1. 项目概述与核心价值

如果你正在用MC68HC908MR24这颗老牌8位机做电机驱动,无论是无刷直流(BLDC)还是步进电机,那么它的PWM电机控制模块(PWMMC)绝对是你绕不开的核心。这个模块远不止是简单的定时器输出PWM波,它集成了硬件死区插入、多路故障保护、电流采样同步以及灵活的软件控制接口,是构建一个可靠、高效电机驱动系统的基石。我当年第一次用这颗芯片做伺服驱动器时,对着几百页的英文手册逐字啃,踩过不少坑,也总结了一套行之有效的配置流程和避坑指南。

简单来说,PWMMC模块的核心价值在于“把复杂的事情交给硬件”。它通过一组精心设计的寄存器,让你能用软件配置出高精度的互补PWM信号,并自带硬件级的“看门狗”——故障保护电路。这意味着,当电机出现堵转、短路等异常时,硬件能在微秒级内强制关闭PWM输出,无需等待软件中断响应,从根本上避免了炸管风险。这对于成本敏感但可靠性要求高的工业应用,比如小型变频器、电动工具或自动化设备中的执行机构,是极具性价比的选择。

本文将基于我多年的实战经验,深入解析PWMMC模块的寄存器配置逻辑与故障保护机制。我不会照本宣科地翻译数据手册,而是会结合典型的三相全桥驱动场景,告诉你每个寄存器位背后的设计意图、配置时的先后顺序、以及那些手册里没写但实际调试中至关重要的“坑点”。目标是让你看完后,不仅能理解每个比特的作用,更能独立完成一个稳定可靠的电机控制PWM初始化代码。

2. PWMMC模块架构与核心寄存器全景

在动手配置寄存器之前,我们必须先在心里建立起PWMMC模块的架构模型。你可以把它想象成一个高度自动化的“PWM信号工厂”,而寄存器就是你控制这个工厂的“控制面板”。

2.1 模块核心功能框图

整个PWMMC模块可以划分为几个关键部分:

  1. PWM信号发生器 :核心是一个12位的向上/向下计数器(PCNTH/L),以及与之比较的模数寄存器(PDMODH/L)和6个独立的16位PWM值寄存器(PVALxH/L)。它负责产生基础的PWM波形。
  2. 输出控制与死区插入 :接收发生器产生的原始信号,根据配置(互补或独立模式)生成最终的6路PWM输出(PWM1-PWM6)。在互补模式下,硬件会自动插入可编程的死区时间(DEADTM寄存器),防止桥臂直通。
  3. 故障保护单元 :这是模块的“安全大脑”。它通过4个外部故障引脚(FAULT1-FAULT4)实时监测外部电路状态(通常连接过流、过压、过热等比较器输出)。一旦检测到故障,立即根据预设映射(DISMAP寄存器)关闭指定的PWM输出。
  4. 电流采样逻辑 :与故障保护协同工作,提供3个电流采样输入(IS1-IS3),可以在特定时刻(如死区结束时或周期中点)锁存电流值,用于软件实现逐周期限流或FOC算法中的电流重构。
  5. 控制与状态接口 :即我们主要操作的一系列寄存器(PCTL1, PCTL2, FCR, FSR, FTACK等),用于配置模块、读取状态和响应事件。

理解这个架构至关重要,因为它决定了我们配置寄存器的逻辑顺序:必须先搭建好信号发生器(设置时钟和周期),然后配置输出特性(死区、极性),最后才使能保护功能。顺序错了,轻则输出异常,重则上电就短路。

2.2 关键寄存器地址映射速查

为了方便查阅,我将核心寄存器及其地址整理如下表。MC68HC908MR24的PWMMC模块寄存器位于内存映射的 $0020 $0029 ,以及 $0036 - $0037

寄存器名称 地址 主要功能 读写特性
PWM控制寄存器1 (PCTL1) $0020 模块总使能(PWMEN)、加载同步(LDOK)、软件禁用(DISX/Y)、中断控制(PWMINT, PWMF) 读写
PWM控制寄存器2 (PCTL2) $0021 预分频(PRSC)、加载频率(LDFQ)、软件电流校正极性(IPOL) 读写
故障控制寄存器 (FCR) $0022 配置4个故障引脚的工作模式(FMODEx)与中断使能(FINTx) 读写
故障状态寄存器 (FSR) $0023 读取4个故障引脚的状态(FPINx)和事件标志(FFLAGx) 只读
故障应答寄存器 (FTACK) $0024 清除故障事件标志(FTACKx),读取电流采样状态(DTx) 写1清零/只读
PWM输出控制寄存器 (PWMOUT) $0025 手动输出控制使能(OUTCTL)及6路输出值(OUTx) 读写
PWM计数器高/低 (PCNTH/L) $0026-$0027 读取当前12位PWM计数器的值 只读
PWM计数器模数高/低 (PDMODH/L) $0028-$0029 设置PWM计数器的模数(周期) 读写(缓冲)
死区时间寄存器 (DEADTM) $0036 设置互补模式下的死区时间(CPU时钟周期数) 只写一次
禁用映射寄存器 (DISMAP) $0037 定义故障或软件禁用时,具体关闭哪几路PWM输出 只写一次

注意 DEADTM DISMAP 是“只写一次(Write-Once)”寄存器。这意味着上电复位后,你只有一次写入机会。一旦写入,除非发生芯片复位,否则无法更改。这个设计是为了防止软件跑飞后意外修改关键安全参数。因此,务必在初始化阶段,确认参数无误后一次性写入。

3. PWM信号生成:从计数器到占空比

这是PWMMC模块的基础。我们首先要让这个12位的计数器按照我们期望的频率和方式跑起来,并生成对应占空比的比较匹配事件。

3.1 计数器模式与周期计算

PWMMC支持两种计数器模式: 边沿对齐(Up-Only) 中心对齐(Up/Down) 。模式的选择通过 PCTL2 寄存器中不直接可见的位来控制(通常由另一个模块控制寄存器设置,需查阅芯片整体数据手册),但无论哪种模式,周期都由 PDMODH/L 这个12位模数寄存器决定。

  • 边沿对齐模式 :计数器从0向上计数到模数值(PDMOD),然后归零重新开始。PWM周期 T_pwm 等于 (PDMOD + 1) * T_pwmclk 。其中 T_pwmclk 是PWM时钟周期,由系统时钟经过预分频器( PCTL2 中的 PRSC 位)得到。这种模式简单,但会在开关时刻产生较大的谐波。
  • 中心对齐模式 :计数器从0向上计数到模数值,然后向下计数回0。PWM周期 T_pwm 等于 2 * PDMOD * T_pwmclk 。这种模式下,PWM脉冲关于周期中心对称,能有效减小谐波和电磁干扰(EMI),是电机驱动中的首选。

配置步骤与计算示例: 假设我们需要一个20kHz的PWM频率(周期50us),采用中心对齐模式,系统总线时钟 f_bus 为8MHz。

  1. 确定PWM时钟 :首先配置预分频器 PRSC 。为了获得更精细的周期调节,我们选择不分频,即 PRSC=00 ,则 f_pwmclk = f_bus = 8MHz T_pwmclk = 0.125us
  2. 计算模数值PDMOD :中心对齐模式下, T_pwm = 2 * PDMOD * T_pwmclk 。 因此, PDMOD = T_pwm / (2 * T_pwmclk) = 50us / (2 * 0.125us) = 200 。 将十进制200转换为十六进制 0x00C8 ,则 PDMODH = 0x00 PDMODL = 0xC8
  3. 设置寄存器 :将计算好的值写入 PDMODH PDMODL 关键点来了 :这个写入操作只是写入了缓冲区,真正的计数器并不会立即采用新模数。必须等到你设置 PCTL1 寄存器中的 LDOK 位(Load OK)为1,并且下一个PWM加载周期开始时,新模数才会生效。

避坑指南:模数非法值 数据手册明确警告: 模数(PDMOD)绝对不能设置为0 。因为模块内部采用“等于比较器”架构,模数为0会导致计数器行为异常(从 $FFF 向下计数),产生不可预测的波形。虽然死区和故障保护可能仍有效,但PWM输出完全混乱。所以,初始化时务必确保PDMOD大于0。一个稳健的做法是,在初始化代码中,在写入PDMOD值后,加入一个判断,如果发现值为0,则强制设置为一个安全的最小值(比如1)。

3.2 PWM值寄存器与占空比设定

6路PWM(PWM1-PWM6)各有一个16位有符号的PWM值寄存器 PVALxH/L (x=1~6)。在互补模式下,PWM1&2、PWM3&4、PWM5&6分别成对,可以共享PWM值寄存器以实现死区补偿,这由 PCTL2 中的 IPOLx 位控制,后文会详述。

占空比计算公式 占空比 = (PVALx / PDMOD) * 100% 这里 PVALx 是写入寄存器的 有符号 值。手册规定:

  • 如果 PVALx <= 0 ,则整个PWM周期内该路输出都为无效电平(通常是低电平,取决于极性设置)。
  • 如果 PVALx >= PDMOD ,则整个PWM周期内该路输出都为有效电平。
  • 正常调制时, 0 < PVALx < PDMOD

例如,PDMOD=200,想要50%占空比,则设置 PVALx = 100 。想要25%占空比,则设置 PVALx = 50

缓冲机制与同步加载 : 和模数寄存器一样,对 PVALx 的写入也是先进入缓冲区。你必须通过设置 LDOK=1 来触发一次同步加载,新的PWM值才会在下一个PWM重载周期生效。这个机制保证了6路PWM的占空比变化是同步的,避免了因软件写入顺序导致的各相不平衡问题,对于电机控制至关重要。

3.3 初始化流程与PWMEN使能

这是最容易出错的一步。正确的初始化顺序是**“先配置,后使能”**。

  1. 静态配置阶段(PWMEN=0)

    • 配置预分频器 PRSC PCTL2 )。
    • 配置计数器模数 PDMODH/L
    • 配置死区时间 DEADTM (如果使用互补模式)。
    • 配置禁用映射 DISMAP (规划故障时关闭哪些PWM)。
    • 配置故障控制 FCR (设置故障引脚模式)。
    • 初始化所有 PVALx 寄存器为安全值(例如0,输出全关)。
    • 配置 PCTL2 中的加载频率 LDFQ 和校正位 IPOL
  2. 同步加载阶段

    • PCTL1 寄存器中的 LDOK 位写1。此操作将上述所有缓冲区的配置值“标记”为就绪。
  3. 模块使能阶段

    • 最后,才将 PCTL1 寄存器中的 PWMEN 位写1,使能整个PWM模块。
    • 关键时序 :当 PWMEN 从0变为1的瞬间,模块会立即执行一次重载,将缓冲区的值(模数、PWM值等)加载到工作寄存器中,并设置 PWMF 标志位。同时,PWM引脚会从高阻态切换到输出状态,并根据初始化的PWM值和极性开始输出。

致命陷阱:错误的使能顺序 绝对不要在未配置模数 PDMOD 和设置 LDOK 的情况下,就直接设置 PWMEN=1 。如果 LDOK=0 ,模数寄存器可能是一个未知的随机值(复位后)或上次使用的旧值(非复位情况)。这会导致PWM周期不可控,很可能瞬间产生极高的开关频率或占空比,导致MOSFET直通烧毁。我曾在实验室里因为一个顺序错误,连续烧了三块驱动板。教训就是: PWMEN 必须是初始化序列中最后一个被置1的位。

4. 高级输出控制:死区、互补模式与手动控制

4.1 死区时间插入原理与配置

在驱动H桥或三相全桥时,同一桥臂的上下两个开关管(如PWM1和PWM2)绝对不能同时导通,否则会造成电源直通短路。死区时间就是在互补的PWM信号中插入的一段上下管都关断的时间。

PWMMC的硬件死区插入是它的核心优势之一。你只需要向 DEADTM 寄存器写入一个8位值(0-255),它代表死区时间所占据的 CPU时钟周期数 。例如,CPU时钟为8MHz,周期125ns。要插入1us的死区时间,则 DEADTM = 1us / 125ns = 8

重要特性

  • 只写一次 DEADTM 寄存器上电后只能写一次,写错只能复位芯片。
  • 与预分频无关 :死区时间基于CPU时钟,不受PWM预分频器( PRSC )影响。这简化了计算。
  • 最小值保证 :手册指出,即使你写入的值很小,硬件保证的死区时间也 不会短于一个特定值 (具体值需查芯片电气特性表)。这提供了底层安全保证。

4.2 互补模式与电流采样校正

在互补模式下,PWM1和PWM2是一对互补信号(PWM3&4, PWM5&6同理)。此时, PVAL1 PVAL2 寄存器不再是独立控制两路,而是由 PCTL2 中的 IPOL1 位决定使用哪一个。

  • IPOL1 = 0 :PWM1和PWM2都使用 PVAL1 的值作为比较基准。
  • IPOL1 = 1 :PWM1和PWM2都使用 PVAL2 的值作为比较基准。

为什么需要这个功能?这是为了配合电流采样实现“顶部/底部校正”。在电机控制中,我们常需要在特定的时刻(如上管开通前或下管开通前)采样相电流。 ISENS1:ISENS0 位( PCTL1 中)用于选择校正模式:

  • 00 :使用 IPOLx 位进行软件校正。你可以根据电流采样结果,动态切换使用 PVAL1 还是 PVAL2 ,来微调死区效应带来的误差。
  • 01 :保留。
  • 10 :电流采样发生在死区时间结束时。
  • 11 :在中心对齐模式下,电流采样发生在半周期点;边沿对齐模式下,发生在周期结束点。

FTACK 寄存器中的 DT1-DT6 位就是用来反映在这些特定采样时刻,电流采样引脚 IS1-IS3 的状态,供软件读取判断。

4.3 软件禁用与手动输出控制

除了硬件故障保护,软件也可以即时关闭PWM输出。

  • 软件禁用(DISX/DISY) :通过设置 PCTL1 中的 DISX DISY 位,可以立即禁用Bank X或Bank Y对应的PWM引脚(具体映射由 DISMAP 定义)。禁用会持续到该位被清零,且 一个新的PWM周期开始 。注意,这不会产生中断。
  • 手动输出控制(OUTCTL) :这是调试和特殊工况下的利器。当设置 PCTL1 中的 OUTCTL=1 时,PWM发生器与输出引脚断开,6路PWM输出的状态完全由 PWMOUT 寄存器中的 OUT1-OUT6 位直接控制。此时,你可以像控制普通GPIO一样控制这些引脚。 但请注意 :故障保护电路依然有效!如果发生故障,即使 OUTCTL=1 ,引脚仍会被强制禁用。此外,在手动控制模式下,死区插入逻辑对 OUTx 位的跳变依然有效。

5. 故障保护机制深度解析与实战配置

故障保护是工业电机驱动的生命线。PWMMC提供了4个完全独立的故障输入通道,每个都可以配置为自动或手动模式,并支持灵活的输出禁用映射。

5.1 故障输入模式:自动 vs. 手动

这是理解故障响应的关键,由 FCR 寄存器中的 FMODEx 位控制。

  • 自动模式(FMODEx = 1)

    • 行为 :故障引脚(高电平有效)上一旦出现上升沿,硬件会 立即 根据 DISMAP 的设置,将对应的PWM输出驱动到无效状态(通常是低电平,取决于极性)。这个动作是纯硬件完成的,延时极短(纳秒级)。
    • 恢复 :只有当故障引脚电平 变低 ,并且软件清除了对应的故障标志 FFLAGx (通过写 FTACKx=1 )后,PWM输出才会在下一个PWM周期开始时恢复。
    • 应用场景 :适用于需要 锁存 的故障,比如过流、母线过压。故障发生后,即使故障信号消失(比如过流保护电路自复位),PWM输出依然保持关闭,直到软件明确确认并清除故障。这防止了在故障原因未排除时系统自动重启。
  • 手动模式(FMODEx = 0)

    • 行为 :故障引脚的电平直接控制PWM输出。引脚为高时,禁用对应PWM;引脚为低时, 立即 重新使能PWM输出。 FFLAGx 标志依然会置位,但输出禁用与否只取决于引脚电平。
    • 恢复 :故障引脚电平变低后,PWM输出立即恢复,无需软件干预。
    • 应用场景 :适用于 非锁存、需要快速动态响应 的故障,比如逐周期电流限流。当电流超过阈值,比较器输出高电平关闭PWM;电流回落,比较器输出低电平,PWM立即重新开通,实现类似“打嗝”式的保护。

5.2 故障处理流程与软件协同

一个健壮的故障处理流程如下:

  1. 初始化配置

    • 根据硬件设计,确定哪个故障引脚连接哪种保护(如FAULT1接硬件过流比较器)。
    • DISMAP 寄存器中,规划好该故障需要关闭哪些PWM输出(例如,过流应关闭所有6路输出)。
    • FCR 寄存器中,设置故障模式(如过流设为自动模式 FMODE1=1 )和中断使能( FINT1=1 ,如果你想用中断处理)。
  2. 故障发生

    • 硬件立即动作,关闭指定的PWM输出。
    • 硬件在2个CPU周期内置位 FSR 寄存器中的对应 FFLAGx 位。
    • 如果该通道中断使能( FINTx=1 ),则向CPU申请中断。
  3. 软件响应(中断服务程序ISR中)

    • 读取 FSR 寄存器,判断具体的故障源( FFLAGx FPINx )。
    • 执行安全处理:关闭主回路接触器、记录故障日志、通知上位机等。
    • 清除故障标志 :向 FTACK 寄存器的对应 FTACKx 位写1。 这是关键步骤 ,不清除标志,即使故障引脚电平恢复,在自动模式下PWM也无法恢复。
    • 检查故障引脚当前状态( FPINx ),如果已恢复低电平,则可以考虑在安全条件下(如用户复位后)重新使能系统。

实操心得:故障标志清除的“读-改-写” 清除 FFLAGx 标志需要向 FTACKx 写1,但 FTACK 寄存器还包含只读的 DTx 位。直接 FTACK = 0x01; 这样的操作会破坏 DTx 的状态。安全的做法是采用“读-改-写”策略:先读取 FTACK 的值,与上你想要清除的标志位对应的掩码(例如 ~(1<<n) ),然后再回写。或者,更简单的方法是,在ISR中只关心故障处理, DTx 位通常在主循环的电流采样例程中读取,两者时间错开,偶尔的误写影响不大。但最好的习惯还是使用位操作(如 FTACK |= (1<<FTACK1); )来只操作特定的位。

5.3 禁用映射寄存器(DISMAP)的灵活应用

DISMAP 是一个8位只写一次寄存器,它定义了当故障发生或软件禁用( DISX/DISY )时,具体影响哪些PWM输出。每一位对应一个PWM输出(通常Bit0对应PWM1,以此类推,需确认具体手册映射)。例如:

  • 设置 DISMAP = 0x3F (二进制0011 1111),则任何Bank X或Y的故障/禁用,都会关闭所有6路PWM。这是最安全的全局保护设置。
  • 设置 DISMAP = 0x03 (二进制0000 0011),则只有PWM1和PWM2会被关闭。这可以用于仅保护某一个桥臂。

你可以为不同的故障源配置不同的映射(通过将多个故障引脚映射到不同的Bank?注意: DISX/DISY 和故障引脚对Bank的映射关系是固定的,由芯片设计决定, DISMAP 是所有禁用源的共同映射表)。这允许实现分级保护:例如,轻微过载只关闭部分输出降低功率,严重故障则全部关闭。

6. 低功耗模式与调试模式下的PWM行为

在实际系统中,MCU可能进入低功耗模式,或者你需要在线调试。

6.1 等待模式(Wait Mode)

当CPU执行 WAIT 指令进入等待模式时,PWM模块的时钟 继续运行 。这意味着PWM输出会正常进行,电机照常运转。如果此时发生PWM重载中断或故障中断,MCU会退出等待模式。如果你希望在等待模式下彻底降低功耗, 务必在进入WAIT前清除 PWMEN 。这样,PWM计数器和分频器会停止时钟,输出引脚保持高阻或静态,功耗显著降低。

6.2 断点模式(Break Mode)

在调试器设置断点或进入背景调试模式时,PWM 发生器 输出控制 的时钟会冻结。这非常有用!你可以在代码的任何位置暂停,然后用调试器查看 PCNTH/L (当前计数值)、 PVALx 等寄存器的状态,同时用示波器观察此时PWM输出的实际波形,实现了软件和硬件的同步观测。

但是, 故障保护电路的时钟继续运行 !这是一个重要的安全特性。即使在调试暂停时发生故障,硬件保护依然有效,会立即关闭PWM输出。

调试注意事项 SBFCR 寄存器中的 BCFE 位控制着在断点状态下软件能否清除状态位。为了防止在单步调试时意外清除故障标志 FFLAGx 或重载标志 PWMF 务必确保 BCFE=0 (默认值) 。这样,你在调试过程中读写状态寄存器就不会改变这些关键标志位。

7. 常见问题排查与实战技巧

以下是我在多个项目中总结的典型问题及其解决方法。

7.1 PWM无输出或输出异常

  • 检查清单
    1. PWMEN 位是否置1 ?这是最常被遗忘的一步。
    2. LDOK 位是否在 PWMEN 置1前已置1 ?如果 LDOK=0 ,模数和PWM值可能未加载,输出异常或全无。
    3. PDMOD 模数寄存器是否被正确写入且不为0 ?用调试器读取 PDMODH/L 确认。
    4. PVALx 寄存器值是否在合理范围(0 < PVALx < PDMOD) ?如果值非法,输出可能常高或常低。
    5. 引脚复用功能是否配置正确 ?MC68HC908MR24的PWM引脚可能与其他功能复用,需要检查相关的系统集成模块(SIM)寄存器,将引脚配置为PWM功能。
    6. 是否存在故障 ?检查 FSR 寄存器,看是否有 FFLAGx 被置位。故障会强制关闭输出。

7.2 故障保护不动作或误动作

  • 保护不动作

    • 检查故障引脚外部电路,确保故障信号能产生足够陡峭的上升沿(对于自动模式)或高电平。
    • 确认 DISMAP 寄存器已正确写入,并且映射到了你期望关闭的PWM引脚。
    • 确认 FCR 寄存器中对应故障通道的模式( FMODEx )和中断使能(如需要)已配置。
    • 用示波器同时测量故障引脚和PWM输出,确认时序关系。
  • 保护误动作(频繁进入故障)

    • 重点检查死区时间 :死区时间不足是导致桥臂直通、瞬间过流的最常见原因。计算并确保 DEADTM 寄存器设置的值足够大,需考虑MOSFET的开启延迟 t_d(on) 和关断延迟 t_d(off) 。通常,死区时间应大于 t_d(off) - t_d(on)
    • 检查硬件比较器的参考电压和 hysteresis(迟滞)是否合理,避免噪声引起误触发。
    • 在软件初始化时,等待电源和驱动电路稳定后再使能 PWMEN 。上电瞬间的电压毛刺可能触发故障。

7.3 电流采样值不准或错位

  • 采样时刻不对 :确认 ISENS1:ISENS0 位的设置与你硬件电流采样的时刻匹配。例如,如果你在低侧MOSFET导通时采样相电流,则应配置为在死区结束时采样( ISENS1:ISENS0 = 10 )。
  • DTx 位读取时机 FTACK 寄存器中的 DT1-DT6 位反映了在 上一个PWM周期 的特定采样时刻,电流采样引脚的状态。你需要在当前周期内,下一个采样事件发生前读取它,否则值会被覆盖。
  • 软件校正未生效 :如果使用软件校正模式( ISENS1:ISENS0 = 00 ),你需要根据采样结果,在中断服务程序中动态地切换 IPOLx 位,以选择使用 PVAL1 还是 PVAL2 。这个过程需要仔细的时序控制。

7.4 代码编写与维护建议

  1. 封装寄存器操作 :为每个PWM相关寄存器定义清晰的宏或函数,例如 PWM_SetDutyCycle(channel, duty) 。提高代码可读性和可移植性。
  2. 初始化函数结构化 :编写一个完整的 PWM_Init() 函数,严格按照“配置参数 -> 设置LDOK -> 使能PWMEN”的顺序进行,并加入参数检查(如PDMOD不为0)。
  3. 故障处理函数 :编写统一的 Fault_Handler() 函数,在其中读取 FSR ,根据不同的 FFLAGx 执行相应的安全策略和日志记录。
  4. 善用 OUTCTL 手动模式 :在系统启动、停止或调试阶段,使用手动模式可以方便地控制所有PWM输出为固定电平,便于测试硬件连接。

MC68HC908MR24的PWMMC模块是一个功能强大但需要精细操控的硬件。理解其寄存器间的耦合关系和工作时序,是写出稳定、可靠电机控制程序的关键。希望这篇基于实战的解析,能帮助你避开我当年踩过的那些坑,更高效地驾驭这颗经典的电机控制芯片。记住,在电机驱动领域,安全永远是第一位的,而充分利用好硬件自带的保护功能,是构建安全系统的第一道坚固防线。

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