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(北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094)

航天器熱試驗(yàn)電纜自動(dòng)測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馮堯，吳東亮，廖韜，王擎宇

(北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094)

為了解決航天器熱試驗(yàn)測(cè)試電纜導(dǎo)通和絕緣測(cè)試人工工作量大、效率低的問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于繼電器網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化測(cè)試裝置；系統(tǒng)以EB3680嵌入式工控機(jī)為主控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試電壓產(chǎn)生和繼電器開關(guān)的控制，通過對(duì)測(cè)試時(shí)序的控制優(yōu)化，縮短了測(cè)試時(shí)間；進(jìn)行了接口單元和繼電器單元的模塊化設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的適用性和可擴(kuò)展性；基于VC++6.0平臺(tái)完成了軟件開發(fā)，能夠完成人機(jī)交互，測(cè)試結(jié)果判讀，數(shù)據(jù)處理、顯示和存儲(chǔ)；通過USB-UART實(shí)現(xiàn)了上位計(jì)算機(jī)和測(cè)試裝置的數(shù)據(jù)傳輸；實(shí)際應(yīng)用表明該裝置工作穩(wěn)定，自動(dòng)化程度高，測(cè)試時(shí)間短，能夠有效提升測(cè)試效率和可靠性。

航天器熱試驗(yàn)；測(cè)試電纜；導(dǎo)通和絕緣；自動(dòng)化

0 引言

航天器在設(shè)計(jì)、總裝及各種試驗(yàn)過程中，會(huì)使用大量的用于地面測(cè)試的電纜，電纜芯數(shù)不盡相同、電連接器種類繁多，在使用之前，通常需要對(duì)電纜進(jìn)行電性能測(cè)試，包括線間導(dǎo)通和絕緣測(cè)試，以確保每根電纜的線間導(dǎo)通絕緣性良好[1-5]。航天器熱試驗(yàn)的電纜線間絕緣測(cè)試工作一般使用絕緣測(cè)試儀進(jìn)行，將儀表的正負(fù)端子分別與被測(cè)兩根導(dǎo)線對(duì)應(yīng)的插針相連接，再啟動(dòng)絕緣測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試，讀取線間的絕緣阻值，來判斷兩導(dǎo)線間的絕緣性能。電纜的線間導(dǎo)通測(cè)試，需要在電纜的另一端，將電纜內(nèi)部被測(cè)的各條導(dǎo)線在電氣上連接，形成一個(gè)閉合的回路，同絕緣測(cè)試類似，利用萬用表進(jìn)行測(cè)量，讀取回路的線阻值，來判斷電纜的導(dǎo)通性能。由于每個(gè)電纜插頭的針數(shù)通常很多，因此為了完成一個(gè)插頭上全部導(dǎo)線的線間絕緣測(cè)試，需要測(cè)試的次數(shù)將是非?？捎^的，即使是測(cè)量電纜的線間導(dǎo)通，也需要測(cè)試幾十次。這種情況下，為了完成全部電纜的線間導(dǎo)通和絕緣測(cè)試，人工操作的工作量巨大，導(dǎo)致測(cè)試效率很低，而且完全依賴人工進(jìn)行測(cè)試，會(huì)存在測(cè)試漏項(xiàng)、覆蓋性不全等質(zhì)量隱患，輕則影響測(cè)試進(jìn)程，重則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備燒毀，甚至任務(wù)失敗。因此如何快速、全面、準(zhǔn)確的進(jìn)行電纜導(dǎo)通和絕緣測(cè)試，是地面試驗(yàn)測(cè)試亟需解決的難點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種地面電纜電性能自動(dòng)測(cè)試裝置，該裝置能夠自動(dòng)完成電纜的線間導(dǎo)通和絕緣測(cè)試，不需要手動(dòng)更換測(cè)試的接線端子，能夠改進(jìn)電纜測(cè)試的自動(dòng)化程度，顯著提高工作效率和可靠性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

線間導(dǎo)通絕緣測(cè)試裝置主要是對(duì)被測(cè)導(dǎo)線間導(dǎo)通性和絕緣性的測(cè)量，也即是對(duì)線間電阻值的測(cè)量。測(cè)量方法上，對(duì)電阻的測(cè)量，一般采用測(cè)量電壓的方式，如圖1所示。首先，由控制器閉合電容充電控制開關(guān)，通過可調(diào)直流電壓源對(duì)電壓保持電容進(jìn)行充電，完成后，控制器斷開開關(guān)。然后控制器通過集成控制電路，閉合兩組被測(cè)導(dǎo)線對(duì)應(yīng)的繼電器開關(guān)，將兩根不同編號(hào)的導(dǎo)線接入測(cè)量電路，同時(shí)，控制器啟動(dòng)AD測(cè)量R0兩端的電壓U0，這時(shí)可以通過公式(1)計(jì)算出Rx的值，即被測(cè)的阻值[6]。

(1)

圖1 儀器測(cè)試電路示意圖

電纜電性能自動(dòng)測(cè)試裝置的系統(tǒng)組成如圖2所示，主要包括以下幾個(gè)部分：信號(hào)引入連接單元、繼電器開關(guān)控制單元、測(cè)試電壓產(chǎn)生單元、測(cè)試電路單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示單元和串行數(shù)據(jù)通訊單元。測(cè)試電壓產(chǎn)生單元產(chǎn)生用于線間導(dǎo)通和絕緣測(cè)試所需的直流電壓，根據(jù)不同的測(cè)量要求選擇相應(yīng)幅值的直流電壓輸出。操作者根據(jù)需要，選擇不同的測(cè)量功能，儀器的中央控制系統(tǒng)按照選擇的測(cè)試類型，執(zhí)行相應(yīng)的控制程序，測(cè)試過程中，自動(dòng)完成被測(cè)信號(hào)的測(cè)量通道切換，并對(duì)數(shù)采芯片AD采集的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、顯示，并可以將數(shù)據(jù)通過通訊端口上傳至PC機(jī)。測(cè)試過程中，不需要人工操作，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化、快速、高精度的測(cè)量。

圖2 多通道功率輸出裝置組成框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 中央控制單元

中央控制單元采用EMB3680嵌入式工控機(jī), EMB-3680是一款超低功耗3寸工業(yè)主板， 采用AMD LX700 + CS5536芯片組，CPU頻率是600 MHz。配備了512 M的DDR333內(nèi)存，容量最大為1 GB。AMD LX700內(nèi)建圖形控制器，支持VGA/TFT/LVDS顯示輸出，支持4個(gè)USB2.0，4個(gè)COM口和2個(gè)10/100 Mbit/s自適應(yīng)以太網(wǎng)絡(luò)接口，提供1個(gè)PC104插槽。中央控制單元采用了串口方式來控制其他的執(zhí)行模塊。測(cè)試單元和輸出控制單元均采用C8051系列單片機(jī),通過接收中央控制單元的信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)模塊的實(shí)時(shí)控制。在系統(tǒng)中，根據(jù)不同的測(cè)試要求，編寫相應(yīng)的控制指令，存儲(chǔ)在DSP程序存儲(chǔ)器中。測(cè)試啟動(dòng)后，控制器執(zhí)行相應(yīng)的指令代碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試電壓產(chǎn)生單元、繼電器開關(guān)控制單元等其他單元的控制，如圖3所示，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理。

2.2 信號(hào)引入連接單元

該單元主要由接插件DB-96與接線電纜組成，接插件將被測(cè)電纜插頭各插針信號(hào)全部引入繼電器開關(guān)的輸入端。在該單元設(shè)計(jì)過程中，為了增強(qiáng)通用性，選用的接插件的插針數(shù)盡可能大，對(duì)于不同型號(hào)的被測(cè)電纜，只需要使用相應(yīng)的轉(zhuǎn)接電纜就可以完成與測(cè)量?jī)x器的連接，將被測(cè)量信號(hào)的引入測(cè)量裝置。同時(shí)，為了增強(qiáng)儀器的測(cè)量功能，在儀器面板上設(shè)計(jì)了通用測(cè)試輸入端口，通過該正負(fù)測(cè)試端子，儀器可以實(shí)現(xiàn)萬用表的測(cè)試功能。

2.3 繼電器開關(guān)控制單元

2.3.1 測(cè)試時(shí)序的控制優(yōu)化設(shè)計(jì)

本單元模塊主要由繼電器開關(guān)和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)控制電路組成。測(cè)量過程中，需要不斷的切換被測(cè)信號(hào)的測(cè)量通道，雖然電纜上的被測(cè)信號(hào)已被引入測(cè)試系統(tǒng)中，但是在電氣上是否被接入測(cè)量電路，由與之對(duì)應(yīng)的繼電器開關(guān)的通斷狀態(tài)決定，而繼電器開關(guān)控制單元就決定著開關(guān)的通斷狀態(tài)，成為系統(tǒng)控制的關(guān)鍵部分。

圖4 被測(cè)信號(hào)引入與開關(guān)控制設(shè)計(jì)框圖

繼電器控制采用的是常規(guī)的高低電平控制信號(hào)，而控制的關(guān)鍵技術(shù)在于時(shí)序信號(hào)的邏輯組合上，為了達(dá)到測(cè)試的目的，又要提高測(cè)試效率，對(duì)測(cè)試的控制時(shí)序進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)于線間絕緣測(cè)試，在控制單元中編程指令實(shí)現(xiàn)如表1所示的絕緣測(cè)試開關(guān)通斷時(shí)序，逐一測(cè)試電纜每一根導(dǎo)線與其它導(dǎo)線間的絕緣阻值，通過顯示屏顯示測(cè)量結(jié)果。若測(cè)試過程中，某一條導(dǎo)線(如第5條)與其它導(dǎo)線間的絕緣性不好,儀器則按照表2的時(shí)序指令單獨(dú)測(cè)試該導(dǎo)線與其它全部導(dǎo)線的線間絕緣阻值，以確定絕緣性不好的導(dǎo)線序號(hào)，快速定位問題點(diǎn)。

通過這種時(shí)序控制設(shè)計(jì)，在初始的動(dòng)作中將某一根導(dǎo)線對(duì)應(yīng)的繼電器狀態(tài)保持在測(cè)量電路的某一極上，而其余導(dǎo)線的對(duì)應(yīng)繼電器狀態(tài)保持到另一極的狀態(tài)上，依次按序號(hào)將不同的導(dǎo)線與其余全部導(dǎo)線間進(jìn)行絕緣測(cè)試，只有當(dāng)某一路測(cè)量出現(xiàn)狀態(tài)異常后，再單獨(dú)對(duì)該回路進(jìn)行線間絕緣測(cè)試，從而極大地提高了測(cè)試的效率。

表1 絕緣測(cè)試的控制時(shí)序狀態(tài)表

表2 導(dǎo)線絕緣性單獨(dú)測(cè)試的控制時(shí)序狀態(tài)表

對(duì)于線間導(dǎo)通測(cè)試，在控制單元中編程指令實(shí)現(xiàn)如表3所示的導(dǎo)通測(cè)試開關(guān)通斷時(shí)序。為了簡(jiǎn)化指令控制，統(tǒng)一以電纜插頭的30號(hào)管腳作為公共測(cè)試端，每一時(shí)刻，有兩個(gè)開關(guān)處于閉合狀態(tài)，其余開關(guān)處于斷開狀態(tài)，從而將相應(yīng)的被測(cè)插針管腳信號(hào)引入測(cè)試電路中，進(jìn)行測(cè)試。

表3 電纜導(dǎo)通測(cè)試的控制時(shí)序狀態(tài)表

2.3.2 繼電器的模塊化設(shè)計(jì)

由于測(cè)試系統(tǒng)中需要使用繼電器的數(shù)量較大，為了便于儀器測(cè)量功能的可擴(kuò)展，對(duì)于繼電器控制單元采用了板卡式的模塊化設(shè)計(jì)，將全部繼電器進(jìn)行分組，50個(gè)繼電器為一塊板卡，以板卡插槽形式與儀器的主板相連接，這樣的設(shè)計(jì)方式，對(duì)于將來儀器的擴(kuò)展需求，繼電器數(shù)量增多后，只需要增加相應(yīng)的板卡，將其插入儀器的主板即可，而不需要對(duì)儀器系統(tǒng)進(jìn)行大的調(diào)整，使整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加靈活。

2.4 測(cè)試電壓產(chǎn)生單元

在測(cè)試電壓產(chǎn)生單元設(shè)計(jì)過程中，直流電壓產(chǎn)生單元是至關(guān)重要的部分，整個(gè)測(cè)試電路需要的電壓均由該模塊單元輸出。由于本系統(tǒng)需要產(chǎn)生250 V的高壓，而且需要由電池供電完成輸出，因此該單元的設(shè)計(jì)也是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。為了完成電路的變壓升壓，設(shè)計(jì)的電路主要由變壓器升壓電路、倍壓整流電路、測(cè)量反饋電路等組成，實(shí)現(xiàn)電壓的可控輸出,輸出用于進(jìn)行導(dǎo)通和絕緣測(cè)試時(shí)需要的穩(wěn)定直流電壓。低壓直流電源經(jīng)過PWM產(chǎn)生控制器UC2813D產(chǎn)生可調(diào)脈寬和頻率的方波，經(jīng)過功率管LR3410斬波進(jìn)入高壓脈沖變壓器進(jìn)行升壓，然后再通過倍壓整流電路進(jìn)行再升壓和整流，在高壓輸出端通過分壓電路反饋至UC2813D進(jìn)行負(fù)反饋，使輸出電壓穩(wěn)定到要求的輸出電壓。通過控制器給定UC2813D偏置電壓，可以改變UC2813D的PWM的脈寬和頻率，從而實(shí)現(xiàn)電壓的可控輸出。此外，為了延長電池工作的時(shí)間，對(duì)選用的芯片和電路進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小整個(gè)系統(tǒng)的功耗。

圖5 電壓產(chǎn)生單元原理圖

2.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示單元

本單元由AD轉(zhuǎn)換器和相應(yīng)的信號(hào)處理電路組成，信號(hào)處理電路包括信號(hào)放大電路和信號(hào)分壓電路。中央控制單元根據(jù)不同的測(cè)量功能和測(cè)量范圍，發(fā)出相應(yīng)的控制命令，驅(qū)動(dòng)信號(hào)處理電路對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端的信號(hào)進(jìn)行處理，然后由AD采集處理后的電壓信號(hào)，并將采集的數(shù)據(jù)傳送給中央控制單元。采樣電路通過分壓電阻網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)入量程切換電路，控制器通過采樣輸入的電壓，根據(jù)采樣電壓的幅值，進(jìn)行量程切換，改變放大器的放大倍數(shù)，使進(jìn)入控制器的電壓信號(hào)始終在AD采樣電路的量程內(nèi)。

2.6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示單元

該單元由EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和LCD液晶顯示屏組成，其中，LCD采用分辨率320×240的漢字點(diǎn)陣式大屏幕液晶顯示屏，并配有指示燈與蜂鳴器，顯示所有的測(cè)量信息，如測(cè)量通道、測(cè)量電壓、測(cè)量結(jié)果阻值等，可以很好地豐富人機(jī)交流界面，便于測(cè)試結(jié)果的獲取；同時(shí)，中央控制單元將處理后的測(cè)量數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線存儲(chǔ)到EEPROM中，使測(cè)試結(jié)果不丟失，便于測(cè)試結(jié)束后對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取等操作。

2.7 串行數(shù)據(jù)通訊單元

本單元主要是為了完成上位機(jī)電腦與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)通訊，由于目前USB通訊接口已經(jīng)成為主流的硬件通訊方式，具備通用化的特點(diǎn)。同時(shí)，考慮到工作保密性的要求，在本單元的設(shè)計(jì)過程中，利用標(biāo)準(zhǔn)的串口通訊芯片組件，將串口協(xié)議數(shù)據(jù)與USB協(xié)議數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)化，使儀器的USB接口只是起到通訊的作用，而不會(huì)進(jìn)行USB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，因此既起到了數(shù)據(jù)通訊的作用，又符合數(shù)據(jù)安全性的要求，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量數(shù)據(jù)的存檔、備份、打印等功能，操作簡(jiǎn)單靈活。該單元主要由USB-UART橋接電路構(gòu)成，其核心為CP2102高度集成元件和串口收發(fā)器MAX223芯片?？刂葡到y(tǒng)通過該單元把測(cè)試儀器中的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成USB數(shù)據(jù)格式，上傳至PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的存檔、備份、打印等功能，操作簡(jiǎn)單靈活[7-8]。系統(tǒng)以這種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了基于USB的數(shù)據(jù)通訊，能充分利用USB技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，也是目前技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)

3 軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)軟件基于Windows環(huán)境，采用VC++6.0軟件平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，軟件核心是按照選擇的測(cè)試模式，完成繼電器開關(guān)的自動(dòng)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)基本參數(shù)設(shè)置、測(cè)試模式選擇、繼電器控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示、人機(jī)交互等功能，軟件工作流程如圖6所示。

圖6 軟件工作流程圖

軟件具有手動(dòng)測(cè)試和自動(dòng)測(cè)試兩大功能，手動(dòng)測(cè)試測(cè)量交直流電壓、電阻，通過通道設(shè)置可以任意選擇兩個(gè)通道，測(cè)量電纜上該通道間的絕緣和導(dǎo)通電阻。自動(dòng)測(cè)試功能可以自動(dòng)完成一條電纜的所有通道間的導(dǎo)通絕緣測(cè)量，而不需要手動(dòng)切換通道。導(dǎo)通或絕緣電阻分別有相應(yīng)的測(cè)量電纜選擇，根據(jù)所要測(cè)的電纜類型選擇進(jìn)入測(cè)量界面，電壓設(shè)置中可以設(shè)置絕緣測(cè)試的電壓，50 V，100 V，250 V檔位。

測(cè)試過程中，被測(cè)電纜接入系統(tǒng)后，測(cè)試人員通過人機(jī)交互界面進(jìn)行測(cè)試參數(shù)設(shè)置(測(cè)試通道數(shù)、電壓幅值等)，根據(jù)需要選擇導(dǎo)通或絕緣測(cè)試模式，軟件發(fā)送命令控制測(cè)試電壓產(chǎn)生單元產(chǎn)生用于線間導(dǎo)通和絕緣測(cè)試所需的相應(yīng)幅值直流電壓，執(zhí)行相應(yīng)的控制程序，控制繼電器開閉自動(dòng)完成被測(cè)信號(hào)的測(cè)量通道切換，采集、處理、存儲(chǔ)、顯示測(cè)試結(jié)果。

表4 手工測(cè)試模式與自動(dòng)測(cè)試模式對(duì)比

4 測(cè)試結(jié)果及分析

某型號(hào)衛(wèi)星真空熱試驗(yàn)地面電纜測(cè)試中，應(yīng)用本系統(tǒng)對(duì)熱試驗(yàn)加熱和測(cè)量?jī)深惾N型號(hào)插頭電纜的導(dǎo)通絕緣情況進(jìn)行了測(cè)量。在進(jìn)行絕緣測(cè)試時(shí)，選擇110 V電壓輸出，絕緣阻值判斷條件為大于20 M歐姆，測(cè)量結(jié)果為大于110 M歐姆，選擇250 V電壓輸出，絕緣阻值判斷條件為大于20 M歐姆，測(cè)量結(jié)果為大于220 M歐姆，滿足電纜線間絕緣測(cè)試條件。在進(jìn)行導(dǎo)通測(cè)試時(shí)，系統(tǒng)輸出5 V電壓，測(cè)試結(jié)果為3±0.2歐姆，與設(shè)計(jì)值相符。測(cè)試期間，通道切換時(shí)間小于2S，測(cè)試結(jié)果精度較高。通過自動(dòng)測(cè)試裝置的使用，以對(duì)一根50芯電纜的導(dǎo)通或絕緣進(jìn)行測(cè)試為例，與手動(dòng)進(jìn)行測(cè)試(使用電纜轉(zhuǎn)接箱的情況下)的耗時(shí)相對(duì)比，極大地縮短了測(cè)試時(shí)間，而且覆蓋性全面，提高了測(cè)試的效率，減少了人工操作，節(jié)省了人力資源。

5 結(jié)論

本文針對(duì)航天器熱試驗(yàn)地面電纜導(dǎo)通和絕緣測(cè)試工作中存在的工作量大、效率低、測(cè)試覆蓋性無法檢查等問題，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化測(cè)試裝置。該裝置由信號(hào)接入單元、繼電器控制單元、測(cè)試電壓產(chǎn)生單元、數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)傳輸單元等組成，具有較高的適用性和可擴(kuò)展性。通過對(duì)控制時(shí)序的優(yōu)化，縮短了測(cè)試時(shí)間，提升了檢測(cè)效率。測(cè)試結(jié)果表明，該裝置測(cè)試精度高、邏輯正確、工作穩(wěn)定，使用該裝置進(jìn)行熱試驗(yàn)電纜的測(cè)試工作，能夠快速、全面、準(zhǔn)確的完成測(cè)試任務(wù)，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

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DesignandRealizationofAutomaticTestDeviceforThermalTestCableforSpacecraft

Feng Yao, Wu Dongliang, Liao Tao, Wang Qingyu

(Beijing Institute of Spacecraft Environment and Engineering, Beijing 100094, China)

The automatic test device based on the relay network is designed and realized in order to solve the problem of heavy hard work and low efficiency in the process of the continuity test and insulation test of the spacecraft thermal test cable. The system controls the test voltage generation and relay switch module by EB3680, and reduce the test time by optimizing the test timing control. The module design of the interface and relay unit is carried out to complete the human-computer interaction, test result interpretation, data processing, display and storage based on VC++ 6.0 platform. The device achieves the host computer and test device data transmission through the USB-UART. Practical application shows that the device is stable, automatic and with short test time, can effectively improve the test efficiency and reliability.

spacecraft thermal test; test cable; conduction and insulation; automatic test

2017-06-08；

2017-06-12。

馮 堯(1986-)，男，陜西人，碩士研究生，工程師，主要從事航天器熱試驗(yàn)溫度測(cè)量與控制相關(guān)技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)09-0250-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.064

TP2

A