單片機(jī)原理及應(yīng)用 課程設(shè)計報告書

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1、單片機(jī)原理及應(yīng)用 課程設(shè)計報告書 題 目:數(shù)字電壓表的設(shè)計 姓 名:杜典武 學(xué) 號:103521034 專 業(yè):電氣工程及其自動化 指導(dǎo)老師:萬青老師 設(shè)計時間:2012年11月 1 目 錄 1. 引 言 ................................................. 1 1.1. 設(shè)計意義 ........................................ 1 1.2. 系統(tǒng)功能要求 .................................... 1 2. 方案論證及方框圖 ...............

2、....................... 1 3. 單元電路設(shè)計細(xì)則 ...................................... 4 4. 調(diào)試及性能分析 ........................................ 9 5. 系統(tǒng)的電路原理圖 ..................................... 11 6. 電子元器件清單 ....................................... 12 7. 源程序清單 ............................................ 3

3、 8.參考資料 ............................................... 2 9. 收獲 ................................. 錯誤!未定義書簽。 1 數(shù)字電壓表的設(shè)計 單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計 數(shù)字電壓表的設(shè)計 1. 引 言 (1)設(shè)計意義: 我們學(xué)習(xí)的是單片機(jī)這門課程,這門課程最顯著的特點就是它是一門實用技術(shù)課程,它要求我們不僅僅要掌握扎實的理論基礎(chǔ),更重要的是要學(xué)會如何去真真利用它為我們的電路設(shè)計服務(wù),也只有通過課程設(shè)計這樣的動手實踐才是我們掌握這門技術(shù)的最佳途徑,因此,我們開設(shè)這樣的實踐是很重要

4、的,也是我們努力去學(xué)習(xí)鉆研的動力。 數(shù)字電壓表設(shè)計意義: 數(shù)字電壓表是采用數(shù)字化檢測技術(shù),把連續(xù)的模擬量(直流輸入電壓)換成不連續(xù)的、離散的數(shù)字形式并加以現(xiàn)實的儀表,克服了傳統(tǒng)模擬電壓表的讀書不方便和不精確等問題。不能滿足數(shù)字化時代的需求,采用單片機(jī)的數(shù)字電壓表,由精度高、抗干擾能力強(qiáng),可擴(kuò)展性強(qiáng)集成方便,還可以與PC進(jìn)行實時通信。目前,由各種單片A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字電壓表,已廣泛應(yīng)用于電子電工測量、工業(yè)自動化儀表、自動測試系統(tǒng)等智能化測量領(lǐng)域,展現(xiàn)了強(qiáng)大的生命力。與此同時,由數(shù)字電壓表擴(kuò)展而成的各種通用及專用數(shù)字化儀器,也把電量及非電量測量技術(shù)提高到了嶄新的水平,因此,通過這次課程設(shè)計

5、能讓我們了解這些知識,為以后研究相關(guān)技術(shù)打下堅實的基礎(chǔ)。 (2)系統(tǒng)功能要求: 簡易數(shù)字電壓表可以測量0~5V范圍內(nèi)的8路輸入電壓值,并在4位LED數(shù)碼管上輪流顯示或單路選擇顯示。其測量最小分辨率位0.02V. 2. 方案論證及方框圖 (1)硬件設(shè)計方案及方框圖: 1 數(shù)字電壓表的設(shè)計 單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計 數(shù)字電壓表系統(tǒng)設(shè)計方框圖 數(shù)字電壓表測量電路是由A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字處理及顯示控制等組成。A/D轉(zhuǎn)換由集成芯片ADC0809電路完成。ADC0809具有8路模擬輸入端口,地址線(第23~25腳)可決定對哪一路模擬輸入作A/D轉(zhuǎn)換。第22引腳為地址鎖存控制,當(dāng)輸入為高電平

6、時,對地址信號進(jìn)行鎖存。第6引腳為測試控制,當(dāng)輸入一個2us寬電平脈沖時,就開始A/D轉(zhuǎn)換。第7引腳為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志,當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時,第7引腳輸出高電平。第9引腳為A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出允許控制,當(dāng)OE腳為高電平時,A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)從端口輸出。第10引腳為ADC0809的時鐘輸入端,利用單片機(jī)第30引腳的六分頻晶振頻率,再通過14024二分頻的得到1MHz的時鐘。 單片機(jī)的P1/P3.0-P3.3端口作為4位LED數(shù)碼管顯示控制。P3.5端口用作單路顯示/循環(huán)顯示轉(zhuǎn)換按鈕,P3.6端口用作單路顯示時選擇顯示通道。P0端口用作A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸入,P2端口用作ADC0809的A/D轉(zhuǎn)換控制。

7、 (2)軟件設(shè)計方案及方框圖: 2 數(shù)字電壓表的設(shè)計 單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計 主程序流程圖 系統(tǒng)剛上電時,初始化程序主要執(zhí)行70H-77H內(nèi)存單元清0和P2口置0等準(zhǔn)備工作 。在剛上電時,系統(tǒng)默認(rèn)為循環(huán)顯示8個通道的電壓值狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)行一次測量后,將顯示每一通道的A/D轉(zhuǎn)換值,每個通道的數(shù)據(jù)顯示時間在1S左右。主程序在調(diào)用顯示子程序與測試子程序之間循環(huán)。 3 第5/18頁 數(shù)字電壓表的設(shè)計 單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計 A/D轉(zhuǎn)換測試子程序流程圖 A/D轉(zhuǎn)換測量子程序用來控制對ADC0809的8路模擬輸入電壓的A/D轉(zhuǎn)換,并將對應(yīng)的數(shù)值移入70H~77H內(nèi)

8、存單元。 3. 單元電路設(shè)計細(xì)則 (1)數(shù)碼管顯示器: 數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同,可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。 數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一,動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起,另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路,位選通由各自獨立的I/O線控制,當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時,所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼,但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字 4 第6/18頁 數(shù)字電壓表的設(shè)計 單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計 形,取決于單片機(jī)對位選通COM端電路的控制,所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通

9、控制打開,該位就顯示出字形,沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。。在輪流顯示過程中,每位數(shù)碼管的點亮?xí)r間為1~2ms,由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng),盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮,但只要掃描的速度足夠快,給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù),不會有閃爍感,動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的,能夠節(jié)省大量的I/O端口,而且功耗更低。 (2)單片機(jī)的晶振電路: 晶振是晶體振蕩器的簡稱,在電氣上它可以等效成一個電容和一個電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡(luò),電工學(xué)上這個網(wǎng)絡(luò)有兩個諧振點,以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振,較高的頻率是并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏?,?/p>

10、這個極窄的頻率范圍內(nèi),晶振等效為一個電感,所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會組成并聯(lián)諧振電路。這個并聯(lián)諧振電路加到一個負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路,由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄,所以即使其他元件的參數(shù)變化很大,這個振蕩器的頻率也不會有很大的變化。晶振有一個重要的參數(shù),那就是負(fù)載電容值,選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容,就可以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率。一般的晶振振蕩電路都是在一個反相放大器(注意是放大器不是反相器)的兩端接入晶振,再有兩個電容分別接到晶振的兩端,每個電容的另一端再接到地,這兩個電容串聯(lián)的容量值就應(yīng)該等于負(fù)載電容,請注意一般IC的引腳都有等效輸入電容,這個不能忽略。

11、 本設(shè)計采用12MHz晶振,并聯(lián)兩個30pF電容構(gòu)成晶振電路。 5 第7/18頁 數(shù)字電壓表的設(shè)計 單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計 (3該模塊為數(shù)字電壓表的顯示模塊,主要由4位7端共陽LED數(shù)碼管和PNP三極管構(gòu)成的選通電路構(gòu)成。其中,我們需注意共陽數(shù)碼管的數(shù)字0-9的編碼,另外,每個位選管要與程序?qū)?yīng)。位選是通過單片機(jī)P3.0-P3.3口控制三極管的基極從而控制每位數(shù)碼管的選通。 顯示模塊電路 6 第8/18頁 數(shù)字電壓表的設(shè)計 單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計 (4)ADC0809模塊: ① 結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換原理 如圖(3-15)所示為ADC0809的內(nèi)部

12、結(jié)構(gòu)框圖。ADC0809由3部分組成:8路模擬量選通開關(guān)、8位A/D轉(zhuǎn)換器和三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器。 ADC0809允許8路模擬信號輸入,由8路模擬開關(guān)選通其中一路信號,模擬開關(guān)受通道地址鎖存和譯碼電路的控制。當(dāng)?shù)刂锋i存信號ALE有效時,3位地址C、B、A進(jìn)入地 START 6 CLOCK 7 轉(zhuǎn)換結(jié)束(中斷)EOC 模擬 量輸入 IN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1IN0 5 432 18通道多路模擬開關(guān) VxVc W1W2 逐次逼近型寄存器 SAR 開關(guān)樹組 地址選擇 ABC輸出緩三沖態(tài)鎖存器 D7D6D5D4D3D2D1D0 數(shù)字

13、量輸出 地址鎖存器和譯碼器 ALE地址鎖存允許 256R電阻分壓器 9 ENABLE VccGNDVREF(+) VREF(-) ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu) ADC0809的引腳 地址鎖存器,經(jīng)譯碼后使8路模擬開關(guān)選通某一路信號。 7 第9/18頁 數(shù)字電壓表的設(shè)計 單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計 8位A/D轉(zhuǎn)換器為逐次逼近式,由256R電阻分壓器、樹狀模擬開關(guān)(這兩部分組成一個D/A變換器)、電壓比較器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時電路組成。 三態(tài)門輸出鎖存器用來保存A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果,當(dāng)輸出允許信號OE有效時,打開三態(tài)門,輸出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。因輸出有三態(tài)門,便于

14、與單片機(jī)總線連接。 ② 引腳功能 由引腳圖(3-15) b所示,ADC0809共有28個引腳, 采用雙列直插式封裝。ADC0809 雖然有8路模擬 通道可以同時輸入8路模擬信號,但每個瞬間只能 轉(zhuǎn)換一路,各路之間的切換由軟件變換通道地址來 實現(xiàn)。其主要引腳功能如下所示。 IN0~I(xiàn)N7:8路模擬量輸入端。 D7~D0:8位數(shù)字量輸出端。 A、B、C:3位地址輸入線,用于選通8路模擬輸入中的一路。 ALE:地址鎖存允許信號,輸入,高電平有效。 START: A/D轉(zhuǎn)換啟動信號,輸入,高電平有效。 EOC: A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號,輸出,當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時,此端輸出一 個高

15、電平(轉(zhuǎn)換期間一直為低電平)。 OE:數(shù)據(jù)輸出允許信號,輸入,高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時,此端輸入一個高電平,才能打開輸出三態(tài)門,輸出數(shù)字量。 CLK:時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。 REF(+)、REF(-):基準(zhǔn)電壓。 Vcc:電源,單一+5V。 GND:地。 (5)通道選擇及單路/循環(huán)模塊: 該模塊兩個按鍵開關(guān)分別是控制單路/循環(huán)和通道選擇的,當(dāng)單路/循環(huán)按鍵未按下時,數(shù)碼管上的通道位是循環(huán)顯示通道,當(dāng)該鍵按下時,數(shù)碼管通道位顯示的是某一路通道,看起來就像暫停一樣,即單路測壓。另外一個按鍵通道選擇按鍵,當(dāng)你選擇單路時,按一下通道選擇鍵,數(shù)碼管上的通道位

16、顯示的數(shù)字會加1,即通道移向下一位測壓。 8 第10/18頁 數(shù)字電壓表的設(shè)計 單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計 通道選擇及單路/循環(huán)按鍵電路 4. 調(diào)試及性能分析 (1)調(diào)試方法及步驟: a.軟件仿真調(diào)試:首先將電路原理圖用Proteus7.0仿真軟件畫出來,再用Keil單片機(jī)編程軟件將數(shù)字電壓表程序編寫出來,通過Proteus7.0仿真軟件中與Keil軟件的聯(lián)調(diào)功能,將編好的程序?qū)雴纹瑱C(jī)中,在Proteus7.0中實現(xiàn)軟件仿真。 b.實物調(diào)試:將硬件電路都連接完好后,將單片機(jī)編號的數(shù)字電壓表程序通過ISP程序燒入軟件燒入到單片機(jī)中,用直流可調(diào)電壓源給ADC0809的模擬輸

17、入端口通以不同電壓值的電壓,將數(shù)字電壓表裝置上的數(shù)碼管上讀出的電壓值記錄下來,與可調(diào)電壓源上顯示的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較并分析。 實物調(diào)試數(shù)據(jù): 數(shù)據(jù)誤差分析: a.絕對誤差 任取三組進(jìn)行分析: 9 第11/18頁 ... 數(shù)字電壓表的設(shè)計 單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計 ① 4.23-4.2=0.02V ② 3.68-3.6=0.08V ③ 3.18-3.2=-0.02V 由于我們用的可調(diào)直流電壓源只能精確0.1V,所以實際上,我們的誤差可以說已經(jīng)可以忽略了,相當(dāng)?shù)男?。該?shù)字電壓表的設(shè)計的最高分辨率約為0.02V。我們因為不知道標(biāo)準(zhǔn)電壓值的小數(shù)點后第二位的數(shù)值,而無法估

18、計誤差,但從這些數(shù)據(jù)上看,足以證明我們的此次設(shè)計相當(dāng)成功。 b.相對誤差 根據(jù) 相對誤差=(測試值-標(biāo)準(zhǔn)值)/標(biāo)準(zhǔn)值x100% 在數(shù)據(jù)記錄表中任取3組值進(jìn)行分析: ① (4.23-4.2)/4.2*100%=7.1% ② (2.62-2.6)/2.6*100%=7.7% ③ (3.18-3.2)/3.2*100%=-6.3% 計算得的相對誤差也相當(dāng)小,充分說明了此電壓表制作之成功。 (2)性能分析: ① 從記錄表中可以看出簡易電壓表測得的值基本比標(biāo)準(zhǔn)表電壓值偏大,這可以通過校正ADC0809的基準(zhǔn)電壓來解決。因為該電壓表設(shè)計時直接用5V的供電電源作為基準(zhǔn)電壓,所以電壓可能有偏

19、差。 ② ADC0809的直流輸入阻抗為1M?,能滿足常用的電壓測試需要。另外,經(jīng)測試的ADC0809可直接在2MHz的時鐘頻率下工作,這樣可省去二分頻器14024集成塊。 ③ 當(dāng)要測量大于5V的電壓時,可在輸入口使用分壓電阻,而程序中只要計算程序的被除數(shù)進(jìn)行調(diào)整就行了。但量程越大,測量精度就會越低。 10 第12/18頁 ... 數(shù)字電壓表的設(shè)計 單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計 5. 系統(tǒng)的電路原理圖 11 第13/18頁 數(shù)字電壓表的設(shè)計 單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計 6.電子元器件清單 12 第14/18頁 數(shù)字電壓表的設(shè)計 單片機(jī)原理及

20、應(yīng)用課程設(shè)計 "9" "不亮" */ 小數(shù)第二位 uchar code dis[0]=dis[4]/51; // scan_con[4]={0xf7,0xfb,0xfd,0xfe}; for(h=0;h<500;h++) //每個//四位列掃描控制字 通道值顯示時間控制(約1秒) uchar data { ad_data[8]={0x00,0x00,0x00,0x00,0x0 for(k=0;k<4;k++) //四位0,0x00,0x00,0x00};//定義8個數(shù)據(jù)內(nèi)LED掃描控制 存單元 { uint data Disdata=dis_7[dis[k]]; dis[5]={0x

21、00,0x00,0x00,0x00,0x00}; if(k==2){DISX=0;} //定義4個顯示數(shù)據(jù)單元、1個數(shù)據(jù)暫存 單元 P3=scan_con[k];delay1ms(1);P3=0xff; // } // } /********1毫秒延時子函數(shù)**********/ dis[3]++; //通道delay1ms(uint t) 值加1 { } uint i,j; } for(i=0;i

22、***********顯示掃描子函數(shù)uchar m; **********/ uchar s=0x00; scan() ad_con=s; { for(m=0;m<8;m++) uchar k,n; { int h; ALE=1;_nop_();_nop_();ALE=0; dis[3]=0x00; //通道//轉(zhuǎn)換通道地址鎖存 初值為0 START=1;_nop_();_nop_();START=0; for(n=0;n<8;n++) //每次//開始轉(zhuǎn)換命令 顯示8個數(shù)據(jù) _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); { //延時4微秒 dis[2]=a

23、d_data[n]/51; //測得 while(EOC==0); 值轉(zhuǎn)換為三位BCD碼,最大為5.00V //等待轉(zhuǎn)換結(jié)束 dis[4]=ad_data[n]%51; // 余 數(shù)暫存 OE=1;ad_data[m]=addata;OE=0;s++;ad_ dis[4]=dis[4]*10; //計算con=s;//取AD值,地址加1 小數(shù)第一位 } dis[1]=dis[4]/51; // ad_con=0x00; dis[4]=dis[4]%51; // //控制復(fù)位 dis[4]=dis[4]*10; //計算} 2 第16/18頁 數(shù)字電壓表的設(shè)計 單片機(jī)原理

24、及應(yīng)用課程設(shè)計 //通道選擇及單路/循環(huán)控制程序 td_dx() { uchar num=1,flag=0; uint ad_data; void delay(uchar ms) //延時子函數(shù) { uchar j,i; for(i=ms;i>0;i--) for(j=110;j>0;j--); } void key_scan() { if(key1==0) { num=1; } while(key1==0) ; } if(key2==0) { delay(10); //消抖延時 if(key2==0) { num=2; } while(key2

25、==0) ; } } /**************主函數(shù)****************/ main() { P0=0xff; //初始化端口 P2=0x00; P1=0xff; P3=0xff; while(1) { td_dx(); scan(); //依次顯示8個通道值一次 test(); //測量轉(zhuǎn)換一次 } } //*********************結(jié)束**************************// 8.參考資料 [1] 新編MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計 張毅剛編著 哈爾濱 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 2008.3 [2] 電子技術(shù)基礎(chǔ) 模擬部分 康華光主編 北京

26、高等教育出版社 2006.1 [3] 電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字部分 康華光主編 北京 高等教育出版社 2006.1 [4] PROTEL DXP電路設(shè)計與實例精解 黎文模,段曉峰編著 北京 人民郵電出版社 2006 [5] 李科杰 新編傳感器技術(shù)手冊[M] 北京 國防工業(yè)出版社,1995 [6] PROTEL DXP電子電路設(shè)計精彩范例 林庭雙等編著 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2005.6 [7] 微型計算機(jī)原理及應(yīng)用 鄭學(xué)堅,周斌編著 北京 清華大學(xué)出版社2001 [8] 電路 邱關(guān)源編著 北京 高等教育出版社 1999 3 第17/18頁 數(shù)字電壓表的設(shè)計 單片機(jī)原理及應(yīng)用

27、課程設(shè)計 9.收獲 選題時,因為暑期校電子競賽培訓(xùn)期間,我已經(jīng)做過了溫度傳感器,所以,我覺得要學(xué)到真東西,就要不斷挑戰(zhàn)新的東西,去鉆研。而且數(shù)字電壓表采用8位A/D轉(zhuǎn)換??赡芏娜苏J(rèn)為沒什么大不了的,對于沒有沒有接觸過A/D轉(zhuǎn)換芯片的我,太不容易了。我一心想做的完美些,加些難度,加些挑戰(zhàn)。 這個設(shè)計的重點在于編程,通道選擇和單路/循環(huán)程序更增加了設(shè)計難度。為了盡量追求完美,我嘗試了很多次編程,發(fā)現(xiàn)有時候在別人的程序中加入自己的程序也是有難度的。調(diào)試程序時,我遇到了很多困難,例如:參考文獻(xiàn)錯誤的誤導(dǎo),調(diào)試環(huán)境的錯誤使用,硬件改裝,程序本身不可預(yù)見的錯誤等。經(jīng)歷了,寫程序,調(diào)試,仿真,沒有人

28、告訴你錯在那里,沒有人告訴你該怎么做,我在走沒人可借見的路,坎坷充滿荊棘的路。那短日子真的是難熬啊,幾乎每時每刻都在想辦法。有空就在紙上寫畫著,最后,再歷經(jīng)多次調(diào)試后成功了,我高興的大喊大叫起來,真的太難了,大家也很為我高興,做好一件事真的不容易!在以后的學(xué)習(xí)中我會更加努力的學(xué)習(xí)理論知識,在理論的基礎(chǔ)上加強(qiáng)實踐,達(dá)到理論與實踐的更好結(jié)合。在這次的設(shè)計中也讓我明白了一個道理,只有多加練習(xí)運用才會真正的吸收知識,使之成為自己的東西。 單片機(jī)這種東西不是在理論中練出高手的,而是實踐。光寫程序也不行,你必須把它和硬件電路聯(lián)系起來,不斷的調(diào)試,不斷地改程序,調(diào)試,再改程序,在調(diào)試,在經(jīng)歷無數(shù)次的修改之后,你會發(fā)現(xiàn)你的程序是多么的完美,越來越完美!那種成就感不言而喻,也正是這種頭疼的過程后綻放的美麗讓你越來越癡迷上它了。單片機(jī)技術(shù)也在這種無形之中被你慢慢掌握甚至到達(dá)精通!這種魅力太精彩了!這也許就是為什么有時看程序看到頭疼你還不由自主的堅持著的原因吧!因為你已經(jīng)愛上它了。 2 第18/18頁

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