单片机

一、背景

如果你正为项目的处理器而进行艰难的选择:一方面抱怨16位单片机有限的指令和性能,另一方面又抱怨32位处理器的高成本和高功耗,那么,基于 ARM Cortex-M3内核的STM32系列处理器也许能帮你解决这个问题。使你不必在性能、成本、功耗等因素之间做出取舍和折衷。

即使你还没有看完STM32的产品手册,但对于这样一款融合ARM和ST技术的“新生儿”相信你和我一样不会担心这款针对16位MCU应用领域 的32位处理器的性能,但是从工程的角度来讲,除了芯片本身的性能和成本之外,你或许还会考虑到开发工具的成本和广泛度;存储器的种类、规模、性能和容量;以及各种软件获得的难易。

对于在16位MCU领域用惯专用在线仿真器(ICE)的工程师可能会担心开发工具是否能够很快的上手?开发复杂度和整体成本会不会增加?产品上市时间会不会延长?

没错,对于32位嵌入式处理器来说,随着时钟频率越来越高,加上复杂的封装形式,ICE已越来越难胜任开发工具的工作,所以在32位嵌 入式系统开发中多是采用JTAG仿真器而不是你熟悉的ICE。

但是STM32采用串行单线调试和JTAG,通过JTAG调试器你可以直接从CPU获取调试 信息,从而将使你的产品设计大大简化,而且开发工具的整体价格要低于ICE,何乐而不为?

有意思的是STM32系列芯片上印有一个蝴蝶图像,据ST微控制器产品部Daniel COLONNA先生说,这是代表自由度,意在给工程师一个充分的创意空间。

我则“曲解”为预示着一种蝴蝶效应,这种蝴蝶效应不仅会对方案提供商以及终端产品供应商带来举足轻重的影响,而且会引起竞争对手策略的改变……翅膀已煽动,让我们一起静观其变!

二、STM32系列的作用

ARM公司的高性能”Cortex-M3”内核

1.25DMips/MHz,而ARM7TDMI只有0.95DMips/MHz

一流的外设

1μs的双12位ADC,4兆位/秒的UART,18兆位/秒的SPI,18MHz的I/O翻转速度

低功耗

在72MHz时消耗36mA(所有外设处于工作状态),待机时下降到2μA

最大的集成度

复位电路、低电压检测、调压器、精确的RC振荡器等

三、STM32F10x重要参数

  •  2V-3.6V供电

  •  容忍5V的I/O管脚

  •  优异的安全时钟模式

  •  带唤醒功能的低功耗模式

  •  内部RC振荡器

  •  内嵌复位电路

  •  工作温度范围:-40℃至+85℃或105℃

四、性能特点

基本型STM32F101:36MHz CPU,多达16K字节SRAM,1x12位ADC温度传感器

增强型STM32F103:72MHz CPU,多达20K字节SRAM,2x12位ADC 温度传感,PWM定时器,CAN,USB。

来源:网络

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随着单片机系统越来越广泛地应用于消费类电子、医疗、工业自动化、智能化仪器仪表、航空航天等各领域,单片机系统面临着电磁干扰(EMI)日益严重的威胁。电磁兼容性(EMC)包含系统的发射和敏感度两方面的问题。

如果一个单片机系统符合下面三个条件,则该系统是电磁兼容的:
① 对其它系统不产生干扰;
② 对其它系统的发射不敏感;
③ 对系统本身不产生干扰。

假若干扰不能完全消除,但也要使干扰减少到最小。干扰的产生不是直接的(通过导体、公共阻抗耦合等),就是间接的(通过串扰或辐射耦合)。电磁干扰的产生是通过导体和通过辐射,很多电磁发射源,如光照、继电器、DC电机和日光灯都可引起干扰;AC电源线、互连电缆、金属电缆和子系统的内部电路也都可能产生辐射或接收到不希望的信号。在高速单片机系统中,时钟电路通常是宽带噪声的最大产生源,这些电路可产生高达300 MHz的谐波失真,在系统中应该把它们去掉。另外,在单片机系统中,最容易受影响的是复位线、中断线和控制线。

1、干扰的耦合方式

(1)传导性EMI

一种最明显而往往被忽略的能引起电路中噪声的路径是经过导体。一条穿过噪声环境的导线可捡拾噪声并把噪声送到其它电路引起干扰。设计人员必须避免导线捡拾噪声和在噪声引起干扰前,用去耦办法除去噪声。最普通的例子是噪声通过电源线进入电路。若电源本身或连接到电源的其它电路是干扰源,则在电源线进入电路之前必须对其去耦。

(2)公共阻抗耦合

当来自两个不同电路的电流流经一个公共阻抗时就会产生共阻抗耦合。阻抗上的压降由两个电路决定,来自两个电路的地电流流经共地阻抗。电路1的地电位被地电流2调制,噪声信号或DC补偿经共地阻抗从电路2耦合到电路1。

(3)辐射耦合

经辐射的耦合通称串扰。串扰发生在电流流经导体时产生电磁场,而电磁场在邻近的导体中感应瞬态电流。

(4)辐射发射

辐射发射有两种基本类型:差分模式(DM)和共模(CM)。共模辐射或单极天线辐射是由无意的压降引起的,它使电路中所有地连接抬高到系统地电位之上。就电场大小而言,CM辐射是比DM辐射更为严重的问题。为使CM辐射最小,必须用切合实际的设计使共模电流降到零。

2、影响EMC的因数

① 电压。电源电压越高,意味着电压振幅越大,发射就更多,而低电源电压影响敏感度。

② 频率。高频产生更多的发射,周期性信号产生更多的发射。在高频单片机系统中,当器件开关时产生电流尖峰信号;在模拟系统中,当负载电流变化时产生电流尖峰信号。

③ 接地。在所有EMC问题中,主要问题是不适当的接地引起的。有三种信号接地方法:单点、多点和混合。在频率低于1 MHz时,可采用单点接地方法,但不适于高频;在高频应用中,最好采用多点接地。混合接地是低频用单点接地,而高频用多点接地的方法。地线布局是关键,高频数字电路和低电平模拟电路的地回路绝对不能混合。

④ PCB设计。适当的印刷电路板(PCB)布线对防止EMI是至关重要的。

⑤ 电源去耦。当器件开关时,在电源线上会产生瞬态电流,必须衰减和滤掉这些瞬态电流。来自高di/dt源的瞬态电流导致地和线迹“发射”电压,高di/dt 产生大范围高频电流,激励部件和线缆辐射。流经导线的电流变化和电感会导致压降,减小电感或电流随时间的变化可使该压降最小。

3、印刷电路板(PCB)的电磁兼容性设计

PCB是单片机系统中电路元件和器件的支撑件,它提供电路元件和器件之间的电气连接。随着电子技术的飞速发展,PCB的密度越来越高。PCB设计的好坏对单片机系统的电磁兼容性影响很大,实践证明,即使电路原理图设计正确,印刷电路板设计不当,也会对单片机系统的可靠性产生不利影响。例如,如果印刷板两条细平行线靠得很近,则会形成信号波形的延迟,在传输线的终端形成反射噪声。因此,在设计印刷电路板的时候,应注意采用正确的方法,遵守PCB设计的一般原则,并应符合抗干扰设计的要求。

3.1 PCB设计的一般原则

要使电子电路获得最佳性能,元器件的布局及导线的布设是很重要的。为了设计质量好、成本低的PCB,应遵循以下一般性原则。

(1)特殊元器件布局

首先,要考虑PCB尺寸的大小:PCB尺寸过大时,印刷线条长,阻抗增加,抗噪声能力下降,成本也增加;过小,则散热不好,且邻近线条易受干扰。在确定PCB尺寸后,再确定特殊元器件的位置。最后,根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局。

在确定特殊元器件的位置时要遵守以下原则:

① 尽可能缩短高频元器件之间的连线,设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近,输入和输出元件应尽量远离。

② 某些元器件或导线之间可能有较高的电位差,应加大它们之间的距离,以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。

③ 重量超过15 g的元器件,应当用支架加以固定,然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件,不宜装在印刷板上,而应装在整机的机箱底板上,且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。

④ 对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局,应考虑整机的结构要求。若是机内调节,应放在印刷板上方便调节的地方;若是机外调节,其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。

⑤ 留出印刷板定位孔及固定支架所占用的位置。

(2)一般元器件布局

根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局时,要符合以下原则:

① 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置,使布局便于信号流通,并使信号尽可能保持一致的方向。

② 以每个功能电路的核心元件为中心,围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上,尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。

③ 在高频下工作的电路,要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列,这样,不但美观,而且装焊容易,易于批量

④ 位于电路板边缘的元器件,离电路板边缘一般不小于2 mm。电路板的最佳形状为矩形。长宽比为3:2或4:3。电路板面尺寸大于200 mm×150 mm时,应考虑电路板所受的机械强度。

(3)布线

布线的原则如下:
① 输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行,最好加线间地线,以免发生反馈
② 印刷板导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定。当铜箔厚度为0.5 mm、宽度为1~15 mm时,通过2 A的电流,温升不会高于3℃。因此,导线宽度为1.5 mm可满足要求。对于集成电路,尤其是数字电路,通常选0.02~0.3 mm导线宽度。当然,只要允许,还是尽可能用宽线,尤其是电源线和地线。导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路,尤其是数字电路,只要工艺允许,可使间距小于0.1~0.2 mm。
③ 印刷导线拐弯处一般取圆弧形,而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外,尽量避免使用大面积铜箔,否则,长时间受热时,易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时,最好用栅格状,这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。

(4)焊盘

焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。焊盘外径D一般不小于(d+1.2) mm,其中d为引线孔径。对高密度的数字电路,焊盘最小直径可取(d+1.0) mm。

3.2 PCB及电路抗干扰措施

印刷电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系,这里仅就PCB抗干扰设计的几项常用措施作一些说明。

(1)电源线设计

根据印刷线路板电流的大小,尽量加粗电源线宽度,减少环路电阻;同时,使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致,这样有助于增强抗噪声能力。(2)地线设计

在单片机系统设计中,接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用,可解决大部分干扰问题。单片机系统中地线结构大致有系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地(逻辑地)和模拟地等。

在地线设计中应注意以下几点:

① 正确选择单点接地与多点接地。在低频电路中,信号的工作频率小于1 MHz,它的布线和器件间的电感影响较小,而接地电路形成的环流对干扰影响较大,因而应采用一点接地的方式。当信号工作频率大于10 MHz时,地线阻抗变得很大,此时应尽量降低地线阻抗,应采用就近多点接地。当工作频率在1~10MHz时,如果采用一点接地,其地线长度不应超过波长的 1/20,否则应采用多点接地法。

② 数字地与模拟地分开。电路板上既有高速逻辑电路,又有线性电路,应使它们尽量分开,而两者的地线不要相混,分别与电源端地线相连。低频电路的地应尽量采用单点并联接地,实际布线有困难时可部分串联后再并联接地;高频电路宜采用多点串联接地,地线应短而粗。高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔,要尽量加大线性电路的接地面积。

③ 接地线应尽量加粗。若接地线用很细的线条,则接地电位会随电流的变化而变化,致使电子产品的定时信号电平不稳,抗噪声性能降低。因此应将接地线尽量加粗,使它能通过三倍于印刷电路板的允许电流。如有可能,接地线的宽度应大于3 mm。

④ 接地线构成闭环路。设计只由数字电路组成的印刷电路板的地线系统时,将接地线做成闭路可以明显地提高抗噪声能力。其原因在于:印刷电路板上有很多集成电路元件,尤其遇有耗电多的元件时,因受接地线粗细的限制,会在地线上产生较大的电位差,引起抗噪能力下降;若将接地线构成环路,则会缩小电位差值,提高电子设备的抗噪声能力。

(3)退耦电容配置

PCB设计的常规做法之一,是在印刷板的各个关键部位配置适当的退耦电容。

退耦电容的一般配置原则是:
① 电源输入端跨接10~100μF的电解电容器。如有可能,接100μF以上的更好。
② 原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01 pF的瓷片电容。如遇印刷板空隙不够,可每4~8个芯片布置一个1~10 pF的钽电容。
③ 对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件,如RAM、ROM存储器件,应在芯片的电源线和地线之间直接接入退耦电容。
④ 电容引线不能太长,尤其是高频旁路电容不能有引线。

此外,还应注意以下两点:
① 在印刷板中有接触器、继电器、按钮等元件时,操作它们时均会产生较大火花放电,必须采用RC电路来吸收放电电流。一般R取1~2 kΩ,C取2.2~47μF。
② CMOS的输入阻抗很高,且易受感应,因此在使用时,对不用端要接地或接正电源。

(4)振荡器

几乎所有的单片机都有一个耦合于外部晶体或陶瓷谐振器的振荡器电路。在PCB上,要求外接电容、晶体或陶瓷谐振器的引线越短越好。RC振荡器对干扰信号有潜在的敏感性,它能产生很短的时钟周期,因而最好选晶体或陶瓷谐振器。另外,石英晶体的外壳要接地。

(5)防雷击措施

室外使用的单片机系统或从室外架空引入室内的电源线、信号线,要考虑系统的防雷击问题。常用的防雷击器件有:气体放电管、TVS(Transient Voltage Suppression)等。气体放电管是当电源电压大于某一数值时,通常为数十V或数百V,气体击穿放电,将电源线上强冲击脉冲导入大地。TVS可以看成两个并联且方向相反的齐纳二极管,当两端电压高于某一值时导通。其特点是可以瞬态通过数百乃至上千A的电流。

转自:电磁兼容之家

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单片机C语言编程定时器的两种表达方式

demi的头像

单片机C语言编程中,定时器的初值对于初学者真的是比较不好计算,因此我总结了以下几种方法。

第1种方法:

#define FOSC 11059200L //晶振的频率
#define TIMS (65536-FOSC/12/1000) //12T mode 对于8051系列单片机通用
//#define TIMS (65536-FOSC/1000) //1T mode STC单片机可以用这个
unsigned int timer0_tick;
int timer0_count;
void Timer0(void) interrupt 1 using 1 //定时器0中断外理
{
TL0=TIMS;
TH0=TIMS>>8;
if(timer0_tick--==0) //加到1000次即1秒
{
timer0_tick=1000;
LED_Timer=~LED_Timer;
}
}

初值的赋值采用的是移位运算:
TL0=TIMS;
TH0=TIMS>>8;

在单片机的学习过程中,单片机定时器的合理设置和应用是非常关键的一步,也是刚开始接触单片机知识的新人工程师们比较容易出错误的一个环节之一。在今天的文章中,我们为大家总结了单片机定时器应用过程中的两大常见问题进行实时解析,希望能够对各位新人工程师的学习提供一定帮助。

问题一:51单片机的T0、T1定时器四种工作方式各有什么特点?

在单片机定时器的应用过程中,定时器在进行设置时会有四种不同的工作方式,合理选择相应的工作方式可以帮助工程师快速完成及时设置。

下面我们就来逐一讲解一下这四种不同的计时方式。
方式0是单片机计时器的第一种计时方式,这一方式13位计数模式。方式1则采用16位计数模式,方式2采用8位自动重装入计数模式,这两种技术模式也是目前在单片机应用过程中最常使用的及时方式。最后一种单片机定时器的计时方式是方式3,这一模式下只有T0有的双8位计数模式。

问题二:在设置单片机定时器的过程中出现了错误,应该怎么进行误差纠正?

在使用单片机定时器进行计时设置的过程中,出现设置错误的情况是在所难免的,这就需要我们采取一些方法对已经造成的错误进行纠正了。由于单片机的机器周期通常为1μs~2μs,因此定时误差一般应在0μs~20μs之内,对于一般应用,此误差可以忽略,但是对于精确度要求比较高的应用场合,此误差必须进行校正。定时误差是定时溢出后转入执行定时处理语句段之间所耗费的时间,此时间主要由定时溢出转入定时处理语句段所必须执行的指令或硬件过程产生。

定时误差校准的一个比较简单的方法式,在定时溢出响应后,立刻停止定时器的计数工作,同时快速读出当时计数值,然后将完成这一任务的程序段执行时间考虑进去,作为修正因子校正定时初值,以下程序段以中断处理方式为例来进行说明。需要注意的是,由于执行从指令clrTR0(停止计数)到指令setbTR0(重新开启计数)之间的指令需8个机器周期,应将此消耗考虑进去,因此该程序将定时误差缩小在1个机器周期内。

这一纠正程序的设计如下图所示:

以上就是本文针对单片机定时器使用过程中常见的两种问题,所进行的分享和解析,希望能够对各位新人工程师的单片机学习提供一定的帮助。

来源:玩转单片机、网络

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单片机系统硬件抗干扰常用方法实践影响单片机系统可靠安全运行的主要因素主要来自系统内部和外部的各种电气干扰,并受系统结构设计、元器件选择、安装、制造工艺影响。这些都构成单片机系统的干扰因素,常会导致单片机系统运行失常,轻则影响产品质量和产量,重则会导致事故,造成重大经济损失。

形成干扰的基本要素有三个:

(1)干扰源。指产生干扰的元件、设备或信号, 用数学语言描述如下:du/dt, di/dt大的地方就是干扰源。如:雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。

(2)传播路径。指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。

(3)敏感器件。指容易被干扰的对象。如:A/D、 D/A变换器,单片机,数字IC,弱信号放大器等。

1、干扰的分类

1.1 干扰的分类

干扰的分类有好多种,通常可以按照噪声产生的原因、传导方式、波形特性等等进行不同的分类。按产生的原因分: 可分为放电噪声音、高频振荡噪声、浪涌噪声。 按传导方式分:可分为共模噪声和串模噪声。 按波形分:可分为持续正弦波、脉冲电压、脉冲序列等等。

1.2 干扰的耦合方式

干扰源产生的干扰信号是通过一定的耦合通道才对测控系统产生作用的。因此,我们有必要看看干扰源和被干扰对象之间的传递方式。干扰的耦合方式,无非是通过导线、空间、公共线等等,细分下来,主要有以下几种:

(1)直接耦合: 这是最直接的方式,也是系统中存在最普遍的一种方式。比如干扰信号通过电源线侵入系统。对于这种形式,最有效的方法就是加入去耦电路。

(2)公共阻抗耦合: 这也是常见的耦合方式,这种形式常常发生在两个电路电流有共同通路的情况。为了防止这种耦合,通常在电路设计上就要考虑。使干扰源和被干扰对象间没有公共阻抗。

(3)电容耦合: 又称电场耦合或静电耦合。是由于分布电容的存在而产生的耦合。

(4)电磁感应耦合: 又称磁场耦合。是由于分布电磁感应而产生的耦合。

(5)漏电耦合: 这种耦合是纯电阻性的,在绝缘不好时就会发生。

单片机的硬件抗干扰技术解析

2、常用硬件抗干扰技术

针对形成干扰的三要素,采取的抗干扰主要有以下手段。

2.1 抑制干扰源

抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt, di/dt。这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则,常常会起到事半功倍的效果。 减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。 抑制干扰源的常用措施如下:

(1)继电器线圈增加续流二极管,消除断开线圈时产生的反电动势干扰。仅加续流二极管会使继电器的断开时间滞后,增加稳压二极管后继电器在单位时间内可动作更多的次数。

(2)在继电器接点两端并接火花抑制电路(一般是RC串联电路,电阻一般选几K到几十K,电容选0.01uF),减小电火花影响。

(3)给电机加滤波电路,注意电容、电感引线要尽量短。

(4)电路板上每个IC要并接一个0.01μF~0.1 μF高频电容,以减小IC对电源的影响。注意高频电容的布线,连线应靠近电源端并尽量粗短,否则,等于增大了电容的等效串联电阻,会影响滤波效果。

(5)布线时避免90度折线,减少高频噪声发射。

(6)可控硅两端并接RC抑制电路,减小可控硅产生的噪声(这个噪声严重时可能会把可控硅击穿的)。

2.2 切断干扰传播路径

按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。 所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰。高频干扰噪声和有用信号的频带不同,可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰噪声的传播,有时也可加隔离光耦来解决。电源噪声的危害最大,要特别注意处理。 所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰。一般的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距离,用地线把它们隔离和在敏感器件上加屏蔽罩。 切断干扰传播路径的常用措施如下:

(1)充分考虑电源对单片机的影响。电源做得好,整个电路的抗干扰就解决了一大半。许多单片机对电源噪声很敏感,要给单片机电源加滤波电路或稳压器,以减小电源噪声对单片机的干扰。比如,可以利用磁珠和电容组成π形滤波电路,当然条件要求不高时也可用100Ω电阻代替磁珠。

(2)如果单片机的I/O口用来控制电机等噪声器件,在I/O口与噪声源之间应加隔离(增加π形滤波电路)。

(3)注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近,用地线把时钟区隔离起来,晶振外壳接地并固定。

(4)电路板合理分区,如强、弱信号,数字、模拟信号。尽可能把干扰源(如电机、继电器)与敏感元件(如单片机)远离。

(5)用地线把数字区与模拟区隔离。数字地与模拟地要分离,最后在一点接于电源地。A/D、D/A芯片布线也以此为原则。

(6)单片机和大功率器件的地线要单独接地,以减小相互干扰。大功率器件尽可能放在电路板边缘。

(7)在单片机I/O口、电源线、电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件如磁珠、磁环、电源滤波器、屏蔽罩,可显著提高电路的抗干扰性能。

2.3 提高敏感器件的抗干扰性能

提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰噪声的拾取,以及从不正常状态尽快恢复的方法。 提高敏感器件抗干扰性能的常用措施如下:

(1)布线时尽量减少回路环的面积,以降低感应噪声。

(2)布线时,电源线和地线要尽量粗。除减小压降外,更重要的是降低耦合噪声。

(3)对于单片机闲置的I/O口,不要悬空,要接地或接电源。其它IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。

(4)对单片机使用电源监控及看门狗电路,如: IMP809,IMP706,IMP813, X5043,X5045等,可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。

(5)在速度能满足要求的前提下,尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电路。

(6)IC器件尽量直接焊在电路板上,少用IC座。

2.4 其它常用抗干扰措施

(1)交流端用电感电容滤波:去掉高频低频干扰脉冲。

(2)变压器双隔离措施:变压器初级输入端串接电容,初、次级线圈间屏蔽层与初级间电容中心接点接大地,次级外屏蔽层接印制板地,这是硬件抗干扰的关键手段。次级加低通滤波器:吸收变压器产生的浪涌电压。

(3)采用集成式直流稳压电源: 有过流、过压、过热等保护作用。

(4)I/O口采用光电、磁电、继电器隔离,同时去掉公共地。

(5)通讯线用双绞线:排除平行互感。

(6)防雷电用光纤隔离最为有效。

(7)A/D转换用隔离放大器或采用现场转换:减少误差。

(8)外壳接大地:解决人身安全及防外界电磁场干扰。

(9)加复位电压检测电路。防止复位不充分, CPU就工作,尤其有EEPROM的器件,复位不充份会改变EEPROM的内容。

(10)印制板工艺抗干扰:
① 电源线加粗,合理走线、接地,三总线分开以减少互感振荡。
② CPU、RAM、ROM等主芯片,VCC和GND之间接电解电容及瓷片电容,去掉高、低频干扰信号。
③ 独立系统结构,减少接插件与连线,提高可靠性,减少故障率。
④ 集成块与插座接触可靠,用双簧插座,最好集成块直接焊在印制板上,防止器件接触不良故障。
⑤ 有条件的采用四层以上印制板,中间两层为电源及地。

转自:电子发烧友网

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单片机晶振旁边两个对地电容叫晶振的负载电容,分别接在晶振的两个脚上和对地的电容,一般在几十皮发。它会影响到晶振的谐振频率和输出幅度,一般订购晶振时候供货方会问你负载电容是多少。

一般单片机的晶振工作于并联谐振状态,也可以理解为谐振电容的一部分。它是根据晶振厂家提供的晶振要求负载电容选值的,换句话说,晶振的频率就是在它提供的负载电容下测得的,能最大限度的保证频率值的误差。也能保证温漂等误差。两个电容的取值都是相同的,或者说相差不大,如果相差太大,容易造成谐振的不平衡,容易造成停振或者干脆不起振。晶振负载电容值指的是晶振的交流电路中参与振荡与晶振串联或者并联的负载电容值。晶振的电路频率主要是有晶振自身决定,既然负载电容参与电路振荡,肯定会对频率多少起到微调作用。负载电容值越小,振荡电路就会反而越高。

各种逻辑芯片的晶振引脚可以等效为电容三点式振荡器。晶振引脚的内部通常是一个反相器,或者是奇数个反相器串联。在晶振输出引脚XO和晶振输入引脚XI之间用一个电阻连接,对于CMOS芯片通常是数M到数十M欧之间。很多芯片的引脚内部已经包含了这个电阻,引脚外部就不用接了。这个电阻是为了使反相器在振荡初始时处与线性状态,反相器就如同一个有很大增益的放大器,以便于起振。石英晶体也连接在晶振引脚的输入和输出之间,等效为一个并联谐振回路,振荡频率应该是石英晶体的并联谐振频率。晶体旁边的两个电容接地,实际上就是电容三点式电路的分压电容,接地点就是分压点。以接地点即分压点为参考点,振荡引脚的输入和输出是反相的,但从并联谐振回路即石英晶体两端来看,形成一个正反馈以保证电路持续振荡。在芯片设计时,这两个电容就已经形成了,一般是两个的容量相等,容量大小依工艺和版图而不同,但终归是比较小,不一定适合很宽的频率范围。外接时大约是数PF到数十PF,依频率和石英晶体的特性而定。需要注意的是:这两个电容串联的值是并联在谐振回路上的,会影响振荡频率。当两个电容量相等时,反馈系数是0.5,一般是可以满足振荡条件的,但如果不易起振或振荡不稳定可以减小输入端对地电容量,而增加输出端的值以提高反馈量。

单片机晶振的负载电容常见问题分析

振荡电路不匹配导致晶振不起振,影响振荡电路的三个指标:频率误差、负性阻抗、激励电平。

①频率误差太大,导致实际频率偏移标称频率从而引起晶振不起振。

解决办法:选择合适的PPM值的产品。

②负性阻抗过大太小都会导致晶振不起振。晶振在工作逐渐出现停振现象,用手碰触或者用电烙铁加热晶振引脚又开始工作。

解决办法:负性阻抗过大,可以将晶振外接电容Cd和Cg的值调大来降低负性阻抗;负性阻抗太小,则可以将晶振外接电容Cd和Cg的值调小来增大负性阻抗。一般而言,负性阻抗值应满足不少于晶振标称最大阻抗3-5倍。

③激励电平过大或者过小也将会导致晶振不起振,激励电平过大则可能出现晶振在工作中发烫,逐渐出现停振现象。

解决办法:通过调整电路中的Rd的大小来调节振荡电路对晶振输出的激励电平。一般而言,激励电平越小越好,处理功耗低之外,还跟振荡电路的稳定性和晶振的使用寿命有关。

晶振PCB布线:在PCB布线时,晶振电路的走线尽可能的短直,并尽可能靠近MCU,尽量降低振荡电路中的杂散电容对晶振的影响;PCB布线的时候,尽量不要在晶振下面走信号线,避免对晶振产生电磁干扰,从而导致振荡电路不稳定。带有晶振的电路板一般不建议用超声波清洗,避免发生共振而损坏晶振导致不良。

在PCB上的位置:如果你的PCB板比较大,晶振尽量靠边一些,这是因为晶振设计在中间位置会因PCB板变形产生的机械张力而受影响,可能出现不良;如果你的PCB板比较小,晶振位置尽量往中间靠,不要设计在边沿位置,这是因为PCB板小,一般SMT过回流焊都是多拼板,在分板的时候产生的机械张力会对晶振有影响,可能产生不良。

转自:电子发烧友网

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单片机是嵌入式系统的核心元件,使用单片机的电路要复杂得多,但在更改和添加新功能时,带有单片机的电路更加容易实现,这也正是电器设备使用单片机的原因。那么在单片机电路的设计中需要注意的难点有哪些?你都解决了吗?下面分享10个单片机电路设计中的难点,一起来学习吧~

一、单片机上拉电阻的选择

10 个单片机电路设计中的难点,你都解决了吗?

10 个单片机电路设计中的难点,你都解决了吗?

大家可以看到复位电路中电阻R1=10k时RST是高电平 ,而当R1=50时RST为低电平,很明显R1=10k时是错误的,单片机一直处在复位状态时根本无法工作。出现这样的原因是由于RST引脚内含三极管,即便在截止状态时也会有少量截止电流,当R取的非常大时,微弱的截止电流通过就产生了高电平。

二、LED串联电阻的计算问题

通常红色贴片LED:电压1.6V-2.4V,电流2-20mA,在2-5mA亮度有所变化,5mA以上亮度基本无变化。

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三、端口出现不够用的情况

这时可以借助扩展芯片来实现,比如三八译码器74HC138来拓展。

10 个单片机电路设计中的难点,你都解决了吗?

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四、滤波电容

滤波电容分为高频滤波电容和低频滤波电容。

1、高频滤波电容一般用104容(0.1uF),目的是短路高频分量,保护器件免受高频干扰。普通的IC(集成)器件的电源与地之间都要加,去除高频干扰(空气静电)。

2、低频滤波电容一般用电解电容(100uF),目的是去除低频纹波,存储一部分能量,稳定电源。大多接在电源接口处,大功率元器件旁边,如:USB借口,步进电机、1602背光显示。耐压值至少高于系统最高电压的2倍。

五、三极管的作用

1、开关作用:

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LEDS6为高电平时截止,为低电平时导通。
限流电阻的计算:集电极电流为I,则基极电流为I/100(这里涉及到放大作用,集电极电流是基极的100倍),PN结电压0.7V,R=(5-0.7)/(I/100)

2、放大作用:集电极电流是基极电流的100倍

3、电平转换:

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当基极为高电平时,三极管导通,右侧的导线接地为低电平,当基极为低电平时,三极管截止,输出高电平。

六、数码管的相关问题

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数码管点亮形成的数字由a,b,c,d,e,f,e,dp(小数点)构成,字模及真值表如上图。

七、电流电压驱动问题

由于单片机输出有限,当负载很多的时候需要另外加驱动芯片 ,比如74HC245。

八、上拉电阻

上拉电阻选取原则

1、从节约功耗及芯片灌电流能力考虑应当足够大;电阻大,电流小。
2、从确保足够的驱动电流考虑应当足够小;电阻小,电流大。
3、对于高速电路,过大的上拉电阻可能会导致边沿变平缓。
综合考虑:上拉电阻常用值在1K到10K之间选取,下拉同理。

上下拉电阻,上拉就是将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平,下拉同理。
1、电平转换,提高输出电平参数值。
2、OC门必须加上拉电阻才能使用。
3、加大普通IO引脚驱动能力。
4、悬空引脚上下拉抗干扰。

九、晶振和复位电路

晶振电路

1、晶振选择:
根据实际系统需求选择,6M,12M,11.0592M,20M等待。
2、负载电容:
对地接2个10到30pF的电容即可,常用20pF。
3、万用表测晶振:
直接用红表笔对晶振引脚,黑表笔接GND,测量电压即可。

复位电路

把单片机内部电路设置成为一个确定的状态,所有的寄存器初始化。
51单片机的复位时间大约在2个机械周期左右,具体需要看芯片数据手册。
一般通过复位芯片或者复位电路,具体的阻容参数的计算,通过google查找。

十、按键抖动及消除

按键也是机械装置,在按下或放开的一瞬间会产生抖动,如下图:

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消除方法有两种:软件除抖和硬件除抖,其中硬件除抖是应用了电容对高频信号短路的原理。

软件除抖是检测出键闭合后执行一个延时程序,产生5ms~10ms的延时,让前沿抖动消失后再一次检测键的状态,如果仍保持闭合状态电平,则确认为真正有键按下。

来源:电源网订阅号

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一个单片机硬件系统的硬件电路设计包含两部分内容:
一是系统扩展,即单片机内部的功能单元,如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时,必须在片外进行扩展,选择适当的芯片,设计相应的电路。
二是系统的配置,即按照系统功能要求配置外围设备,如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等,要设计合适的接口电路。

系统的扩展和配置应遵循以下原则:

1、尽可能选择典型电路,并符合单片机硬件系统常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。

2、系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求,并留有适当余地,以便进行二次开发。

3、硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响,考虑的原则是:软件能实现的功能尽可能由软件实现,以简化硬件结构。但必须注意,由软件实现的硬件功能,一般响应时间比硬件实现长,且占用CPU时间。

4、单片机硬件系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。 如选用CMOS芯片单片机硬件系统构成低功耗系统时,系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。

5、可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分,它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。

6、单片机硬件系统外围电路较多时,必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时,系统工作不可靠,可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。

7、尽量朝“单片”方向设计硬件系统。系统器件越多,器件之间相互干扰也越强,功耗也增大,也不可避免地降低了系统的稳定性。随着单片机片内集成的功能越来越强,真正的片上系统SoC已经可以实现,如ST公司推出的μPSD32××系列产品在一块芯片上集成了80C32核、大容量FLASH存储器、SRAM、A/D、I/O、两个串口、看门狗、上电复位电路等等。

本文转自:电子发烧友 - 电子说,转载此文目的在于传递更多信息,版权归原作者所有。

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本文设计的是一款基于单片机的红外智能空调遥控器,这种遥控器能采用测量脉冲宽度的方法学习红外信号,同时使用游程编码算法对数据进行压缩后存储,并利用单片机内部定时器PWM模式产生红外载波,成功实现了对红外遥控的学习与再现。

下面请看详细设计流程。

系统总体结构与硬件设计

系统采用模块化设计,各模块通过接口电路与主控芯片相连。主要模块有:矩阵键盘,液晶显示,存储模块,红外发送模块,红外接收模块,RS232、RS485 通信模块,以及温度检测模块。系统结构图如图1 所示。

系统以Atmega16 单片机作为主控芯片,Atmega16具有16K 字节的系统内可编程Flash ,512 字节EEPROM,1K 字节SRAM,32 个通用I/O 口线,32 个通用工作寄存器,用于边界扫描的JTAG 接口,支持片内调试与编程,三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断,可编程串行USART,有起始条件检测器的通用串行接口,8 路10 位具有可选差分输入级可编程增益的ADC,具有片内振荡器的可编程看门狗定时器,一个SPI 串行端口,以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。该芯片功能强大,满足系统设计需要并提供了充分的扩展空间。主控芯片使用8MHz 的晶振,晶振电路靠近主控芯片,尽量减少输入噪声。复位电路采用低电平复位。

智能学习型红外空调遥控器的设计与实现
图1 系统结构图

矩阵键盘采用3*3 的设计,设置了8 个功能键,方便用户进行手动操作。其中单独设计了一颗模式切换键,可在学习、发射、通信模式中切换。为了实现学习功能, 红外接收模块使用了一体化接收头NB1838,其光电检测和前置放大器集成于同一封装,中心频率为37.9KHz. NB1838 的环氧树脂封装结构为其提供了一个特殊的红外滤光器,对自然光和电场干扰有很强的防护性。NB1838 对接收到的红外信号进行放大、检波、整形,并调制出红外编码,得到TTL 波形,反相后输入单片机,再由单片机进行进一步的处理,存储到EEPROM 中,接收电路如图2 所示。

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图2 接收硬件电路图。

考虑到系统需要的存储空间比较大,设计了单独的存储模块,选用的EEPROM 是AT24C64,它提供了8KB 的容量,通过IIC 协议与Atmega16 TWI 接口通信,将学习到的红外指令存储在此,掉电不丢失。

在发射模式下,系统从EEPROM 读取相应数据信息,利用三极管9013 组成的放大电路,通过大功率红外发射管将调制好的红外信号发射出去。发射电路如图3所示,非发送状态时,三极管工作在截止状态,红外发射管不工作,有利于降低功耗以及延长红外发射管的使用寿命。经实际测试,发射距离可达到10m 左右。

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图3 发射硬件电路图。

通信模式中,系统通过RS232 电路与上位机通信,在与上位机通信时使用DS18B20 反馈温度信息,DS18B20 一线总线设计大大提高了系统的抗干扰性,独特而且经济。系统还增加了RS485 模块,便于组网,以实现对多个红外设备进行控制。RS485 在组网时只需要用一对双绞线将子设备的"A"、"B"端连接起来,这种接线方式为总线式拓扑结构,在同一总线上可挂接多个结点,连接方便。

为了增加设备的实用性,系统设计了两个电源方案,一个是直接接入5V 直流电源,一个是接入12V直流电源,然后通过L7805 构成的变压电路降压为5V使用。

系统软件设计与实现

系统程序主要分为三个部分:学习模式,发送模式以及通信模式。当第一次进入系统时,初始化设置设备地址,然后设置通信的波特率,提供1200、9600 以及19200 三种选择。系统主程序即在三个模式间切换,默认进入通信模式,可以通过模式切换按键改变模式,也可以通过上位机直接更改。出于系统的稳定性需要,在程序中加入了软件看门狗,防止程序"跑飞".

学习功能设计

学习模式

红外遥控器的码型多样,编码一般包括:帧头、系统码、操作码、同步码、帧间隔码、帧尾,且同步码与帧间隔码出现的位置不固定,因此码型格式灵活多变,很难区分各种码型的编码含义;各个红外遥控的编码长度不尽相同,发送方式也多种多样,最常用的有三种:完整帧只发送一次、完整帧重复发送两次、先发送一个完整帧,后重复发送帧头和一个脉冲。面对如此多样化的编码方式,如果区分每种编码的含义进行学习,学习的复杂度将会很高,并且通用性也会受到影响。所以,为了避开各色码型的干扰,系统在学习时并不关心码型数据的实际意义,只记录脉冲的时间宽度。系统主要针对载波频率为38KHz(周期为26us)的红外遥控器,利用变量IR_time 记录接收到的脉冲宽度。学习程序流程如图4 所示。

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图4 学习程序流程图。

压缩存储

由于不考虑具体的码型数据意义,只记录脉冲的宽度,系统的学习功能通用性得到了提高,但这种方式学习到的数据量很大,对存储的要求就变得很高。

尽管系统针对存储的大容量需求设计了单独的存储模块,但考虑到应在不增加硬件开销的情况下保证足够的存储容量,以及满足未来扩展的需要,在进行数据存储时,采取了数据压缩技术。

从学习到的电平数据可以发现,无论数据是1 还是0,都有相同时长的电平出现,这符合游程编码的特点。游程编码是一种简单的非破坏性资料压缩法,其好处是加压缩和解压缩都非常快,其方法是计算连续出现的资料长度压缩之。比如:一张二值图像的数据为:

WWWWWWWWBWWWWBBBWWWWWWWBWWWWW

使用游程编码压缩可得:8W1B4W3B7W1B 5W.

可见,压缩效率极高,且可避免复杂的编码和解码运算。所以,在存储时,系统对学习到的数据进行游程编码压缩[7,8].例如,学习到的一组空调遥控器的数据为[157 153 23 53 … 23 53 23 180 156 152 23 53 …53 23],如图5 所示,对重复的电平数据采用游程编码压缩后,原本需要199 字节的空调遥控码,只需要106个字节即可存储,压缩率达53.27%.因此,在存储时针对学习到的数据特点采取游程编码压缩,可以有效节约存储空间。

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图5 一组典型的空调数据帧。

发射功能设计

现有的红外遥控器很多都是采用外部电路产生载波信号,例如使用NEC555 振荡器产生载波信号。为了减少硬件开销,本系统使用单片机内部的定时器产生载波。系统使用的是Atmega16 单片机,其定时器功能强大,具有普通模式、CTC 模式、快速PWM 模式、相位修正PWM 模式等工作模式,系统利用定时器1,使其工作在快速PWM 模式,产生占空比为1:3 的38KHz 的PWM 波。当发送某条指令时,单片机从对应的EEPROM 中提取指令信息,然后调制到生成的载波上,再通过发射电路即可完成红外信号的发射。

通信功能设计

上位机通信

本遥控器除了能通过功能按键实现手动操作外,还可以通过上位机软件对遥控器进行控制。遥控器与上位机通过RS232 模块进行通信,首先配置上位机软件,确定串口号,选择与设备相同的波特率及主从设备地址,然后根据需要选择相应的指令,点击发送即可通过上位机对设备进行控制。由于本遥控器是基于空调遥控器进行研究的,在与上位机通信时,系统中的温度检测模块会上传实时温度,便于用户进行调整。图6 为上位机软件流程图。

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图6 上位机软件流程图。

组网控制

为了实现对多个设备的联网控制,还设计了RS485 模块。各子遥控器通过RS485 模块的"A"、"B"端连接在一起,组成控制网络,如图7 所示,其中一个作为主遥控器,与上位机通过RS232 模块进行串口通信。当上位机需要对某个子设备进行控制时,选择相应的子设备地址号,发送指令即可,主遥控器收到指令信息后,会将指令发给对应的子设备。与主遥控器相连的上位机PC 连接Internet,作为本地服务器,可实现远程控制。

用户登录远程客户端,经身份验证后与服务器建立连接,可发送指令给本地服务器,本地服务器再经过串口通信对遥控器进行相应操作。如果遥控器主机与上位机距离较远,RS232 不能满足通信需要,也可不使用遥控器主机,在上位机PC 上使用RS232-485 转接头,通过RS485 直接将遥控器网络与PC 机485 接口相连,利用上位机对遥控器网络直接进行控制。

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图7 控制网络示意图。

本文设计了一款智能空调遥控器。该系统采用只记录红外信号脉冲宽度,不考虑红外编码格式的方式,通过游程编码算法将红外信号压缩后保存到EEPROM 中,并直接利用主控芯片定时器的PWM 模式产生38KHz 的载波,节约了硬件成本,除手动操作外还可以通过上位机对遥控器进行控制,使用方便。

系统成功实现了对多种空调遥控器的学习与功能再现,操作灵活,性能稳定。本系统还可用于智能家居中,对不同的红外设备进行控制,也可用于远程网络控制,为智能家居及远程监控提供了一种实现方法。

来源:中国百科网

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如何实现单片机用一个I/O采集多个按键信号

使用模数转换(ADC)的特点就可以实现单片机用一个I/O采集多个按键信号。

一、单片机的I/O口检测按键简说

我们知道,一般情况下单片机的一个I/O口作为普通I/O口的话,只能检测识别一个按键。

日常设计中,如果碰到按键数量较多的话,会采用行列式键盘,例如最常见的4X4矩阵键盘,这样可以实现用8个I/O口检测16个按键。

如何实现单片机用一个I/O采集多个按键信号?

还有就是键盘接口,典型的是我们计算机上用的键盘,其采用PS/2接口,现在一般计算机上用的是USB接口的键盘。

另外还有使用串口或者IIC、SPI接口的键盘芯片,这些使用常见的串口、IIC、SPI通信协议实现。

但是这些都一个以上的I/O口,不是真正的用多个按键。

如何实现单片机用一个I/O采集多个按键信号?

那么有没有更简单的办法,使用更少的I/O口资源检测更多的按键呢?

二、基于模数转换的AD键盘

我们知道按键检测实际上是检测连接按键的端口的高低电平值,在单个I/O口检测单个按键时,只是简单的判断连接按键的端口的电平是高电平(+5V)还是低电平(0V)。那么是否可以通过电平的微小变化来检测按键是否被按下呢?

下图为一个A/D键盘的原理图,从图中可以看出,当不同的按键被按下时,ADC端点处的电压不同,通过判断不同的电压值就可以判断出是那个按键被按下。

如何实现单片机用一个I/O采集多个按键信号?

对于具有AD转换功能的单片机来说,直接接到一个AD通道即可。对于没有AD转换功能的单片机,可采用一个AD转换模块。

对于这种按键,有以下缺点:

1、对于同一点处的电压值,A/D多次采样的结果不可能完全相同。

2)、电阻的误差。电阻值由于电阻的精度和环境温度的原因,误差较大,所以A/D键盘各个按键点的分压不准确。

3)、为尽量减少误差,可以采取增加电阻精度、增加温度补偿等方法,另外在软件处理时候要注意消除按键抖动等因素,还要对实际转换值和标准值给出误差补偿。

4)、如果按键按下,经过A/D转换,若实际转换值在允许误差范围之内(需要实际测量各点电压,并计算各点电压平均值),则认为按键按下,否则程序不响应。

5)、实际试验过程中,还要考虑电阻的累积误差,选用精度越高的电阻,可分辨的按键数目越多。

转自:畅学单片机

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