USB+HID数据通信接口的设计与实现

USB+HID数据通信接口的设计与实现

８

ＵＳＢＨｆＤ数据通信接口的设计与实现

ＵＳＢ

Ｄｅｓｉｇｎａｎｄ

ＨＩＤ数据通信接口的设计与实现

ＲｅａｌｉｚａｔｉＯｎ０ｆＵＳＢＨｆＤＩｎｔｅｒｆａｃｅｆｏｒＤａｔａＴｒａ仟ｉｃ

扶文树

何

军

陆信如

（南京北方信息产业集团有限公司，江苏南京２１１１５３）

摘

要

提出了一种ＵＳＢＨＩＤ数据通信接口设计方案；根据主机在枚举期间的请求，详细论述了ＵＳＢＨＩＤ固件程序的设计过程；介绍了如何在ＶｉｓｕａＩＣ＋＋６．０集成开发环境下进行ＵＳＢＨＩＤ主机应用程序的开发；最后对整个方案进行了验证，验证结果表明按照该方案设计的数据通信接口运行稳定可靠。

关键词：ＵＳＢ，Ｈ｝Ｄ，固伟程序，主机应用程序

Ａｂｓｔ旧ｃｌ

Ａ

ｐｒｏｊｅｃｔｏｆｄｅｓｉｇｎｊｎｇｔｈｅＵＳＢＨＩＤＩｎｔｅｒｆａｃｅｆｏｒｄａｔａｔｒａ什ｉｃｉｓｂｒｏｕｇｈｔｆｏｎｖａｒｄＴｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆ

ｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎ

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Ｏｎ

ｄｅｓｉｇｎｉｎｇＵＳＢ

ＨＩＤ

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目前越来越多的测控系统、信号处理系统和智能仪器选用ＵＳＢ接口与ＰＣ机进行高速、海量的数据通信。但是。相对ＵＡＲＴ（通用异步串口）、ＬＰＴ（打印机并行端口），ＵＳＢ的开发难度要大的多。采用ＨＩＤ（ＨｕｍａｎＩｎｔｅｒｆａｃｅＤｅｖｉｃｅ，人机接口设备）的设计方案则可以很好的解决这一矛盾。在众多的ＵＳ８设备类型中，ＨＩＤ是Ｗｉｎｄｏｗｓ完全支持的第一批设备类型。在运行Ｗｉｎ９８以上版本的ＰＣ机上，用户无需为ＨＩＤ开发、安装驱动，主机应用程序可以直接的使用ＷｉｎｄｏｗｓＡＰＩ函数与之进行数据通信。此外。ＨＩＤ的数据报表非常灵活、富有弹性，可以实时的传输各种类礁的数据。因此，采用ＨＩＤ规范设计ＵＳＢ接口可以在不影响数据通信能力前提下大幅度降低设计的难度。

１

ＨＩＤ的固件程序设计

描述符的实际大小；主机向地址１、设备端点Ｏ请求设置配置；主机向地址１、设备端点０请求设置闲置；主机向地址１、设备端点Ｏ请求１１６字节的报表描述符。

１．２ＵＳＢＨＩＤ对主机请求的解析

ＵＳＢ控制器在接受图１所示的一笔设置事务后触发中断，设置相应的标志位供固件程序查询，固件程序在得知有设置事务来到后，对该事务的数据信息包ＤＡｒＡ０进行解析，以确定如

何响应请求。图１中ＤＭＡ０包中的数据域（Ｄａｔａ）的格式是固

定的，可用Ｃ语言的结构体数据类型描述如下：

ＨＩＤ的固件程序分为ＵＳＢ控制器的初始化、主机请求响应和通信数据收发三个部分：ＵＳＢ控制器的初始化包括端点的使能、中断方式或ＤＭＡ的配置、数据缓存的没置等等，依具体的ＵＳＢ控制器而定；ＵＳＢＨｌＤ类设备固件程序至少需要响应获取描述符（ＧＥＬＯＥＳＣＲＩＰｌ＿０Ｒ）、设置地址（ＳＥＴ－ＡＤＯＲＥＳＳ）、

田１一笔设置摹务

ｔｙｐｅｄｅｆｓｔｒｕｃｔ—ｈｏｓｔ—ｒｅｑｕｅｓｔ

｛

ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒ

ｕｎｓｉｇｎｅｄ

ｂｍＲｅｑｕｅｓｆｒｙｐｅ：ｂ只ｅｑｕｅｓｔ：

ｓｈＯｒｔｉｎｔＷＶａＩｕｅ：

设置配置（Ｓ叫ＯＮＦＩＧＵＲＡＴ

ＩＯＮ）、设置闲置（Ｓｅｔ－ｌｄＩｅ）四种

请求；通信数据收发部分的主要工作是以中断或ＤＭＡ方式是向数据缓冲区读写数据。ＧＥＴ－ＤＥＳＣＲＩＰ丁ＯＲ、ＳＥＴ＿．ＡＤＤＲＥＳＳ、ＳＥＴ．ＣＯＮＦＩＧＵＲＡＴＩＯＮ是ＵＳＢ规范中的标准请求。而ＳｅＬＪ—

ｕｎｓｉｇｎｅｄｓｈＯｒｔｉｎｔｗＩｎｄｅ×：

ｕｎｓｉｇｎｅｄｓｈｏｒｔｉｎｔｗＬｅｎｇｔｈ：

ｌＨＯＳＬＲＥＯＵＥＳＴ：

ｄＩｅ则是ＨＩＤ类设备的特定请求。其中ＧＥＬＤＥＳＣＲｌＰＴＯＲ分

为请求设备描述符、请求配置描述符、请求报告描述符，并分别限定了描述符的最大长度。

１．１ＨｌＤ的枚举

可分以下几种情况对数据域进行解析：

１）当ｂｍＲｅｑｕｅｓｔＴｙｐｅ＝ｏＸ８０且ｂＲｅｑｕｅｓｌ－０×０６，主机请求类型为ＧＥＴ－ＤＥＳＣＲＩＰＴＯＲ，此时若ｗＶａＩｕｅ的高字节为Ｏ×０１表明主机向设备请求设备描述符；为ｏｘ０２表明主机向设备请求配置描述符；为０ｘ２２表明主机向设备请求报表描述符。

２）当ｂｍＲｅｑｕｅｓｌＴｙｐｅ＝０ｘ００且ｂＲｅｑｕｅｓｔ＝０ｘ０５，主机请求类型为ＳＥＴ二．ＡＤＤＲＥＳＳ，ｗＶａＩｕｅ的高字节为设置的地址值。

３）当ｂｍＲｅｑｕｅｓｔＴｙｐｅ＝０×００且ｂＲｅｑｕｅｓｌ＝０ｘ０９，主机请求类型为ＳＥＬＣＯＮＦＩＧＵＲＡＴＩＯＮ，ｗＶａＩｕｅ的低字节指示了一个设置配置。

４）当ｂｍ只ｅｑｕｅｓｔＴｙｐｅ＝０ｘ２１且ｂＲｅｑｕｅｓｌ＝０ｘ０Ａ，主机请求类型为Ｓｅｌ－Ｊｄｌｅ，该请求的作用是限制中断输入端点的报表频率来节省总线带宽，ｗＶａＩｕｅ的高字节设置了报表之间的最大

时间间隔，低字节设置了设备所支持的报表类型。

枚举是主机与ＵＳＢ设备最初的数据交换过程，ＵＳＢＨＩＤ固件程序中大多数代码是为了响应主机在枚举期间的请求而设计的。因此了解这一枚举过程是有必要的。需要指出的是，对于不同的ＨＪＤ，该过程有所不同，以下是一种比较典型的过程，由高端的ＵＳＢ分析仪对典型的ＨＩＤ分析而得，可概括为如下１１个步骤：主机向地址０、设备端点０请求１８字节的设备描述符；主机向地址０、设备端点０请求设置地址；主机向地址１、设备端点０请求１８字节的设备描述符；主机向地址１、设备端点０请求９字节配置描述符；主机向地址１、设备端点０设备请求２５５字节的配置描述符；重复；重复；重复，但请求的字节数为中配置

万方数据

USB+HID数据通信接口的设计与实现

＜工业控制计算机》２００９年２２卷第２期

１．３ＵＳＢＨＩＤ枚举期间对主机请求的响应

１．３．１枚举期间发送的描述符结构体

ＵＳＢＨＩＤ类设备在枚举期间要发送的描述符的组成在参

考文献［５—６］有详细的描述，同样可用Ｃ语言的结构体表示。以下是本文中描述符对应的结构体名：

设备描述符一ＵＳＢ—ＤＥＶ—ＤＥＳＣＲ；配置描述符一ＵＳＢ—ＣＯＮＦＩＧ—ＤＥＳＣＲ；接口描述符一ＵＳＢ－ＩＮＴＥＲＦ＿ＤＥＳＣＲ；ＨＩＤ类描述符一ＵＳＢ—ＨｌＤＬＤＥＳＣＲ；端点描述符一ＵＳＢ－ＥＰ＿ＤＥＳＣＲ；报告描述符．二ＵＳＢ—ＨＩＤＲＥＰ－ＤＥＳＣＲ：定义描述符的集合：

ｔｙｐｅｄｅｆｓｔｒｕｃｆ—ｕｓｂ＿－ｄｅｓｃｒ｛

∥配置描述符：

ＵＳＢ＿ｃＯＮＦＩＧ—ＤＥｓｃＲｃｏｎｆ．ｇＤｅｓｃｒ：／／接口描述符：

ＵＳＢ—ＩＮＴＥＲ已ＤＥＳＣＲ

ＩｎｔｅｒｆａｃｅＤｅｓｃｒ：

／／ＨＩＤ类描述符：

ＵＳＢ—ＨＩＤＬＤＥＳＣＲ

ＨｉｄＤｅｓｒ：

／／ＯＵＴ端点描述符：

ＵＳＢ—ＥＰ—ＤＥＳＣＲＯｕｔＥｐＤｅｓｃｒ：

／／ｌＮ端点描述符：

ＵＳＢ—ＥＰ．．ＤＥＳＣＲ

ＩｎＥｐＤｅｓｃｒ：

｝ＵＳＢ—ＤＥＳＣＲ：

１．３．２固件程序响应请求的过程

１）初始化１．３．１的描述符结构体常量；

２）当设备请求设备描述符时，发送ＵＳＢ—ＤＥＶ—ＤＥＳＣＲ结

构体常景；

３）当设备请求配置描述符且请求的字节为９字节，发送ＵＳＢ—ＣＯＮＦＩＧ—ＤＥＳＣＲ结构体常量响应；

４）当设备请求配置描述符且请求的字节为２５５或４１，发送ＵＳＢ—ＤＥＳＣＲ结构体常量响应；

５）当设备请求配置描述符且请求的字节为２５５或４１，发送ＵＳＢ—ＤＥＳＣＲ结构体常最响应；

６）当设备请求报表描述符时，发送ＵＳＢ．－ＨＩＤＲＥＰ－ＤＥＳＣＲ结构体常量响应；

７）当设备请求为ＳＥＴ．－ＡＤＤＲＥＳＳ、ＳＥＬＣＯＮ

ＦＩＧＵＲＡＴＩＯＮ、

Ｓｅｌ－ＩｄＩｅ，发送Ｏ字节数据响应。

２

ＵＳＢＨＩＤ主机应用程序设计

ＵＳＢＨｌＤ主机应用程序一般运行在ＰＣ机上，其功能主要

是查找指定的ＨＩＤ并与之进行数据通信，常常会有人机界面供

用户操作。

２．１相关动态链接库的调用

本文的ＵＳＢＨＩＤ主机应用程序是在ＶｉｓｕａｌＣ＋＋６．０集

成开发环境下、调用Ｗｉｎｄｏｗｓ的ＡＰＩ函数来开发的，这些ＡＰＩ函数包含在ｋｅｍｅｌ３２．ｄｌＩ、ｈｉｄ．ｄｌＩ和ｓｅｔｕｐａｐｉ．ｄｌｌ中。ｋｅｍｅｌ３２．ｄ¨

的调用是由ＶｉｓｕａＩＣ＋＋６．Ｏ编译和链接程序完成的，而ｈ．ｄｄ¨

和ｓｅｌｕｐａｐｉ．ｄ¨则需要由应用程序隐含链接来进行调用，具体的方法如下：

１）按图２所示添加ｈｉｄ．Ｉ．ｂ与ｓｅｔｕｐａｐｉ．１ｉｂ；２）在应用程序合适的文档内引入头文件：

ｅ）（１ｅｍ”Ｃ”Ｉ

＃ｉｎｃｆｕｄｅ”ｈｉｄｓｄｉｈ”＃ｉｎｃＩｕｄｅ＜ｓｅｔｕｐａｐｉ．ｈ＞

｝

完成以上两步需要ＷｉｎｄａｗｓＤＤＫ（驱动开发组件）提供的

万方数据

９

圈２添加ＨＩＤ函数库到工程内

以下是ＵＳＢ

ＨｌＤ类设备主机应用程序从ｋｅｒｎｅｌ３２．ｄ｜Ｉ、

１）ＨｉｄＤＬＧｅｔＨｉｄＧｕ．ｄ一获取ＨＩＤ类设备的全局唯一标识

（ＧＵＩＤ）；

２）ＳｅｔｕｐＤｉＧｅｌＣｌａｓｓＤｅｖｓ一获取一个设备信息群．该群包３）ＳｅｔｕｐＤｉＥｎｕｍＤｅｖｉｃｅＩｎｔｅｒｆａｃｅｓ一获取设备信息群内指４）ＳｅｔｕｐＤｉＧｅｔＤｅｖｌｃｅＩｎｔｅｒｆａｃｅＤｅｔａｉ卜＿获取指定设备的路径；５）Ｃｒｅａｌｅ刚ｅ一开启指定设备；

６）ＨｉｄＤ—ＧｅｔＡｔｆｒ．ｂｕｔｅｓ一获取指定设备的厂商ｌＤ、产品ＩＤ、版本号；

７）ＨｉｄＤ．－ＧｅｔＰｒｅｐａｒｓｅｄＤａｔａ一获取含有指定设备能力信息的缓冲区指针；

８）ＨｉｄＰ—ＧｅｔＣａｐｓ一获取指定设备的能力；９）ＷｒｉｔｅＦ¨ｅ一发送一个报表给设备；１０）ＲｅａｄＦｉＩｅ一从指定设备读取一个报表；

圈３

ＨＩＤ应用程序的流程

文档ｈｉｄｓｄｉ．ｈ、ｈｉｄｐｉ．ｈ、ｈｉｄｕｓａｇｅ．ｈ、ｈｉｄ．“ｂ和ｓｅｔｕｐａｐｊ，Ｉｉｂ。

ｈｉｄ．ｄ¨和ｓｅｔｕｐａ叫ｄ¨依次调用的函数的名称及功能：

含ＨｌＤ类别内的所有设备；

定设备接口的信息；

USB+HID数据通信接口的设计与实现

１０

ＵＳＢＨＩＤ数据通信接口的设计与实现

１１）ＷａｉｔＦｏｒＳｉｎｇＩｅＯｂｊｅｃｔ一等待ＲｅａｄＦｉＩｅ完成或超时。

２．２ＵＳＢＨＩＤ主机应用程序的流程

如图３，ＵＳＢＨＩＤ类设备主机应用程序的基本思路是先查

找指定的ＵＳＢＨｌＤ，再与之进行数据通信。ＵＳＢＨｌＤ类设备在的厂商ｌＤ、产品ＩＤ和版本号由设备描述符ＵＳＢ—ＤＥ、，．ＤＥＳＣＲ设定，其中厂商ＩＤ和产品ＩＤ在设备枚举成功后，对用户是可见的．是设备的唯一标识，利用二者查找设备是较为理想的选择。ＨｌＤ的通信能力是由报告描述符ＵＳＢ—ＨＩＤＲＥＰ．ＤＥＳＣＲ指定，其中包含了收发数据的长度和类型。３设计方案的实现

选用ＡＲＭ控制器ＬＰＣ２３７８应用模块作为ＵＳＢＨＩＤ的硬件平台。将ＬＰＣ２３７８片上的ＵＳＢ控制器的初始化程序和和本文的固件程序在Ｋｅ¨斗Ｖｉｓｉｏｎ３集成开发环境下调试通过，将生成的可执行代码下载到ＬＰＣ２３７８片上的ＦＩａＳｈ程序存储器中，这样就完成了ＵＳＢＨＩＤ的设计。

ＵＳＢＨＩＤ主机应用程序的人机界面如图４所示，本文的主

圈４

ＵＳＢ

ＨＩＤ主机应用程序的人机界面

二者间的实时数据通信准确无误，这表明文中固件程序和主机应用程序对设计ＨＩＤ类ＵＳＢ数据通信接口有较高的参考价值。

参考文献

［１】萧世文，宋延清．ＵＳＢ２．Ｏ硬件设计［Ｍ］．２舨．北京：清华大学出版

社，２００６

［２］刘立，澍剑斌，等．基于ＨＩＤ类的ＵＳＢ接口技术研究［Ｊ］．计算机工程

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［３］詹克团，侯国志．ＵＳＢＨＩＤ类设备的开发［Ｊ］．电溯与仪表，２００４。４１

（５）：４８—５０

［４］张念淮，江浩．ＵＳＢ总线接口开发指南［Ｍ］．北京：国防工业出版社，

２００１

机应用程序含在该界面对应的程序模块中。在查找到ＬＰＣ２３７８应用模块对应的ＨｌＤ后，在多媒体定时器中断事件中用Ｗｒ．１ｅ－Ｆ．Ｉｅ函数以５ｍｓ的间隔向ＨＩＤ发送数据，每次发送的数据为６４字节，数据的变化规律用Ｃ语言表示如下：ｊ＋＋：／／ｊ为ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒ型

ｆｏｒ（ｉ＝０：ｉ＜６４：ｉ＋＋）／／Ｉ为ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒ型

ＴｘＤ【日＝Ｈ：／／要发送的数据，ｕｎｓＩｇｎｅｄｃｈａｒ型

ＬＰＣ２３７８应用模块接收后立即向ＰＣ机回发收到的数据，主机应用程序在数据接收线程中利用ＲｅａｄＦ¨ｅ函数和Ｗａｉｔ．ＦｏｒＳＩｎｇＩｅＯｂｊｅｃｔ函数接收回发的数据，并将其存储在硬盘上。在以上数据交换过程进行了若干小时后。点击图４所示的“暂停”，再点击“验证”。“验证”对应的代码从硬盘上读取接收的数据，按照发送数据的规律对读取的数据进行逐一校验。

４结束语

［５］Ｕｎｉｖｅｒ髓Ｉ

ｓｅｒｉａＩ

ＢｕｓＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ

Ｒｅｖｉｓｂｎ２．Ｏ

ｆＺ】．ｃｏｍｐａｑ．

（ＨＩＤ）

ＨｅｗＩｅ仕一ＰａＣｋａｒｄ．…。２０００

［６］附ｉｃｅ

ＣＩａｓｓＤｅｆｉｎｉｔｉｏｎ

ｆｏｒＨｕｍ醐ＩｎｔｅｒｆａｃｅＤｅｖｉｃｅｓ

Ｆｊ朋ｗａｒｅＳｐｅｃｉ“ｃａｔｉｏｎ【Ｚ】．ＵＳＢ

ｌｍｐｌｅｍｅｎｔｅｒ’ｓＦｏｒｕｍ．２００１

［收稿日期：２００＆１０．１７】

经过长时间的实验，ＨｌＤ和其主机应用程序运行稳定、可靠，

－●Ｈ—＋——■—－．．－－—卜——＋．－■——－．——一．一 ．．——．．——一．— ．．——＿．—－—卜嶙■— —＋—．＋－—卜—■一—■一－—－－．．—— ＋－－＋——＋－－＿．一 —卜——＋——＋ —■——■——一．——．．一—■—— ＋－－■一 —卜喟＋—＋—＋ ＋ ＋ ＋－＋－＋—＋ （上接第７页）

１ＭＢ／Ｓ。

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．一一．一弛■３

２．４系统软件设计

整个系统的软件设计包含用户界面和控制程序两个部分。用户的界面包含三个磁道的写读磁内容设置．磁道选择等。控制程序包含磁条内容的解码和ＰＣＩ一１７５１的控制指令的发出，程序的编写全部采用ＤｅＩｐｈｉ语言编译，在这里就不详细描述。

３结束语

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龋————‘＊】，，，Ｈ，】｝粤—一；；｛■■—『－；；■＿；；——

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圈４

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一■翻Ｉ口ｈ岫埘帆翟黼一哦脯

采用计算机配合数据采集卡完成读写磁系统的实现，简单方便，可移植性好．在今后产品的柔性化设计中，利用计算机和数据采集卡进行的产品实现将占有重要地位。

参考文献

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２００６（１）：１００一１０３

ＭＡＧ—ＴＥＫ２１００６５０５各信号时序圈

２．３３ＰＣＩ一１７５１数据采集卡介绍

研华ＰＣＩ一仃５１是一款基于ＰＣＩ总线的４８位数字量Ｉ／ｏ卡，还提供一个事件计数器和２个１６位的定时器。ＰＣＩ一仃５１仿真８２５５ＰＰｌ模式Ｏ，但它的缓冲电路能够提供比８２５５更高的驱动能力。

ＰＣＩ一１７５１仿真两个８２５５ＰＰＩ芯片，提供４８位数字量Ｉ／Ｏ，其中４８位被分为６个８位Ｉ／Ｏ。用户可以通过软件对每个端口进行配置。双中断处理能力增加用户使用板卡的灵活性。ＰＣＩ一１７５１板卡使用高密度的ＳＣＳＩ６８引脚接口，使与现场设备的连接方便，可靠。

此卡与工控机通过ＰＣＩ接口进行通讯，其传输速度为

［３］汪建宇．ＰＰ一１型磁卡读／写器［Ｊ］．中国仪器仪表，２００５（１１）：９１—９３［４］国家质量监督检验检疫总局，ＧＢ—Ｔ１５１２０【１卜１９９４识别卡记录技术［Ｓ］．北京：中国标准出版杜，１９９５［５］ＰＣＩ一１７５１快速安装手册［Ｋ］

［６］薛鸿贵，李振华．磁卡电话机原理使用与维惨［Ｍ】．北京：人民邮电出

版杜，１９９５

［收稿日期：２００８．１０．６］

万方数据

USB+HID数据通信接口的设计与实现

USB HID数据通信接口的设计与实现

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：

扶文树， 何军， 陆信如

南京北方信息产业集团有限公司,江苏,南京,211153工业控制计算机

INDUSTRIAL CONTROL COMPUTER2009，22(2)0次

参考文献(6条)

1.萧世文.宋延清 USB 2.0硬件设计 2006

2.刘立.谢剑斌.卢力.余理富 基于HID类的USB接口技术研究[期刊论文]-计算机工程与科学 2003(5)3.詹克团.侯国志.吕铁良.袁国顺 USB HID类设备的开发[期刊论文]-电测与仪表 2004(5)4.张念淮.江浩 USB总线接口开发指南 2001

5.Universal Serial Bus Specification Revision 2.0 2000

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7.学位论文 周程 基于USB HID类的γ能谱数据采集系统研究 2006

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USB+HID数据通信接口的设计与实现

谱数据采集系统，为研发新一代核仪器作好了必要的技术储备。

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本文链接：http://www.77cn.com.cn/Periodical_gykzjsj200902005.aspx

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