简介：一份基于STM32F103的串行ADC数据采集与FFT频谱分析项目工程，面向嵌入式开发者和信号处理学习者，旨在解决常规MCU在20kHz采样率下实现高分辨率频谱显示与失真度测量的需求。工程完整集成了模拟信号采集、TI公司FFT库调用以及OLED动态显示链路，可对最高10kHz频率成分进行20Hz频率分辨率的实时分析，适用于教学实验、仪器仪表原型验证等场景。资源包整体约80MB，已有487人学习，读者可从中掌握STM32内置ADC的采样时间与转换速率配置、FFT谐波与相位解析方法，以及OLED实时绘制频谱图的驱动思路；并能结合通过串口发送数据到OLED显示的具体实现，理解示波器类设备从模拟前端到数字处理的完整流程。以此项目为模板，开发者可进一步扩展多通道采集或提高采样率，快速定制满足特定需求的信号分析与测量工具。
1. 认识这个压缩包：串口、ADC、FFT、OLED 四件事是怎么拧在一起的
拿到一个名为 Keil_Proj_V1_Serial_ADC_TI_FFT_OLED.zip 的工程包，第一反应应该是：这不是一个单点 demo，而是一条完整的数据采集链路。ADC 负责把模拟信号变成数字码值，FFT 负责把这串时域数据变成频谱信息，串口负责把计算结果送出去，OLED 负责在本地把结果画出来。标题里的 TI 通常指某厂商提供的 FFT 运算库，理解成"用 Keil 开发环境，在基于某系列 Cortex-M 内核的 MCU 上，把 ADC 采样、串口通信、FFT 频谱分析和 OLED 显示串成一套方案"就对了。
这套组合最常见的落地场景是音频可视化、振动监测、电源谐波分析这类需求：信号进入 MCU，采样后既要显示在屏幕上，又要通过串口传给上位机存档。适合的读者是手里已经有这块板子、想快速跑通全链路的人，而不是只想看某个外设单独怎么点的初学者。前者的痛点很明确：每个外设的单独例程都能跑，但凑到一起就互相打架——串口丢数据、OLED 闪烁、FFT 结果对不上。这篇就把这条链路的每个环节拆开讲，重点放在参数匹配和踩坑上。
2. 打开工程前先做三件事：Keil 版本、器件包与工程路径
2.1 用哪一版 Keil：版本不对，打开工程就是满屏报错
工程包大概率是用 MDK 5.x 或者更高版本建的，因为 4.x 时代的工程文件后缀是 .uvproj，而 5.x 之后是 .uvprojx。拿到 zip 先别急着双击，看一眼后缀就知道该用什么环境。如果你的机器上只有 MDK 4.x，打开 .uvprojx 会直接提示版本不支持；反过来，用 MDK 5.x 打开老工程虽然能识别，但会要求先安装对应的器件支持包，否则打开以后 Device 栏是空的，编译直接报错。
我的建议是装 MDK 5.x 最新稳定版，不要追 beta。装完之后第一件事不是解压工程，而是进 Pack Installer 确认目标芯片的器件包已经装上。你可以从 Project → Manage → Pack Installer 里搜芯片型号，看到绿色勾就说明齐了。这一步没做，后面所有"打开报错、找不到设备、无法下载程序"的问题都会来纠缠你。
# 解压工程包，并检查顶层目录结构是否完整 unzip Keil_Proj_V1_Serial_ADC_TI_FFT_OLED.zip -d proj_v1 tree -L 2 proj_v1正常解压后，顶层应该能看到工程文件（.uvprojx 或 .uvproj）、至少一个启动文件（startup_xxx.s）、一堆 .c/.h 源文件，以及可选的 .sct 链接脚本。用 tree 看目录结构是最快的体检方式：如果只有 .c 文件和打包者的截图，没有工程文件，说明这个 zip 本来就缺东西，趁早找对方要完整的。如果目录结构完整，就可以进入下一步。
2.2 解压后的工程文件清单：每个文件到底是干嘛的
拿到一份陌生的 Keil 工程，先花两分钟读文件，不要急着点编译。我一般按下面的清单快速过一遍，确认内容是不是和标题声称的功能对得上：
| 文件类型 | 典型文件名 | 职责说明 |
|---|---|---|
| 工程文件 | xxx.uvprojx | 记录源文件列表、编译选项、调试器配置，双击它来打开工程 |
| 用户选项 | xxx.uvoptx | 记录断点、窗口布局、仿真器设置，不影响编译结果 |
| 启动文件 | startup_xxx.s | 初始化堆栈、向量表、系统时钟，缺了它程序跑不起来 |
| 链接脚本 | xxx.sct | 定义代码段、数据段的存放地址，RAM 不够时多半要改它 |
| 主程序 | main.c | 外设初始化与主循环调度 |
| 外设驱动 | uart.c / adc.c / oled.c | 各外设的底层寄存器配置 |
| 计算模块 | fft.c + fft 相关头文件 | 封装 FFT 运算库的调用接口 |
一个值得注意的细节：如果压缩包里带的是已经编译过的 .o 或 .lib 二进制库，而不是 .c 源码，那么 FFT 库对应的头文件必须在工程路径里，否则你能调用函数却看不到实现，排错时基本等于对着黑匣子猜。遇到这种情况，我建议先把库函数能查到的参数说明抄一遍，再动手改代码。
2.3 把绝对路径改成相对路径：告别"头文件找不到"的玄学
很多人解压完工程直接编译，报了一堆 fatal error："某个头文件 No such file or directory"。究其原因，九成是工程里记录了打包者电脑上的绝对路径，换到你电脑上就失效了。解决方式很简单：打开工程后，进入 Options for Target → C/C++ → Include Paths，把里面每个路径都改成基于工程目录的相对路径。
/* 假设工程解压在 D:\work\proj_v1，源文件在 .\User 和 .\Lib 下 */ /* Include Paths 里应配置为： */ /* .\User */ /* .\Lib */ /* .\Device */改完 Include Paths 后还有一个容易忽略的地方：工程里如果还引用了分散加载文件（.sct），它的路径也是绝对路径。到 Linker 选项卡里把 Scatter File 也改成相对路径。做完这两步，把工程文件夹整个挪到别的盘符下再编译一次，如果能过，说明路径已经彻底干净了。
3. 串口与 ADC：让模拟信号变成有序的串口字节流
3.1 为什么用"定时器触发 + DMA"而不是在 while 循环里轮询采样
ADC 采集最怕两件事：采样间隔不均匀、CPU 在采样期间被其他事情打断。在 while 循环里直接调用 ADC 转换，表面看逻辑简单，但只要代码里插入一条 OLED 刷新指令，那段时间的采样点间隔就会被拉长，FFT 出来的频谱图上会出现莫名的杂散分量。这就是为什么工程里真正可用的方案几乎都是硬件定时器触发 ADC，然后用 DMA 把结果搬进内存，全程不占用 CPU。
定时器触发的方式是：定时器计数到设定值溢出时，自动向 ADC 发出触发脉冲，ADC 在每个脉冲到来时启动一次转换，转换完成的标志信号再去拉起 DMA 搬运。这样采样间隔完全由定时器决定，和主循环跑多快没有关系。标题里既然同时出现了 ADC 和 FFT，你就应该默认采样要按 FFT 的需求来设计——稳定、等间隔、可计算频率。
| 参数 | 常规选值范围 | 影响 |
|---|---|---|
| 定时器频率 | 1 kHz ~ 50 kHz | 直接决定 ADC 采样率，也就是 FFT 的横轴范围 |
| ADC 采样周期 | 5 ~ 30 个 ADC 时钟周期 | 太短会导致采样电容没充满，结果偏小 |
| DMA 数据宽度 | 半字（16 位） | 匹配 12 位 ADC 的右对齐输出 |
3.2 定时器触发采样与 DMA 双缓冲的落盘代码
下面是这套方案里我认为最值得抄的初始化代码，它完成了定时器、ADC、DMA 三者的接线。代码里用了"某系列 Cortex-M 内核 MCU"的寄存器风格，你在移植时只需替换为自己的外设基地址和中断号即可。
/* ADC 采样率 = 定时器频率 / (预分频 + 1) / (自动重载 + 1) */ void ADC_Init_With_TimerTrigger(void) { /* 1. 使能外设时钟：ADC、定时器、DMA 都要开 */ RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE); RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE); RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE); /* 2. 配置定时器：1 kHz 触发频率，即每秒采样 1000 个点 */ TIM_TimeBaseInitTypeDef tim = {0}; tim.TIM_Prescaler = 84 - 1; /* 84 MHz / 84 = 1 MHz */ tim.TIM_Period = 1000 - 1; /* 1 MHz / 1000 = 1 kHz */ tim.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; tim.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseInit(TIM2, &tim); TIM_SelectOutputTrigger(TIM2, TIM_TRGOSource_Update); /* 3. 配置 ADC：定时器触发，右对齐，采样周期拉长到 20 个周期 */ ADC_InitTypeDef adc = {0}; adc.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T2_TRGO; adc.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; /* 由定时器逐个触发 */ adc.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; adc.ADC_SampleTime = ADC_SampleTime_20Cycles; /* 宁长勿短 */ ADC_Init(ADC1, &adc); ADC_ExternalTrigConvCmd(ADC1, ENABLE); /* 4. 配置 DMA：ADC 数据寄存器 -> 内存数组，循环模式 */ DMA_InitTypeDef dma = {0}; dma.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&ADC1->DR; dma.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)adc_buf; dma.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC; dma.DMA_BufferSize = FFT_POINTS; /* 采集完一整段就自动停止 */ dma.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; dma.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable; dma.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord; dma.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord; dma.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular; /* 循环采集，配合双缓冲 */ DMA_Init(DMA1_Channel1, &dma); }逻辑说明：第一步开时钟没有先后顺序问题，但漏掉任何一个，后面外设都是死的。第二步定时器的预分频要结合系统时钟计算，不是照着抄就完事，84 MHz 总线时钟下，先分频到 1 MHz，再计数 1000 次，才是 1 kHz。第三步关闭连续转换是必须的，否则定时器触发就被忽略了。第四步 DMA 的循环模式意味着采集完一段后自动从头开始，你不需要手动重新启动，这是保证持续采样的关键。
参数说明：FFT_POINTS建议写成宏，不要写成裸数字。adc_buf 数组类型应该是uint16_t数组，长度等于 FFT_POINTS。DMA 数据宽度选半字，是因为 12 位 ADC 的结果只占低 12 位，用半字既能省一半带宽，又不丢数据。如果你把采样率设到 50 kHz，DMA 中断频率会很高，这时候要注意中断服务函数里只做标志位置位，不要做任何计算。
3.3 数据帧设计：帧头、长度与校验，少一个都会让上位机抓狂
ADC 数据进了内存之后，接下来有两个出口：一是直接送 FFT，二是通过串口发给上位机。串口这边的常见翻车点在于：上位机只负责按字节流读数据，它并不知道哪一包是完整的。如果没有帧头，接收端拿到一半数据就开解，解出来的全是错值。所以串口协议至少要包含帧头、数据长度、数据区和校验字节。
/* 把一段 ADC 原始数据打包成一帧，通过串口发送 */ void UART_SendFrame(uint16_t *data, uint8_t len) { uint8_t frame[2 + 1 + len * 2 + 1]; /* 帧头2字节+长度1字节+数据+校验 */ uint8_t idx = 0, checksum = 0; frame[idx++] = 0xAA; /* 帧头1 */ frame[idx++] = 0x55; /* 帧头2 */ frame[idx++] = len; /* 数据个数，单位是 uint16_t */ for (uint8_t i = 0; i < len; i++) { frame[idx++] = data[i] & 0xFF; /* 低字节在前 */ frame[idx++] = (data[i] >> 8) & 0xFF; checksum += frame[idx-2] + frame[idx-1]; /* 累加校验 */ } frame[idx] = checksum; for (uint16_t i = 0; i < sizeof(frame); i++) { UART_SendByte(frame[i]); /* 阻塞发送，简单可靠 */ } }逻辑说明：帧头用两个字节 0xAA 0x55，是为了减少和正常数据撞车的概率；长度字段只放数据个数，上位机据此计算剩余字节数；校验用累加和，写完数据区之后把校验字节一并发出。发送部分用了阻塞方式，因为串口波特率一般不高，比如 115200 波特率下每秒只能发约 11.5 KB，而采集速度远快于此。如果采样率是 1 kHz 且每点 2 字节，每秒只有 2 KB 数据，完全来得及。
参数说明：len一定不要超过 255，因为帧里用单字节表示长度。如果一次要发 1024 个点的 FFT 结果，就要拆成多帧。串口波特率的选择要看你的采样率和数据量：波特率 bps / 10 大约是每秒能发的字节数，例如 115200 / 10 ≈ 11520 字节/秒。数据量超过这个值，要么降采样率，要么只发 FFT 计算后的几十个有效频点。
4. FFT 计算：从 ADC 原始码值到频谱图的参数匹配
4.1 直接用厂商 FFT 库还是自己写：分界线在哪
标题里写明了 TI_FFT，说明这是一个"开箱即用"的库方案，而不是要求你从零写蝶形运算。我的建议是：只要不是在做教学演示，优先用库。理由很简单，FFT 的边界条件太多——输入序列长度若不是 2 的整数次幂、位反转表没建对、循环变量越界，这些问题在你盯着频谱图上乱跳的噪声时，几乎没法靠肉眼定位。
自己写 FFT 唯一的优势是能精确控制每一步的行为，比如你想做固定点运算来省去浮点开销。但代价是你必须自己处理溢出、缩放和查表，调试周期至少多出一倍。工程里既然已经集成了厂商的 FFT 库，尊重现状，把精力花在"怎么正确地喂数据"和"怎么解释输出"上，这才是性价比最高的做法。
4.2 采样率与 FFT 点数：决定频率分辨率的两个旋钮
FFT 的输出质量，在调用库之前就已经由采样参数决定了。两条硬规则必须记牢：FFT 点数必须是 2 的整数次幂，常见是 256、512、1024、2048；频率分辨率等于采样率除以点数，例如 10 kHz 采样配 1024 点，分辨率约为 9.76 Hz。这意味着两个频率相差小于 10 Hz 的信号，在频谱上会糊成一个峰，你没法分辨。
/* FFT 库调用前的准备：从 ADC 数组拷贝数据，并做去直流处理 */ #define FFT_N 1024 #define F_S 10000.0f float fft_input[2 * FFT_N]; /* 实部+虚部交叉存放 */ float fft_output[2 * FFT_N]; void Prepare_And_Compute_FFT(uint16_t *adc_buf) { uint32_t sum = 0; /* 1. 先求平均值，然后每个点减掉均值，消去直流分量 */ for (int i = 0; i < FFT_N; i++) { sum += adc_buf[i]; } float dc = (float)sum / FFT_N; /* 2. 填入 FFT 输入数组：实部放码值，虚部清零 */ for (int i = 0; i < FFT_N; i++) { fft_input[2 * i] = (float)adc_buf[i] - dc; fft_input[2 * i + 1] = 0.0f; } /* 3. 调用库函数，库内部会做位反转和蝶形运算 */ Vendor_FFT_Compute(fft_input, fft_output, FFT_N); }逻辑说明：第一步去直流不是可选项。ADC 采集到的信号是叠加在 Vref/2 左右的直流偏置上的，如果不减掉，FFT 输出的 0 Hz 分量会占满整幅画面，其他频点的幅度被压缩得几乎看不见。第二步的实部虚部交替存放，是多家 FFT 库统一要求的输入格式，填错位置的结果是频谱完全错误，而且很难排查。第三步库函数内部会处理位反转，你不需要管。
参数说明：F_S和FFT_N两个宏必须和定时器配置严格对应。如果你改了定时器预分频导致采样率变成 8 kHz，但这里还写 10000，那么频谱图的横轴全部偏了 20%，你看多少遍都找不出问题。另外，FFT 库的输入可以是 float 或 q15 定点格式。定点格式跑得快，但动态范围小，输入满偏时容易溢出；浮点格式慢一些，在 72 MHz 主频下算 1024 点大约需要几十毫秒，用来做屏幕刷新足够，用来做实时流处理就要掂量了。
4.3 幅值换算：把 FFT 输出变成真实电压值
FFT 输出的频点幅度，和你在屏幕上看到的"电压"不是一回事。库函数给的幅度值经过了蝶形运算的累加，通常会比真实幅度大 N/2 倍。还原成原始信号幅度要经过两步：先求模再缩放。直流分量不需要乘 2，非直流分量要乘 2，因为单边频谱把负频率的能量并到了正频率上。
/* 第 k 个频点的幅度换算成电压有效值 */ #define ADC_VREF 3.3f #define ADC_FULL_SCALE 4096.0f float bin_to_voltage(float *fft_output, int k) { float re = fft_output[2 * k]; /* 实部 */ float im = fft_output[2 * k + 1]; /* 虚部 */ float mag = sqrtf(re * re + im * im); if (k == 0) { mag = mag / FFT_N; /* 直流分量不乘 2 */ } else { mag = mag * 2.0f / FFT_N; /* 单边谱换算 */ } /* 把归一化幅度换算成实际电压 */ return mag * ADC_VREF / ADC_FULL_SCALE; }逻辑说明：这个换算分三步：第一步从输出数组里取出实部和虚部，求模得到频点幅度；第二步按单边谱规则缩放，直流不算 2 倍；第三步把无量纲的数字幅度换算成电压。如果只关心相对大小而不关心绝对电压，第三步可以省略，但显示频谱图时建议保留，因为这样你能判断信号幅度到底是不是 0.5 Vrms，而不是只看一个神秘数字。
参数说明：ADC_FULL_SCALE对应 ADC 满量程码值。12 位 ADC 是 4096，如果你用的是 16 位 ADC 就要改成 65536。还有一个常见问题是窗函数：直接做 FFT 相当于加了矩形窗，频谱泄漏明显。库通常提供加窗 API，比如汉宁窗。做音频可视化时，加汉宁窗后主瓣会变宽但旁瓣抑制更好，画面更干净；做精确频率测量时矩形窗更合适，因为频点更尖锐。
5. 常见问题排查：串口、ADC、FFT、OLED 这五个坑我几乎每次都会遇到
5.1 打开工程报错"target device not found"，或者 Device 下拉框是空的
现象：双击 .uvprojx 打开工程，编译前提示找不到目标芯片，或者下拉列表里没有可选型号。原因：MDK 装好了，但对应芯片的器件支持包（Pack）没装。这不是工程坏了，是你的环境缺组件。解决：进入 Project → Manage → Pack Installer，在线搜索芯片型号，安装对应版本 Pack。装完关掉重开工程，Device 栏就能识别了。如果公司网络不允许在线下载，可以去某渠道下载离线 Pack 再双击安装，注意要和 Keil 版本位数一致。
5.2 ADC 采集值永远停在 0 或者满量程 4095
现象：程序跑起来了，但 OLED 上和串口里看到的 ADC 码值不是 0 就是 4095，中间值永远不出现。原因有两种。第一，ADC 采样周期设得太短，比如设成了 1.5 个 ADC 时钟周期，内部采样电容来不及充电，转换出来就是 0。第二，输入信号超过了参考电压范围，负压或者高于 Vref 的信号会把结果钳在边界。解决：把 ADC_SampleTime 加大到 20 个周期以上，同时确认信号调理电路已经把输入电压控制在 0～Vref 之间。如果你信号本来就带负压，就必须加偏置电路，别指望 ADC 能测量负电压。
5.3 串口收到的帧错位，校验永远不过
现象：第一次发数据是好的，第二次开始全部乱掉，重启又能好一阵。原因：串口接收端或发送端的字节丢失了。常见来源是串口中断优先级设得太低，被 ADC-DMA 中断和 FFT 计算打断太久，接收寄存器里的字节被新数据覆盖。解决：把串口全局中断优先级提到最高，或者改用 DMA 发送。另外检查波特率计算：如果定时器时钟源是 APB1 而不是 APB2，分频系数要对应，否则波特率会偏差 5% 以上，长时间传输必乱。
5.4 FFT 频谱只有一个巨大的 0 Hz 尖峰，其他频点全都看不清
现象：频谱图上一根柱子顶天立地，别的频点就算有信号也看不见。原因：没有做去直流处理，或者做了去直流但数据还被平均值滤波过了。很多新手把库函数调用前的输入数组直接用原始 ADC 码值填进去，结果就是 0 Hz 分量占了 99% 的动态范围。解决：在准备 FFT 输入时按 4.2 节的做法，先算整段平均值，每个点减去平均值。这一步做完，0 Hz 尖峰会明显下降，真正的信号频率才会显现出来。还有一种隐蔽情况：如果你在 ADC 到 FFT 之间加了滑动平均滤波，高频成分会被压低，频谱图上原本存在的频点会消失，排查时注意区分。
5.5 OLED 一刷新，ADC 采样频率就明显变慢
现象：不显示 OLED 时数据正常，OLED 开启后波形频率往下掉，FFT 主峰位置飘了。原因：OLED 刷新是阻塞操作，如果用的是 4 线 SPI，一次全屏刷新要写 1024 字节，按 1 MHz SPI 算就是 8 毫秒以上。如果采样率是 1 kHz，意味着每采 8 个点就要停一次，频谱自然不对。解决：采集和显示分离。ADC 用 DMA 循环采，不占用 CPU；OLED 只在一个"FFT 已算完"的标志位置位后才刷新一屏。如果还不够，把 OLED 刷新率降到 10 帧，或者在刷新期间开启定时器中断把采样任务抢回来。优先级上，采样任务永远高于显示任务。
| 模块 | 优先级建议 | 说明 |
|---|---|---|
| 串口接收 | 最高 | 字节随时可能来，丢了没法补 |
| ADC-DMA 中断 | 高 | 只做标志位置位，不做事 |
| FFT 计算 | 中 | 可以在主循环里做，允许被打断 |
| OLED 刷新 | 低 | 丢一帧没人看得见 |
6. 验证与进阶：如何确定频谱图不是玄学，以及让它更实用
验证 FFT 结果是否正确，最靠谱的土办法是：用信号发生器输出一个已知频率和幅度的正弦波，比如 1 kHz、0.5 V 峰峰值。接好硬件后，OLED 上应看到明显的一个主峰，串口把幅度换算后的值打出来，对照表显值看误差。没有信号发生器也可以直接用某手机 App 播放 1 kHz 正弦波，配合耳机输出。这一步能同时验证 ADC 采样率配置、FFT 点数和幅值换算三个环节。如果主峰频率偏离 1 kHz，优先查定时器的时钟来源和预分频；如果幅度差一倍，多半是单边谱乘 2 的处理写错了。
标定通过之后，再谈进阶优化。第一个值得做的是频谱平滑：因为 FFT 输出每个频点的跳动很大，尤其在没有窗函数时，屏幕上会看到一根根抖动的柱子。常见做法是对每个频点做一次一阶低通滤波，公式是y[k] = 0.8 * y[k] + 0.2 * new_value[k]。平滑系数决定了响应速度，0.8 适合频谱柱状图，如果做语音实时显示，系数调小到 0.6 会更跟手。第二个值得做的是局部放大：1024 条频谱柱不可能全部画到 128 像素宽的 OLED 上，常见做法是把频段线性或对数压缩。对数压缩对音频更友好，因为听觉本身就是对数感知，代码上就是取20 * log10(mag)再映射到显示范围。
我的一个使用习惯是：每次改完采样率或 FFT 点数，先重跑一遍已知正弦波标定，确认主峰位置没偏再上实际信号。否则你分不清是代码写错了还是信号本来就长这样，这在现场调试时是最让人抓狂的。另外提醒一点：OLED 驱动里如果用了 I2C 接口，刷新速度天生受限，做动态频谱时建议改用 SPI 接口，或者降低刷新帧率。这套链路并不复杂，参数匹配对了，串口、FFT 和 OLED 是可以和谐共处的，希望帮到你。
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