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电子式电能表专用芯片CS5460及其在电
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电能计量芯片CS5460A的应用研究_刘贤锴
总第４４卷第４９３期电测与仪表Ｖｏｌ．４４Ｎｏ．４９３Ｊａｎ．２００７２００７年第１期ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ电能计量芯片ＣＳ５４６０Ａ的应用研究刘贤锴（山东政法学院司法信息管理系，济南２５００１４７）摘要：ＣＳ５４６０Ａ是美国ＣＩＲＲＵＳ公司推出的用于电能测量的专用芯片。其性能较好，但是很多人在实际应用中往往难以达到这个精度指标，甚至在连续工作中出现ＳＰＩ崩溃问题，关键词：电能芯片；ＣＳ５４６０Ａ；测量精度；ＳＰＩ崩溃中图分类号：ＴＰ３１１文献标识码：Ｂ文章编号：１００１－１３９０（２００７）０１－００６２－０３ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｅｎｅｒｇｙｃｈｉｐＣＳ５４６０ＡＬＩＵＸｉａｎ－ｋａｉ（ＳｈａｎｄｏｎｇＰｏｌｉｔｉｃｓ＆ＬａｗＣｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉｎａｎ２５００１４７Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＣＳ５４６０ＡｉｓａｓｐｅｃｉａｌｃｈｉｐｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｂｙＡｍｅｒｉｃａｎＣＩＲＲＵＳＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｉｓｕｓｅｄｉｎｔｈｅｅｎｅｒｇｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｂｕｔｍａｎｙｐｅｏｐｌｅｃａｎｎｏｔａｃｈｉｅｖｅｔｈｉｓｐｒｅｃｉｓｉｏｎｉｎｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｅｖｅｎｈａｄｔｈｅＳＰＩｃｏｌｌａｐｓｅｐｒｏｂｌｅｍｉｎｔｈｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｗｏｒｋｉｎｇ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｈａｓｃａｒｒｉｅｄｏｎａｓｅｒｉｅｓｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｎｔｈｉｓｑｕｅｓｔｉｏｎ，ｐｒｏｐｏｓｅｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｐｒｅｃｉ－ｓｉｏｎｆｏｕｒｍａｉｎｑｕｅｓｔｉｏｎｓａｎｄｈａｖｅｇｉｖｅｎｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＥｎｅｒｇｙＣｈｉｐ；ＣＳ５４６０Ａ；ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｐｒｅｃｉｓｉｏｎ；ｔｈｅＳＰＩｃｏｌｌａｐｓｅ０引言范围也逐渐得到了扩展，笔者在应用ＣＳ５４６０Ａ进行电能分析的过程中同样出现以上所提的情况，经测试分析，认为以下四个方面的设计不当均会导致芯片的输出指标达不到要求，甚至引起芯片的工作不稳定、直至崩溃死机。美国ＣＩＲＲＵＳ公司推出的用于电能测量的专用芯片ＣＳ５４６０Ａ，是一种测量单相能量的芯片，三片芯片的组合使用也可以测量三相电。在１０００：１的动态范围内线性度达到了±０．１％，电流输入通道的双极性偏移误差和满量程误差更是达到了±０．００１％ＦＳ，电压输入通道的双极性偏移误差和满量程误差达到了±１影响ＣＳ５４６０Ａ精度的四个主要问题图１是ＣＳ５４６０Ａ的数据流图［１］，文献［１］对该芯片０．０１％ＦＳ。除了具有通过串行口ＳＰＩ输出的数字编码信号外，还能够通过专门引脚输出和能量成比例的脉冲频率信号，以面向低成本的应用；还带有内部的全数字校准，与同类芯片相比，其技术指标较高，在精度、线性度的指标上均具有优越性。但是，在实际应用中，经常出现输出值难于达到上述技术指标，更有甚者，出现了工作死机、串口输出崩溃等严重情况。由于前几年这种芯片的使用面较窄，加之ＣＩＲＲＵＳ公司所提供的原始资料较少，且面向于单一的应用，相对来说研究的人也较少，近来电能的测量分析逐渐扩展到了各个领域，该芯片的应用－－内部的各个参数作用有详细的描述。从图１的数据流图可以看到，电压和电流两个输入信号经过转换、补偿、滤波后，首先进行直流偏移（零点漂移）补偿，经过可编程增益放大器放大后，通过ＳＰＩ输出瞬时电压Ｖ＊和瞬时电流Ｉ＊。其中，一路对瞬时电压Ｖ＊和电流Ｉ＊在经过交流偏移补偿、滤波、Ｎ次累积后开平方、均值，得出电压有效值ＶＲＭＳ＊和电流有效值ＩＲＭＳ＊；另一路瞬时电压Ｖ＊和电流Ｉ＊做乘法后，经过功率偏移补偿通过ＳＰＩ输出瞬时功率Ｐ＊。对瞬时功率进行预先编程设定的Ｎ次累积，在进行时钟频率偏移补偿后，通过ＳＰＩ作为能量输出Ｅ＊。总第４４卷第４９３期电测与仪表Ｖｏｌ．４４Ｎｏ．４９３Ｊａｎ．２００７２００７年第１期ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ图１ＣＳ５４６０Ａ的数据流图
而影响有功功率、能量值、无功功率和功率因数测量的准确度。实测表明，电流和电压的其中一路输入信号的表读数为２２０ｍＶ时，对功率因数的影响会达到另一路Ｐ＊作频率变换，以和能量相一致的脉冲频率输出Ｅｏｕｔ，并给出符号指示Ｅｄｉｒ。图１中，凡是寄存器名称通过箭头指向过程的，均为可编程寄存器。根据以上的数据流程描述，下面探讨设计中需要密切注意的四个问题。５０％，这时输出数值已经不可信。使用１３０ｍＶ对应满量程，利用直线方程可插直接计算出实际结果。１．３读出时序输ＣＳ５４６０Ａ带有ＳＰＩ接口，用来输入控制命令、１．１供电电源与接地ＣＳ５４６０Ａ的供电电源分为数字和模拟两部分。数字电源ＶＤ＋可以在＋３．３Ｖ到＋５Ｖ之间选择，模拟电源ＶＡ＋要大于等于ＶＤ＋，并且上电时间要先于ＶＤ＋，在ＰＣＢ地线处理上，两电源的地线单独走线，最后使用０Ω电阻在一点上相连。电源于地线的处理不当会直接影响到测量精度和输出稳定度。出测量值和设定值。由于采用三线制，且每次的输入输出达３２位，因此对同步要求较高。实验发现，大部分的串口崩溃都和同步不当有极大的关联。图２给出了ＣＳ５４６０Ａ的ＳＤＯ读时序，这是一个很重要的时序关系，编程时务必遵守。虽然按照ＣＳ５４６０的读时序也能够读取数据，但是可靠性大为降低。从ＣＳ５４６０Ａ中读取数据时，首先要写一个字节的命令字，以确定读出内容的性质。以字节命令字写完后，紧接着读出的２４位就是所要的内容。ＣＳ５４６０Ａ时序要求：在每读到一个字节的最后一位前，都要把ＳＤＩ置为低电平，在读下一个字节前，恢复为高电平。相当于内部执行了“ＳＹＮ０”同步命令，以保证２４位数的精确同步。在一些有使用ＣＳ５４６０经验的设计人员中，往往会忽略这一细节，结果导致ＳＰＩ的崩溃。１．２输入信号与量程的确定ＣＳ５４６０Ａ可以接收直流信号和交流信号，接受直流信号时为±２５０ｍＶ，接受交流信号时峰－峰值为５００ｍＶ，单向的峰值为２５０ｍＶ，由于我们在正常设计测试时，数字表测量的值为有效值，所以交流输入信号的最大表读数应该不超过２５０!，即不能超过１５０ｍＶ。考虑到实际应用时的信号波动，最大表读数最好不要超过１３０ｍＶ，否则会引起输出的非线性，进图２ＣＳ５４６０Ａ的ＳＤＯ读时序－６３－总第４４卷第４９３期电测与仪表Ｖｏｌ．４４Ｎｏ．４９３Ｊａｎ．２００７２００７年第１期ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ典型程序如下：Ｒ＿３Ｂ：ＬＣＡＬＬＣＳ＿Ｗ＿ＣＯＭＭ；读之前先发出一个命令ＳＥＴＢＣＳ＿ＳＤＩＳＥＴＢＣＳ＿ＳＤＯＭＯＶＲ３，＃０８ＨＭＯＶＲ４，＃０３ＨＲ３Ｂ１：ＣＬＲＣＳ＿ＳＣＬＫＣＬＲＣＣＬＲＡＲ３Ｂ２：ＳＥＴＢＮＯＰＭＯＶＭＯＶＲＬＮＯＰＣＬＲＮＯＰＣＪＮＥＣＬＲＲ３，＃０２Ｈ，ＲＥＡＤ；如果下面是最后一位，要把ＳＤＩＣＳ＿ＳＤＩ降为低电平，做同步使用表１；升起ＳＤＩ电平；读入线写１；位计数；读出字节计数各种因素对输出结果的影响程度ＣＳ＿ＳＣＬＫＣ，ＣＳ＿ＳＤＯＡＣＣ．７，ＣＡＣＳ＿ＳＣＬＫ；读入一位数据模式。２结束语影响ＣＳ５４６０Ａ测量精度的参数还不止这些，例如，校准的方法、无功功率及功率因数的计算方法等；使用定点、浮点运算模式等都会对结果产生一定的影响。但是，在实际的实验中发现，以上四个方面还是最主要的影响因素。各种因素对较出结果的影响程度见表１。１．４ＣＳ５４６０Ａ所表现出的稳定性还是相当的出色，因此，它在电能表领域应用比较多，最近，笔者尝试将其应用于电机工作状况的监测，也取得了较好的效果。参２００３．ｃｏｍＪＡＮ’作者简介：刘贤锴（１９６３－），男，１９８４年毕业于上海机械学院，现在山东政法学院司法信息管理系担任教学与科研工作，专业方向：工业过程监测与控制。收稿日期：２００６－１１－１５高通滤波与全通滤波全通滤波器，还有不通ＣＳ５４６０Ａ内部带有高通、过滤波器的直通状态，主要是针对输入信号中的交、直流成分进行滤波，提高测量精度，参见图１。实验表明，在使用交流信号输入时，尽量不要使用高通滤波器，这样会影响到输入信号的波形，反而造成漂移增大的假象。在干扰不大的场合，首先使用直通模式（即不使用滤波器），计算测量结果，如果不超过规定的误差范围，则就直接使用直通模式，否则使用全通滤波（上接第４７页）考文献［１］ＣＩＲＲＵＳＬＯＧＩＣ，Ｉｎｃ．ＤＳ４８７Ｆ１ＣＳ５４６０Ａ［ＥＢ／ＯＬ］，ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｉｒｒｕｓ．（刘家新编发）统，而且可以在用户对ＧＰＩＢ总线标准不十分了解的情况下轻松完成对ＧＰＩＢ接口设备的控制操作和数据读取。由于调试工具中加入了ＳＩＣＬ命令集合，可以使用户更快的了解和掌握ＧＰＩＢ接口总线的控制规则，所以此调试工具也可作为对ＧＰＩＢ标准初学者的培训工具。参［１］秦［２］许滨理工大学，１９９８．永和．ＥＺ―ＵＳＢＦＸ系列单片机ＵＳＢ外围设备设计与应用［Ｍ］．北京航空航天大学出版社，２００２．３．６输出显示功能输出显示功能可将以上各项功能的执行情况显示出来，包括操作成功或失败的原因，从ＧＰＩＢ设备读取的数据等。３．７其它操作其它操作包括显示窗口的清除、读入数据的导出考文献保存，和数据以字符形式或１６进制形式显示控制。晶．ＧＰＩＢ控制器计算机交互式调试软件的研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔４结语－－［３］郝春强．ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ案例教程［Ｍ］．北京：中科多媒体电子出版社，２００１．作者简介：张未未（１９７９－），男，硕士研究生，研究方向为自动化测试技术，计算机应用技术。王学伟（１９５８－），男，教授，博士生导师，研究方向为自动化测试技术，现代信号处理，电气测量技术。收稿日期：２００６－１０－１５（杨长江编发）
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电子式电能表专用芯片CS5460及其在电测仪表中的应用
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【字体： 】
电子式电能表专用芯片CS5460及其在电测仪表中的应用
作者：佚名&&&&文章来源：&&&&点击数：&&&&更新时间：&&&&
&&& 摘要：介绍了德国CIRRUS
LOGIC公司推出的电子式电能表专用芯片CS5460的特点、控制方式、与输入信号微控制器的接口及其在电测仪表中的应用。
&&& 关键词：电子式电能表
专用芯片CS5460 微控制器 电测仪表
近年来,电子式电能表在国际、国内得到了迅速推广。国外许多IC厂家不失时机地推出了各种电子式电能表专用芯片。目前,国内较为常用的单相电子式电能表芯片有德国CIRRUS
LOGIC公司的CS5460、美国AD公司的AD7751和AD7755;三相电子式电能表专用芯片有美国ATMEL公司的AT73C500+AT73C501（AT73C502）等。它们的共同特点是：①高度集成（集成了ADC、电压基准、功率计算模块）;高精度（测量误差大多小于0.3%）;②易接口（易于与微控制器或步进电机接口）。这些芯片为设计低成本、高性能的电子式电能表提供了非常理想的解决方案。
值得注意的是,在这些专用芯片中,有一些不仅能够测量功率、电能,而且能够测量电压、电流等其它电量,如CS5460、AT73C500+AT73C501（AT73C502）等。而许多电测仪表功能的实现都是以测量功率、电能、电压、电流为基础的,如电力设备交流阻抗测试仪、电力变压器综合参数测试仪等。因此,如果拓展思路,将这些电子式电能表专用芯片用于测仪表产品的开发中,不仅可以缩短产品开发周期,而且能大大提高产品的性能。笔者就运用CS5460成功地开发出了多功能电量监测仪。
1 CS5460的特点和内部结构
1.1 CS5460主要特点
?符合IEC521/1036、JIS工业标准
?能够测量瞬时电压、瞬时电流、瞬时功率、电能、电压有效值和电流有效值;能完成电能/脉冲转换
?电能测量精度：0.1%
?具有相位补偿和系统校准功能
?具有2.5V片内电压基准（温漂60ppm/℃）
?功率消耗&12mW
?电源配置：
VA+=+5V,VA-=0V;VD+=+3V～+5V或VA+=2.5V,VA-=-2.5V;VD+=+3V
1.2 CS5460的内部组成模块如下：
?一个电流通道可编程增益放大器,其增益为10和50个可选
?一个电压通道固定增益放大器,其增益为10
?两个同时采样的∑-Δ模/数转换器
?两个高速数字滤波器
?两个可选用的高通滤波器
?一个功率计算引擎
?一个2.5V片内电压基准
?一个可以检测电力不足或电源故障的电源监视器
?一个持续监视串口通讯的看门狗
?一个2.5MHz～20MHz可选的内部时钟发生器
?一个双向串行接口
?一个电能/脉冲变换器
?一个校准用SRAM
2 CS5460的功能控制和测量数据输出方式
2.1 CS5460的功能控制
CS5460的功能控制是通过写命令字的方式实现的。这些8位长度的命令字包括“启动转换”、“同步调整”、“上电/暂停控制”、“掉电控制”、“校准控制&和“寄存器读/写”等命令。CS5460内部有16个24位长度的用户可访问的寄存器。对这些寄存器的访问是根据填写在“寄存器读/写”命令中的地址进行的。这些寄存器包括“基本配置”、“电流、电压偏移校准”、“电流、电压增益校准”、“循环计数值N”、“电能/脉冲转换尺度”、“前次转换的电流、电压、功率瞬时值”、“前个计算周期的电能、电流有效值、电压有效值”、“时基校准”、“状态”、“中断屏蔽”等寄存器。
2.2 CS5460的测量数据输出方式
在CS5460接收到“启动转换”命令（设置为多计算循环方式）后,电能寄存器和电压、电流有效值寄存器内的数据,每N（N值在循环计数寄存器中设置）次A/D转换（等于一个计算周期）完毕后更新一次。而电压、电流、功率瞬时值寄存器内的数据,则每一次A/D转换完毕后便更新一次。应当注意是：CS5460的状态寄存器中的“DRDY”（数据有效）位,在每个计算周期（N次A/D转换完毕）后才置位,同时在/INT引脚产生中断信号（当屏蔽寄存器的“DRDY”位未被屏蔽时）,所以若让电压、电流、功率的瞬时值数据每更新一次就产生一个中断请求,需将循环计数寄存器的值N设为1.微控制器进行中断算是一般过程是：读CS5460状态寄存器→屏蔽中断→进行中断服务处理→将步骤一读出的值写回CS5460状态寄存器（清状态位）→开中断→返回。
3 CS5460的模拟信号输入电路
CS5460的电流通道可与低功耗分流器或互感器接口;电压通道可与阻笥分压器或互感器接口。其电流通道的可编程增益放大器（PGA）的增益可设为10和50,分别对应于最大有效值为150mV和30mV的交流信号输入;电压通道的最大有效值输入为150mV。由于CS5460的∑-Δ型模/数转换器采有过采样原理,对高频噪声有较强的抑制八月,因而对输入信号无需进行复杂的滤波器处理（引入阻容滤波电路反而容易引起相移）。
图1是笔者在课题中采用的模拟信号输入电流。在图1中,PT为变比1：1的电流型电压互感器,CT为变比2000：1的电流互感器。取样电阻R1、R2、R5、R6的阻值由被测信号的最大值决定。经变换后的补测信号以差模电压的形式接到CS5460的模拟信号输入端。由于互感器角差的影响,可能造成输入信号的相移,使功率测量的误差增大。而CS5460具有相位补偿功能（可进行-2.4°至+2.5°的相位补偿,步进0.34°）,可以大大减小互感器角差的影响。
4 CS5460与微控制器的接口及编程
CS5460有四条串行接口线：/CS、SDI、SDO和SCLK。/CS为片选控制线,低电平有效;SDI为串行数据输入线;SDO为串行数据输出线;SCLK为串行时钟,用于控制CS5460与微控制器之间数据传输同步。
每次数据读/写操作都要通过SDI引脚写入一个8位的命令字节,该操作需要8个SCLK时钟周期。如果写入的是“寄存器读/写”命令,那么接下来应通过SDI引脚写入24位数据或通过SDO引脚输出8、16、24位数据。SCLK时钟周期的个数由数据位数决定。应当注意的是,在通过SDO引脚读取数据的时候,必须同时向SDI引脚写入与8、16、24位数据大小相对应的1、2、3个空操作（NOP）命令字节（0xFE）。
图2是笔者在课题中使用的CS5460与MCS51系列单片机的接口原理图。
下面是与此接口方式相对应的写命令字、写寄存器和读寄存器操作的51汇编指令。
;SDI BIT P1.0
;SDO BIT P1.1
;SCLK BIT P1.2
RD_REG： ;读寄存器程序入口
; IN：A 存放“读寄存器”命令字
; OUT：32H 存放读出数据高字节
; 31H 存放读出数据中字节
; 30H 存放读出数据低字节
LCALL SET_COM
MOV R2, #32H
MOV R3, #03H
RDLP1：MOV R4, #08H
MOV R0, #0FEH
RDLP2：CLR SCLK
MOV C, SDO
DJNZ R4,RDLP2
DJNZ R3,RDLP1
SJMP COM_END
WR_REG： ;写寄存器程序入口
;IN：A 存放“写寄存器”命令字
; 32H 存放写入数据高字节
; 31H 存放写入数据中字节
; 30H 存放写入数据低字节
LCALL SET_COM
MOV R2, #32H
MOV R3, #03H
RWLP1： MOV R4,#08H
MOV A, @R2
RWLP2： RLC A
DJNZ R4,RWLP2
DJNZ R3,RWLP1
SJMP COM_END
SET_COM： ;写命令字程序入口
; IN： A 存放命令字
MOV R4,#08H
COMLP1： RLC A
DJNZ R4,COMLP1
COM_END：RET
5 CS5460在多功能电量检测仪中的应用
5.1 多功能电量检测仪简介
多功能电量检测仪是笔者研制的供电部门工作人员使用的便携式仪器,它能在不断电不拆线的情况下现场检验单相机械式电能表的精度,同时还能检测回路的电压、电流、有功功率、功率因数和频率,是进行用电监察、供电质量监测的理想工具。考虑到CS5460的基本功能与该仪器的功能有许多相似之处,如测量电压有效值、电流有效值、有功功率和电能,而且将CS5460的基本功能加以变通运用,还可以派生出一些其它功能,如测取频率和功率因数。我们在该仪器中采用了CS5460作为其核心。
图3是多功能电量检测仪的硬件框图。
该仪器由互感器电路及流/压变换电路将回路的电压、电流信号分别变换为最大有效值为150mV和30mV（将CS5460电流通道的PGA增益设为50）的小电压信号。CS5460测取电压有效值、电流有效值、有功功率、电能、电压瞬时值后,出单片机进行数据处理。该仪器中的EEPROM存有各个电量的系数（从CS5460读取的数据乘以系数才是最终结果）以及校验电能表时设定的转盘圈数和电能表常数。电源芯片AMX756提供+5V的仪器工作电压。
在该仪器中,将CS5460的工作时钟MCLK选定为4.096MHz,分频系数K设为1,循环计数寄存器的N值设为4000,则一个基本的计算周期为1024×N）/（MCLK/K）=1s。
5.2 运用CS5460测取各电量的方案
电压有效值、电流有效值、有功功率、功率因数的测量
电压、电流有效值可直接从电压有效值寄存器、电流有效值寄存器中读取。而由于计算周期设为1s,电能寄存器中的电能值即为有功功率值,因此有功功率值可直接从电能寄存器中读出。功率因数可由公式COSφ=P/(UI)得出。
5.2.2 频率的测量
将循环计数寄存器的N值改变为1,此时电压、电流瞬时值数据的刷新率为4000Hz,这就为通过软件进行信号过零判断创造了条件。频率测量的具体方法是：通过一个过零函数来记录电压信号正向过零次数,并同时记下读取数据次数,如果取10个周期的平均时间为实测周期时间,那么当记到第11次正向过零时,停下来算出每个周期内读取数据次数,默认两次读取数据的时间差为250μ,便可算出频率。
5.2.3 电能累计值的测量
电能表误差的计算公式如下：
其中,E为电能表转盘转过设定圈数所用时间（靠两次按键来确定）中的电能累计值,单位为焦耳。将循环计数寄存器的N值改设为40,则此时电能寄存器数据刷新周期为10ms,即可以每10ms从电能寄存器中读取数据并在单片机中累加。由于一次按键的时间为20～30ms,并考虑到人为因素造成的计时误差,则因电能寄存器数据刷新时间间隔所引起的计数误差是可以忽略的。
本文介绍的以CS5460为核心的多功能电量检测仪已于2000年6月通过陕西省计量局的技术鉴定,其电压、电流、有功功率、电能的测量精度均达到0.2级标准,频率测量误差小于0.02Hz,完全能满足现场应用要求。
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