??? 摘 要： 基于ARM的非接觸" title="非接觸">非接觸IC卡網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計。在ARM上移植μC/OS-II" title="C/OS-II">C/OS-II操作系統(tǒng)，嵌入TCP/IP" title="TCP/IP">TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)以太網(wǎng)通信；建立SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫，編寫Delphi管理軟件，建立ASP動態(tài)網(wǎng)站。該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實時性，其功能和性能都滿足大規(guī)模的非接觸IC卡網(wǎng)絡(luò)管理要求，非接觸IC卡的識別時間小于11ms。
??? 關(guān)鍵詞： ARM? 非接觸IC卡? SQL Server 2000? μC/OS-II? ASP
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??? 隨著計算機(jī)信息技術(shù)和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，以及芯片微型化封裝技術(shù)的日趨成熟，非接觸IC卡逐漸成為人們關(guān)注和研究的重點[1]。非接觸IC卡作為一種全新的應(yīng)用領(lǐng)域，具有無機(jī)械磨損、容易維護(hù)、方便使用、信息存儲量大[2][3]等特點。本文設(shè)計的非接觸IC卡網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用ARM處理器，在ARM上移植μC/OS-II實時操作系統(tǒng)，嵌入TCP/IP[4]；建立SQL Server 2000大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫[5]，同時，結(jié)合Delphi與SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫編程技術(shù)和Delphi網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)[6][7][8]編寫管理軟件，實現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信；利用ASP+SQL Server動態(tài)網(wǎng)站開發(fā)技術(shù)建立IIS5.1服務(wù)器網(wǎng)站，實現(xiàn)大規(guī)模的非接觸IC卡網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)[9][10]，能滿足對信息載體的便攜性、高安全性、易用性、超大規(guī)模管理等要求。本系統(tǒng)可用于服務(wù)領(lǐng)域，如貨物銷售與后勤、商業(yè)、生產(chǎn)企業(yè)和材料流通等。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理
??? 系統(tǒng)設(shè)計分為C/S和B/S結(jié)構(gòu)。C/S結(jié)構(gòu)中主要包括專用讀卡芯片F(xiàn)M1702N、ARM組成的讀卡終端、SQL Server數(shù)據(jù)庫和Delphi編寫的管理軟件，系統(tǒng)管理員可以在管理界面對用戶進(jìn)行注冊、修改、刪除、查詢等操作，在運(yùn)行界面實時顯示各個讀卡終端的狀態(tài)并記錄在數(shù)據(jù)庫上。B/S主要有SQL Server數(shù)據(jù)庫和IIS5.1建立服務(wù)器網(wǎng)站，用戶能夠通過遠(yuǎn)端的Web網(wǎng)頁查詢和管理IC卡信息。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
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2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
??? 硬件主要由三星S3C2410、FM1702N、RTL8019AS、LCD、JTAG、語音芯片、鍵盤等組成。S3C2410采用1.8V ARM920T內(nèi)核，帶有3.3V 16KB指令和16KB數(shù)據(jù)緩存及MMU單元，非線性（NAND）Flash引導(dǎo)單元，系統(tǒng)管理器(包括片選邏輯和SDRAM控制器)，3通道的異步串行口（UART），4通道的DMA，實時時鐘單元（RTC），I2C總線接口，IIS總線接口，16/32位RISC微處理器。移植μC/OS-II操作系統(tǒng)，嵌入TCP/IP協(xié)議，通過RTL8019AS以太網(wǎng)芯片實現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信；FM1702N是讀卡專用芯片，主要實現(xiàn)對非接觸IC卡的讀寫操作； LCD實現(xiàn)顯示功能；JTAG 用于軟件調(diào)試使用；音頻實現(xiàn)語音功能；鍵盤實現(xiàn)對系統(tǒng)的輸入設(shè)置。硬件框圖如圖2所示。
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2.1 FM1702N與S3C2410的接口電路
??? FM1702N與S3C2410的接口電路如圖3所示。FM1702N是上海復(fù)旦微電子股份有限公司設(shè)計的基于ISO14443標(biāo)準(zhǔn)、Mifare標(biāo)準(zhǔn)的三重認(rèn)證算法的射頻IC卡讀卡專用芯片，采用0.6μm CMOS EPPROM工藝，支持多種加密算法，兼容飛利浦的MFRC530。內(nèi)部的發(fā)射器不需要增加有源電路就可以驅(qū)動近距離的天線(可達(dá)10cm)。接收電路中的FM1702N采用了正交解調(diào)電路解調(diào)RX腳上ISO14443標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)載波信號。
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??? FM1702N與S3C2410通過并行接口連接，F(xiàn)M1702N的IRQ與S3C2410的EINT1相連，采用外部中斷模式；FM1702N的數(shù)據(jù)D0～D7與S3C2410數(shù)據(jù)線的DATA0～DATA7相連；FM1702N的片選信號NCS接在S3C2410的nGCS1，對應(yīng)的內(nèi)存地址為0X08000000～0X10000000；FM1702N的A0和A1接高電平，A2接低電平，工作在讀/寫選通模式下；WR、RD分別與S3C2410的nWE、nOE連接。穩(wěn)定的工作頻率對FM1702N非常重要，本設(shè)計外部時鐘源，時鐘信號加到OSCIN和OSCOUT端口，晶振頻率為13.56MHz，同時注意時鐘的占空比和防抖動，以保證時鐘信號的品質(zhì)。
2.2 讀寫器" title="讀寫器">讀寫器天線的設(shè)計
??? 讀寫器天線的設(shè)計是與M1卡進(jìn)行通信的關(guān)鍵，根據(jù)互感原理，半徑越大、匝數(shù)越多讀寫器上的天線和M1卡上天線的互感系數(shù)就越大。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)的要求，M1卡和讀寫器的通信距離為10cm。天線可等效成R、L、C并聯(lián)回路，等效電路圖如圖4所示， L為天線的自感，R為天線的等效電阻，C為天線的分布電容。
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??? 天線的品質(zhì)因數(shù)是設(shè)計天線時要注意的部分。根據(jù)國際無線通信標(biāo)準(zhǔn)ISO1444規(guī)定：無論TYPEA或TYPEB射頻IC卡，讀寫器和射頻IC卡之間的數(shù)據(jù)傳輸速度為106kb/s，載波頻率為13.56MHz，所以每一位數(shù)據(jù)維持時間是9.44μs。Type A型射頻IC卡讀寫器到射頻IC卡的信號編碼是修正米勒編碼，傳送每一位數(shù)具有3?滋s的載波中斷，因此，該信號的帶寬近似為B=333.333kHz，故讀寫器天線的品質(zhì)因數(shù)Q=13.56MHz/333.333kHz=35，天線的傳輸帶寬與品質(zhì)因數(shù)成反比關(guān)系。因此，過高的品質(zhì)因數(shù)會導(dǎo)致帶寬縮小，從而減弱讀寫器的調(diào)制邊帶，導(dǎo)致讀寫器無法與卡通信。耦合天線電感值L1(nH)采用下面公式進(jìn)行估算：
??? 
式(1)中：l1為一圈導(dǎo)體的長度，D1為導(dǎo)線的直徑或PCB板的線寬(cm)，K為線的形狀系數(shù)(環(huán)形K=1.07，矩形K=1.47)，N1為環(huán)數(shù)[3]。
2.3 RTL8019AS與S3C2410的接口電路
??? TRL8019AS與S3C2410的接口電路如圖5所示。RTL8019AS是高度集成以太網(wǎng)控制器，帶寬10MB/s～20MB/s，支持JUMPER和JUMPERLESS選項，集成10BASET收發(fā)器，BNC和AUI接口之間具有自動檢測功能，有8條IRQ總線和16條基本地址總線，支持16KB、32KB和64KB BROM和閃存接口。
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??? 通過雙向三態(tài)緩沖器74LS245實現(xiàn)TRL8019AS和S3C2410數(shù)據(jù)電平的轉(zhuǎn)換，采用外部中斷EINT1，TRL8019AS的地址與S3C2410的A0～A4連接，TRL8019AS的AEN與S3C2410的nCS3連接，對應(yīng)的內(nèi)存地址ox18000000～ox20000000。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
??? 本系統(tǒng)程序設(shè)計分為下位機(jī)和上位機(jī)，μC/OS-II程序結(jié)構(gòu)如圖6所示。通過對OS_CFG.H文件的設(shè)置來裁剪操作系統(tǒng)，在μC/OS-II中嵌入TCP/IP協(xié)議，編寫FM1702驅(qū)動、TRTL8019驅(qū)動、LCD顯示和語音驅(qū)動；建立SQL2000數(shù)據(jù)庫，Delphi前端數(shù)據(jù)庫管理軟件設(shè)計，ASP動態(tài)網(wǎng)站的制作。
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??? 讀卡時，非接觸IC卡的信息由FM1702N驅(qū)動，通過μC/OS-II操作系統(tǒng)向應(yīng)用程序傳送，然后應(yīng)用程序調(diào)用TCP/IP協(xié)議，TRL8019AS驅(qū)動以太網(wǎng)向PC上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，通過Delphi管理軟件對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行各種操作。寫卡時，PC機(jī)通過以太網(wǎng)TRL8019AS驅(qū)動TCP/IP協(xié)議，μC/OS-II的應(yīng)用程序通過FM1702N驅(qū)動將信息寫入非接觸IC卡。
3.1 FM1702N驅(qū)動程序設(shè)計
??? FM1702N驅(qū)動程序的設(shè)計主要是對非接觸IC卡（簡稱M1卡）的讀寫操作，由S3C2410通過對讀卡專用芯片F(xiàn)M1702N的寄存器進(jìn)行設(shè)置。FM1702N對M1卡操作流程圖如圖7所示。
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??? 尋卡（Request）：當(dāng)系統(tǒng)初始化后，F(xiàn)M1702N循環(huán)向天線發(fā)出尋卡信號。只要M1卡處在M1卡讀寫器天線的工作范圍之內(nèi)，S3C2410控制讀寫器便向M1卡發(fā)出REQUEST all(或REQUEST std)命令。得到能量后，M1卡的ATR啟動，將M1卡Block0中的M1卡類型號共2個字節(jié)傳送給讀寫器，建立M1卡與讀寫器的第一步通信聯(lián)絡(luò)。如果不進(jìn)行復(fù)位請求操作，讀寫器對M1卡的其它操作將不會進(jìn)行。
??? 防沖突機(jī)制（Anti collision loop）：當(dāng)有多張卡進(jìn)入讀寫器操作范圍時，防沖突機(jī)制會從其中選擇一張進(jìn)行操作，未選中的則處于空閑模式等待下一次選卡。該過程會返回被選卡的序列號。
??? 選卡（Select Card）：選擇被選中的M1卡的序列號，并同時返回卡的容量代碼。
??? 三次相互認(rèn)證（3 Pass Authentication）：選定要處理的M1卡后，讀寫器就確定要訪問的扇區(qū)號，并對該扇區(qū)密碼進(jìn)行密碼校驗，在三次相互認(rèn)證之后就可以通過加密流進(jìn)行通訊（在選擇另一扇區(qū)時則必須進(jìn)行另一扇區(qū)密碼校驗）。三次認(rèn)證的令牌原理框圖如圖8所示。
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??? 三次相互認(rèn)證過程：
??? (A)環(huán)：由M1卡向讀寫器發(fā)送一個隨機(jī)數(shù)據(jù)RB；
??? (B)環(huán)：由讀寫器收到RB后向M1卡發(fā)送一個令牌數(shù)據(jù)TOKEN AB，其中包含讀寫器發(fā)出的一個隨機(jī)數(shù)據(jù)RA；
??? (C)環(huán)：M1卡接收到TOKEN AB后，對其加密部分進(jìn)行解密，并校驗第一次由(A)環(huán)中M1卡發(fā)出的隨機(jī)數(shù)RB是否與(B)環(huán)中接收到的TOKEN AB 中的RB相一致；
??? (D)環(huán)：如果(C)環(huán)校驗正確，則M1卡向讀寫器發(fā)送令牌TOKENBA；
??? (E)環(huán)：讀寫器收到令牌TOKEN BA后，將對令牌TOKEN BA中的RB（隨機(jī)數(shù)）進(jìn)行解密，并校驗第一次由（B）環(huán)中讀寫器發(fā)出的隨機(jī)數(shù)RA是否與（D）環(huán)中接收到的TOKEN BA中的RA一致。如果上述的每一個環(huán)都為“真”，都能正確通過驗證，則整個認(rèn)證過程成功；相反，認(rèn)證過程中的任何一環(huán)出現(xiàn)差錯，整個認(rèn)證失敗，必須重新開始。如果事先不知卡片上的密碼，由于密碼的變化極其復(fù)雜，因此靠猜測密碼而想打開卡上的一個扇區(qū)的可能性幾乎為零。
??? 對數(shù)據(jù)塊的操作：讀(Read)，讀一個塊；寫(Write），寫一個塊；加（Increment），對數(shù)值塊進(jìn)行加值；減（Decrement），對數(shù)值塊進(jìn)行減值；存儲（Restore），將塊中的內(nèi)容存到數(shù)據(jù)寄存器中；傳輸（Transfer），將數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容寫入塊中；中止（Halt），將卡置于暫停工作狀態(tài)。
3.2 RTL8019AS驅(qū)動程序的設(shè)計
??? RTL8019AS驅(qū)動設(shè)計的主要任務(wù)是完成芯片初始化及實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)功能。芯片初始化的主要任務(wù)是完成DCR(配置寄存器遠(yuǎn)端DMA位數(shù))、PSTART（接收緩沖區(qū)起始頁的地址）、PSTOP（接收緩沖區(qū)的結(jié)束頁的地址）、TPSR（發(fā)送緩沖區(qū)的起始地址）、BNRY（指向最后一個已經(jīng)讀取的頁(讀指針)）、CURR（當(dāng)前的接收結(jié)束頁地址(寫指針)）的初始化。設(shè)置發(fā)送緩沖區(qū)為0X40～0X4b，可存儲2個最大以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包；將0X4c～0X7f設(shè)置為接收緩沖區(qū)。
??? 發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將待發(fā)送的數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程DMA寫入芯片RAM，給出發(fā)送緩沖區(qū)首地址和數(shù)據(jù)包長度，啟動發(fā)送命令(CR=0x3E)，即可實現(xiàn)RTL8019AS的數(shù)據(jù)發(fā)送。
??? 接收數(shù)據(jù)時，接收緩沖區(qū)構(gòu)成一個循環(huán)FIFO隊列，PSTART和PSTOP兩個寄存器限定了循環(huán)隊列的開始和結(jié)束頁，CURR為受芯片控制的寫入指針，BNRY為由主機(jī)程序控制的讀出指針。根據(jù)CURR是否等于BNRY+1，可以判斷是否收到新的數(shù)據(jù)包，新收到的數(shù)據(jù)包存于以CURR指定的地址為首地址的RAM中，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。
3.3 Delphi管理軟件
??? Delphi管理軟件的關(guān)鍵是對SQL Server數(shù)據(jù)庫的讀寫并用Winsocket編寫程序?qū)崿F(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信。首先在系統(tǒng)上安裝SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(本系統(tǒng)安裝的是SQL Server 2000個人版)，然后打開“企業(yè)管理器”，在“控制臺根目錄”下打開“Microsoft SQL Servers”中的“SQL Server組”，點擊本地服務(wù)器使SQL Server啟動，在“數(shù)據(jù)庫”項上點擊右鍵選擇“新建數(shù)據(jù)庫”就可以建立數(shù)據(jù)庫，如果是已建好的數(shù)據(jù)庫也可以選擇“所有任務(wù)”中的附加數(shù)據(jù)庫。在系統(tǒng)上安裝Delphi7數(shù)據(jù)庫前端開發(fā)軟件之后，新建一個工程，在工程中建一個數(shù)據(jù)模塊，使用Delphi提供的ADO組件TADOConnection，通過設(shè)置ConnectionString屬性為“Provider=SQLOLEDB.1；Persist Security Info=False；User ID=sa；Initial Catalog=IcNet”連接數(shù)據(jù)庫（IcNet是本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫名），利用TADOQuery執(zhí)行SQL語句，使用前設(shè)置TADOQuery的Connection屬性為ADOConnection，SQL語句如下：
??? With? ADOQuery do
??? Begin
????? Close；//關(guān)閉數(shù)據(jù)集
????? SQL.Clear；//清空SQL語句
????? SQL.Add(‘Select?鄢From tablename’)；//添加SQL語句
??????Open；//執(zhí)行SQL語句
??? End；
??? 通過SQL語句訪問SQL Server數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對系統(tǒng)用戶的注冊、修改、刪除和查詢等操作。
??? Socket通信程序采用Delphi7中的ServerSocket和ClientSocket兩個組件實現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信。ClientSocket組件為客戶端" title="客戶端">客戶端組件，是通信的請求方主動與服務(wù)器端建立連接。ServerSocket組件為服務(wù)器端組件，是通信的響應(yīng)方，它的動作是監(jiān)聽以及被動接受客戶端的連接請求，并對請求進(jìn)行回復(fù)。ServerSocket組件可以同時接受一個或多個ClientSocket組件的連接請求，并與每個ClientSocket組件建立單獨連接，進(jìn)行單獨通信。在設(shè)計中，服務(wù)器端程序聲明了一個記錄類型：
??? type
??? client_record=record
??? CHandle：integer；?????????????????? //客戶端套接字句柄
??? CSocket：TCustomWinSocket；????????? //客戶端套接字
??? CName：string；????????????????????? //客戶端計算機(jī)名稱
??? CAddress：string；?????????????????? //客戶端計算機(jī)IP地址
????CUsed：boolean；???????????????????? //客戶端聯(lián)機(jī)標(biāo)志
??? end；
??? 定義一個公共數(shù)組：
??? Session：array[0..CMax] of client_record；//客戶端連接數(shù)
????????????????????????????????????????????? //組，CMax為最大連接數(shù)
??? Sessions：integer；?????????????????????? //客戶端連接數(shù)
???? 記錄類型數(shù)據(jù)保存客戶端的信息，同時保存當(dāng)前客戶端的連接狀態(tài)。其中CHandle保存客戶端套接字句柄，以便準(zhǔn)確定位每個與服務(wù)器端保持連接的客戶端；Csocket保存客戶端套接字，通過它可以對客戶端進(jìn)行回復(fù)；Cused記錄當(dāng)前客戶端是否與服務(wù)器端保持連接。對組件ServerSocket的屬性進(jìn)行設(shè)置，·Port是通信端口（端口號的有效范圍0～65535，大于49151的端口號一般為動態(tài)的)，必須設(shè)置，本系統(tǒng)設(shè)為2222；·ServerTypt是服務(wù)器端讀寫信息類型，設(shè)置為stNonBlocking表示異步讀寫信息；·ThreadCacheSize是客戶端的最大連接數(shù)，即服務(wù)器端最多允許多少客戶端同時連接通信，它可以根據(jù)系統(tǒng)的要求設(shè)置，其他屬性采用默認(rèn)設(shè)置即可。組件ClientSocket的屬性設(shè)置，·Port是通信的端口，必須與服務(wù)器端的設(shè)置相同；·ClientType是客戶端讀寫信息類型，應(yīng)該與服務(wù)器端的設(shè)置相同，為stNonBlocking表示異步讀寫信息；·Host是客戶端要連接的服務(wù)器的IP地址，必須設(shè)置，當(dāng)然也可以在代碼中動態(tài)設(shè)置，其他屬性采用默認(rèn)設(shè)置即可。
3.4 ASP動態(tài)網(wǎng)站
??? ASP動態(tài)網(wǎng)站采用ASP+SQL Server動態(tài)網(wǎng)站開發(fā)技術(shù)。首先在服務(wù)器上安裝IIS5.1軟件，打開管理工具的“internet服務(wù)管理器”，在“默認(rèn)網(wǎng)站”上單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“新建虛擬目錄”創(chuàng)建一個“非接觸IC卡網(wǎng)絡(luò)站點”，并對各項屬性進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)采用Macromedia Dreamweaver MX 2004開發(fā)平臺來編寫和調(diào)試ASP網(wǎng)頁代碼，首先在開發(fā)平臺上建立一個“非接觸IC卡網(wǎng)絡(luò)站點”，對站點的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置使其與IIS5.1服務(wù)器連接，在ASP動態(tài)網(wǎng)站中關(guān)鍵是對服務(wù)器SQL Server數(shù)據(jù)庫的訪問，因此建立了一個連接（conn.asp），以實現(xiàn)對SQL Server數(shù)據(jù)庫讀寫操作，語句如下：
??? Set conn=Server.CreateObject(″ADODB.Connection″)
??? conn.connectionstring=″Driver={SqlServer}；Server=(local)；UID=sa；database=IcNet″
??? conn.open
??? 當(dāng)要訪問SQL Server數(shù)據(jù)庫時，除了要調(diào)用conn.asp連接數(shù)據(jù)庫（），還要創(chuàng)建一個記錄對象，語句如下：
??? set rs=server.CreateObject(″adodb.recordset″)
??? sql=″select?鄢from tablename where condition″
??? rs.open sql，conn，3，3
??? 這樣就可以實現(xiàn)對SQL Server數(shù)據(jù)庫的訪問操作。在設(shè)計時主要采用了VBScript和JAVAScript編程技術(shù)，ASP中的Form標(biāo)簽用來創(chuàng)建一個提交的表單數(shù)據(jù)，利用Session對象記錄客戶端信息和Request對象從客戶端獲得信息等ASP+SQL Server動態(tài)網(wǎng)站開發(fā)技術(shù)。
4 系統(tǒng)測試
??? ARM讀卡終端與服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)連接時，測讀寫器得到的數(shù)據(jù)如表1所示。當(dāng)M1卡向不同的方向運(yùn)動及M1卡處于靜止時，系統(tǒng)能正常工作；當(dāng)M1卡被紙張、木材和塑料等非金屬或非透明的材質(zhì)包覆時，也可以進(jìn)行穿透性通訊，但若是鐵質(zhì)金屬，則無法進(jìn)行通訊。
??? 從表1可以看出，讀寫器與M1卡之間讀寫的最大無沖突通訊時間都小于11ms，處理每個沖突時間只要1ms。一般情況下，50張M1卡在1s之內(nèi)可以處理完，所以該系統(tǒng)能應(yīng)用于大規(guī)模的非接觸IC卡網(wǎng)絡(luò)管理，用于身份識別、計費、智能管理等實際應(yīng)用中。
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