便携脉搏监控仪.docx

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1、便携脉搏监控仪学 院：专 业：姓 名：指导老师：信息学院电子科学与技术关向光学 号：职 称：160105101037潘颖讲师中国珠海二二零年五月北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计诚信承诺书本人郑重承诺：本人承诺呈交的毕业设计便携脉搏监控仪是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。本人签名： 关向光 日期： 年 月 日便携脉搏监控仪摘 要便携脉搏监控仪（Portable Pulse Monitor）是一个能够基于用户的心率去检测脉搏的系统。在当今的社会，健康问题已经是一个非常普遍且重要的问题，好在社会的

2、进步让我们有能力用上各种精巧方便的电子产品，因此我们并非没有能力通过电子产品去关注自身的健康问题，以便携脉搏监控仪为例的各类生理参数监控系统便是因此应运而生的。本系统的主要组成部分有：STM32F411单片机，HP_6心率血压传感器模块，OLED显示屏。工作的原理是以STM32F411单片机为核心控制模块，以HP_6心率血压传感器模块为采集数据模块，最后再传输到OLED屏幕上面显示。关键词：脉搏监控仪；便携式设备；心率血压；STM32F411Portable Pulse MonitorAbstractPortable Pulse Monitor is a system that can det

3、ect pulse based on users heart rate. In todays society, health problems are already a very common and important problem. Fortunately, the progress of society has given us the ability to use various delicate and convenient electronic products, so we are not incapable of paying attention to our own he

4、alth problems through electronic products As a result, various types of physiological parameter monitoring systems, such as portable pulse monitors, came into being. The main components of this system are: STM32F411 microcontroller, HP_6 heart rate blood pressure sensor module, OLED display. The wor

5、king principle is based on the STM32F411 single-chip microcomputer as the core control module, and the HP_6 heart rate blood pressure sensor module as the data collection module, and finally transmitted to the OLED screen for display.Keywords: Pulse monitor; Portable device; Heart rate and blood pre

6、ssure; STM32F411 目 录1 前言11.1本设计的目的、意义及应达到的技术要求11.2本设计应解决的主要问题11.3本设计的实际应用与发展前景22 本设计42.1设计原理42.2方案选择52.2.1STM32F411开发板52.2.2HP-6模块82.2.3CH340串口驱动122.2.4ST-LINK V2驱动132.2.5OLED屏幕162.2.6蜂鸣器202.3设计过程203结论22参考文献23谢 辞24附 录251 前言随着社会与科学技术的发展，人类社会进入信息化的时代了，尤其是当今中国发生了翻天覆地的变化，人民群众的物质需求比起过去有了巨大的提升，我们的生活水准也随之大

7、幅提升了。但是伴随着生活水准的提升，一些身体的问题也会接踵而至，因此需要对自己的健康状况进行更为合理和严格的管理。基于上述社会现状，以实时了解用户身体状况为目的的各类可穿戴式设备应运而生，以便携式脉搏监控仪为例，它的基本功能不外乎于测量脉搏，显示脉搏数和警报三大项，此外还有个很大的优势就是便于携带，无论是担心运动后身体出现突发状况的运动人群，还是街上散步的年迈老人，都可以戴上便携式脉搏监控仪，随时了解自己的健康情况。可以说，类似的便携式生理状况检测系统和设备的流行是大势所趋，而且在未来会越来越普遍和成熟，是生产力和科技发展的见证和产物。1.1本设计的目的、意义及应达到的技术要求此类便携式生理参

8、数检测设备的目的大同小异，最主要的需求就是为了检测使用者的一些重要的生理参数，如血压，体温等。本设计的主要目的是在用户穿戴上便携式脉搏监控仪的时候即可触发传感器开始测量用户的脉搏，并传输数据给显示模块，通过OLED显示屏显示出来，用户则可以通过显示出来的实时心率去调整自己的运动状态，若单位时间内的脉搏数超过包括上限和下限在内的阈值，则会触发蜂鸣器的警报，提醒用户需要注意自身状况。本设计最大的意义在于丰富了便携式生理参数检测设备的类型和功能，除了准确，最主要的目的是“方便”，那理应实现尽可能多的方便的功能，所以本设计在基本的检测功能上添加了可视化和可听化功能。本设计主要的需求指标如下：1.能够测

9、量用户的脉搏2.能够把用户的脉搏数传输到OLED显示屏上，用户能够通过OLED屏查看自己的脉搏数3.在脉搏数超过了阈值后会触发蜂鸣器警报1.2本设计应解决的主要问题1. 测量的数据准确度。本设计虽然有便携和可视化，可听化功能，但是核心依然是“测量脉搏”，如果测量数据不准确，那么便失去了作为一款便携式生理参数监测仪的意义。2. 蜂鸣器的报警机制是采取实时数据警报机制，或者是取某时间段内的数据为报警依据。前者实时性高但是会存在误报的可能性，后者实时性不够高，但是能确保数据具有的可参考性比前者高。3. 为了确保数据的准确性，软件的方面，即程序的编写很重要。硬件方面也很重要，由HP-6模块的性质（设计

10、原理方面会提及），我们不难得知，在测量方面，硬件模块的摆放位置对于测量结果也会存在一定影响，所以在设计成品的时候需要注意这个问题4. 在把程序导入硬件模块之前，也需要注意单片机和模块之间的管脚有没有接对，这会直接影响我们的结果 1.3本设计的实际应用与发展前景 以本设计为例的各种生理参数监测设备在当今社会已经累见不鲜，从刚开始的比较大型笨重的家用式设备，到后来相对简便但是并便携且不智能的家用式设备，再到现在智能便携的可穿戴式设备，充分说明类似的生理参数监测设备在不断改进，市场潜力巨大。下面是市面上常见的集成了包括心率脉搏监测功能在内的生理参数监测智能手环：那么本产品的发展前景何在呢？一是市场需

11、求的不断扩大，在过去，类似的生理参数监测设备一般用于行动较为不便的老年人，所以是以家用式设备为主。而如今关注自己身体健康情况的人群都越来越多，所以整个便携智能生理参数监测设备的市场是在不断扩大的。二是功能越来越多越来越完善，包括但不限于简单的生理参数监测功能，也许会设计出更多身体状况监测的功能，或者增添GPS定位，和其他电子产品通信等功能，这些实用的功能也会不断优化此类便携式生理参数监测设备，让其成为一款实用度更高的可穿戴式设备。2 本设计2.1设计原理 本设计是以STM32F411单片机为核心，通过HP-6心率血压模块传输，把数据传输出去后在OLED屏上面显示使用者脉搏数，再结合蜂鸣器报警部

12、分组成的系统。本设计的重点在于HP-6心率血压模块的测试原理，这里可以介绍一下HP-6的测试原理是利用绿色发光二极管照射皮肤，通过反射返回到光电二极管，脉搏的跳动会让光电二极管产生强弱变化的电流，因此电流经过电阻时就能产生强弱变化的电压，强弱变化的电压经过放大，再经过AD采样，就可以获得脉搏波数字信号，数字信号输入到算法函数，即可得到计算结果。上述的流程都是在HP-6血压心率模组内部完成，所以我们使用到这个模块的时候，只需要发送指令打开测量，发送指令读取测量状态以及结果即可，测量完成后也可以选择发送指令关闭测量。HP-6血压心率模块涉及到了IIC通信协议，这里可以简单介绍一下：名称IIC通信协

13、议构成IIC 总线是由两根信号线和一根地线组成的，IIC协议标准规定发起通信的设备称为主设备，主设备发起一次通信后，其它设备均为从设备。传输模式1. 标准模式（传输速度为100 kbps）2. 快速模式（传输速度为400 kbps）3. 高速模式（传输速度为3.4 Mbps）4. 低速模式（传输速度为10 kbps）5. 快速+模式（传输速度为1 Mbps）通信过程首先，主设备发出一个开始信号，然后其它设备便会开始监听总线以准备接收数据。接着，主设备发送一个7位的设备地址和1位的读写操作的数据帧。当所设备接收数据后，会比对发送的地址和目标设备的地址是否符合。如果比对不符，设备进入等待状态，等待

14、停止信号的来临；如果比对相符，设备会发送一个应答信号作回应。当主设备收到应答后便继续传送或接收数据。数据帧大小为8位，尾随一位的应答信号。当数据传送完毕，主设备发送一个停止信号，向其它设备宣告释放总线，其它设备回到初始状态。下面是IIC的时序图不难看出，在起始位，数据线（SDA）产生下降沿，而时钟线（SCL）则保持高电平，然后发送一个字节，即8位的数据。时钟线为高电平的时候数据线平行，表示数据线稳定，即时钟线为高电平的时候数据线可读；同样的，时钟线为低电平的时候数据线交叉，表示数据线可以改变,即时钟线为低电平的时候数据线可写。第九位则是发送应答信号或者不应答信号，主机会检测从机发送的应答或不应

15、答信号，低电平为应答，高电平为不应答。如果有IIC器件，那么就会自动在第九个脉冲发送应答或不应答信号，如果没有自带的IIC器件，则需要我们写程序模拟IIC协议去判断发送的信号。2.2方案选择2.2.1STM32F411开发板一个STM32F411开发板由如下部分组成：器件个数STM32F411RET6芯片1SPX3819M5稳压器件1AMS1117-5.0稳压器件1CP2102芯片1Arduino接口32IC SP接口6USB TO UART接口1USB通信接口1SWD接口1ST Morpho接口766-12V DC接口1按键2电源指示灯1用户指示灯4500mA快速自动恢复保险丝1串口收发指示

16、灯28MHz晶振132.768KHz晶振1ADC和IIC接口的选择跳线2串口选择跳线2MCU电流测试跳线1电源选择跳线1USB使能跳线1用户按键选择跳线1用户LED选择跳线4下面是STM32F411开发板的实物图：这是STM32F411单片机的原理图：2.2.2HP-6模块一、 硬件设计 HP-6 模块通过 5pin 排线与主机连接，通讯方式为 I2C，通讯逻辑电平为 3V。引脚描述PIN1GNDPIN2VCC，要求大于或等于3.3V，可用锂电池供电PIN3IC_2SDA,串口通讯，逻辑电平3V，内部已集成上拉电阻PIN4IC_2SCL,串口通讯，逻辑电平3V，内部已集成上拉电阻PIN5EN，

17、电源使能脚，高有效HP_6模块原理图如下：HP_6实物图如下：二、 工作原理上文已经提及过HP_6模块的测试原理，这里不再赘述，简单来说，HP_6模块的监测功能是在其内部完成的，所以我们只需要发送相应的命令指令即可。1.开启心率测量发送开启测量格式如表 1-1； 返回数据格式如表 1-2. 表1-1HeaderCMDDataCheck SumByte 034562122230xc8d7b6a50xD00x01保留低位在前Byte5：参数0x01-打开心率测量指令 HeaderCMDDataCheck SumByte 0345662122230xc8d7b6a50xD00x010x000x01保

18、留低位在前 表1-2Byte5：参数0x01Byte6：应答，0为开启失败，1为开启成功2.关闭心率测量发送关闭测量信息格式如表 2-1；返回数据格式如表 2-2。表 2-1：HeaderCMDDataCheckSumByte 034562122230xc8d7b6a50xD00x00保留Byte5：参数0x00表2-2：HeaderCMDDataCheck SumByte 0345662122230xc8d7b6a50xD00x000x000x01保留低位在前Byte5：参数0x00Byte6：应答，0为关闭失败，1为关闭成功3.读取心率测量信息 发送开启测量后的第5秒开始，每隔1.25秒可

19、以读取一次测量心率的信息，发送信息格式的表格如3-1，返回信息格式的表格如3-2表3-1：HeaderCMDDataCheckSumByte 034562122230xc8d7b6a50xD00x00保留表3-2：HeaderCMDDataCheck SumByte 034567892122230xc8d7b6a50xD00x020x000x01心率结果放大倍数保留Byte5：参数0x02Byte6：应答，0为心率测量未开启，1为心率测量已开启Byte7：心率结果Byte8：放大倍数，测试时使用 2.2.3CH340串口驱动名称CH340串口驱动概述CH340 是一个 USB 总线的转接芯片，

20、实现 USB 转串口、USB 转 IrDA 红外或者 USB 转打印口。 在串口方式下，CH340 提供常用的 MODEM 联络信号，用于为计算机扩展异步串口，或者将普通的串口设备直接升级到 USB 总线，在红外方式下，CH340 外加红外收发器即可构成 USB 红外线适配器，实现 SIR 红外线通讯。特点特点：1.全速 USB 设备接口，兼容 USB V2.0，外围元器件只需要晶体和电容。2.仿真标准串口，用于升级原串口外围设备，或者通过 USB 增加额外串口。3.计算机端 Windows 操作系统下的串口应用程序完全兼容，无需修改。4.硬件全双工串口，内置收发缓冲区，支持通讯波特率 50b

21、ps2Mbps。5.支持常用的 MODEM 联络信号 RTS、DTR、DCD、RI、DSR、CTS。6.通过外加电平转换器件，提供 RS232、RS485、RS422 等接口。7.支持 IrDA 规范 SIR 红外线通讯，支持波特率 2400bps 到 115200bps。8.由于是通过 USB 转换的串口，所以只能做到应用层兼容，而无法绝对相同。9.软件兼容 CH341，可以直接使用 CH341 的驱动程序。10.支持 5V 电源电压和 3.3V 电源电压。11.提供 SSOP-20 无铅封装，兼容 RoHS。因为本设计有异步串口，因从实物设计过程中需要用到该驱动，具体操作为下载ch340s

22、er驱动程序，然后直接安装即可。2.2.4ST-LINK V2驱动名称ST-LINK V2驱动概述ST-LINK V2 是STM8和STM32微控制器系列的在线调试器和编程器单线接口模块（SWIM）和串行线调试（SWD）接口用于与应用板上的STM8和STM32微控制器通讯。STM8的应用使用USB全速接口和ST Visual Develop（STVD）,ST Visual Program（STVP）或LAR EWSTM8等集成开发环境通讯。STM32的应用使用USB全速接口和Atollic，IAR，Keil或TASKING等集成开发环境通讯。功能1. 通过USB接口供电2. USB2.0全速兼

23、容接口3. SWIM和SWD独立接口，SWD：SWDIO、SWCLK，适用于STM32全系列芯片开发；SWD：RST、SWIM，适用于STM8全系列芯片开发4. 支持固件在线升级5. 电源LED指示和调试信号LED指示这是ST-LINK V2下载器的接口说明接线说明：1. NRST接STM32的复位引脚2. SWDIO接STM32的SWDIO引脚3. SWCLK接STM32的SWCLK引脚4. RESET为STM8复位引脚5. NC为空引脚6. GND为接地下面是ST-LINK V2下载器与实物的接线示例：2.2.5OLED屏幕 一、OLED屏幕的特点和工作原理OLED的特点1.本设计采用挂有

24、 1.3 寸的 OLED 屏，分辨率为 132*64，即132 *64 bits。 OLED 控制器为 SH1106。2.132 0 131 列 64行 0 633.将64行分为8份，每份8行，132列 4.每页132字节，共有8页，所以整个屏幕是132*8字节OLED的工作原理1.每个像素点由一个LED灯控制，亮灭2.数据每一位控制一个像素点 3.纵向刷屏（先确定某一页，然后确定某一列为起始依次刷屏（自动列加）OLED的显示过程1.MCU将数据传输给OLED控制器（芯片）OLED控制器-SH1106一般MCU不集成LCD/OLED控制器，都是外接控制器芯片2.通过OLED控制器的作用将内容显

25、示在屏幕上-厂商提供底层驱动代码 二、OLED屏幕与主控芯片的通讯方式和通信时序 通信方式1.因为是MCU与另一个芯片通信，一定要有通信方式2.根据手册可知支持四种通信方式（IIC，8080,6080，四线制SPI，三线制SPI）通信方式 BS0 BS1 BS2 -三个管脚8080 0 1 1 -并口协议，因特尔,有单独的读写使能6800 -并口协议，摩托罗拉 读写总使能，读写选择位IICSPI 0 0 0本设计选择的通信方式则是4线制SPI 三、了解SH1106控制器驱动 SH1106：自带RAM缓存区 大小： 132 * 8 byte 命令： OLED厂商自己定的 命令 0X81： 设置对

26、比度。包含两个字节，第一个 0X81 为命令，随后发送的一个字节为要设置的对比度的值。这个值设置得越大屏幕就越亮。 命令 0XAE：关闭显示命令命令0XAF：开启显示命令。 命令 0XB0B7： 用于设置页地址，其低三位的值对应着 GRAM 的页地址。此命令使用来确定页编号的0xB0-0号页 0xB7-7号页 命令 0X000X0F： 用于设置显示时的起始列地址低四位。 命令 0X100X1F： 用于设置显示时的起始列地址高四位。 这是oled屏幕的原理图：OLED屏幕方面则涉及到了SPI协议，这里也可以简单介绍下：名称SPI协议概述SPI接口的全称是“Serial Peripheral In

27、terface”，中文意思是串行外围接口。首先是摩托罗拉（Motorola）在它的MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI接口主要是在CPU和外围低速器件之间进行同步串行数据传输，在主器件的移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，地位在后，为全双工通信，数据传输速度总体来说比IIC总线要快，速度可达到几Mbps。工作方式SPI接口是以主从方式工作的，这种模式通常有一个主器件和一个或多个从器件，其接口包括以下四种信号模式：1. MOSI：主器件数据输出，从器件数据输入2. MISO：主器件数据输

28、入，从器件数据输出3. SCLK：时钟信号，由主器件产生4. CS：从器件使能信号，由主器件控制优势在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，显得简单高效。SH1106控制器使用的是四线制SPI，这里对此进行简单说明：串行接口由串行时钟SCL，串行数据SI，A0和CS组成，在SCL的每个上升沿按照D7、D6、D5.D0的顺序将SI移入8位移位寄存器。每隔8个时钟对A0进行采样，并将移位寄存器中的数据字节同一时钟写入显示数据。当CS为高电平时，串行接口被初始化，在此状态下，SCL时钟脉冲或SDI数据无效，CS的下降沿启用串行接口并指示数据开始进行传输，当CS始终保持低电平时

29、，SPI也能正常工作，但并不建议这么做。本设计的四线制SPI时序图如下：当芯片未激活时，移位寄存器和计数器将复位为其初始状态，在串行接口下无法读取，当涉及线端反射和外部噪声时，需要注意SCL信号。2.2.6蜂鸣器本设计采用的是蜂鸣器是3V有源蜂鸣器，原理图如下：我们只需要接上蜂鸣器，在脉搏数超出设定的阈值时给予信号即可，同时可以手动复位消除蜂鸣器的警报。2.3设计过程设计的过程主要是通过原理图模拟接线，再通过编写程序实现功能，把程序烧录进器件内再进行实物功能测试。因为是用的集成的开发板，所以需要做的事情其实并不多，在熟悉了整个系统的工作原理后把管脚接对并且烧录进去即可，以下是实物的效果：3结论

30、 通过测试设计出来的实物，我发现我设计的“便携脉搏监控仪”系统的功能基本符合预期的要求，即能够满足测量脉搏、传输数据、显示脉搏三大核心功能，偶尔会因为佩戴方式存在问题，或是检测环境的变化，导致数据存在偏差。在调整后便能恢复过来，并不会从整体上影响系统的可靠性。经测试后，这款便携脉搏监控仪对于脉搏数的监测准确率能达到80%以上。虽然比起市面上一些功能更多更齐全的便携式生理参数监测设备，本系统显得较为简陋，设计出来的功能也比较单一，和医疗级设备更是无法比较，但是在基础和基本的功能上面是过关的，总的来说是一个值得信赖的脉搏测量系统。参考文献1张少华. 人体生理特征监测可穿戴设备及数据传输技术研究D.

31、北京 工业大学,2015. 2黄旭为. 穿戴式脉搏信号检测系统的设计与算法研究D.华南理工大 学,2015. 3吴彦伟. 基于 STM32 的脉搏信号采集系统设计D.西北师范大 学,2015. 4赵玉红. 基于 STM32 人体脉搏无线监测系统的设计D.北方工业大 学,2015. 5王朝阳,邹存芝,金小雪,宋晓丹,赵雪松,孙通.基于 STM32 的无线脉搏 检测系统的设计J.科学技术创新,2018(09):91-92. 6孟维良,王胜男,李凯.基于 STM32 的脉搏信号检测系统设计J.电子世 界,2017(07):113-114. 7尹继武,付奎.基于 STM32 的生理参数无线监测系统设计

32、J.陕西理工 大学学报(自然科学版),2019,35(05):16-20. 8奚维立,郑仲龙,王利利.基于 STM32 可穿戴式老人摔倒及其生理检测系 统设计J.科技创新导报,2015,12(29):48-49. 9郭海涛,吴开泽.基于 STM32 微处理器的脉搏微动数据检测统计系统设 计J.科教导刊(下旬),2018(02):35-36.10陈旺成,葛德钧,张钦清,华亮,刘明.基于HP-6传感器的心率血压检测系统设计J.中国仪器仪表,2018(12):59-63.谢 辞为时一个学期的毕业设计即将结束了，这也意味着我在北京理工大学珠海学院的大学生涯也即将结束。我很怀念，也很感谢这段时光，不仅是

33、作为一个学生，更是作为一名即将踏入工作的应届毕业生。回首过往，多有不舍，在此先要感谢我的各科目的任教老师，以及四年来一直陪伴的同袍。在完成毕业设计的过程中，遇到了很多困难，例如不太清楚模块的功能，以及相应的通信协议，所以在完成的过程中，通过了手册和视频等方式，学习了相关的知识，代码也经常报错，需要不断地去修改和调试。毕业设计的一个核心的考核便是我们对于一个全新的东西，有没有足够的认识，会不会主动地去调查有关的资料，会不会在事前做好充足的准备。以及考验了我们的学习能力，对于未知的东西，会不会勇于克服，会不会用心地去学习新地东西。最后便是考验我们动手的能力，能不能把我们的所知所想，用实际的行动实现

34、，做出结果来告诉大家。很显然，通过毕业设计，我认为我勉强拥有这些能力，并且在整个过程中，学到了很多新的东西。我认为这次设计对于我个人来说，既是一个终点，也是一个新的起点，是一个难得的试验，我在往后的人生，也需贯彻这种百折不饶的态度。在此再次感谢毕业设计期间给予我帮助的导师以及同学。附 录附录1程序源代码Main.c#include stm32f4xx.h#include led.h#include key.h#include SysTick.h#include motor.h#include tim3.h#include uart1.h #include oled.h#include spi.

35、h#include sht20.h#include stdio.h#include hp6.h#include hp6_iic.hint main(void)u8 rate_val24 = 0;u8 heart4 = 0;u8 hp_flag = 1;led_init();key_init();spi_init();oled_init();uart1_init(9600);printf(okrn);hp6_init();/测心率前必须加延时，不然校验不过systick_delay_ms(500);open_heart_rata();while(1)read_heart_rata(rate_va

36、l);if(rate_val7)close_heart_rata();sprintf(char*)heart,heart: %d,(u8)rate_val7); oled_display_str(heart,3,20);rate_val7 = 0;Led.c#include led.h/*函数功能：LED初始化函数形参：无返回值：无备注：LED-PA7*/void led_init(void)/* 打开外设时钟 */RCC-AHB1ENR |= 1 MODER &= (3 MODER |= (1 OTYPER &= (1 OSPEEDR &= (3 OSPEEDR |= (2 AHB1ENR

37、|= 1 MODER &= (3 PUPDR &= (3 CTRL &= (1 LOAD = 21 * 1000 * ms;/设置重载值SysTick-VAL = 0;/计数器清零SysTick-CTRL |= 1 LOAD = 21 * 1000 * us;/设置重载值void systick_delay_us(u32 us)/*1.选择时钟源*/SysTick-CTRL &= (0X01 LOAD = 21 * us;/自动重载值 - 定时时间/*3.清除计数器*/SysTick-VAL = 0;/*4.启动系统滴答定时器*/SysTick-CTRL |= 0X01 CTRL & (0x01 CTRL &= (0X01 CTRL &= (0X01 LOAD = 21 * 1000 * ms;/自动重载值 - 定时时间/*3.清除计数器*/SysTick-VAL = 0;/*4.启动系统滴答定时器*/SysTick-CTRL |= 0X01 CTRL & (0x01 CTRL &= (0X01 CTRL & (0X01 16)i+;