什么是ad5700,ad5700的基础知识?


引言
在当今工业自动化和嵌入式系统领域,对精确可靠的信号调理和数据转换解决方案需求与日俱增。随着工业现场总线(Fieldbus)技术的不断演进,各种需要高效、稳定、低功耗的数字通信接口芯片日益受到工程师们的关注。Analog Devices(ADI)作为业内领先的高性能模拟与混合信号半导体厂商,其推出的AD5700系列工业通信接口芯片在现场总线领域具有重要地位。本文将对AD5700系列芯片进行全面而详细的介绍,从其发展背景、核心功能、内部架构、关键技术指标、工作原理、外部接口设计、应用场景到选型建议等多个方面展开,力求为读者提供一份详尽且实用的参考资料。
AD5700概述
AD5700是Analog Devices推出的一款支持多种工业现场总线协议、集成调制和解调功能的数字信号调理芯片系列。该系列芯片通过内部表征电路,实现对数字数据的有效编码与调制,将数字信号转换为符合HART(Highway Addressable Remote Transducer)、MODBUS、4–20 mA环路或者其他工业通信协议标准的模拟信号输出,同时也能将接收的模拟信号解调为数字数据,完成与主控微控制器或数字处理单元之间的双向通信。AD5700系列芯片集成度高、功耗低、抗干扰能力强,并且具有丰富的可编程寄存器和数字滤波功能,可广泛应用于传感器接口、智能远程终端、现场数据采集、工业控制器、过程监控、无线HART网关等场景。
AD5700系列具体包括AD5700-0、AD5700-1、AD5700-2等多个型号,主要区别在于内部可配置的通信协议栈支持、隔离需求以及输出驱动能力等方面。例如AD5700-0主要针对通用HART通信,AD5700-1在此基础上新增对4–20 mA环路供电的支持,适用于直接驱动模拟控制回路的场合,AD5700-2则集成了针对MODBUS RTU协议的硬件加速功能,使得用户可以更加便捷地接入MODBUS总线。通过对系列芯片不同型号的选择与组合,工程师能够依据项目需求灵活搭配,实现从单纯数字信号到多种工业协议的无缝转换与连接。
核心功能与特点
AD5700系列芯片具备以下几大核心功能与显著特点:
多协议支持
AD5700内部集成了HART物理层与协议层电路,可直接与HART主站交换数字数据,并具备多种通信速率支持(如1200 bps标准HART速率、9600 bps快速HART等);针对4–20 mA环路,它可提供驱动能力,直接输出电流环路信号,实现数字与模拟信号的无缝切换;部分型号还原生支持MODBUS RTU协议,通过硬件实现对RTU帧的加速收发,大幅降低MCU负担。高集成度设计
为减轻系统设计复杂度,AD5700系列在单芯片内部集成了数字调制器、模拟前端(AFE)、数字解调器、可编程增益放大器(PGA)、高精度参考电压源以及可配置CRC校验单元。这样,无需外部复杂的模拟滤波电路和参考源,用户只需按照典型应用电路连接外围电阻、电容等元件,即可实现稳定的HART和4–20 mA通信。低功耗与待机模式
在对现场设备供电资源有限的场合,功耗是关键指标之一。AD5700在正常通信状态下功耗较低,而在待机或休眠模式下更将功耗降至微安级别,满足电池供电或者长距离传感器节点的需求。同时其支持通过数字寄存器配置切换不同功耗模式,使功耗管理更灵活。高抗干扰性能
在工业现场,电磁干扰来源复杂,尤其是长距离传输、开关电源噪声等极易扰乱低电平模拟信号。AD5700集成了高性能差分放大输入、宽带模拟滤波器以及数字滤波器算法,能够在强噪声环境下保持较高信号完整性,保证数据通信可靠性。此外芯片内部对地电位差提供一定的容忍度,减少地环路干扰对通信的影响。可编程性与灵活配置
AD5700系列通过SPI或I²C接口与主控MCU连接,用户可以通过配置芯片内部寄存器实现对调制信号频率、振幅、数字滤波带宽、输出电流限制、环路负载检测电阻值等多项参数的灵活调整。芯片还支持存储用户参数到非易失性存储区,断电后自动恢复,简化现场维护工作。宽工作电压与温度范围
大多数现场设备需要在-40 ℃到+85 ℃甚至更恶劣的环境下稳定运行。AD5700的工作电压范围通常在3.3 V到5.5 V之间,并支持宽温度覆盖,使其能够适应对电源不稳定、温度波动较大的工业现场需求。小封装与易布局
为节省系统PCB面积,AD5700系列芯片提供了节省空间的TSSOP或VQFN封装,体积紧凑,便于与其他高密度元件共存。芯片引脚布局优化了模拟接地和数字接地的隔离布局要求,进一步提升了抗干扰性能。
架构与工作原理
AD5700系列芯片的设计可分为三大模块:数字接口与控制模块、数字调制/解调模块、模拟前端(AFE)模块。以下详细概述各模块功能与相互配合方式:
数字接口与控制模块
该模块通过SPI或I²C总线与主控MCU或FPGA对接,承担寄存器读写、中断触发、状态监测、工作模式切换等控制任务。主控MCU通过该接口配置芯片寄存器,包括选择具体的通信协议(HART、MODBUS)、设置调制参数(载波频率、幅度、限幅保护)、配置数字滤波器参数以及读取通信状态(如环路电流监测、载波检测等)。控制模块还负责生成内部时钟信号,驱动数字调制解调单元,在待机模式下可将内部时钟频率降低以节省功耗。数字调制/解调模块
对于HART协议,AD5700内部集成了符合IEC 61158-2标准的FSK(频移键控)调制器/解调器,能够在4–20 mA环路上叠加1 kHz与2 kHz双音频信号表示逻辑‘1’与‘0’。当主控MCU发送数字数据时,调制器将数字比特流转换为FSK信号,通过可编程增益和累加滤波电路控制输出电平,以保持环路电流在4 mA到20 mA之间的动态变化。当接收到来自环路的FSK信号时,解调器将通过内置的锁相环(PLL)与数字滤波算法提取出基带数字数据,并将其送回至数字接口模块以供主控MCU读取。模拟前端(AFE)模块
模拟前端模块主要负责与外部4–20 mA电流环路或差分信号源连接。输入端通过差分运算放大器和低噪声前置放大电路实现对外部HART信号的采样,内置带通滤波电路去除工频与高频干扰;输出端则配备高精度DAC与可编程增益放大器,控制输出环路电流在指定范围内变化,并通过内部电阻网络与外部负载匹配,保证环路驱动能力。对于MODBUS RTU场景,AFE模块则将串行数字信号转为TTL/RS-485电平,通过外接隔离器或差分驱动器实现总线物理层连接。电源管理与保护电路
AD5700内部集成了一个高精度基准电压源,为内部模拟电路和ADC/DAC提供稳定参考。为了满足现场供电弱电流应用,芯片还设计了多种电源管理策略,包括软启动、欠压锁定保护(UVLO)、过流保护(OCP)等。当检测到环路负载变化过大或短路现象时,芯片会自动限制输出电流,并通知主控MCU,确保整个系统的安全性与可靠性。
主要技术参数
在选择与应用AD5700系列芯片时,深入理解其核心技术参数,对于系统设计至关重要。以下针对常用型号(如AD5700-0、AD5700-1)列出主要参数,并进行详细解析:
工作电压范围
AD5700:3.3 V ~ 5.5 V,推荐工作电压:5 V。该电压范围可直连常见单片机I/O电平,便于系统集成。供电电流
正常通信模式下典型电流约为3 mA ~ 5 mA(取决于通信速率与负载),待机模式下电流可降至几微安量级(约8 µA)。这种低功耗特性非常适合需要长期监测或电池供电的远程传感节点应用。工作温度范围
-40 ℃ ~ +85 ℃,工业级规格。可在较严苛温度环境下稳定工作。FSK调制器性能(适用于HART模式)
调制频率:1 kHz(逻辑1)与2 kHz(逻辑0),符合HART规范。
频率稳定度:±50 ppm,保证在温度与电压变化环境下信号准确。
调制深度:可在寄存器中通过编程设定,典型值约为±30 mA。
输出环路电流:4 mA ~ 20 mA可编程,具有精度±0.01 mA。
解调器性能(适用于HART模式)
接收灵敏度:典型-30 dBm,能够接收较弱的FSK信号。
带通滤波:内置数字滤波器,带宽约300 Hz ~ 3 kHz,可有效抑制工频干扰。
锁相环(PLL)环路带宽:约50 Hz ~ 200 Hz,适当平衡噪声与环路响应速度。
DAC性能(输出环路控制)
分辨率:12 位,物理输出电流步进约为0.004 mA。
精度:±0.5 LSB,结合内部参考,可保证在4–20 mA环路中有较好的线性度。
输出驱动能力:可驱动最大600 Ω环路负载(在25 ℃、20 mA输出电流时电压降约12 V)。
ADC性能(环路电流测量与环路状态监测)
分辨率:12 位,测量精度±0.1 %,可实时监测环路电流、环路电压以及温度等参数。
采样率:可达10 kSPS,可用于快速检测突发状况。
数字接口
SPI模式:支持时钟频率最高可达5 MHz,模式0/1/2/3可配置;CS、SCLK、MOSI、MISO四线;支持寄存器读写、中断请求信号(可选)。
I²C模式:支持标准100 kHz与快速400 kHz波特率,具备7位设备地址,支持多主机与多从机配置。
存储与寄存器
内部寄存器集:共64个寄存器,包括通信控制寄存器、调制器/解调器配置寄存器、环路电流设置寄存器、数字滤波寄存器、中断状态寄存器等。
EEPROM:集成8 kbit EEPROM,用于存储设备特定参数、用户预设配置和校准常数。断电后保留设置信息,免去现场重新配置的烦恼。
封装与外形尺寸
TSSOP-16(封装尺寸:6.4 mm × 4.4 mm);引脚间距0.65 mm。
VQFN-20(封装尺寸:4 mm × 4 mm);引脚间距0.5 mm。两种封装形式可供选择,适应不同PCB密度与布局需求。
EMC与ESD保护
模拟输入/输出端具有±15 kV人体模型ESD保护。
内部带有稳压抑制二极管(TVS)接口,可帮助抑制瞬态电压冲击,满足工业环境强干扰要求。
模拟与数字接口设计要点
在实际应用中,AD5700的外围电路设计对系统性能至关重要。下面分别针对模拟接口与数字接口给出设计建议:
模拟输入/输出接口设计
环路电流检测阻值:
为了准确测量4–20 mA环路电流,需要在环路中串联一只高精度采样电阻。典型阻值为100 Ω,可将环路电流转换为0.4 V ~ 2 V的电压信号,再由内部差分放大器输入到解调器进行处理。更高或更低的电阻值可根据系统电压余量进行调整,但需保证ADC输入范围与芯片规格一致。滤波电容与去耦电容:
在模拟前端外部,应在环路采样端到地端添加0.1 µF~1 µF的高品质陶瓷电容,以滤除高频干扰信号。同时,供电引脚需在芯片近旁放置10 µF和0.1 µF组合的去耦电容,确保内部参考与放大器稳定运行。信号隔离与共模抑制:
若系统需要与高电压环路或不同地电位设备共存,应在AD5700与微控制器之间增加光耦或数字隔离器以确保数字总线隔离。对于模拟环路信号,可以通过差分布局、对称布线减少共模干扰。负载匹配与驱动能力:
当环路需驱动较大负载(如600 Ω或更大)时,应评估外部电源电压裕度,并考虑在输出端加装外部功率驱动器或功率晶体管以分担负载。AD5700虽然内置一定驱动能力,但在最大环路负载与高温环境下,输出电流可能受限,需充分评估PCB走线电阻与铜箔厚度。数字接口设计要点
SPI/I²C布线:
对于SPI接口,须保证数字走线短且阻抗匹配良好,减少串扰与反射。SCLK线尽量与MOSI、MISO分开布线,避免并行走线引入干扰。CS片选信号在不使用时应拉高,防止误触发。逻辑电平兼容性:
AD5700的数字I/O最大可连接至3.3 V或5 V的MCU I/O口,但务必确认片选、时钟以及数据输入端逻辑阈值,以避免电平不匹配导致通信错误。必要时,可加装电平转换芯片。中断与状态监测:
若应用场景需要快速响应HART事件(如主站下发新命令)或环路故障(如断路、短路),可将AD5700的中断引脚(INT)连接至MCU外部中断口。通过寄存器配置,可在环路电流超过阈值或调制信号解码完成后触发中断,中断服务过程中可及时获取状态寄存器信息,做出相应处理。上电时序与复位:
AD5700上电时需要遵循EPOR(External Power On Reset)和POR(Power On Reset)时序,确保VDD上升到最小工作电压后至少等待1 ms再开始与MCU进行SPI/I²C通信。若系统中存在多个电源轨,应使用电源管理IC实现序列化上电,以免数字总线在模拟电源尚未稳定时被MCU误操作。
主要应用领域
凭借高集成度、低功耗与多协议支持等优势,AD5700系列芯片广泛应用于以下领域:
智能传感器与无线HART节点
现代工厂现场中,温度、压力、流量等传感器日益智能化,需要将测量数据通过HART协议实时传输至分布式控制系统(DCS)。AD5700作为HART物理层的桥接芯片,可将传感器输出的数字数据调制为FSK信号叠加在4–20 mA环路上,实现测量与通信功能的一体化。结合无线HART网关,无线传感器节点可灵活部署,极大提高现场安装与维护效率。可编程逻辑控制器(PLC)远程I/O模块
PLC通常通过数字或模拟模块采集现场数据,再与上位机进行交互。若采用HART现场设备,传统PLC需要额外HART主站模块来解码FSK信号。将AD5700集成于PLC I/O模块,可让模块兼容HART信号,实现数字与模拟信号的统一处理,大幅降低系统成本与设计复杂度。智能执行器与调节阀
在过程控制系统中,执行器常需要接受从控制器输出的4–20 mA标准信号,并输出特定位置的闭环反馈。AD5700可直接驱动4–20 mA信号,同时解调返回的反馈信号,将阀门位置或执行器状态数字化,再通过SPI上报主控MCU,实现执行器的智能化设计。现场网关与协议转换器
作为连接现场设备与上层控制系统的网关,通常需要支持多种协议,如HART、MODBUS、Profibus等。AD5700系列中的MODBUS硬件加速型芯片,可直接对接RS-485总线,将串行信号转换为TTL逻辑,再交由MCU处理协议层。此做法不仅提高网关响应速度,也减轻MCU负担,降低实施成本。远程数据采集(RTU)与SCADA系统
在电力、石油、化工等行业,数据采集终端(RTU)需要将来自多种类型的现场变送器(模拟4–20 mA、数字HART、数字MODBUS等)的信号汇集并传输至SCADA系统。通过在RTU中集成AD5700,可直接采集HART数字数据,同时兼容传统4–20 mA,对多种变送器接口进行无缝融合。自动化测试与标定设备
在制造与维护过程中,对HART变送器进行标定与测试时,需要提供标准FSK信号与环路模拟信号。AD5700可充当信号源与解码器,结合上位机软件实现自动化标定流程,大幅提升效率与精度。
典型参考设计与电路实现
为了帮助工程师快速上手,ADI提供了详尽的AD5700参考设计与评估板(EVAL-AD5700)。以下以HART通信为例,概述几类常见参考电路设计要点:
最简HART通信模块
该模块主要包含AD5700芯片、一只100 Ω采样电阻、一对400 kΩ负载电阻(用于测试)、两只0.1 µF去耦电容以及SPI接口与MCU连接线。电源为5 V,由MCU供电。AD5700按照典型应用电路连接后,输入端与环路正极相连,经100 Ω电阻与环路负极相连,将环路电流转换为电压信号输入芯片;输出端则通过内部DAC驱动环路。MCU通过SPI定时读取解调数据,并根据业务逻辑决定发送或应答HART命令。该电路结构简单,适合传感器制造商进行快速验证。4–20 mA环路兼HART模式混合设计
在许多工业现场,传感器不仅需要4–20 mA模拟输出,还需要传输HART数字信息。此时可采用AD5700-1型号:在硬件电路中,设置一个环路供电源(比如24 V DC)为传感器电源与环路信号提供能量;AD5700内部DAC根据MCU指令调节输出电流,同时还可接收环路上的HART信号并解调为数字信息反馈给MCU。参考设计中通常在AD5700的环路检测端加装一个专用放大器与ADC,用于实时监测环路电压与电流,以实现更精确的闭环控制。MODBUS RTU接口电路
对于需要将现场设备接入MODBUS RTU总线的场合,可在AD5700-2与RS-485收发器之间添加一对隔离放大器或光耦隔离器。MCU通过SPI与AD5700-2通信,AD5700-2将接收到的FTDI逻辑或TTL电平转换为RS-485差分信号驱动总线,反之亦然。当总线接收到MODBUS命令时,AD5700-2自动进行CRC校验与帧识别,并将有效数据通过SPI传递给MCU进行后续解析。此方案可大幅简化MCU对MODBUS低速硬件层的设计,实现软硬件分层,提升系统可靠性。隔离型通信模块
在电力或重工业领域,为了确保人员与设备安全,需要对通信模块进行隔离设计。此时可将AD5700置于数字侧或模拟侧,通过高速数字隔离器(如ADuM系列)将SPI或UART与主控MCU隔离;同时将环路与地隔离,防止地环路电流干扰。参考设计中常见隔离方案包括:AD5700一侧使用隔离DC/DC模块供电,另一侧MCU电源单独隔离;信号层面采用光电隔离或磁隔离技术,以实现全隔离设计。
软件与编程指南
除了硬件上正确布局和连接,AD5700的功能还需要在软件层面配合完成对寄存器的初始化、通信时序控制与数据解析。以下概要性介绍常见的软件设计流程与编程技巧:
寄存器初始化与配置
上电复位后,首先应通过软件复位命令(Reset)将AD5700内部状态寄存器复位到默认值。复位命令通过SPI写入特定寄存器实现,同时需等待数十微秒保证复位生效。
配置时钟与数字接口:选择SPI或I²C模式后,通过时序控制初始化数字接口寄存器。例如,若使用SPI通信,需要配置CPOL、CPHA模式、最大通信速率,以及片选极性等。
配置FSK调制参数:根据HART协议规范,设置内部PLL参考时钟、频率分频比、调制深度、输出幅度等参数;若使用快速HART(9600 bps),还需设置适当的发送与接收带宽。
设置DAC输出范围:通过写入DAC增益与偏置寄存器,确定输出环路电流范围,例如设定为4 mA ~ 20 mA,并校准环路采样电阻系数,以保证环路电流线性度。
配置数字滤波器:针对现场噪声环境,可通过寄存器设置数字滤波器带宽与阶数,滤波带宽需在HART信号带宽(0.5 kHz ~ 2.5 kHz)之内,以尽可能抑制工频及开关电源噪声。
HART通信过程解析
发送命令:主控MCU将要发送的HART命令帧(包括前导码、地址域、命令码、数据域、CRC校验码)按比特序列写入AD5700的发送FIFO寄存器;芯片内部数字调制器根据当前模式开始调制,产生对应的FSK信号并叠加至4–20 mA环路。
接收应答:HART主站发送命令后,现场设备(或HART从站)产生响应帧,AD5700的解调器会对环路信号进行采样、滤波与PLL锁定,最终将恢复的比特流写入接收FIFO。MCU通过读取接收FIFO寄存器,解析比特帧并验证CRC校验,获取有效的从站数据。
错误检测与重发机制:在HART通信过程中,如果CRC校验失败或在指定时间内未收到响应,MCU可设置重发次数与间隔。AD5700内部可以通过寄存器检测到解调过程中载波丢失或噪声过大情形,并通过状态寄存器产生中断通知。
4–20 mA环路管理
环路电流设置:主控MCU根据测量值或控制需求,通过SPI写入DAC输出寄存器,设置输出电流。芯片内部会根据内部参考与数字增益将数字值转换为实际电流输出。
环路电流监测:通过配置ADC测量环路采样电阻两端的电压,实时获取环路实际电流值。MCU可定时读取环路电流寄存器并进行误差校正,或在电流偏离设定值较大时触发告警。
故障检测与保护:当ADC检测到环路电流超过设定最大值,或环路电压过低(可能由于开路)时,AD5700会自动进入保护模式,限制输出电流并将故障状态写入状态寄存器。MCU读取状态后可采取后续措施(如停机、报警、重试等)。
MODBUS RTU通信实现
串行端口配置:AD5700-2针对MODBUS RTU协议在硬件层面集成了CRC校验与串行帧检测电路。MCU通过SPI写入要发送的RTU数据帧(起始、地址域、功能码、数据、CRC校验)。AD5700-2在检测到总线空闲时间后自动发送并在应答时自动采样。
CRC校验与帧超时:在硬件层面完成CRC运算,将CRC校验与帧结束检测转换为中断源,并通知MCU处理接收到的帧。MCU只需对提取出的有效数据进行业务逻辑判断,无需重复计算CRC,减少了MCU运算负担,同时提高了系统实时性。
多主机与多从机管理:AD5700-2能够通过软件配置不同的从站地址,当总线出现广播或者多主机竞争时,内部状态机可区分不同地址的帧。MCU通过查询状态寄存器判断是否是本模块的应答,从而确定是否需要处理当前帧。
选型与使用注意事项
在实际项目中,如何根据需求选择合适的AD5700型号并合理应用,下面几点值得关注:
通信协议需求
如果项目仅需要实现标准HART通信,且不需要驱动外部环路,可选择AD5700-0;若需要同时兼容HART与4–20 mA模拟输出,则建议选用AD5700-1;若需接入MODBUS RTU总线,可考虑AD5700-2。在工业4.0与智能制造背景下,有的客户期望模块同时支持多种协议,此时可采用多个型号芯片组合,或者选用支持多协议切换的器件。系统功耗预算
对于电池供电或能量采集供电的远程传感节点,功耗尤为关键。虽然AD5700提供待机和睡眠模式,但在通信高峰期功耗会相对升高。若通信频次较高,应提前评估系统电池容量,并在软件层面合理安排唤醒与休眠时间,避免无谓功耗浪费。环路负载与电压裕度
当环路负载电阻较大(如≥600 Ω)时,AD5700可能无法提供足够电压驱动电流。此时要么选用更高电压的电源(例如24 V或更高),要么在AD5700输出端加装功率晶体管或外部放大器来提升驱动能力。务必计算电源电压与最大负载之间的电压余量,保证无论在最大温度或老化条件下均能正常输出。PCB布局与信号完整性
AD5700与模拟环路共存的板级设计需将模拟与数字地分开布局,减少数字地纹噪声对模拟信号的干扰。模拟去耦和数字去耦电容应分别靠近芯片相应引脚布置,并用较宽的铜箔将敏感信号线隔离开。若设计包含RS-485或其他差分总线,与AD5700之间应布局合理的隔离器,保证EMC指标合规。环境稳定性与温度漂移校准
AD5700本身具备宽温度范围,但现场温度变化依然会导致环路采样电阻、PCB温度系数等对测量精度产生影响。建议在系统设计阶段预留温度测量接口(如在PCB上加装温度传感器),通过软件补偿环路电阻因温度漂移导致的测量误差。同时,可在生产阶段进行一次校准,将温度漂移特性写入EEPROM,以提高现场使用一致性。EMC与可靠性测试
在批量生产前,应对最终整机进行电磁兼容测试,包括传导发射、辐射发射、静电抗扰、浪涌抗扰等项目。对于AD5700所在的环路,需重点关注电磁噪声对HART载波信号的影响,测试时可通过EZ-Kit或专用评估板加速验证。确认芯片和整体电路在场景噪声冲击下仍能稳定工作,确保工业长期可靠性。
总结
AD5700系列芯片凭借其高集成度、低功耗、多协议支持以及工业级性能,在当今现场总线和工业通信场景中扮演着重要角色。从HART物理层到4–20 mA电流环路,再到MODBUS RTU总线硬件加速,各型号AD5700为工程师提供了丰富的接口选择与灵活的应用空间。通过合理的硬件设计、详尽的软件开发与严谨的EMC测试,使用AD5700可显著缩短产品开发周期,降低设计风险,提升系统可靠性和抗干扰能力。对于需要兼顾模拟与数字信号传输、追求高稳定性与精度的工业自动化或远程监测系统而言,AD5700系列是一个值得深入学习与广泛应用的优秀方案。
未来,随着工业互联网(IIoT)与边缘计算的发展,对现场数据处理与通信安全性、实时性要求不断提高。Analog Devices也在持续更新其现场总线接口芯片系列,计划推出更多支持无线HART 2.0、安全加密传输和更低功耗待机的新品。希望通过本文对AD5700基础知识的全面介绍,能够帮助广大电子工程师、系统开发者和应用设计人员深入了解该系列芯片特性,快速开展产品设计与系统集成工作,为工业智能化升级贡献力量。
责任编辑:David
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