數(shù)字式血壓計(jì)的設(shè)計(jì)

付瑞玲+樂麗琴

摘 要： 為了方便血壓測量，根據(jù)血壓測量方法——示波法進(jìn)行數(shù)字式血壓計(jì)的設(shè)計(jì)，包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，硬件主要以STC90C51作為核心處理器，輔以壓力傳感器MPS3117?006GA、ADC0809和1602LCD液晶顯示等模塊，通過對(duì)實(shí)物進(jìn)行測試，采用此方法設(shè)計(jì)的數(shù)字式血壓計(jì)能實(shí)現(xiàn)血壓的測量。

關(guān)鍵詞： 示波法； 數(shù)字式血壓計(jì)； STC90C51； MPS3117?006GA

中圖分類號(hào)： TN710?34； TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）03?0128?04

Design of digital sphygmomanometer

FU Rui?ling， YUE Li?qin

（School of Information Engineering， the Huanghe S&T College， Zhengzhou 450063， China）

Abstract： For convenience of blood pressure measurement， a design of digital sphygmomanometer based on a method of measuring blood pressure about oscillography is proposed， including hardware and software. The hardware structure based on kernel controller STC90C51， pressure senor MPS3117?006GA， ADC0809 and 1602LCD module is supplemented. Through test it is proved that the digital sphygmomanometer can realize the measurement of blood pressure.

Keywords： oscillography； digital sphygmomanometer； STC90C51； MPS3117?006GA

0 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們的生活水平越來越高，對(duì)于自身的健康問題也越來越多地引起了人們的重視，其中血壓是否正常是身體是否健康的一個(gè)重要的指標(biāo)。在現(xiàn)代疾病譜上，高血壓的危害無疑高居前幾位。治療高血壓病，首先是要測量準(zhǔn)確的血壓。對(duì)于非醫(yī)護(hù)人員來說，如何使血壓的測量既簡單又準(zhǔn)確，成了主要的問題。相比較于水銀血壓計(jì)的操作復(fù)雜，測量過程復(fù)雜，數(shù)字血壓計(jì)應(yīng)運(yùn)而生，越來越多地走進(jìn)了人們的家庭里[1?3]。本文基于示波法的原理，以STC90C51單片機(jī)為控制核心，輔以壓力傳感器MPS3117?006GA、ADC0809和1602LCD液晶顯示等模塊對(duì)數(shù)字式血壓計(jì)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1 示波法原理

血壓測量原理主要是示波法和柯氏法，這兩種方法都是通過充氣袖套來阻斷上臂動(dòng)脈血流。但是示波法基于抗干擾能力強(qiáng)，血壓判斷可靠、自動(dòng)檢測等優(yōu)點(diǎn)成為了無創(chuàng)血壓檢測的主流。

示波法原理如下。

由于心搏的血液動(dòng)力學(xué)作用，在氣袖壓力上將會(huì)產(chǎn)生與心搏同步的壓力波動(dòng)并與其重疊，即脈搏波。當(dāng)所加的氣袖壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于收縮壓時(shí)，脈搏波會(huì)消失。隨著氣袖壓力的逐漸減小，脈搏開始出現(xiàn)。當(dāng)氣袖的壓力從遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于收縮壓下降到收縮壓以下時(shí)，脈搏會(huì)從小突然增大。在平均壓時(shí)會(huì)達(dá)到波峰最大值。到達(dá)最大值之后會(huì)隨著氣袖壓力的下降而逐漸衰減。用示波法測量血壓就是根據(jù)脈搏波的振幅與氣袖壓力之間的非線性關(guān)系來計(jì)算血壓的。與波峰對(duì)應(yīng)的是平均壓，收縮壓和舒張壓可分別通過與波峰的比例來確定[4?5]。

舒張壓的計(jì)算：

定義舒張壓系數(shù)[Kd]（一般取0.5），隨著脈搏波的振幅上升，當(dāng)振幅上升到最大振幅的[Kd]倍時(shí)（即[UiUm=Kd]），此時(shí)的脈搏振幅[Ui]所對(duì)應(yīng)的氣袖壓力就是舒張壓，即[Ui=Kd*Um。]

收縮壓的計(jì)算：

定義收縮壓系數(shù)[Ks]（一般取0.8），隨著脈搏波振幅的下降，當(dāng)振幅下降到最大振幅的[Ks]倍時(shí)[UiUm=Ks，]此時(shí)的脈搏振幅[Ui]所對(duì)應(yīng)的氣袖壓力就是收縮壓，即[Ui=Ks*Um。]

2 系統(tǒng)工作原理

數(shù)字式血壓計(jì)主要由電動(dòng)氣泵MG、氣袖、壓力傳感器MPS3117?006GA、電磁氣閥、微控制器STC90C51、ADC0809以及液晶顯示1602LCD等構(gòu)成[3]，如圖1所示。

數(shù)字式血壓計(jì)的工作過程如下：脈寬調(diào)變PWM輸出控制信號(hào)，用于控制氣泵的充氣漏氣以調(diào)整氣袖的氣壓；一路ADC采樣氣袖內(nèi)氣壓直流分量用于測得收縮壓和舒張壓；另一路ADC用于采樣氣袖內(nèi)氣壓的交流分量用于確定直流分量取收縮壓和舒張壓時(shí)的瞬態(tài)時(shí)間位置；經(jīng)過單片機(jī)處理，將最終的處理結(jié)果送液晶顯示屏顯示。

圖1 數(shù)字式血壓計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

一次血壓的測量過程可以分為如下幾步：

（1） 激活PWM使氣泵給氣袖充氣并充至200 mmHg高，然后以5 mmHg/s的速度放氣。

（2） 壓力傳感器采集氣袖壓力信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行輸出。

（3） 壓力傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)差分放大器處理后變?yōu)閱味诵盘?hào)；

（4） 所得到的單端信號(hào)一路給ADC0809的IN0通道以監(jiān)視直流分量；另一路送給二階帶通濾波器（0.8～6.4 Hz）以濾除直流分量和50 Hz工頻干擾以及皮膚與氣袖摩擦所產(chǎn)生的高頻噪聲，并且將此信號(hào)的幅值限制在0～5 V之間。

（5） 經(jīng)過處理的交流信號(hào)送ADC0809的IN1通道，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換之后送給STC90C51計(jì)算幅值，先經(jīng)過比較找出最大的振幅[Amax，]然后通過幅值上升段找出[0.5Amax]的瞬態(tài)時(shí)間所對(duì)應(yīng)的直流分量的值，該值即為收縮壓，在幅值下降階段找出[0.8Amax]的瞬態(tài)時(shí)間所對(duì)應(yīng)的直流分量的值，該值即為舒張壓。

（6） 將上步中計(jì)算出的收縮壓與舒張壓送液晶顯示屏1602LCD進(jìn)行顯示。

收縮壓與舒張壓的計(jì)算過程如圖2所示。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器電路和差分放大電路設(shè)計(jì)

對(duì)于數(shù)字式血壓計(jì)來說，壓力傳感器決定著血壓的測量精度和靈敏度，所以壓力傳感器是數(shù)字式血壓計(jì)設(shè)計(jì)的核心部件之一。通過比較，本文選擇了由上海某公司生產(chǎn)的MPS3117電阻式傳感器。該傳感器靈敏度高，能檢測到氣袖中微小的壓力變化。該傳感器的額定電壓為75 mV，測量壓力范圍為0～300 mmHg，實(shí)驗(yàn)板所用到的靈敏度為1 mV/4 mmHg，范圍[6]為8～50 mV。

圖2 收縮壓與舒張壓計(jì)算過程示意圖

本文所用的ADC0809的電壓是5 V，與壓力傳感器MPS3117所輸出的電壓信號(hào)不匹配，壓力傳感器所輸出的電壓信號(hào)太小，故需要對(duì)輸出電壓進(jìn)行放大。本文運(yùn)用帶有差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器LM324設(shè)計(jì)了信號(hào)放大電路和濾波電路，將輸出電壓進(jìn)行放大到0～4.7 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓輸出。然后將放大后的標(biāo)準(zhǔn)電壓輸入單片機(jī)的A/D模塊。

本文所設(shè)計(jì)的放大電路為差動(dòng)輸入、單輸出的放大電路，能夠有效地抑制溫漂，并且能夠保證電壓輸出的穩(wěn)定性。所設(shè)計(jì)的壓力傳感器和差分放大電路如圖3所示。

圖3 傳感器和差分放大電路

3.2 濾波電路設(shè)計(jì)

傳感器在采集信號(hào)時(shí)，會(huì)采集到一些干擾信號(hào)如50 Hz工頻干擾和皮膚與袖帶摩擦所產(chǎn)生的高頻干擾以及直流干擾，所以需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。本文濾波電路的設(shè)計(jì)采用了LM324中的一個(gè)運(yùn)放去構(gòu)成0.8～6.4 Hz的帶通濾波器[7]。濾波后的交流信號(hào)送入單片機(jī)ADC找出[Amax，]找出[0.5Amax]和[0.8Amax]時(shí)所對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)時(shí)間位置，然后在對(duì)應(yīng)的直流分量中找出收縮壓和舒張壓。濾波電路如圖4所示。

濾波電路采用LM324中的一個(gè)運(yùn)放構(gòu)成帶通濾波器允許0.8～6.4 Hz的信號(hào)通過，濾掉信號(hào)中的直流成分和電源以及皮膚與袖帶摩擦的高頻噪聲和工頻干擾。濾波后的交流分量送入單片機(jī)ADC計(jì)算幅值，找出振幅增大過程中的[0.5Amax]和振幅減小過程中的[0.8Amax]的瞬態(tài)位置，兩者對(duì)應(yīng)的血壓直流分量即為收縮壓和舒張壓。濾波電路如圖4所示。

圖4 濾波電路

3.3 ADC0809轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

本文所采用的模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器為ADC0809，該轉(zhuǎn)換器由8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和8通道多路轉(zhuǎn)換器兩部分組成[8]。通過前面分析可知，本文所設(shè)計(jì)的數(shù)字式血壓計(jì)僅僅用到了直流和交流兩個(gè)通道，本文選用IN0和IN1，所以對(duì)于ADC0809的三位地址端（ADDA、ADDB、ADDC）沒有必要都選用，ADDA一個(gè)端口即可滿足要求，用它的0、1來代表直流信號(hào)和交流信號(hào)，ADDB、ADDC可直接接地。其中ADC0809的工作方式有兩種：查詢方式和中斷方式。通過前面的分析也可知道，在此采用的是查詢方式。因ADC0809沒有內(nèi)部時(shí)鐘，所以本文為該芯片提供了通常使用的頻率為500 kHz的外部時(shí)鐘信號(hào)。單片機(jī)STC90C51的主頻接的是6 MHz，所以ALE為ADC0809提供了1 MHz的時(shí)鐘頻率；故本文在ALE的輸出端加了由74LS112所構(gòu)成的1/2分頻器得到500 kHz時(shí)鐘信號(hào)。通過實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)使用證明，ADC0809在該頻率下能夠正常的工作。具體電路如圖5所示。

3.4 液晶顯示模塊1602電路設(shè)計(jì)

[VSS]為地電源，[VDD]接5 V正電源，[V0]為對(duì)比度的調(diào)整端，當(dāng)[V0]接正電源時(shí)對(duì)比度最低；當(dāng)[V0]接地電源時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度要求適中，太低了看不清楚，太高了會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，本文在設(shè)計(jì)時(shí)通過一個(gè)10 kΩ的電位器來調(diào)整液晶顯示屏的對(duì)比度。PS為寄存器選擇端，當(dāng)PS=1時(shí)，選擇數(shù)據(jù)寄存器；當(dāng)PS=0時(shí)，選擇指令寄存器。RW為讀寫信號(hào)線，當(dāng)RW=1時(shí)，進(jìn)行讀操作；當(dāng)RW=0時(shí)，進(jìn)行寫操作。當(dāng)PS=PR=0時(shí)，寫入指令或者顯示地址；當(dāng)PS=0，PR=1時(shí)，讀忙信號(hào)；當(dāng)PS=1，PR=0時(shí)，寫入數(shù)據(jù)。

E端為使能輸入端，當(dāng)E=1→0時(shí)，液晶顯示屏執(zhí)行命令。

液晶顯示模塊電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖5 A/D轉(zhuǎn)換電路

圖6 1602顯示電路

3.5 其他電路設(shè)計(jì)

3.5.1 電源電路

J10接外部電源，如9 V或12 V，[C1]用以抑制高頻干擾以及抵消輸入引線較長時(shí)的電感效應(yīng)，防止電路產(chǎn)生自激振蕩，容量較小。[C2，C3]的作用是改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，為獲得最佳效果，電容應(yīng)選用頻率特性好的陶瓷電容或鉭電容為宜，另外為了進(jìn)一步減小輸出電壓的紋波，一般在集成穩(wěn)壓器的輸出端并入電解電容[C4。]D1為保護(hù)二極管，當(dāng)輸入端短路時(shí)為[C4]提供一個(gè)放電回路，防止調(diào)整管的發(fā)射結(jié)擊穿。如圖7所示。

圖7 電源電路

3.5.2 線性閥PWM控制電路

線性閥PWM控制電路如圖8所示。PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調(diào)變）控制泄氣速率，MCU調(diào)整泄氣速率是根據(jù)壓力值和泄氣的變化來進(jìn)行的，使泄氣速率在規(guī)定的范圍之內(nèi)。具體工作方式如下：當(dāng)充氣達(dá)到200 mmHg時(shí)，PWM開始作用，使其開始泄氣，第25腳會(huì)接到IC所發(fā)出的信號(hào)，然后信號(hào)經(jīng)[R14]到達(dá)Q2，會(huì)使Q2導(dǎo)通，此時(shí)繼電器吸合，使電磁閥開始工作，D2保護(hù)Q2和K的正常工作而設(shè)計(jì)。

圖8 電磁閥電路

3.5.3 充氣PUMP控制電路

充氣PUMP控制電路如圖9所示。其中PUMP的動(dòng)作由PUMP control信號(hào)控制，[R13]為限流電阻。具體工作方式：[R13]得到IC的26腳提供的高電平（約0.6 V），經(jīng)Q1導(dǎo)通，Q1得到[VCC]所提供的5 V電壓，Q1的導(dǎo)通會(huì)使繼電器吸合，這樣+5 V的電壓就經(jīng)過了PUMP使PUMP導(dǎo)通。電路中的D2主要作用是使繼電器在斷電情況下仍能穩(wěn)定工作，起保護(hù)作用。

圖9 氣泵電路

3.5.4 按鍵電路

按鍵開關(guān)與單片機(jī)的40腳相連，作為整個(gè)系統(tǒng)的開關(guān)電源。當(dāng)按下POWER鍵時(shí)，則整個(gè)系統(tǒng)導(dǎo)通，單片機(jī)開始工作，然后按下測壓按鍵開始充氣。如圖10，圖11所示。

圖10 電源按鍵

圖11 測壓按鍵

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要分為以下幾步[9?10]：

（1） 電源開啟后，可通過鍵盤輸入或者是PC機(jī)修改系統(tǒng)的默認(rèn)參數(shù)。

（2） 然后系統(tǒng)對(duì)某些參數(shù)和某些寄存器進(jìn)行初始化。

（3） 啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換直接轉(zhuǎn)化結(jié)束。

（4） 轉(zhuǎn)換結(jié)果送入上位機(jī)。

（5） 用單片機(jī)對(duì)經(jīng)過1 s采樣一次的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，找出[Amax，][0.5Amax，][0.8Amax，]然后找出[0.5Amax]和[0.8Amax]對(duì)應(yīng)瞬態(tài)時(shí)間值的直流分量值，也就是所要求的收縮壓和舒張壓。將它們送往1602液晶顯示屏上進(jìn)行顯示。

軟件流程圖如圖12所示。

圖12 軟件流程圖

5 結(jié) 語

易操作、成本低、維護(hù)方便、規(guī)格小的數(shù)字式血壓計(jì)給人們的生活帶來了實(shí)實(shí)在在的好處。本文在示波法原理的基礎(chǔ)上，利用STC90C51作為控制核心實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式血壓計(jì)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，其中硬件設(shè)計(jì)具有成本低的特點(diǎn)，軟件設(shè)計(jì)具有節(jié)約存儲(chǔ)的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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圖7 電源電路

3.5.2 線性閥PWM控制電路

線性閥PWM控制電路如圖8所示。PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調(diào)變）控制泄氣速率，MCU調(diào)整泄氣速率是根據(jù)壓力值和泄氣的變化來進(jìn)行的，使泄氣速率在規(guī)定的范圍之內(nèi)。具體工作方式如下：當(dāng)充氣達(dá)到200 mmHg時(shí)，PWM開始作用，使其開始泄氣，第25腳會(huì)接到IC所發(fā)出的信號(hào)，然后信號(hào)經(jīng)[R14]到達(dá)Q2，會(huì)使Q2導(dǎo)通，此時(shí)繼電器吸合，使電磁閥開始工作，D2保護(hù)Q2和K的正常工作而設(shè)計(jì)。

圖8 電磁閥電路

3.5.3 充氣PUMP控制電路

充氣PUMP控制電路如圖9所示。其中PUMP的動(dòng)作由PUMP control信號(hào)控制，[R13]為限流電阻。具體工作方式：[R13]得到IC的26腳提供的高電平（約0.6 V），經(jīng)Q1導(dǎo)通，Q1得到[VCC]所提供的5 V電壓，Q1的導(dǎo)通會(huì)使繼電器吸合，這樣+5 V的電壓就經(jīng)過了PUMP使PUMP導(dǎo)通。電路中的D2主要作用是使繼電器在斷電情況下仍能穩(wěn)定工作，起保護(hù)作用。

圖9 氣泵電路

3.5.4 按鍵電路

按鍵開關(guān)與單片機(jī)的40腳相連，作為整個(gè)系統(tǒng)的開關(guān)電源。當(dāng)按下POWER鍵時(shí)，則整個(gè)系統(tǒng)導(dǎo)通，單片機(jī)開始工作，然后按下測壓按鍵開始充氣。如圖10，圖11所示。

圖10 電源按鍵

圖11 測壓按鍵

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要分為以下幾步[9?10]：

（1） 電源開啟后，可通過鍵盤輸入或者是PC機(jī)修改系統(tǒng)的默認(rèn)參數(shù)。

（2） 然后系統(tǒng)對(duì)某些參數(shù)和某些寄存器進(jìn)行初始化。

（3） 啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換直接轉(zhuǎn)化結(jié)束。

（4） 轉(zhuǎn)換結(jié)果送入上位機(jī)。

（5） 用單片機(jī)對(duì)經(jīng)過1 s采樣一次的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，找出[Amax，][0.5Amax，][0.8Amax，]然后找出[0.5Amax]和[0.8Amax]對(duì)應(yīng)瞬態(tài)時(shí)間值的直流分量值，也就是所要求的收縮壓和舒張壓。將它們送往1602液晶顯示屏上進(jìn)行顯示。

軟件流程圖如圖12所示。

圖12 軟件流程圖

5 結(jié) 語

易操作、成本低、維護(hù)方便、規(guī)格小的數(shù)字式血壓計(jì)給人們的生活帶來了實(shí)實(shí)在在的好處。本文在示波法原理的基礎(chǔ)上，利用STC90C51作為控制核心實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式血壓計(jì)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，其中硬件設(shè)計(jì)具有成本低的特點(diǎn)，軟件設(shè)計(jì)具有節(jié)約存儲(chǔ)的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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圖7 電源電路

3.5.2 線性閥PWM控制電路

線性閥PWM控制電路如圖8所示。PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調(diào)變）控制泄氣速率，MCU調(diào)整泄氣速率是根據(jù)壓力值和泄氣的變化來進(jìn)行的，使泄氣速率在規(guī)定的范圍之內(nèi)。具體工作方式如下：當(dāng)充氣達(dá)到200 mmHg時(shí)，PWM開始作用，使其開始泄氣，第25腳會(huì)接到IC所發(fā)出的信號(hào)，然后信號(hào)經(jīng)[R14]到達(dá)Q2，會(huì)使Q2導(dǎo)通，此時(shí)繼電器吸合，使電磁閥開始工作，D2保護(hù)Q2和K的正常工作而設(shè)計(jì)。

圖8 電磁閥電路

3.5.3 充氣PUMP控制電路

充氣PUMP控制電路如圖9所示。其中PUMP的動(dòng)作由PUMP control信號(hào)控制，[R13]為限流電阻。具體工作方式：[R13]得到IC的26腳提供的高電平（約0.6 V），經(jīng)Q1導(dǎo)通，Q1得到[VCC]所提供的5 V電壓，Q1的導(dǎo)通會(huì)使繼電器吸合，這樣+5 V的電壓就經(jīng)過了PUMP使PUMP導(dǎo)通。電路中的D2主要作用是使繼電器在斷電情況下仍能穩(wěn)定工作，起保護(hù)作用。

圖9 氣泵電路

3.5.4 按鍵電路

按鍵開關(guān)與單片機(jī)的40腳相連，作為整個(gè)系統(tǒng)的開關(guān)電源。當(dāng)按下POWER鍵時(shí)，則整個(gè)系統(tǒng)導(dǎo)通，單片機(jī)開始工作，然后按下測壓按鍵開始充氣。如圖10，圖11所示。

圖10 電源按鍵

圖11 測壓按鍵

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要分為以下幾步[9?10]：

（1） 電源開啟后，可通過鍵盤輸入或者是PC機(jī)修改系統(tǒng)的默認(rèn)參數(shù)。

（2） 然后系統(tǒng)對(duì)某些參數(shù)和某些寄存器進(jìn)行初始化。

（3） 啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換直接轉(zhuǎn)化結(jié)束。

（4） 轉(zhuǎn)換結(jié)果送入上位機(jī)。

（5） 用單片機(jī)對(duì)經(jīng)過1 s采樣一次的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，找出[Amax，][0.5Amax，][0.8Amax，]然后找出[0.5Amax]和[0.8Amax]對(duì)應(yīng)瞬態(tài)時(shí)間值的直流分量值，也就是所要求的收縮壓和舒張壓。將它們送往1602液晶顯示屏上進(jìn)行顯示。

軟件流程圖如圖12所示。

圖12 軟件流程圖

5 結(jié) 語

易操作、成本低、維護(hù)方便、規(guī)格小的數(shù)字式血壓計(jì)給人們的生活帶來了實(shí)實(shí)在在的好處。本文在示波法原理的基礎(chǔ)上，利用STC90C51作為控制核心實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式血壓計(jì)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，其中硬件設(shè)計(jì)具有成本低的特點(diǎn)，軟件設(shè)計(jì)具有節(jié)約存儲(chǔ)的特點(diǎn)。

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