基于单片机的LED广告屏设计

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本科生毕业论文（设计）
题目：基于单片机的LED广告屏设计
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层次：专科起点本科
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完成日期：年月日
内容摘要
设计使用STC12C系列高速单片机作为主控制模块，利用简单的外围电路来驱动96×16的点阵LED显示屏。

利用STC12C系列高速单片机本身强大的功能和内部E2PROM，可以很方便的实现单片机与PC机间的数据传输及存储，并能利用软件方便的进行显示内容的多样变化，另一方面点阵显示屏广泛的应用于医院、机场、银行等公共场所，所以本设计具有很强的现实应用性[1]。

本LED显示屏能够以动态扫描的方式同时显示六个16×16点阵汉字，并能通过上位机软件修改显示内容和显示效果等等。

采用IAP在应用可编程技术，把字符内码存储在空闲的单片机程序存储器空间，使本LED显示系统能掉电存储1024个字符。

设计中采用了SPI接口的GB2312标准字库，支持所有的国标字符和ASCII 标准字符的显示。

因为采用串行传输方式，使本系统的可扩展性得到提升，便于多个显示单元的级联。

本文详细阐述了LED动态显示的过程，以及硬件电路的设计、计算和软件的算法。

关键词：单片机；点阵字库；动态显示；串行传输
目录
内容摘要 (I)
1 绪论 (1)
1.1 课题的背景及意义 (1)
1.2 国内外发展现状 (1)
1.2.1 国外LED广告屏发展现状 (1)
1.2.2 我国LED广告屏发展现状 (2)
1.3 本文的主要内容 (3)
2 系统整体方案设计 (4)
2.1 设计要求 (4)
2.2 方案设计 (4)
3 硬件系统设计 (5)
3.1 系统芯片介绍 (5)
3.2 硬件电路设计 (9)
3.2.1 单片机电路设计 (9)
3.2.2 扩展电路和输入/输出通道设计 (9)
3.2.3 控制面板设计 (12)
4 软件程序设计 (14)
4.1 系统控制流程图 (14)
4.2 控制程序的设计 (15)
5 结论 (19)
参考文献 (20)
附录 (21)
1 绪论
1.1 课题的背景及意义
随着社会文化的不断发展，广告牌扮演着越来越重要的宣传角色，不论是汽车站，火车站，股市交易市场，还是学校都离不开它，然而传统的霓虹灯广告牌不论是在显示效果、耗电量还是可修改性上都无法满足当前社会的需求，传统的霓虹灯广告亟待改进[2]。

现在的LED电子显示屏所显内容信息量大，外形美观大方，操作使用方便灵活，该项目广泛涉及了计算机及电子技术中的电源技术、单片机技术、数据通讯技术、显示技术、存储技术、系统软件技术、接口及驱动等技术。

由于单片机技术的不断发展和高亮度LED 发光管的出现,使得大屏幕高亮度电子广告屏成为可能。

与传统的显示设备相比，LED显示设备具有明显的优势：LED 屏色彩丰富，显示方式变化多样、亮度高；LED 屏可以随意修改显示内容；LED 显示屏可用来与计算机屏幕同步。

另外，它以其超大画面、超宽视觉、灵活多变的显示方式等独居一格的优势，广泛应用于金融证券、银行利率、商业广告、文化娱乐等方面。

我国经济发展迅猛，对信息传播有越来越高的要求可以相信，LED电子显示屏以其色彩鲜亮夺目、大的显示信息量、寿命长、耗电量小、重量轻、空间尺寸小、稳定性高、易于操作、安装和维护等特点，将在社会经济发展中扮演越来越重要的角色。

1.2 国内外发展现状
1.2.1 国外LED广告屏发展现状
近几年，同国内LED大屏幕控制器相比，国外发展并不迅速，其LED大屏幕控制器所专用的IC在国内外一直受到关注。

国外的LED大屏幕控制器制造商相继推出一些用于LED大屏幕控制器的专用IC驱动芯片，如TI公司推出的LED驱动器等，而在国内的中庆数字设备有限公司在1997年也推出了LED驱动专用集成电路ZQ9701[3]。

这类芯片比通用的集成度高，使设计简洁方便，功能上也有所提高，不过成本上也相应增加。

国外的制造商纷纷投入力量，研制开发设计适合自己发展的LED大屏幕控制器产品。

其内部的驱动国外在90年代便有使用。

正是由于国内市场发展的迅速，国外的同类产品在中国基本没有市场。

正是由于LED大屏幕控制器行业的竞争越来越激烈。

其部分国外知名企业为提高其产品在奥运会，世博会和未来中国市场的竞争力，正在实施本地化的策略，
独资或合资在国内建立研发，生产基地。

在未来三五年中，会形成几家主导国内市场，与国际接轨的颇具实力的企业。

竞争将使国内LED大屏幕控制器产业逐步趋于成熟和相对稳定，规模化，品牌化将成为行业的趋势并成为未来竞争的主要手段。

1.2.2 我国LED广告屏发展现状
我国的LED大屏幕控制器产业经过几年的发展，基本形成了一批具有一定规模的骨干企业，据不完全统计，至1998年底，年度销售总额在1000万元以上的有20多家，其销售总额达6亿元左右，占行业市场总额的85%以上。

全国从事LED 大屏幕控制器的各类企业有100余家，从业人员近6000人，行业年度销售总额近8亿元人民币。

1996，1997年的增长速度均保持40%左右，1998年略有回落，在国内市场上，国产LED大屏幕控制器的市场占有率近100%。

四十三届世乒赛主会场天津体育中心，京九铁路，北京西客站，首都机场，浦东机场等，均由国内代表企业中标。

我国LED大屏幕控制器产业在规模发展的同时，产品技术推陈出新，一直保持比较先进的水平。

90年代初即具备了成熟的16级灰度256色视频控制技术及无线遥控等国际先进水平技术，近年在全彩色LED大屏幕控制器，256级灰度视频控制技术，集群无线控制，多级群控技术等方面均有国内先进，达到国际水平的技术和产品出现；LED大屏幕控制器控制专用大规模集成电路也已由国内企业开发生产并得到应用[4]。

LED大屏幕控制器产业培养形成了一批LED大屏幕控制器科技队伍，在全国LED大屏幕控制器行业的从业人数6000人中，科技人员有2800人，将近50%，LED大屏幕控制器行业正成为我国电子信息产业的重要组成部分，也是平板显示领域唯一立足国内形成的民族高科技产业。

LED大屏幕控制器的应用涉及社会经济的许多领域，主要包括：证券交易，金融信息显示；机场航班动态信息显示；港口，车站引导信息显示；体育场馆信息显示；道路交通信息显示；调度指挥中心信息显示；邮政LED大屏幕控制器；广告媒体新产品。

1.3 本文的主要内容
本文研究的是基于单片机的温度控制系统设计。

全文共分为五章，各章内容简介如下：
第一章绪论，简述课题的背景和意义、论题的国内外发展现状，介绍论文的主要内容；
第二章详细讲述了LED广告屏的整体方案设计；
第三章LED广告屏系统硬件电路设计；
第四章LED广告屏系统软件电路设计；
本文最后对全文进行总结，并指出了研究课题的未来发展方向。

2 系统整体方案设计
2.1 设计要求
因本设计采用软件来实现滚屏，且传输方式为串行方式。

所以对微控制器单元的处理速度要求较高，可供选择的有ARM7和高速8位单片机。

ARM的处理速度极快，但对于条屏的应用，ARM内部的资源浪费严重，且成本较高。

因此选择高速8位单片机作为控制器，常见的高速8位单片机有AVR系列单片机，C8051F系列单片机，STC12C系列单片机。

这几种单片机的处理速度均能达到1MIPS/MHz（在时钟频率为1MHz时处理能力为每秒100万条指令），但AVR系列单片机的极限时钟频率只能到16MHz，而C8051F系列SOC类似于ARM7,时钟速度可到100MHz,但会浪费其内部丰富的资源而且价格昂贵，用在单色条屏的控制中颇感浪费。

于是最佳选择为STC12C系列单片机，其最高时钟能到48MHz，且有较丰富的接口及存储器资源，价格极其低廉，零售价仅为9元/片。

大幅降低了产品成本。

除了基本要求外，本设计还要实现显示单元数目的随意扩展。

在传统的并行传输方式中，因受到列数据锁存器地址线数目的制约，不能随意的增添显示单元，且每个显示单元的电路结构不同,PCB结构也不同，完全不符合模块化设计的要求。

因此摒弃了传统的并行传输方式，而采用独特的串行锁存技术，通过控制五根总线就能实现各显示单元之间的列数据锁存。

不仅板间连接简单，更是降低了PCB 布局及布线的难度。

每个显示单元的PCB都是完全一样的，便于量产。

2.2 方案设计
通过前面对各种方案的比较与分析，初步构建硬件系统框图如图2.1
图2.1 LED显示屏硬件框图
在图2.1中，X0、X1—Xn为显示单元。

每个显示单元由一个16×16点阵的LED模块和一个16位宽的移位锁存器（串行—并行转换器）构成。

所有显示单元的16根行线均连接到公共的行扫描驱动电路。

而每个显示单元的列数据则由16位移位锁存器并行输出口提供。

中央微处理器MCU负责与所有外围设备的协调通信，以及各种算法的处理。

MCU用通用I/O口来驱动行扫描驱动电路。

用通用I/O口模拟同步串行接口以实现和列数据锁存器（移位锁存器）之间的单向通信。

MCU通过内部集成的SPI接口和字库芯片进行双向通信。

PC机的RS-232C电平经过转换后，通过UART接口与MCU进行双向通信。

电源则为各个模块提供稳定的电压以及足够的电流。

3 硬件系统设计
3.1 系统芯片介绍
1、STC12C5412AD
STC12C5412AD引脚配置图如图3.1所示。

图3.1 STC12C5412AD引脚图
根据方案论证的结果，本设计采用STC12C系列的STC12C5412AD作为主控芯片。

STC单片机是深圳宏晶科技的IC产品。

STC单片机完全兼容传统51内核，因此使用的编译器和指令代码都和传统51单片机相同。

对于STC12C5412AD，主要特性见表3.1。

表3.1 STC12C系列单片机主要特性
对于单色动态条幅屏的应用需要，STC12C5412AD单片机有以下突出的优点：（1）较高的处理速度和时钟频率，能轻松的实现条屏的各种移动算法。

（2）有SPI和UART两个串行口，能实现与字库芯片或PC机之间的数据交换。

（3）有内部E2PROM，可用于掉电存放条屏的各种设置参数、汉字内码等数据。

（4）ISP/IAP功能，使芯片可以不脱板下载程序，便于产品的软件升级。

（5）内部看门狗，使条屏可以工作在恶虐的电磁环境下。

（6）宽电压范围，条屏的负载端电压的波动不会影响其正常运行。

（7）丰富的I/O口，可以代替LED行扫描用的行选通译码器，降低成本。

2、字库芯片GT21L32S4W1。

本设计所选用的字库芯片GT21L32S4W1，是集通数码科技的产品。

GT21L32S4W1是一款支持GB2312字符集（6763字）的11×12、15×16、24×24、32×32点阵字库芯片GT21L32S4W1的引脚配置图如表3.2所示。

表3.2 字库芯片GT21L32S4W1的管脚定义
3、串行通信芯片MAX232
在本系统中，PC 机与单片机之间的通信是近距离的串行通信，可以采用由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片[5]。

由于电脑串口rs232电平是-10v～+10v，而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL电平0～+5v,max232的其引脚图如图3.2所示。

图3.4 MAX232引脚图
4、电源芯片LM1117-3.3
图3.5中，右上角虚线框内为3.3V稳压电路。

采用的是LDO低压差线性三端稳压器件LM1117-3.3（或与之性能完全相同的REG1117-3.3），外围的电容起到滤波和高频旁路作用，能有效地降低电压纹波及防止稳压芯片的高频自激[5]。

LM1117-3.3是一款性能优良的3.3V LDO，它在800mA输出的时候，只需要1.2V的输入输出压差。

效率较高，常用于MCU,MPU,ARM等对电源电压要求较为严格的场合。

LM1117-3.3的封装及引脚如图3.5所示。

图3.5 LM1117引脚排列及封装
3.2 硬件电路设计
3.2.1 单片机电路设计
根据本条屏的实际运用要求，参考STC单片机官方数据手册上的应用指南，设计单片机系统电路如图3.6所示。

图3.6 单片机系统电路
在图3.6中，有源晶振为单片机提供40MHz，0-5V幅度的高精度时钟。

其时钟的频率精度可以到达10-7级别，频率的稳定性可以到达10ppm/℃。

根据STC单片机数据手册约定，外部有源时钟应从XTAL1脚输入，XTAL2必须保持浮空。

图中1uF的电解电容和10KΩ的电阻构成微分电路，在系统上电的瞬间，为单片机RESET 脚提供约2mS的高电平脉冲，使单片机上电后立即可靠复位。

图中的100uF电解电容和两个0.1uF独石电容，为单片机的供电电源进行滤波和高频旁路，滤除MCU 及有源晶振对电源系统造成的高频脉动成分，提高系统的稳定性，降低对外电磁辐射。

旁路电容采用独石电容，其优点是高频特性优良。

在高频电流通过的时候，独石电容介质上的损耗小，因而对高频成分的容抗较小，旁路效果优于电解电容，金属膜纸介电容，瓷片电容等。

而且独石电容的耐压较高，在高电压脉冲下不易击穿。

3.2.2 扩展电路和输入/输出通道设计
1、字库芯片与单片机的接口设计
参考GT21L32S4W1官方提供的应用指南，结合本系统的具体要求，设计GT21L32S4W1与单片机的接口电路如图3.7所示。

图3.7 字库芯片与单片机的接口
因为GT21L32S4W1的供电电压为3.3V，而本条屏是5V系统。

所以必须对电源电压及接口电平进行5V-3.3V的转换。

2、5V-3.3V的电平转换电路设计
图3.8中，左边虚线框内为5V-3.3V的电平转换电路。

从STC12C系列单片机的数据手册可知，当I/O口被配置为弱上拉准双向口时，内部的上拉电阻约为10KΩ。

图3.8 电阻分压式电平转换原理
虚线框内为单片机I/O在准双向口配置时的等效电路。

R0为等效上拉电阻，由于制造工艺的离散性，其阻值约为10KΩ左右。

如果不接入R1，在I/O被置为1电平的时候，MOSFET关断，I/O上的电压被R0上拉至VCC +5V。

此电压若直接输入3.3V的字库芯片，因字库芯片引脚的输入阻抗很高（MΩ级别），5V的电压
基本全部施加在字库芯片上。

这样就可能造成字库芯片过压损坏。

因为STC单片机内部是CMOS工艺，其“1”“0” 电平的阈值电压为1/2VCC 即2.5V。

也即是说，当输入电压低于2.5V，单片机就认为输入0。

反之，输入电压高于2.5V，则单片机认为输入1。

为了使I/O口输出的高电平电压低于字库芯片的接口最大耐压3.6V，在单片机与字库连接的I/O输出端，加上一个22KΩ的下拉电阻R1。

根据串联分压原理，此时I/O对地的高电平电压为，R1与I/O口内部弱上拉电阻R0对VCC+5V的分压，经计算输出高电平约为3.4V左右，低电平为0V。

高电平电压高于单片机I/O逻辑阈值1V左右，因此不会发生逻辑混乱。

通过这种简易的方法进行逻辑电平转换，既保证了低压字库芯片的安全，又节省了硬件成本。

3、单片机与PC间通信接口电路设计
根据本条屏的需要，设计单片机与PC间通信接口电路如图3.9所示。

图3.9 MAX232通信接口电路
图3.9中，左边虚线框内的DB9连接器，既作为通信接口，又用做电源输入。

提高了板载元件的利用率。

多脚并联的方式可以减小插接件的接触电阻。

外部输入的5V电源从DB9连接器的6、7、8、9脚输入，在1000uF电容中储能。

储能电容可以在开机瞬间向系统提供较大电流，使单片机等正常启动。

电源经由电源开关S1后进入单片机，显示单元等各部分。

4、行驱动电路设计
因为本设计要求的行驱动电流较大，目前尚无合适的集成电路来胜任。

因此
本设计的行驱动电路采用三极管扩流方式，如图3.10。

图3.10 两种三极管扩流方式（共集，共射）
共集驱动方式，又称射极跟随器，当电源电压足够时，在负载上获得的电压始终等于基极对地电压Ub减去发射结压降Ube。

硅管的Ube一般为0.7V左右，因此在5V供电系统中，在负载上最多能获得4.3V的电压，若Ic=1 A 则在三极管上的管耗为1A×0.7V=0.7W，管耗较大，需选用中功率的管子。

还有一个重要的特点，共集电路的基极是用高电平驱动，而单片机在复位期间，所有I/O口都呈现高电平[6]。

这样的话，在开机上电复位的瞬间，在所有的行线上都会获得电压。

而造成开机瞬间全屏显示或造成巨大的浪涌电流冲击，使电源电压跌落，单片机工作异常。

而使用共射驱动方式的话，同样的电源电压下，负载端能获得4.7V的电压，Ic=1A时的管耗只有0.3W。

因此可选用小功率器件。

共射电路的基极驱动是用低电平，这就不会造成上述共集电路的浪涌电流影响。

同时，大部分单片机的I/O 是弱上拉输出，也即是单片机能承受较大的灌电流，而只能提供微弱的拉电流。

因此，综合权衡利弊，本设计采用PNP管共射电路作为行扫描线驱动。

现对行驱动电路各元件参数进行计算。

3.2.3 控制面板设计
为了提高点阵LED的视觉亮度，本设计用行线做扫描线，列线做数据线。

每行的显示占空比为直流情况下的1/16。

为了再进一步的提高视觉亮度，选用了红
绿双色LED点阵模块YLM2388ASRG，每个点阵内部有红色，绿色两个发光体。

两组发光管公用8根行线，列线独立。

本设计将两组LED合成一组使用。

由于红光和绿光的光子能量不同，红色LED的发光门限电压要比绿光稍低，因此红绿LED不能简单并联使用。

如果这样，绿色LED的端电压就会受红色LED 的钳制而不发光。

为此，在红绿色LED各自的阴极回路（列线回路）中串联了一个分压电阻，以削弱红色LED的电压钳制作用，使两组LED均能正常发光，根据色光的合成原理，红绿色加光混合后呈现黄色。

本设计显示单元以电路如图3.11。

图3.11 16×16LED显示单元电路
4 软件程序设计
4.1 系统控制流程图
本系统的处理器是兼容8051指令集的高速单片机STC12C5412AD。

为此，首选Keil μVision作为其开发工具。

Keil μVision是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。

其功能强大，生成的代码紧凑，是目前世界上使用最广的51系列兼容单片机开发工具[7]。

本设计中，单片机软件是采用C51语言编写，C51语言是ANSI C的扩展集，其语法结构、关键字等与ANSI C绝大部分是相同的。

与汇编相比，C51语言在功能上、结构性、可读性、可移植性、可维护性上有明显的优势。

根据本设计的应用要求，设计流程如图4.1示。

图4.1 单片机软件流程
4.2 控制程序的设计
1、 UART异步串行口波特率计算
本系统中单片机UART串行口工作在模式1，即可变波特率10位异步收发模式。

对于STC12C系列单片机，T1的工作频率可由AUXR寄存器设置在12倍频或1倍频模式。

因此，STC12C系列单片机串口模式1的波特率由定时器T1的溢出率，和SMOD、AUXR寄存器值共同决定。

单片机即为溢出周期的倒数，即：
溢出率=)
256(12X f OSC - 由上式可得： )
256(12322126.X f OSC SMOD
AUXR -⨯⨯=波特率 为简化计算过程，使用专用波特率计算软件进行波特率匹配计算。

图4.2 利用专用工具计算波特率
如图4.2示，由软件计算出单片机工作在40MHz 时钟时，用T1的方式2自重装模式可获得600 bps 、1200 bps 、9600 bps 等波特率。

其中9600bps 为工业标准波特率，误差为-1.36，误差在PC 机允许的4.5%之内。

为提高传输速度，本设计在9600 bps 的基础上12倍频，最终获得115200bps 的波特率。

这时对单片机的特殊功能寄存器配置为：
T1重装值为0xF5；
AUXR.6=1。

2、SPI 同步串行口波特率计算
在与字库芯片的通信中，需要用到高速同步串行口SPI 。

其移位时钟速度不得大于字库芯片所能承受的最大访问速度40MHz 。

STC12C 系列单片机SPI 的时钟速度由特殊功能寄存器SPCTL 的bit1,bit0位决定。

当单片机工作主频为40MHz ，SPCTL.1=0,SPCTL.0=0时，SPI 能获得最大时钟速度。

F CLK =f OSC /4=40/4=10MHz 。

3、汉字内码与点阵地址的换算
根据字库芯片GT21L32S4W1的官方资料，得到计算方法如下：
约定Address 为4字节宽的unsigned long 型数据，表示点阵数据在字库中
的物理地址。

Charctor为2字节宽的unsigned int型数据，表示汉字的内码。

对于16×8的半角字符，点阵在字库芯片中的基地址为0x1DD780
Address=(unsigned long)((charctor-0x0020)*16)+0x1DD780;
对于16×16的全角字符，点阵在字库芯片中的基地址为0x2C9D0
if((charctor>>8)>=0xA1 && (charctor>>8)<= 0xAB)
Address=(((charctor>>8)-0xA1)*94+((charctor&0xff)-0xA1))*32+0x2C9D else if((charctor>>8)>=0xB0 && (charctor>>8)<= 0xF7)
Address=(((charctor>>8)-0xB0)*94+((charctor&0xff)-0xA1)+846)*32+0x 2C9D0;
4、片上E2PROM的空间分配
STC12C系列单片机是采用IAP(在应用可编程)技术，把内部除了程序占用空间以外的Flash存储区当作E2PROM使用。

因此E2PROM在Flash物理空间中的地址应由程序代码的大小决定。

本设计的单片机代码量为5.2K字节。

仅占用整个Flash空间的前11个扇区（每扇区512字节），因此从第12扇区到第24扇区共6K字节的Flash空间可做E2PROM使用。

考虑到以后对程序的修改、显示功能的完善等。

给程序预留9.5K字节的空间。

仅使用第20扇区到第24扇区共2.5K字节Flash作为E2PROM使用。

在E2PROM中，第20扇区保存了上位机对下位机的各项设置常数，第21扇区到第24扇区则保存着待显示汉字的GB2312标准内码。

本设计中，对E2PROM的空间规划如图4.3所示：
图4.3 单片机内部E2PROM空间规划
5、单片机与PC机间的通信协议
一个最完整的通信系统至少是由通信链路和通信协议两部分组成。

本设计使用的链路是符合EIA（美国电子工业协会标准）的RS-232C链路协议。

本设计制定上位机往下位机发送命令/数据流的帧格式如图4.4示。

图4.4 数据流的帧格式
根据图4.4的帧格式，制定通信协议如下：
（1）下位机不断检测收到的数据，若检测到握手字0xA0则执行II，否则重复I
（2）继续接受1字节数据，若为同步头0xFA则执行III，否则跳转至I （3）下位机连续接受7字节的设置数据，并返回各字节数据的反码
（4）上位机不断检测下位机发出的取反校验字，若校验出错则报警，否则执行5
（5）上位机继续向下位机发送汉字内码数据
（6）下位机不断接收内码并保存，但不返回校验字
（7）若下位机检测到上位机发出的传输结束命令字0x8F，则结束通信过程由于本系统为有线传输，的通信电缆长度仅为5米，故在通信过程中产生误码的几率很小。

在软件的协议处理中未作复杂的校验计算。

5 结论
现代信息社会中，作为人——机信息视觉传播媒体的显示产品和技术得到迅速发展，进入二十一世纪，光电子产业得到社会广泛的重视，信息显示技术将是平板显示的时代，LED大屏幕控制器作为平板显示的主导产品之一无疑会有更大的发展。

在此LED点阵显示系统中，由于我采用了STC12C系列混合信号高速单片机和专用字库芯片，并且采用串行移位寄存器74HC595作列线驱动，使本设计的硬件成本大幅下降，而又提高了显示单元的可扩展性。

因为使用了高速单片机，使本系统的动态刷新率，移动速度等得到保障。

本设计充分利用了单片机的E2PROM、SPI等片上资源，节约成本的同时使外围电路简洁美观，故障率降低。

总体的性能指标均达到或超过了题目的要求。

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