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1、單片機(jī)原理與應(yīng)用(C語(yǔ)言版)嵌 入 式 開 發(fā) 初 級(jí)嵌 入 式 開 發(fā) 初 級(jí)目 錄6.1 項(xiàng)目要求與分析6.4 項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)6.6 項(xiàng)目小結(jié)6.7 項(xiàng)目拓展6.2 項(xiàng)目理論知識(shí)6.3 項(xiàng)目概要設(shè)計(jì)6.5 項(xiàng)目實(shí)施6.1 項(xiàng)目要求與分析項(xiàng)目要求與分析6.1.1 項(xiàng)目要求項(xiàng)目要求通過(guò)使用2個(gè)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙機(jī)通信:(1)2個(gè)單片機(jī)的串口連接,構(gòu)成數(shù)據(jù)的發(fā)送通道和接收通道;(2)2個(gè)單片機(jī)之間相互發(fā)送數(shù)據(jù);(3)2個(gè)單片機(jī)之間相互接收數(shù)據(jù),并將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)LED燈顯示出來(lái)。6.1 項(xiàng)目要求與分析項(xiàng)目要求與分析6.1.2 項(xiàng)目要求分析項(xiàng)目要求分析根據(jù)項(xiàng)目要求的內(nèi)容,需要滿足以下要求,才可以完
2、成項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。(1)硬件功能要求:系統(tǒng)由2組單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成,每組單片機(jī)系統(tǒng)由1個(gè)單片機(jī)和8個(gè)LED燈組成,完成2個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)之間的串行連接和通信。(2)軟件功能要求:完成2個(gè)單片機(jī)串行通信發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的控制功能。根據(jù)項(xiàng)目要求的內(nèi)容,項(xiàng)目設(shè)計(jì)關(guān)鍵是串行通信的實(shí)現(xiàn)。6.1 項(xiàng)目要求與分析項(xiàng)目要求與分析通信是人們傳遞信息的方式,實(shí)現(xiàn)通信雙方之間的信息交換。單片機(jī)與其他設(shè)備(例如其他單片機(jī)、計(jì)算機(jī)和外部擴(kuò)展設(shè)備)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)傳輸可以通過(guò)兩種方式進(jìn)行:并行通信和串行通信。并行通信的傳輸方式是指一組數(shù)據(jù)的各數(shù)據(jù)位在多條線上同時(shí)被傳輸。并行通信時(shí)數(shù)據(jù)的各個(gè)位同時(shí)傳送,可以字或字節(jié)為單位并
3、行進(jìn)行。并行通信速度快,但用的通信線多、成本高,故不宜進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。并行數(shù)據(jù)傳輸只適用于近距離的通信,通常傳輸距離小于30米。6.1 項(xiàng)目要求與分析項(xiàng)目要求與分析串行通信的傳輸方式是指一組數(shù)據(jù)的各數(shù)據(jù)位在一條數(shù)據(jù)線上一位一位地依次傳輸,每一位數(shù)據(jù)占據(jù)一個(gè)固定的時(shí)間長(zhǎng)度。串行通信時(shí)一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)要分8次由低位到高位按順序一位位地傳送。串行通信使用的傳輸線少,非常適合于遠(yuǎn)程通信,但是數(shù)據(jù)傳送效率低,例如,傳送一個(gè)字節(jié),并行通信只需要1T的時(shí)間,而串行通信至少需要8T的時(shí)間。串行通信適合于遠(yuǎn)距離傳送,可以從幾米到數(shù)千公里。總之,串行通信適合于長(zhǎng)距離、低速率的通信,并行通信適合于短距離、高速率的數(shù)據(jù)
4、傳送。6.1 項(xiàng)目要求與分析項(xiàng)目要求與分析為了實(shí)現(xiàn)2個(gè)單片機(jī)之間的串行通信,應(yīng)該掌握以下知識(shí):(1)單片機(jī)的串口的硬件結(jié)構(gòu)。(2)單片機(jī)的串口的相關(guān)寄存器。(3)單片機(jī)的串口的工作方式。(4)單片機(jī)的串口的初始化步驟。6.1 項(xiàng)目要求與分析項(xiàng)目要求與分析為了實(shí)現(xiàn)上述功能要求,應(yīng)該具備以下能力:(1)能夠使用Proteus軟件的實(shí)現(xiàn)硬件功能要求;(2)能夠使用Keil軟件的實(shí)現(xiàn)軟件功能要求: 完成串行通信發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù);(3)能夠使用Keil軟件和Proteus軟件的聯(lián)調(diào)開發(fā)環(huán)境完成整個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)要求。6.2 項(xiàng)目理論知識(shí)項(xiàng)目理論知識(shí)6.2.1 單片機(jī)串行口的硬件結(jié)構(gòu)單片機(jī)串行口的硬件結(jié)
5、構(gòu)AT89C51單片機(jī)串行口的硬件結(jié)構(gòu)如圖6-1所示。6.2 項(xiàng)目理論知識(shí)項(xiàng)目理論知識(shí)在圖6-1中,單片機(jī)的串口共有兩個(gè)串行緩沖寄存器(Serial Buffer,SBUF):(1)發(fā)送緩沖寄存器SBUF: 串行發(fā)送時(shí),從片內(nèi)總線向發(fā)送SBUF寫入數(shù)據(jù);(2)接收緩沖寄存器SBUF:串行接收時(shí),從接收SBUF向片內(nèi)總線讀出數(shù)據(jù)。它們都是可尋址的寄存器,但因?yàn)榘l(fā)送和接收不能同時(shí)進(jìn)行。所以給這兩個(gè)寄存器賦予同一地址(99H)。6.2 項(xiàng)目理論知識(shí)項(xiàng)目理論知識(shí)在接收方式下,串行數(shù)據(jù)通過(guò)引腳RXD(P3.0)進(jìn)入,接收控制器控制移位寄存器一位一位將數(shù)據(jù)移入接收SBUF中,當(dāng)數(shù)據(jù)都接收完成后,接收控制器
6、產(chǎn)生串行接收中斷RI請(qǐng)求。在發(fā)送方式下,先將待發(fā)送數(shù)據(jù)寫入發(fā)送SBUF中,發(fā)送控制器控制門將數(shù)據(jù)一位一位通過(guò)TXD(P3.1)發(fā)送出去。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成后,發(fā)送控制器產(chǎn)生串行發(fā)送中斷TI請(qǐng)求。波特率產(chǎn)生電路用于控制傳送數(shù)據(jù)的速率,控制每秒鐘傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù),且要求發(fā)送控制和接收控制器使用相同的波特率。6.2 項(xiàng)目理論知識(shí)項(xiàng)目理論知識(shí)6.2.2 單片機(jī)串行口的寄存器單片機(jī)串行口的寄存器1. 1. 串行控制寄存器串行控制寄存器SCONSCON(1)寄存器的作用:是一個(gè)可位尋址的特殊功能寄存器,用于串行數(shù)據(jù)通信的控制。(2)寄存器的內(nèi)容:見表6-1SCOND7D6D5D4D3D2D1D0(98H)SM0
7、SM1SM2RENTB8RB8TIRI6.2 項(xiàng)目理論知識(shí)項(xiàng)目理論知識(shí)2. 2. 電源控制寄存器電源控制寄存器PCONPCON(1)寄存器的作用:用于電源控制(2)寄存器的內(nèi)容:(只介紹和串口相關(guān)的位)SMOD為串行口波特率的倍增值。當(dāng)SMOD=1時(shí),串行口波特率倍增。系統(tǒng)復(fù)位時(shí),SMOD=0。 PCOND7D6D5D4D3D2D1D0(87H)SMOD-GF1GF0PDID6.2 項(xiàng)目理論知識(shí)項(xiàng)目理論知識(shí)6.2.3 單片機(jī)串行口的工作方式單片機(jī)串行口的工作方式AT89C51單片機(jī)的串行口結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,具有4種工作方式,這些工作方式用SCON中的SM0和SM1兩位來(lái)確定。具體內(nèi)容如表6-2所示
8、。表 6-2 串行口的工作方式SM0 SM1 工作方式功 能波 特 率0 0方式0同步移位寄存器方式fosc/120 1方式18位UART定時(shí)器T1溢出率/n1 0方式29位UARTfosc/32或fosc/641 1方式39位UART定時(shí)器T1溢出率/n6.2 項(xiàng)目理論知識(shí)項(xiàng)目理論知識(shí)1. 工作方式工作方式0(1)方式的作用方式的作用:為同步移位寄存器輸入/輸出模式,可外接移位寄存器,以擴(kuò)展I/O口。(2)引腳的使用引腳的使用:數(shù)據(jù)由P3.0 (RXD)引腳輸出或輸入,同步移位脈沖由P3.1(TXD)引腳輸出,每一移位脈沖將使RXD端輸出或者輸入1位二進(jìn)制碼。(3)數(shù)據(jù)的格式數(shù)據(jù)的格式:發(fā)送
9、和接收均為8位數(shù)據(jù),低位在先,高位在后。(4)方式的波特率方式的波特率:在TXD端的移位脈沖即為方式0的波特率,其值固定為晶振率fosc的1/12,即每個(gè)機(jī)器周期移動(dòng)1位數(shù)據(jù)。6.2 項(xiàng)目理論知識(shí)項(xiàng)目理論知識(shí)(5)方式的時(shí)序圖方式的時(shí)序圖:使用方式0實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的移位輸出時(shí),實(shí)際上是把串行口變成并行口使用。 數(shù)據(jù)預(yù)先寫入串行口數(shù)據(jù)緩沖器SBUF,然后從串行口RXD端,在移位時(shí)鐘脈沖(TXD)的控制下,逐位移出串口。當(dāng)8位數(shù)據(jù)全部移出后,SCON寄存器的發(fā)送中斷TI被自動(dòng)置1。 圖6-2 單片機(jī)的串行口的工作方式0的發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)序圖6.2 項(xiàng)目理論知識(shí)項(xiàng)目理論知識(shí)串行數(shù)據(jù)經(jīng)RXD端串行輸入,同樣由TX
10、D端提供移位時(shí)鐘脈沖。8位數(shù)據(jù)串行接收需要有允許接收的控制,具體由SCON寄存器的REN位實(shí)現(xiàn)。 REN=0,禁止接收;REN=1允許接收。當(dāng)軟件置位REN時(shí),即開始從RXD端輸入數(shù)據(jù)(低位在前),當(dāng)接收到8位數(shù)據(jù)時(shí),置位接收中斷標(biāo)示RI。具體如圖6-3所示。 圖6-3 單片機(jī)的串行口的工作方式0的接收數(shù)據(jù)時(shí)序圖6.2 項(xiàng)目理論知識(shí)項(xiàng)目理論知識(shí)2. 工作方式工作方式1(1)方式的作用方式的作用:為波特率可變的8位異步通信口(2)引腳的使用引腳的使用:數(shù)據(jù)位由P3.0(RXD)端接收,由P3.1(TXD)端發(fā)送。(3)數(shù)據(jù)的格式數(shù)據(jù)的格式:數(shù)據(jù)為10位,即1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位(低位在先,高位在
11、前)和1個(gè)停止位。其數(shù)據(jù)格式如圖6-4所示。 圖6-4 單片機(jī)的串行口的工作方式1的數(shù)據(jù)格式(4)方式的波特率方式的波特率:方式1的波特率由定時(shí)器T1的溢出率決定。6.2 項(xiàng)目理論知識(shí)項(xiàng)目理論知識(shí)(5)方式的時(shí)序圖方式的時(shí)序圖:采用方式1發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),用軟件清除TI后,CPU執(zhí)行任何一條SBUF緩沖寄存器的傳送指令,就啟動(dòng)發(fā)送過(guò)程,數(shù)據(jù)由TXD引腳輸出,此時(shí)的發(fā)送移動(dòng)脈沖是由定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1送來(lái)的溢出信號(hào)經(jīng)過(guò)16或32分頻而得到的。一幀信號(hào)發(fā)送完時(shí),將置位發(fā)送中斷標(biāo)志TI=1,向CPU申請(qǐng)中斷,完成一次發(fā)送過(guò)程。具體如圖6-5所示。 圖6-5 單片機(jī)的串行口的工作方式1的發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)序圖6.2 項(xiàng)
12、目理論知識(shí)項(xiàng)目理論知識(shí)采用方式1接收數(shù)據(jù)時(shí),用軟件清除RI后,當(dāng)允許接收位REN被置位1時(shí),接收器以選定波特率的16倍的速率采樣RXD引腳上的電平。當(dāng)檢測(cè)到有從1到0的負(fù)跳變時(shí),則啟動(dòng)接收過(guò)程。當(dāng)最后一次移動(dòng)脈沖生產(chǎn)時(shí)能滿足下列兩個(gè)條件:RI=0;接收到的停止位為1或SM2=0。則停止位送入RB8,8位數(shù)據(jù)進(jìn)入SBUF,并置接收中斷標(biāo)志RI=1,向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求,完成一次接收數(shù)據(jù)。具體如圖6-6所示。 圖6-6 單片機(jī)的串行口的工作方式1的接收數(shù)據(jù)時(shí)序圖6.2 項(xiàng)目理論知識(shí)項(xiàng)目理論知識(shí)3. 方式方式2和方式和方式3(1)方式的作用:方式的作用:作為9位異步通信接口。(2)引腳的使用引腳的使
13、用:數(shù)據(jù)位由P3.0(RXD)端接收,由P3.1(TXD)端發(fā)送。(3)數(shù)據(jù)的格式數(shù)據(jù)的格式:每幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是11位的:最低位是起始位(0),其后是8位數(shù)據(jù)位(低位在先,高位在后),第10位時(shí)用戶定義位(SCON中的TB8或RB8),最后1位是停止位。 圖6-7 單片機(jī)的串行口的工作方式2/3的數(shù)據(jù)格式(4)方式的波特率方式的波特率:方式2的波特率固定為fosc的1/64或1/32;方式3的波特率由定時(shí)器T1的溢出率決定。6.2 項(xiàng)目理論知識(shí)項(xiàng)目理論知識(shí)(5)方式的時(shí)序圖方式的時(shí)序圖:采用方式2或方式3發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),先將發(fā)送數(shù)據(jù)(D0-D7)寫入SBUF,而D8位的內(nèi)容則由硬件電路從TB8中直接送
14、到發(fā)送移位寄存器的第9位并以此來(lái)啟動(dòng)串行發(fā)送。一個(gè)字符幀發(fā)送完畢后,將TI位置1,向CPU申請(qǐng)中斷,完成發(fā)送過(guò)程。具體如圖6-8所示。 圖6-8 單片機(jī)的串行口的工作方式2/3的發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)序圖6.2 項(xiàng)目理論知識(shí)項(xiàng)目理論知識(shí)采用方式2或方式3接收數(shù)據(jù)時(shí),數(shù)據(jù)從右邊移入輸入移位寄存器,在起始位0移到最左邊時(shí),控制電路進(jìn)行最后一次移位。當(dāng)RI=0,且SM2=0(或接收到的第9位數(shù)據(jù)為1)時(shí),接收到的數(shù)據(jù)裝入接收緩沖器SBUF和RB8(接收數(shù)據(jù)的第9位),置RI=1,向CPU請(qǐng)求中斷。如果條件不滿足,則數(shù)據(jù)丟失,且不置位RI,繼續(xù)搜索RXD引腳的負(fù)跳變。如圖6-9所示。 圖6-9 單片機(jī)的串行口的工
15、作方式2/3的接收數(shù)據(jù)時(shí)序圖RI( 中 斷 標(biāo) 志 )位 采 樣 脈 沖D0D1D2D3D4D5D6D7停 止 位RXD起 始RB86.2 項(xiàng)目理論知識(shí)項(xiàng)目理論知識(shí)6.2.4 單片機(jī)串行口的波特率計(jì)算單片機(jī)串行口的波特率計(jì)算波特率就是指每秒鐘傳輸數(shù)據(jù)的位數(shù)。通過(guò)軟件可對(duì)單片機(jī)串行口的4種工作方式的波特率進(jìn)行設(shè)置,其中方式0和方式2的波特率是固定的,而方式1和方式3的波特率是可變的,由定時(shí)器T1的溢出率來(lái)決定。串行口的4種工作方式對(duì)應(yīng)3種波特率。由于輸入的移位時(shí)鐘的來(lái)源不同,所以,各種方式的波特率計(jì)算公式也不相同。方式方式0:波特率:波特率 = fosc/12方式方式1:波特率:波特率 =(2S
16、MOD/32)()(T1溢出率)溢出率)方式方式2:波特率:波特率 =(2SMOD/64) fosc方式方式3:波特率:波特率 =(2SMOD/32)()(T1溢出率)溢出率)6.2 項(xiàng)目理論知識(shí)項(xiàng)目理論知識(shí)6.2.5 單片機(jī)串行口的初始化步驟單片機(jī)串行口的初始化步驟在使用串行口之前,應(yīng)對(duì)其進(jìn)行編程初始化,主要是設(shè)置產(chǎn)生波特率的定時(shí)器1、串行口控制和中斷控制。具體步驟如下:(1)確定定時(shí)器T1的工作方式,設(shè)置TMOD寄存器;(2)確定定時(shí)器T1的計(jì)數(shù)初值,裝載TH1、TL1;(3)啟動(dòng)定時(shí)器T1,把TCON中的TR1位設(shè)置為1;(4)確定串行口的控制,設(shè)置SCON寄存器;(5)串行口工作在中斷
17、方式下,必須開總中斷和串行口中斷,設(shè)置IE寄存器。6.3 項(xiàng)目概要設(shè)計(jì)項(xiàng)目概要設(shè)計(jì)6.3.1 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙機(jī)通信系統(tǒng)的概要設(shè)計(jì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙機(jī)通信系統(tǒng)的概要設(shè)計(jì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙機(jī)通信系統(tǒng)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要使用中斷來(lái)完成:項(xiàng)目的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容是:(1)進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)時(shí),需要考慮單片機(jī)連接的I/O端口和串行通信電路。串行通信電路的設(shè)計(jì),需要考慮電路中串行發(fā)送端和接收端的連接電路。(2)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí),主要需要考慮如何進(jìn)行串行通信的處理,其中包括串行發(fā)送端軟件設(shè)計(jì)、串行接收端軟件設(shè)計(jì)和串行中斷的響應(yīng)中斷處理。6.3 項(xiàng)目概要設(shè)計(jì)項(xiàng)目概要設(shè)計(jì)6.3.2 硬件電路的概要設(shè)計(jì)硬件電路的概要設(shè)計(jì)(1)串行發(fā)送端電路部分串行發(fā)送端采
18、用單片機(jī)的P3.1端口,使用第二功能(TXD),作為串行通信數(shù)據(jù)發(fā)送端。為了直觀說(shuō)明發(fā)送的數(shù)據(jù),單片機(jī)通過(guò)P1端口連接8個(gè)LED燈,顯示發(fā)送數(shù)據(jù)。(2)串行接收端電路部分串行接收端采用單片機(jī)的P3.0端口,使用的第二功能(RXD),作為串行通信數(shù)據(jù)接收端。為了直觀說(shuō)明接收的數(shù)據(jù),以便和發(fā)送端的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,測(cè)試接收數(shù)據(jù)的正確性,單片機(jī)通過(guò)P1端口連接8個(gè)LED燈,顯示接收數(shù)據(jù)。并用閃爍的方式,和發(fā)送數(shù)據(jù)有所區(qū)別。6.3 項(xiàng)目概要設(shè)計(jì)項(xiàng)目概要設(shè)計(jì)6.3.3 軟件程序的概要設(shè)計(jì)軟件程序的概要設(shè)計(jì)有關(guān)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙機(jī)通信項(xiàng)目的軟件設(shè)計(jì)的核心:如何進(jìn)行串行通信。6.4 項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)6.4 項(xiàng)目詳
19、細(xì)設(shè)計(jì)項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)6.4.2 硬件電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)硬件電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)(1)單片機(jī)(甲機(jī))部分:由電阻R1-R8和LED燈D1-D8組成數(shù)據(jù)顯示部分,根據(jù)硬件電路的連接,當(dāng)P1.0至P1.7端口為高電平時(shí),LED燈D1-D8被點(diǎn)亮,當(dāng)P1.0至P1.7端口為低電平時(shí),LED燈D1-D8被熄滅。甲機(jī)的串行發(fā)送端(P3.1端口)和乙機(jī)的串行接收端連接,組成項(xiàng)目的串行發(fā)送數(shù)據(jù)通道。(2)單片機(jī)(乙機(jī))部分:由電阻R9-R16和LED燈D8-D16組成數(shù)據(jù)顯示部分,根據(jù)硬件電路的連接,當(dāng)P1.0至P1.7端口為高電平時(shí),LED燈D8-D16被點(diǎn)亮,當(dāng)P1.0至P1.7端口為低電平時(shí),LED燈D8-D16被
20、熄滅。乙機(jī)的串行發(fā)送端(P3.1端口)和甲機(jī)的串行接收端連接,組成項(xiàng)目的串行接收數(shù)據(jù)通道。6.4 項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)6.4.3 軟件程序的詳細(xì)設(shè)計(jì)軟件程序的詳細(xì)設(shè)計(jì) 軟件部分的設(shè)計(jì)主要是:雙機(jī)之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的發(fā)送和接收處理。6.5 項(xiàng)目實(shí)施項(xiàng)目實(shí)施根據(jù)上述有關(guān)項(xiàng)目的詳細(xì)設(shè)計(jì),現(xiàn)在使用Proteus軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)步驟如下:1新建可控流水燈系統(tǒng)設(shè)計(jì);新建可控流水燈系統(tǒng)設(shè)計(jì);2選擇可控流水燈系統(tǒng)所需的元器件;選擇可控流水燈系統(tǒng)所需的元器件;3放置對(duì)象(包括元器件和電源終端)并布局原放置對(duì)象(包括元器件和電源終端)并布局原理圖;理圖;4編輯修改元器件參數(shù);編輯修改元器件參數(shù);5放置連線,連接對(duì)象,建立原理圖。放置連線,連接對(duì)象,建立原理圖。6.5 項(xiàng)目實(shí)施項(xiàng)目實(shí)施序號(hào)序號(hào) 庫(kù)參考名稱庫(kù)參考名稱庫(kù)庫(kù)描述描述1AT89C51MCS8051 8051 Microcontroller2RESDEVICEGeneric resistor symbol3LED-REDACTIVEAnimated LED Model(RED)6.5 項(xiàng)目實(shí)施項(xiàng)目實(shí)施6.5.2 軟件程序的實(shí)施有關(guān)項(xiàng)目的軟件程序的實(shí)施,具體步驟如下:第一步,新建項(xiàng)目工程文件
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