l01无线传输模块将数据发送至数据接收端, 接收端通过USB接口将数据发送至电脑从而实现鼠标的功能。

本设计的系统框图如图1所示:

2 硬件电路设计

据本系统的工作原理, 硬件部分主要有MPU6050模块, NRF24l01无线传输模块, STM32F103芯片, 锂电池一块, 按键电路, USB串口电路等。

2.1 MPU6050模块

MPU6050是Inven Sense公司的整合性6轴运动处理组件, 内部自带3轴陀螺仪和3轴加速度传感器, 自带有数字运动处理器硬件加速引擎, 大大减少了MCU由于对运动处理计算而带来的复杂计算, 同时开发难度也大大降低了, 利用Inven Sense公司提供的运动处理资料库, 可以十分方便的实现姿态解算。MPU6050的时钟设置、采样率设置、传感器使能都是通过配置相关寄存器来实现, 使用方便。时钟源一般选择X轴陀螺PLL作为时钟源, 可以得到高精度的时钟。MPU6050的量程范围也是可以选择的, 共有四个可选档位, 分别为±250°/S;±500°/S;±1000°/S;±2000°/S;陀螺仪的ADC为16位分辨率, 鼠标使用起来较为流畅。MPU6050的超低功耗和4*440.9mm的超小封装也使发射端的制作和使用简便了很多。发射部分可使用一块小锂电池供电, 因此可反复充电使用, 同时锂电池的充电器生活中非常常用, 减少了用户的后续开支, 由于本设计只用到了X轴和Z轴的角速度值, MPU6050芯片的性能对本设计来说已经绰绰有余。

2.2 NRF24l01无线传输模块

NRF24L01是一款低功耗无线收发专用芯片, 工作频率高, 传输速度快, 功耗很低, 等待模式电流仅为22u A, 通过PCB天线即可以实现10m的有效传输距离, 可以方便的实现发射和接收。外部电路也较为简单, 而模块的价格也只有几块钱, 所以本设计直接采用了现成的NRF24l01无线传输模块。两个芯片工作在相同的模式下即可实现相互通信。

3 程序设计

由于本设计分为发射端和接收端两个部分, 所以编程也要分开进行。发射部分主要包括MPU6050数据读取, 按键数据读取, 数据发送。接收端编程主要为数据接收, 与PC的USB通讯。因为STM32F103系列芯片都自带了USB, 符合USB2.0规范, 所以通讯十分方便。在调试时可以使用四轴飞行器的上位机软件调试发射部分的程序, 分模块进行调试。

4 结束语

本次基于STM32F103的空中鼠标设计硬件部分较为简单, 体积较小, 节能稳定, 发射部分采用锂电池供电, 可以反复充电, 减少了不必要的开支, 接收部分直接通过电脑的USB端口供电, 数据传输和供电共用的是一个USB接口, 减少了电脑端口的占用。整体来说, 本空中鼠标设计可以方便的在空中实现鼠标指针的位移控制和左右键功能, 实现了基本的鼠标功能, 可以满足普通的使用, 在一些特殊场合比如户外, 工业前线等等, 具有光电鼠标不具备的优势, 对实际应用具有一定的意义。同时对于MPU6050和来STM32来说, 本实验仅仅用到了部分功能, 仍有很大的改进空间来升级功能和使用体验。

摘要：随着电子技术的飞速发展, 各类电子芯片在性能不断提高的同时价格却在不断降低, 文章将采用STM32F103来制作一款空中鼠标, 在方便实用的同时整体成本又比较低廉。目前市面广泛应用的光电鼠标是通过一个发光二极管发出光线经过桌面、鼠标垫等平面反射后传到光感应器件来分析运动轨迹并传输给电脑。它的原理决定它必须要一块相对平整的反射面才能正常工作, 在一些特殊场合使用时将会受到限制。文章介绍的空中鼠标在空中即可实现普通光电鼠标的功能, 使用十分方便。

关键词：STM32,MPU6050,姿态解算,空中鼠标

参考文献

[1]正点原子.MPU6050六轴传感器实验[EB/OL].开源电子网, 2014 (12) .

STM32F103 篇2

传统意义上的USB开发仅仅是对USB设备的开发, 比如设计一个Flash闪盘。但在USB体系结构中, USB设备无法发起或控制一个USB的传输过程, 因此, 一旦脱离了主机, USB设备就毫无用武之地。现今的USB主机一般意义上指PC机。而使用PC机作为主机, 对一些应用场合有局限性。因此, 开发一款USB主机, 实现USB主机的嵌入式化, 使USB设备的使用可以脱离PC机是有广泛应用前景的。在某些场合, 嵌入式系统需要存储大量的数据, 比如水纹监测数据和无人看管设备的运行数据等。为便于数据的转移和处理, 一种方法是让嵌入式系统具有USB设备接口, 以通讯的方式向上位机不断转储RAM中的数据;另一种方法就是让嵌入式系统具有USB主机接口, 使嵌入式系统可以直接读写U盘或SD卡之类的移动存储设备, 再通过移动存储设备将数据转储到上位机中, 不需要嵌入式系统与上位机之间有直接的通讯连接。目前多数单片机都没有任何USB接口, 有些单片机配备了USB设备接口, 但配备USB 主机接口的单片机很少。USB设备/主机接口专用芯片如CH375、SL811的出现弥补了这一不足。最新出现的CH376与CH375相比, 进一步集成了文件管理层, 使得USB 主机实现更加容易。CH376因此被称为文件管理芯片。本文介绍使用CH376T为Cortex-M3单片机STM32F103VC扩展USB主机接口的方法。

1 相关芯片

1.1 STM32F103VC

STM32F103VC是意法半导体公司生产的基于ARM Cortex-M3 的处理器芯片, 芯片内置了256KB FLASH、48KB RAM、3路12Bit ADC、1路12Bit DAC、3路SPI、PWM、CAN、USB、SDIO和FSMC等诸多资源。

特点:

(1) 32位的RISC处理器。

(2) 72MHz运行频率, 1.25DMIPS/MHz。

(3) 硬件除法和单周期乘法。

(4) 快速可嵌套中断, 6～12个时钟周期。

(5) 具有MPU保护设定访问规则。

其性价比很高, 只是STM32F103VC芯片内并没有USB 主机的功能, 需要外围芯片扩展实现。

1.2 CH376T

CH376T是文件管理控制芯片, 支持USB 主机和设备方式, 内置了USB通信协议基本固件和F12、F16和F32等文件系统的管理固件, 可用于单片机扩展USB HOST功能, 并且支持单片机通过SPI方式控制CH376T芯片, 从而使单片机能够方便地读写 USB 移动存储设备中的数据文件。

特点:

(1) 支持1.5Mbps低速和12Mbps全速USB通讯, 兼容USB2.0, 外围器件只需要晶体和电容。

(2) 支持USB设备的控制传输、批量传输和中断传输。

(3) 自动检测USB设备的连接和断开, 提供设备连接和断开的事件通知。

(4) 提供文件管理功能如打开、新建或删除文件、枚举和搜索文件、创建子目录、支持长文件名。

(5) 以字节为最小单位或者以扇区为单位对多级子目录下的文件进行读写。

(6) 提供磁盘管理功能:初始化磁盘、查询物理容量、查询剩余空间金额物理扇区读写。

2 USB 主机扩展的硬件实现

为实现系统的 USBHOST功能, CH376提供USB主控制器的功能, 位于STM32F103芯片和USB设备之间, 其示意图如图1所示。

通过串行接口, CH376可以用最少的连线与STM32F103进行点对点的连接。CH376芯片的RXD和TXD可以分别连接到单片机的串行数据输出引脚和串行数据输入引脚。INT#输出的中断请求是低电平有效, 用于通知STM32F103。

图2是使用CH376T芯片为ARM STM32F103VC扩展USB 主机功能的硬件电路。

如图CH376T的外围电路仅需要电容和晶振, 电容的作用主要是退耦, 而晶振Y则为CH376T提供12MHz的时钟信号输入。RESET为CH376T的外部复位信号。

图2中有两种型号的USB接口:USB_A型接口和USB_B型接口。USB_A型接口是通过CH376T芯片扩展的USB HOST (主机) 接口, 可用于将数据以文件的方式存储于U盘中;而USB_B型接口则是单片机自带的仅支持USB SLAVE (设备) 的接口, 可用于与上位机以设备方式直接通讯。所有的通信都是由USB HOST发出的, USB SLAVE不能发起通信, 即当无系统的USB设备如U盘、USB鼠标或者USB硬盘插入时, ARM可以通过USB HOST功能对USB设备中的数据进行读写操作。

USB_A型接口与USB_B型接口均需要外接5V电源, USB_A型接口的2、3脚分别连接到CH376T的9 (UD-) 、8 (UD+) 脚, USB_B型接口的2、3脚则连接到ARM的USB_DM、USB_DP脚, ARM通过USB_EN脚控制接入USB设备, LED表示USB设备的通信状态。

CH376T芯片通过SPI方式与ARM进行通信, 如图2所示, CH376T的SDO (串行数据输出) 、SDI (串行数据输入) 、SCK (串行时钟输入) 、SCS (片选输入) 分别与STM32F103VC的SPI1_MISO、SPI1_MOSI、SPI1_SCK、USB_CS相连。

SPI的操作步骤是:

(1) ARM产生SPI的片选信号, 低电平有效。

(2) ARM按SPI的方式发出一个字节的数据, CH376T总是将SPI片选SCS有效后收到的首个字节当做命令码, 后续字节当数据。

(3) ARM延时 TSC时间 (约1.5μs) 。

(4) 如果是写操作, ARM向CH376T发出一个字节的待写数据, 等待SPI接口空闲后, ARM继续发出若干个字节的待写数据, 直到ARM禁止SPI片选。

(5) 如果是读操作, ARM从CH376T接收一个字节的数据, 等待SPI接口空闲后, CH376T继续接收若干个字节的数据, 直到ARM禁止SPI片选。

(6) ARM结束CH376T芯片的SPI片选, 以便结束当前的SPI操作。

3 USB 主机的软件

图3是ARM通过USB 主机功能对USB设备中的文件数据进行相关操作的软件流程图。

其中涉及到的主要命令组合有:

3.1 初始化命令

(1) CMD_SET_USB_MODE命令, 进入USB-HOST工作方式。

(2) 等待U 盘连接, U 盘可以由CH376T自动检测并产生中断通知, 或者由ARM向CH376T 发出CMD_DISK_CONNECT命令定期查询。

(3) CMD_DISK_MOUNT命令, 初始化U盘, 并测试磁盘是否就绪, 失败后可以重试最多5 次。

上述步骤只需执行一次, 除非U盘断开后重新连接, 那么必须回到步骤 (2) 。

3.2 新建文件并写入数据

(1) CMD_SET_FILE_NAME命令+CMD_FILE_CREATE 命令, 新建文件。

(2) 多次CMD_BYTE_WRITE命令+CMD_WR_REQ_DATA 命令+CMD_BYTE_ WR_GO 命令, 写入数据。

(3) CMD_FILE_CLOSE命令, 参数是1, 关闭文件并允许自动更新文件长度。

3.3 顺序改写文件 (覆盖原数据, 超过原文件长度后转变为追加数据)

(1) CMD_SET_FILE_NAME命令+ CMD_FILE_OPEN命令, 打开文件。

(2) 多次CMD_BYTE_WRITE命令+CMD_WR_REQ_DATA命令+CMD_BYTE_WR_GO 命令, 写入数据。

(3) CMD_FILE_CLOSE命令, 参数是1, 关闭文件并允许自动更新文件长度。

3.4 向已有文件追加数据

(1) CMD_SET_FILE_NAME命令+CMD_FIE_OPEN 命令, 打开文件。

(2) CMD_BYTE_LOCATE命令, 参数是0FFFFFFFFH, 移动文件指针到文件末尾。

(3) 多次CMD_BYTE_WRITE命令+CMD_WR_REQ_DATA 命令+CMD_ BYTE_ WR_GO 命令, 写入数据。

(4) CMD_FILE_CLOSE命令, 参数是1, 关闭文件并允许自动更新文件长度。

4 结束语

随着嵌入式系统在各种场合的应用越来越广泛, 尤其是在运行时会产生大量数据, 并且需要存储的嵌入式系统中, 对USB主机功能的需求会越来越强烈。本文所介绍的以文件管理芯片CH376T扩展ARM的USB HOST功能的方式, CH376提供的U盘文件级子程序库, 提高了程序设计和编写的效率。解决了传统采集仪对计算机的依赖, 而且传输速度快、易用、可扩展。既方便了USB移动存储设备存取数据, 又降低了系统成本, 具有较大的实用价值。

摘要：嵌入式USB主机系统在数据存储和交换领域具有很好的应用前景。为了存储和处理嵌入式系统中的大量数据, 一种方法是让嵌入式系统具有USB设备接口, 以通讯的方式向上位机不断转储RAM中的数据;另一种方法就是让嵌入式系统具有USB主机接口, 使嵌入式系统可以直接读写U盘或SD卡之类的移动存储设备, 再通过移动存储设备将数据转储到上位机中, 不需要嵌入式系统与上位机之间有直接的通讯连接。使用USB控制芯片CH376设计了一个基于STM32F103的USB主机接口, 并应用于嵌入式系统中。

关键词：嵌入式系统,USB主机,CH376

参考文献

[1]马伟.计算机USB系统原理及其主/从机设计[M].北京:北京航天航空大学, 2004:26-28.

[2]张银海.基于CH375的USB移动存储接口设计[J].现代电子技术, 2009 (8) :11-13.

[3]张蕾, 杨洁, 许力.基于ARM的CH375读写U盘的接口设计与实现[J].电工技术, 2008 (8) :40-41, 46.

[4]赵磊, 牛俊邦.基于USB主机的嵌入式数据采集系统的设计和应用[J].仪表技术与传感器, 2009 (3) :52-54, 57.

STM32F103 篇3

关键词：双轴交流伺服系统,永磁同步电机,STM32F103

0 引 言

随着交流伺服驱动在工业自动化控制中的应用越来越广泛,迅速增长的工控市场对交流伺服系统的体积、性能和成本也提出了更高的要求。目前,市场上普通的伺服驱动器基本上都是单轴的,大部分是基于“DSP+FPGA”的结构,DSP和FPGA共同协调完成电机控制、保护信号处理、输入指令响应、扫描按键显示等功能,结构复杂而且成本高。因此,研究具有结构紧凑、高性能和低成本的伺服系统具有广阔的市场前景[1,2]。

本研究设计一种双轴交流伺服驱动器,采用STM32F103系列芯片作为主控制器,双智能功率模块(IPM)为主电路,构成一种新型的、结构紧凑、使用性强的双轴伺服驱动系统。本研究首先设计双轴交流伺服驱动器的硬件平台,结合三相永磁同步电机的数学模型和矢量控制原理,设计双轴伺服软件控制算法,并给出实验结果和分析[3]。

1 双轴交流伺服驱动器硬件平台

双轴交流伺服驱动器具有单驱动、双轴驱动的功能。该驱动器硬件部分由控制电路和功率电路两部分组成。驱动器采用STM32F103系列芯片作为主控制器,双智能功率模块(IPM)为主电路,系统电源输入为三相220 V,控制电源均为单相220 V输入。总体硬件结构图如图1所示。

控制电路用一片STM32F103系列的芯片作为控制器,在保证系统实时性要求的前提下完成伺服驱动系统的所有功能,包括双轴电机驱动控制、I/O指令信号处理、按键和显示等。STM32F103系列的芯片内核频率高达72 MHz,1.25 DMips/MHz的运算能力,支持单周期硬件乘法。同时,STM32F103具有用于运动控制的所有外设,包括2个高级定时器、2个正交编码器捕获模块、2个12位精度的A/D和高达80多个I/O。STM32F103系列的芯片满足双轴永磁同步电机的控制。在该系统中,高级定时器实时输出高精度PWM脉冲、正交编码器捕获编码器信号,A/D采样电机相电流,其他I/O完成指令输入输出,故障报警检测和按键显示灯功能[4]。

功率电路采用AC-DC-AC的常规拓扑结构,前级二极管不控整流,后级IPM逆变驱动电机。为了让驱动器的结构更加紧凑、外围驱动电路更加简单可靠,本研究采用自举升压设计驱动IPM。自举升压的原理如图2所示。驱动上桥臂IGBT的电源是通过在下桥臂开通时对电容充电的电源。本研究采用自举升压原理的驱动方法,只需要一路驱动电源就可以实现两路上下桥臂的驱动,使得控制电路和功率电路可以在没有光耦隔离的条件下稳定工作,这种设计简化了功率驱动电路及其电源设计,让驱动器结构更紧凑、成本更低。

IRAMS10UP60A是美国IR公司推出的一款智能功率模块,内置了温度监视、过温/过流保护及具有短路保护能力的IGBT和欠压锁定功能。该模块还集成了高压侧驱动器所需的自举二极管,以及用于驱动内部电路的单极性电源,具有结构紧凑,外围电路简单的特点[5]。

2 双轴伺服矢量控制理论

三相永磁同步伺服电动机的结构模型如图3所示。定子绕组在空间上互差2π/3,转子由永磁材料制成。ABC为定子静止坐标系,d轴为固定在转子励磁磁通ψr方向上的坐标轴,q轴超前d轴π/2,dq轴随转子同步转动构成dq坐标系。为了实现永磁同步电机的解耦控制,本研究通过坐标变换在dq坐标系下建立数学模型[6,7,8]。

对于面装式永磁同步电机,其数学模型有如下的表达式:

式中:Ld—电机直轴同步电感,Lq—电机交轴同步电感,ω—电角速度,Rs—定子相电阻,Pn—极对数,id—dq坐标系下直轴电流,iq—dq坐标系下交轴电流,ωr—机械角速度,Te—电磁转矩,Tl—负载转矩,J—电机轴惯量,RΩ—阻尼系数,θr—机械位置。

根据三相永磁同步电机的数学模型和矢量控制原理,永磁同步电机的控制框图如图4所示。该系统对所需实现的功能进行分模块设计,每一个模块完成一个特定的功能,控制任务通过实时调用功能模块实现。

本研究设计的双轴伺服驱动器,通过STM32的通用定时器模块接收位置指令,正交编码模块接收编码器反馈的正交脉冲,高级定时器产生PWM脉冲驱动IPM,其他算法的实现均在高速内核中进行。

3 双轴伺服驱动软件设计

双轴伺服驱动的软件设计主要分为两部分:主程序设计和中断程序设计。主程序主要完成实时性要求不高的任务处理,软件流程图如图5所示。例如:芯片时钟外设初始化、I/O指令信号输入输出处理、故障检测、按键响应和数码管显示等[9,10]。

中断程序完成实时性要求高的双轴三环控制,软件流程图如图6所示。为了保证双轴控制的同步性,软件上把分配PWM脉冲的两个高级定时器同步级联,在同一个定时中断读取电机的相电流和位置信息,进行坐标解耦计算和周期性的电流、速度、位置的调节计算,刷新输出PWM的占空比。为了保证两个电机轴的独立工作,指令接收和三环控制都是独立的,互不干扰,同时用户也可以通过菜单的设定,让两个电机轴同步接收指令,同步工作[11,12]。

4 实验结果及分析

为了验证驱动器的性能,系统选取两台华大电机厂生产的永磁同步电机作为控制对象。型号为80ST-M01330LBB,转矩为1.3 N·m,额定转速为3 000 r/min,额定功率0.4 kW,2 500 线的正交编码器作为反馈。控制电流环调节周期100 μs,速度环和位置环调节周期500 μs。

轴1和轴2的速度跟踪实验如图7、图8所示,图中实线为给定的梯形速度指令,虚线为速度响应曲线,两个轴都能良好地跟踪速度指令。轴1和轴2的位置跟踪实验如图9、图10所示,图中实线为给定位置指令,虚线为位置响应曲线,两个轴都能良好跟踪位置指令。实验结果表明该双轴永磁同步电机驱动器速度同步跟踪误差和位置同步跟踪误差都满足使用要求,同时通过负载实验和实际应用,也说明该系统具有较好的性能和可靠性。

5 结束语

本研究提出的基于STM32F103的双轴永磁同步电机伺服驱动系统方案,充分利用了STM32F103的片上外设资源,控制板使用单个控制芯片,功率电路使用自举升压原理驱动IPM以简化外围电路,使整个驱动器结构更加紧凑,同时能同步驱动两轴电机。

实验结果表明,该双轴驱动器的性能满足实际使用的需求,后续研究的重点是改进其双轴同步算法。

参考文献

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[2]中国机床工具工业协会数控系统分会.第六届中国数控机床展览会(CCMT2010)国产数控系统展品综述[J].世界制造技术与装备市场,2010(4):41-49.

[3]赵希梅,郭庆鼎.交流伺服控制系统的发展现状及其研究热点[J].伺服控制,2010(1):15-16.

[4]STMicroelectronics Corporation.Reference Manual RM0008[EB/OL].[2011-10-01].http://www.st.com/inter-net/com/technical_resources/technical_literature/reference_manual/cd00171190.pdf.

[5]International Rectifier Corporation.HV Floating MOS-GateDriver ICs[EB/OL].[2007-03-23].http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-978.pdf.

[6]邓星钟.机电传动控制[M].武汉:华中科技大学出版社,2001.

[7]秦忆.现代交流伺服系统[M].武汉:华中理工大学出版社,1995.

[8]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,1997.

[9]顾超,宋宝,唐小琦.总线式数控系统中PCI接口控制器的FPGA实现与应用[J].计算机应用,2011,31(2):565-567.

[10]KAYA I,TAN N,ATHERTON D P.A refinement procedurefor PID controllers[J].Electrical Engineering,2006,88(3):215-221.

[11]LU Y Z.The new generation of advanced process control[J].Control Engineering,1992(2):21-23.

STM32F103 篇4

1 平台整体设计

STM32F103ZET6微控制器使用AMR高性能的Cortex-M3 32位RISC内核, 最高工作频率72MHz, 内置高速存储器 (512K字节闪存和64K字节SRAM) , 内置FSMC (Flexible Static Memory Controller, 可配置静态存储器控制器) 具有4个片选输出, 可扩展SRAM、NAND-FLASH等存储单元, 也可配置为并行LCD接口, 兼容Intel 8080和Motorola6800模式。片内集成多种外设, 包括5个USART、4个通用16位定时器、2个PWM定时器、2个I2C、3个SPI、3个12位ADC和1个12位DAC。多达112个通用I/O端口, 所有I/O可以映射到片内16个外部中断控制器, 每个中断控制器包含19个边沿检测器, 可用于产生中断请求。

终端主控平台设计如图1所示, 主控平台扩展了512K字节SRAM和64M字节NAND-FLASH满足程序运行中大量数据运算和数据存储的需要。终端有大量的通信接口, 利用片内集成的5个串行通讯控制单元能够满足大部分的需求。调制红外接口通过通用I/O端口, 利用外部中断控制器和片内定时器实现红外通信功能。同样, 脉冲采集功能通过通用I/O端口, 利用外部中断控制器和片内定时器实现脉冲信号的采集和脉宽计算。开关量采集和继电器输出利用I/O端口扩展, 通过软件定时查询方式控制。

2 硬件设计

终端硬件需要扩展大量的外围设备, 如数据存储器、液晶显示模组、实时时钟芯片、安全加密芯片、调制红外通讯、RS232接口、RS485接口。限于本文篇幅有限, 一些标准接口电路不做展开介绍, 仅将部分重点电路详细叙述。

2.1 外部数据存储器

主控平台中扩展了512K Bytes静态随机数据存数器作为终端程序运行内存, 使用片选CS1, 需要地址总线A[0:18], 数据总线D[0:7]。扩展了64M Bytes NAND-FLASH非易失数据存储器, 作为历史数据和终端运行参数的保存空间, 使用片选CS2, 需要数据总线D[0:7]和6根I/O控制芯片读写、写保护等状态。

2.2 液晶显示

液晶采用并行总线液晶, 典型的液晶控制器如T6963等, 使用片选CS3, 地址总线A[0:1], 数据总线D[0:7], A0作为数据选通, A1作为命令选通, 并通过1根I/O控制液晶背光的打开和关闭。

2.3 实时时钟

终端时钟要求24小时走时误差±0.5s, 采用爱普生RX-8025T, 该芯片内置高精度32.768k Hz晶振电路, 并具备温度补偿功能, 可以满足终端-40~+70全工作温度区内的精度要求。微控制器通过I2C接口直接从芯片内读取BCD码的日历时钟数据。I2C外围电路设计非常简单, 可根据其数据手册的推荐电路进行设计, 这里不再以图示说明。

2.4 安全芯片

安全芯片, 又称ESAM (Embedded Secure Access Module, 嵌入式安全控制模块) , 可实现安全存储、数据加密/解密、双向身份认证、存取权限控制、线路加密传输等功能, 保证终端设备数据存储、传输、交互的安全性。ESAM与主控平台通过串行口连接, 符合ISO/IEC-7816智能卡接口规范。STM32F103片内集成的USART1、2、3是通用同步/异步串行收发器, 兼容ISO7816智能卡模式, 通过设置USART方式寄存器将USART3设为智能卡接口方式USART3.CK提供通讯

3 软件设计

终端是一个功能比较复杂的智能设备, 包括与主站远程通信、本地串口通信、调制红外通信、RS485抄表、数据处理与存储、数据显示与查询、状态信号采集、脉冲信号采集、开关量输出、定时任务处理等等。如此多的功能需要合理的安排处理器的资源, 有序的处理。通信具有突发性的特点, 需要处理器实时的响应和处理。状态采集、输出、数据计算等功能实时性要求没有通信高, 采用定时查询处理。根据任务的不同需求, 终端程序采用分层设计, 利用处理器的定时器和事件中断功能, 将终端程序分为4层结构。

最底层任务:该层处理实时性要求最低, 代码执行时间长的任务, 任务间不分优先级, 按时间片轮流执行, 最多可以有4个任务, 比如显示。中断优先级1, 最低。

底层定时循环任务:该层由定时器计时中断触发, 处理各种定时任务、数据处理与存储。中断优先级2, 次低。

中间层事件处理任务:该层由定时器计时中断触发, 处理高层中断产生的事件, 事件处理完后退出, 比如通讯报文解析、抄表报文解析、脉冲量脉宽计算。中断优先级3, 4, 5, 较高。

高层中断事件处理任务:该层由片上内置的外设中断触发, 如串行口数据接收、红外数据接收、AD采样。中断优先级≥6, 最高。

终端程序主流程如图5所示:

终端上电, 首先进行硬件初始化, 设置片内时钟频率, 初始化片上外设, 如串口、I2C接口、SPI接口的工作方式。接下来从片外数据存储设备读取应用程序参数信息, 更新内存变量, 初始化底层任务的相关变量。软硬件初始化完成后, 使能片上外设及片内定时器中断, 启动底层轮询任务调度, 顺序执行各任务。当通讯事件发生, 程序将会进入相应的中断服务程序, 处理完成将返回被中断的任务中。终端功能复杂, 外设操作频繁, 中断存在嵌套, 中断嵌套的工作方式如图, 当高一级别的中断产生时, 控制器处理处理该级别中断事件, 完成后, 逐级返回。

终端的中断处理过程很多, 限于篇幅不再一一展开详述。

4 结束语

根据本文阐述的方案所设计的专变采集终端成本低, 运行可靠, 目前已有上万台终端在现场运行, 运行效果良好。

参考文献

STM32F103 篇5

关键词：STM32,SVPWM,永磁同步电机

0 引言

在交流伺服系统中,由于电机本身具有的非线性和强耦合特性,其控制方法相当复杂,因此用普通单片机很难取得良好的控制效果。本系统选用A R M公司的32位具有突破性Cortex-M3内核的STM32F103闪存微控制器,该内核是专门设计,以满足集高性能、低功耗、竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求。该控制器在系统中实现包括采样点选择、信号采集、信号辨识、数学算法运算、信号输出、通讯等功能。S V P W M技术以其结构简单、效率高、开关频率高、易于数字化实现和转矩脉动小等特点极大地改善了变频电源和电机传动的控制性能,因而使得现代变频调速技术在传动控制领域获得了广泛推广应用。该系统利用空间矢量脉宽调制控制算法,可以有效地解决电机的强耦合特性,适时地控制电机的转矩、速度和位置状态,并且不用过大体积的能量变换装置即可随意地控制瞬态电流的幅值。

1 系统控制原理

1.1 空间磁场定向控制[1]

为了使控制系统具有良好的变频调速性能,控制系统采用无位置传感器的空间磁场定向矢量控制,系统原理图如图1所示。该控制思想的核心是利用电压空间矢量脉宽调制技术来确定逆变桥中上桥臂IGBT的动作时间ta、tb、tc,下桥臂与之成互补状。空间磁场定向控制是模仿直流电动机的控制方式,通过对电磁转矩的实时跟踪来控制电机转速和定子电流。

首先要把电机方程中的同步旋转坐标系从三相变换为两相(简称为3/2变换)。3/2变换包括了Clarke变换和Park变换,前者是将三相同步旋转坐标系变换到两相静止坐标系,后者则是将两相静止坐标系变换到两相同步旋转坐标系。Clarke和Park变换是空间磁场定向控制中的主要计算,其实现精度的高低及变换速度的快慢直接影响到控制系统的性能。

Clarke变换的数学表达式如下:

式中:iα、iβ为空间电流矢量is在α、β两相静止坐标系中的2个分量,i0是零轴分量(当电动机定子为Y接且无中线时为零),ia、ib、ic为电动机的三相定子电流。经过Clarke变换后,空间电流矢量is在α、β坐标系中可表达为:

Park变换的数学表达式如下:

式中,id、iq为空间电流矢量is在d、q两相同步旋转坐标系中的2个分量,θ为同步旋转坐标系中d轴与α轴之间的夹角。

经过Park变换后,空间电流矢量is在d、q坐标系中可表达为:

定子电流矢量is分解成2个分量:一个分量与电枢磁动势方向重合,称为转矩电流分量iq,即q轴电流分量;另一个分量与励磁磁场方向重合,称为励磁电流分量id,即d轴电流分量。控制转矩电流分量和励磁电流分量的相位和幅值大小,也就控制了定子电流空间矢量的相位和幅值大小,实现对磁场和转矩的解耦控制。

1.2 电压空间矢量脉宽调制

在变频调速电气传动中,电压空间矢量脉宽调制是应用最为普遍的一种脉宽调制技术。它以被控电机的旋转磁场逼近圆形旋转磁场为控制目标,直流电压的利用率高达100%。而空调高频运行时,直流电压降低很多,采用SVPWM控制技术,就可以最大限度地利用直流电压。S V P W M以三相对称正弦波电压供电时交流电机的理想磁通为基准,用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆形磁通,并由它们比较结果去决定逆变器开关状态从而形成S V P W M波。此外,改变电压空间矢量的作用方向和作用时间,可达到使电机定子磁通空间矢量幅值近似恒定、顶点沿准圆形轨迹移动、平均速度可调的目的,实现近似恒磁通变压变频控制。当采用电压型逆变器供电时,因为180°导电型逆变器正常工作时其上、下桥臂的开关在任一时刻都不能同时导通,不考虑死区时,上、下桥臂的开关状态是成互补的,故可用3个上桥臂的开关状态来描述逆变器的工作状态。记开关开通为1、关断为0,则整个逆变器开关状态有8种组合,即8个基本电压空间矢量(6个有效矢量U1~U6,产生输出电压,称为工作电压矢量,方向如图2所示;2个零矢量U0、U7不产生输出电压,称为零电压矢量)。这8个矢量将空间分成了6个区域,每个区域称为一个扇区。根据矢量合成原理可知,在α、β坐标系中的任意一矢量都可以由8个基本矢量中的与这一个矢量相邻的2个基本矢量来合成[2]。

在一个开关周期T内,α、β坐标系中合成矢量U的作用效果和相邻的2个基本矢量分别作用的效果一致。因此只要知道了基本矢量的作用时间Tk(k=0~7),就可以计算出脉冲宽度。基本矢量的作用时间计算如下:

式中:Ux、Uy表示相邻的两个空间矢量,Tx、Ty表示相邻的这2个空间矢量的作用时间,T0表示零矢量的作用时间。以第三扇区为例,则有:

求解此方程就得到了在第三扇区由Uα、Uβ表示的矢量作用时间表达式

其它扇区的求解过程和第三扇区一样,这样就可以得到8个基本矢量的作用时间[3]。由作用时间便可以确定I G B T的动作时间,从而产生P W M波。

2 系统硬件组成

本系统由永磁三相同步电动机、以STM32F103控制器为核心的控制电路、定子电流检测环节和以智能功率模块PM20CSJ060为主的逆变电路等构成。系统的所有控制和调节全部由STM32F103控制器用软件控制来完成,控制电路板直接输出SVPWM信号,经光电隔离接入驱动电路板上的IPM模块,驱动PMSM,实现对空调的变频控制。

2.1 STM32微控制器

STM32系列产品得益于Cortex-M3在架构上进行的多项改进,包括提高性能及代码密度的Thumb-2指令集和大幅度提高中断响应的紧耦合嵌套向量中断控制器。相较于8位、16位单片机,Cortex-M3内核的好处是低功耗、高性能,且相同的软件在不同的核之间可以兼容。相较于ARM系列其他芯片,STM32运行速度更快、性能更高,且在核上设计了单周期乘法制定的硬件触发。在代码的密度上,比普通32位单片机省30%~45%;与16位单片机相比,代码空间可以节省50%;如果拿8位单片机作比较,代码空间可以节省70%左右。在功耗方面,当STM32工作频率在1MHz时为0.15m W,只有ARM7的一半,所以在相同的工作模式下,STM32可以减少30%的功耗。其内核电压是1.8V,芯片电压是3.3V,可以选择睡眠模式、待机模式,保证低功耗应用的要求。系统的外围控制非常丰富:最大2 5 6 k B的FLASH(相当于ARM7的450k B空间)、最大20k B RAM、2个I2C接口、2个SPI接口、3个智能IC卡接口(与UART复用)符合ISO7816协议、USB 2.0接口、80个快速IPO口、16通道的12位APD转换器、7个定时器(包含1个RTC)、支持通过UART实现IAP功能、IC卡读写器。STM32的3个UART口可以通过内部寄存器配置成智能卡模式,符合ISO7816-3标准所定义的异步协议。而且意法半导体通过增加对Keil、IAR和Green Hills工具厂商的STM32设计环境的支持,扩大了客户通过第三方工具链使用电机控制函数的渠道。意法半导体按照客户的需求免费提供STM32电机控制函数库2.0版,这套函数库可直接与基于STM32的STM32F10B-MCKIT电机控制应用硬件评估工具和开发套件配合使用。

2.2 系统主电路

逆变主电路为交-直-交电压型,整流侧为单相二极管不可控型。这种方式不仅控制简单,而且系统具有较高的功率因数。为减小装置体积,减少谐波,提高电流波形质量,逆变功率元件采用高开关频率的三菱电机公司第三代智能功率模块PM20CSJ060。该模块为六合一封装,内部为三相桥式电路结构,集成了高速、低功耗的I G B T芯片及其驱动、保护电路。此外,该模块还集成了过热和欠压锁定保护电路,使得系统的可靠性得到进一步提高[4]。控制电路上的STM32F103芯片输出的6路空间矢量信号SVPWM经光耦6N136实现对IPM隔离驱动,再将整流滤波后的直流电压逆变为所需的高频交流电驱动永磁同步机。系统主电路如图3所示。

系统中还有电流检测电路,采用一种可靠、低成本、无需传感器的控制方法。无传感器控制技术是在交流电动机控制系统中,去掉位置和速度传感器,通过Luenberger磁链观测器估算得到速度和位置的信息,具体地说,是利用电动机绕组中相关变量如定子电压、定子电流等,来估算出转子的位置和速度,从而实现电动机控制,如图4所示。Luenberger观测器表现出来的唯一的局限性是它执行过程中需要较多的计算量,对微处理器的计算速度要求比较高。电流和电压的测量三相电流的采集是由与P W M波信号完全同步的快速A/D转换通道通过三相分流电阻来实现的。事实上,只需要采集三相电流中的两相即可,测量时需要满足以下几点要求:

(1)只有在下桥臂闭合时,才能执行该相电流的采样。

(2)电流的采样在两相下桥臂同时闭合时间最长时执行,以达到最长可利用采样时间。

(3)每次桥臂的开关状态有变化时,会对分流电阻上的电压产生一个电子干扰;当下桥臂打开后,需要等待一段时间来使分流电阻上的电压达到稳定值;同时,上下桥臂关断打开之间存在死区时间。所以在以上期间不能启动A D C转换读取相电流。

(4)两相电流采样必须同时进行(要求有双A D C)。

要实现以上方案,要求微处理器具有可以在P W M周期的任意时刻快速读取电流值的双A D C外围电路。图5中展示了同步采样执行的原理和步骤,其中O C R x(x=1、2、3、4)为输出比较寄存器,TIM1_CHx(x=1、2、3)为下桥臂控制命令。

3 系统软件设计

永磁同步电机控制系统软件全部由STM32F103完成,主要是完成空间磁场定向控制(F OC),产生S V P W M信号。控制软件包括初始化程序、主程序和中断服务子程序3个部分。系统在每次复位后,首先执行初始化程序,完成控制器内部设定和初始状态的检测,然后开启中断,执行主程序。一旦外部中断条件满足时,系统执行中断服务子程序,直到系统重新复位。图6为主程序流程框图,图7为中断服务子程序框图。

4 结论

根据永磁同步电动机矢量控制原理和STM32F103控制器的特点,开发了一套基于STM32F103的永磁同步电机控制系统。利用STM32F103控制器的6个PWM全比较器产生的S V P W M控制信号就可以实现对永磁同步电动机的变频控制[5]。该控制系统充分利用了STM32F103的超强实时计算能力和一些集成器件,使整个系统结构简单、产品开发周期短、可靠性强。

参考文献

[1]李永乐.交流电机数字控制系统[M].北京:机械工业出版社,2002

[2]杨贵杰,孙力.空间矢量脉宽调制方法的研究[J].中国电机工程学报,2001,(5):80-84

[3]刘铁湘,陈林康,曾岳南.SVPWM永磁同步电机矢量控制系统建模与仿真[J].电力科学与工程,2004,(1):49-56

[4]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京:机械工业出版社,1997

STM32F103 篇6

为了克服可再生能源的间歇性给电力系统带来的扰动, 加大可再生能源的消纳, 平抑可再生能源出力的储能系统得到发展。在微电网中, 储能系统不仅能平抑可再生能源的出力, 还可以增加系统的稳定性, 起到调频调峰作用。

早期B M S控制芯片主要是单片机, 存储单元小, 运算速度低, 不能完成复杂控制或者估值算法, 需要外部A D和通信模块。单片机集成资源少导致B M S功能的单一, 不能应用于大规模储能系统。

随着微电子技术和软件技术的发展, A R M和集成度较高的芯片应用于B M S, 这些高端芯片的应用, 不仅减小了B M S的设计难度, 同时增加了B M S的性能, 为B M S的快速发展提供了强大支持。

本文选择基于C ortex-M 3内核的STM 32F103为控制器核心, 设计具有均衡、电池状态监测和故障报警功能的储能电池B M S[1]。

1 硬件电路设计

STM 32F103是基于C ortex-M 3内核的32位带128K字节闪存的微控制器, 内部集成U SB、C A N、7个定制器、2个12位A D C、PW M定时器、SPI和U A R T等资源, 最高工作频率可达72M H z, 有单周期硬件乘法和除法功能。

基于STM 32F103的储能B M S硬件电路包括:电压测量电路, 电流测量电路, 温度测量电路, 单体电池充电电路, 单体电池放电电路, C A N通信电路, R S232通信电路, 电源电路和状态指示电路等, 硬件结构如图1所以。

电源电压取自电池组2端, 需要降压后为B M S电路供电, 为了防止短路, 电池和B M S电路需要电源隔离, 选择具有隔离功能的电源模块为B M S供电。

B M S电路需要的电压等级为12V、5V和3.3V, 隔离D C/D C输出电压为12V, 选择LM 2596将12V电源转为5V, 为电流测量电路供电, 电路如图2所示, 选择LM 1117-3.3将5V电源转为3.3V, 为STM 32F103和外围电路供电。为了保证A D C测量精度, 采用模拟电源和数字电源分开的供电方式。

2 STM32F103软件设计

软件主要完成电池电压、电流和温度测量, 完成数据存储, 与主控单元的通信等功能。

系统上电或者复位后, STM 32F103内部8M H z的R C振荡器被选择为默认时钟, 由于内部时钟精度低, 选择外部晶体振荡器为C PU提供时钟, 通过倍频将时钟频率设为72M H z, 高速外设频率设为72M H z, 低速外设频率设为36M H z。

通过16位定时器1计时, 定时器1工作在向上计数方式, 自动重载, 10m s触发溢出中断, 执行电压采集和电流采集命令。

通过I2C总线与外部存储器通信, 将设置的命令字和通信地址存储在外部存储器, 防止掉电丢失。通过控制器区域网络 (C A N) 总线和主控单元通信, 采用接口规范2.0A, 通信速率设为0.5兆位/秒, 采用11位标识符的标准帧。

温度传感器为热敏电阻, 将热敏电阻电压经采样电路处理后接入集成A D C, 用12路A D C采集12节电池温度。电流信号经电流传感器转换为电压信号, 经采集调理电路后, 输入集成A D C。A D C参考电压为3.3V, 由模拟电源提供。

外部数字信号经保护电路和电平转换电路输入至通用输入输出端口, 输入配置为上拉形式。控制信号由通用输入输出端口输出, 输出端口配置为推挽输出形式。

3 实验结果分析

为了验证STM 32F103时钟设置正确, 用定时器2计时, 输出端口输出频率为10k H z的方波, 用示波器测量, 测得结果为设置频率。为了验证电压测量值的准确性, 选择9节电池进行测试, 测得电压数据如表1所示。从测量结果可知, 测量精度控制在0.002V之内, 设计的B M S可以应用于储能电池系统。

摘要：储能电池管理系统 (BMS) 主要应用于微电网或者可再生能源发电中削峰填谷的储能系统, 对储能电池起到监控和管理作用, 延长电池的使用寿命, 提高储能系统的稳定性。文章根据储能电池的特点, 设计了基于STM32F103的储能BMS。设计的储能BMS具有测量电池电压、电流和温度的功能, 可以根据设置参数对单体电池进行充放电均衡。将设计的储能BMS应用于铅酸电池组, 实验结果表明测量数据准确, 均衡控制稳定, 达到了设计要求。

关键词：储能电池,管理系统

参考文献

[1]路保虎.基于STM32F103ZET6的动力电池管理系统设计[D].南京理工大学, 2013.

[2]王永超.基于STM32F103RBT6的电动汽车电池管理系统研究[D].哈尔滨理工大学, 2015.

[3]李拓.基于智能芯片的电池管理系统的实现[D].南京邮电大学, 2013.

STM32F103 篇7

在工业控制系统中, 温度是最主要的被控参数之一。但是大多数传统温度控制系统都只能测量单点温度, 本文就针对这些存在的问题, 设计出了基于So C (System on Chip) ARM的温度控制器, 由于在设计时增加了通信功能, 因此本温度控制器具有比传统温度控制器更强大的功能, 不仅可以用于工业现场对温度进行控制, 还能通过CAN总线的传输能力在几个站点之间进行数据传输和数据交换。本系统属于嵌入式温度控制系统, 可应用于任何需要控制温度的场合, 因此其具有通用性。在设计中, 采用了So C处理器作为主控制器, 与一般的51系列单片机相比, 其拥有操作灵活、功能强大、集成度高等优点。

1 温度控制系统的硬件设计

本温度控制器所设定的温度测量范围为:-50°C~200°C;温度测量精度:±0.2°C;温度控制精度:±0.5°C;所设定的P参数值范围为:0~999;所设定的I参数值范围为:0.1~99.9;所设定的D参数值范围为:0.01~9.99。

1.1 温度控制系统的工作原理

温度控制系统原理框图如图1所示。该系统由模拟量输入通道 (数据采集部分) , 微控制器 (控制决策部分) , 模拟量或数字量输出通道 (控制输出部分) 三大部分组成。其中CPU选用意法半导体公司的ARM处理器STM32F103T6, 该处理器是完全集成的混合信号系统级SOC芯片, 有两个真正的12位多通道ADC, 而且拥有一个可编程增益放大器、两个12位DAC及两个电压比较器, 32K字节FLASH存储器以及Cortex-M3的32位ARM处理器内核。因此, 可以不用外接A/D及D/A转换芯片, 大大简化电路。

该系统中, 由热电偶对温度进行采样, 其输出热电势经放大器使输出为0~2.4V的电压信号, 送入12位的A/D转换器将其转换为数字信号后, 送给单片机, 由单片机进行滤波、线性化、标度转化后再送至显示部分。系统可通过键盘在控制主机上进行温度、PID参数值设置, 最后系统通过采样值、给定值和PID参数值进行计算, 用此值来确定输出的数字量 (或模拟量) , 以控制继电器 (或分度开关) 。

1.2 CAN的通信控制电路

通过CAN总线实现多站点的控制, 即利用PC机向距控制现场较远的节点发送数据, 来控制现场的温度, 现场总线控制网络总体结构如图2所示。STM32F103T6系列MCU内部拥有一个局域网控制器 (CAN) , 其使用遵循CAN通信协议。CAN总线在局域网中的使用则是依照BOSCH协议2.0A (基本CAN) 和2.0B (扩展CAN) 。系统使用CAN总线可传输的数据包括:测量器件参数对应值、给定温度值、PID参数值、测量精度值等, 这些数据将严格按照CAN总线通信协议中规定的数据帧结构进行发送和接收。

1.3 显示电路设计

采用专用LED显示控制芯片MAX7219, 可直接驱动8位8段数字型LED或64只独立LED或条形图显示器。它与微处理器的接口也非常简单, 仅用3个引脚便可实现与微处理器的串行通信, 最高频率为10MHz, 而且软件编程十分简单且灵活。本设计中MAX7219驱动了8个8段的显示器, 通过管脚CLK、DIN、LOAD和STM32F103T6中任意三个具有独立位操作能力的IO口相连。对于MAX7219, 串行数据以16位数据包的形式从DIN脚串行输入, 在CLK的每一个上升沿一位一位地送入芯片内部16位移位寄存器, 而不管LOAD脚的状态如何。LOAD脚必须在第16个CLK上升沿出现的同时或之后, 但在下—个CLK上升沿之前变为高电平, 否则移入的数据将丢失。操作者只需编程发送16位数据包, 就能简单地操作LED的位选以及段选, 设置和改变MAX7219的工作模式。其串行数据格式如图3所示。

D7~D0:8位数据位, D7为最高位, D0为最低位;

D11~D8:4位地址位;

D15~D12:无关位, 通常全取1。

2 系统软件设计

系统逻辑实现主要包括:初始化程序、采样子程序、线性化子程序、显示子程序、键盘控制子程序、PID控制算法子程序、通信子程序。系统主流程图、智能节点发送流程图、主机接收流程图分别如图4、图5、图6所示。

3 系统测试

在环境温度为25℃的实验室内, 用上述系统对一个内装10L自来水的水箱进行了模拟实验, 加热器是一个由继电器控制通断、1500W的电加热器。由于条件所限, 只对30°C~80°C的温度范围做了测试, 其记录数据如表1。

通过以上的数据可以看出, 其最大误差为±0.2°C, 达到预期效果。

4 结束语

本文利用Cortex-M3的32位ARM处理器作为主控制器, 设计了一种温度测控系统。系统中, 为了减小干扰的影响, 数据采集后, 经过低通数字滤波算法处理, 然后用PID算法进行决策输出。同时通过CAN总线上的智能接点对其他从机进行数据传输和数据交换。系统设计结构简单, 可靠性较高。通过测试, 其温度检测及控制调节精度均满足要求, 可推广应用。

摘要：针对目前温度控制在工业生产中被广泛应用, 而传统的温度控制系统是由功能繁杂的大量分离器件构成, 为了节约成本、提高系统的可靠性, 本文设计了一种基于STM32F103T6的温度控制系统。在该系统中, 为了减小干扰的影响, 用低通数字滤波算法对采样数据进行处理, 然后用PID算法进行决策输出。同时, 利用CAN总线和其他节点进行数据交换。经过测试, 该系统的技术指标满足要求, 运行稳定可靠。

关键词：温度控制,低通数字滤波,PID算法,CAN总线

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