摘  要： 為應(yīng)對(duì)數(shù)碼相框成本較高的問(wèn)題，介紹了一種簡(jiǎn)易數(shù)碼相框的設(shè)計(jì),，實(shí)現(xiàn)從SD卡讀取bmp圖片文件并在TFT液晶屏上顯示的功能,。本設(shè)計(jì)成本低，具有很高的實(shí)用價(jià)值,。
關(guān)鍵詞： 數(shù)碼相框；SD卡,；STM32,；μCOS-II；FATFS

　本文介紹一種簡(jiǎn)單,、低成本的數(shù)碼相框的設(shè)計(jì),，它可以幻燈片式地瀏覽SD卡中的bmp格式的照片,。
1 硬件電路
　該數(shù)碼相框的硬件平臺(tái)以32 bit STM32系列的處理器STM32F103ZET6為核心，外圍電路主要包括一個(gè)2.8英寸的TFT液晶模塊,、1個(gè)SD卡插座,、5個(gè)LED燈和2個(gè)按鍵。硬件系統(tǒng)如圖1所示,。

　系統(tǒng)關(guān)鍵器件的電路原理圖如圖2所示,。STM32系列MCU基于專(zhuān)為要求高性能、低成本,、低功耗的嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核,，包括了STM32F103增強(qiáng)型系列和STM32F101基本型系列。本設(shè)計(jì)使用的是增強(qiáng)型系列的高端型號(hào)STM32F103ZET6,，其最高主頻可以達(dá)到72 MHz,，內(nèi)置512 KB的閃存以及64 KB的SRAM。同時(shí)其外設(shè)資源豐富,，包括并行LCD接口(FSMC),、12通道DMA控制器、定時(shí)器,、ADC,、DAC、SDIO,、I2C,、SPI、USB,、UART等[1],。可以說(shuō),，它完全超越了同價(jià)位的8 bit或者16 bit單片機(jī)的性能,，而又不像一般32 bit處理器那樣價(jià)格昂貴。

　本設(shè)計(jì)使用了一個(gè)帶有通用并行接口(FSMC)的2.8英寸TFT液晶模塊,，這種液晶模塊很常見(jiàn),，而且價(jià)格便宜，另外還有3.2英寸甚至更大的尺寸可供選擇,。STM32F103ZET6通過(guò)一個(gè)SPI接口與SD卡座連接,，以便于控制和簡(jiǎn)化程序，而且對(duì)于靜態(tài)圖片,，SPI的傳輸速度已足夠,。另外，還有用于調(diào)試的2個(gè)按鍵和5個(gè)LED,。
2 軟件設(shè)計(jì)
2.1 移植FATFS文件系統(tǒng)
　FATFS文件系統(tǒng)是一種完全免費(fèi)開(kāi)源的FAT文件系統(tǒng)模塊,，專(zhuān)為小型嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì),，用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言編寫(xiě)，很方便移植[2],。本設(shè)計(jì)移植的FATFS版本為R0.07e,，它支持FAT12、FAT16和FAT32,，由于不涉及多個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì),，因此，本設(shè)計(jì)僅移植了其簡(jiǎn)化版本Tiny-FATFS,，其占用內(nèi)存更少,，只需要大約1 KB RAM。FATFS具有三層結(jié)構(gòu),，如圖3所示,。

　應(yīng)用層為用戶(hù)提供了一系列接口函數(shù)，只需要簡(jiǎn)單的調(diào)用即可,，而無(wú)需理會(huì)復(fù)雜的FAT協(xié)議,。移植過(guò)程中，需要使用者修改的是底層接口(包括存儲(chǔ)介質(zhì)讀寫(xiě)接口和供給文件創(chuàng)建修改時(shí)間的實(shí)時(shí)時(shí)鐘),。
Tiny-FATFS包含5個(gè)文件,，分別是tff.c、tff.h,、diskio.c,、diskio.h和integer.h，移植之前首先要編寫(xiě)初始化和讀寫(xiě)SD卡的SPI接口代碼,。代碼主要包括SD_Init(),、SD_ReadSingleBlock()、SD_ReadMultiBlock (),、SD_WriteSingle
　Block(),、SD_WriteMultiBlock()函數(shù)，而這些代碼將在diskio.c中被調(diào)用,。移植FATFS文件過(guò)程：
　(1)準(zhǔn)備好SPI讀寫(xiě)SD卡的代碼后就可以修改diskio.c了,，實(shí)際上只需要編寫(xiě)6個(gè)接口函數(shù)：
　①存儲(chǔ)媒介初始化函數(shù)：DSTATUS disk_initialize(BYTE drv),。由于存儲(chǔ)媒介是SD卡,，所以實(shí)際上是對(duì)SD卡的初始化。drv是存儲(chǔ)媒介號(hào)碼,，由于Tiny-FATFS只支持一個(gè)存儲(chǔ)媒介,，所以drv應(yīng)恒為0。執(zhí)行無(wú)誤返回0,，錯(cuò)誤返回非0,。
　②狀態(tài)檢測(cè)函數(shù)：DSTATUS disk_status(BYTE drV),。檢測(cè)是否支持當(dāng)前的存儲(chǔ)媒介,，對(duì)Tiny-FATFS來(lái)說(shuō)，只要drv為0,，就認(rèn)為支持,，然后返回0。
?、圩x扇區(qū)函數(shù)：DRESULT disk_read(BYTE drv,，BYTE*buff，DWORD sector,，BYTE．count),。在SD卡讀接口函數(shù)的基礎(chǔ)上編寫(xiě)，*buff存儲(chǔ)已經(jīng)讀取的數(shù)據(jù),，sector是開(kāi)始讀的起始扇區(qū),，count是需要讀的扇區(qū)數(shù)。1個(gè)扇區(qū)為512 B,。執(zhí)行無(wú)誤返回0,，錯(cuò)誤返回非0。
?、軐?xiě)扇區(qū)函數(shù)：DRESULT disk_write(BYTE drv,，const BYTE*buff，DWORD sector,，BYTE count),。在SD卡寫(xiě)接口函數(shù)的基礎(chǔ)上編寫(xiě)，*buff存儲(chǔ)要寫(xiě)入的數(shù)據(jù),，sector是開(kāi)始寫(xiě)的起始扇區(qū),，count是需要寫(xiě)的扇區(qū)數(shù)。1個(gè)扇區(qū)為512 B,。執(zhí)行無(wú)誤返回0,，錯(cuò)誤返回非0。
?、荽鎯?chǔ)媒介控制函數(shù)：DRESULT disk_ioctl(BYTE drv,，BYTE ctrl，VoiI*buff),。ctrl是控制代碼,，*buff存儲(chǔ)或接收控制數(shù)據(jù)?？梢栽诖撕瘮?shù)里編寫(xiě)自己需要的功能代碼,，如獲得存儲(chǔ)媒介的大小,、檢測(cè)存儲(chǔ)媒介的上電與否，存儲(chǔ)媒介的扇區(qū)數(shù)等,。如果是簡(jiǎn)單的應(yīng)用,，也可以不用編寫(xiě)，返回0即可,。
?、轉(zhuǎn)WORD get_fattime(Void)。本設(shè)計(jì)未涉及到文件的創(chuàng)建和修改,，因此實(shí)時(shí)時(shí)鐘部分未編寫(xiě),，直接返回一個(gè)32 bit無(wú)符號(hào)整數(shù)即可。
　(2)對(duì)Tiny-FATFS進(jìn)行配置,，主要是修改tff.h和diskio.h,。在diskio.h中，只需要配置一項(xiàng)：使能或者使能只讀屬性,。由于本設(shè)計(jì)只涉及到SD卡的讀操作,，因此定義使能只讀屬性：#define_READONLY1。這樣可以裁減掉關(guān)于寫(xiě)SD卡的那部分代碼,，從而使文件系統(tǒng)更精簡(jiǎn),。
在tff.h中，需要對(duì)整個(gè)文件系統(tǒng)做全面的配置,，包括：
?、?define_MCU_ENDIAN 1。STM32是小端模式,，選擇1,。
　②#define_FS_READONLY 1,。使能只讀操作,，去掉寫(xiě)操作，節(jié)省空間,。
?、?define_FS_MINIMIZE 3。設(shè)為3表示使用最基本的FATFS函數(shù),，最大限度節(jié)省空間,。
　④#define_USE_STRFUNC 0,。禁用字符串函數(shù)功能,。
　⑤#define_USE_FORWARD 0。禁用forward功能,。
?、?define_FAT321。支持FAT32文件系統(tǒng),。
?、?define_USE_FSINFO 1。支持FAT32磁盤(pán)信息獲取,。
　⑧#define_USE_SJIS 0,。禁用shift-JIS碼,。
　⑨#define_USE_NTFLAG 1,。對(duì)文件名大小寫(xiě)敏感,。
　到此為止，F(xiàn)ATFS的移植就全部完成了,。
　編寫(xiě)一段程序測(cè)試FATFS是否移植成功,。以1 s的間隔循環(huán)讀取SD卡中的bmp格式圖片并顯示，main函數(shù)的流程如圖4所示,。

　需要說(shuō)明的是,，為了便于循環(huán)讀圖，SD卡中存儲(chǔ)的bmp格式圖片被刻意用數(shù)字編號(hào)來(lái)命名(如：1.bmp~n.bmp),，這樣,，在程序中只需要簡(jiǎn)單處理文件名就可以按順序讀取圖片了。
　通常bmp圖片都是24位顏色深度的(即RGB=8：8：8),，而本設(shè)計(jì)使用的TFT液晶是16位顏色深度的(即RGB=5：6：5),，因此在程序中需要作轉(zhuǎn)換處理才能正常顯示。轉(zhuǎn)換程序代碼如下：
u16 RGB888toRGB565(u8 r,，u8 g,，u8 b)
{
 return(u16) (r & 0xF8) <<8|(g & 0xFC)<<3|(b &               0xF8)>>3；
}
　由于bmp圖片是最簡(jiǎn)單的圖片格式,，不涉及解碼處理,，因此大大簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)。
2.2 在μCOS-II平臺(tái)上加載FATFS文件系統(tǒng)
　FATFS的加載比其他一些嵌入式文件系統(tǒng)要簡(jiǎn)單[4],，只需要在工程中加入tff.c和diskio.c這兩個(gè)文件即可,。需要注意的是，在tff.h中有以下4個(gè)函數(shù)：
int fputc(int,， FIL*),；
int fputs(const char*， FIL*)；
int fprintf(FIL*,， const char*,， ...)；
char* fgets(char*,， int,， FIL*)；
　這4個(gè)函數(shù)與stdio.h中定義的函數(shù)有沖突,，需要將其刪除,。
　此外，tff.h中還定義了一個(gè)EOF,，也與stdio.h中的定義有沖突,，只需把它重命名即可(如EOFF)。
2.3 在μCOS-II平臺(tái)上編寫(xiě)任務(wù)函數(shù)
　定義三個(gè)任務(wù)以實(shí)現(xiàn)數(shù)碼相框功能：
　static void TaskStart(void *pdata),；
　static void Task1(void *pdata),；
　static void Task2(void *pdata)；
　其中,，TaskStart的優(yōu)先級(jí)最高,，在main函數(shù)中，初始化?滋COS-II后即被創(chuàng)建：
　/* Initialize "μC/OS-II,， The Real-Time Kernel"*/
             OSInit(),；
　/* Create the start task */
            OSTaskCreate(TaskStart，(void*)0,，
              &TaskStartStk[TASK_START_STK_SIZE-1],，0)；
　負(fù)責(zé)初始化目標(biāo)板,、SD卡和LCD,，并創(chuàng)建任務(wù)Task1，同時(shí)處理按鍵USER_BUTTON_1,。當(dāng)按下USER_BUTTON_1時(shí),，刪除任務(wù)Task2，其流程如圖5所示,。

　Task1的任務(wù)是循環(huán)讀取SD卡的bmp格式圖片并送LCD顯示,，同時(shí)還要處理按鍵USER_BUTTON_2。當(dāng)按下USER_BUTTON_2時(shí),，創(chuàng)建任務(wù)Task2,，其示意性代碼如下：
static void Task1(void *pdata)
{
    /*    設(shè)置變量；   */
        While(1)
            {
                if(!USER_BUTTON_2)
        OSTaskCreate(Task2,，(void *)0,，
        &TaskStk2[TASK2_STK_SIZE-1]，4)；
        Read_pic_display(),；
        OSTimeDly(OS_TICKS_PER_SEC/2),；
            }
    }
　Task2任務(wù)則只負(fù)責(zé)執(zhí)行流水燈程序，即循環(huán)依次點(diǎn)亮5個(gè)LED,，其優(yōu)先級(jí)最低,。
3 測(cè)試結(jié)果
　本設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是STM32紅牛開(kāi)發(fā)板，實(shí)物效果圖如圖6所示,。

　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，μCOS-II+FATFS方案實(shí)現(xiàn)的數(shù)碼相框工作穩(wěn)定，開(kāi)機(jī)后μCOS-II加載成功即開(kāi)始循環(huán)讀取SD卡中的bmp圖片并在TFT屏上顯示,。圖片間的切換是簡(jiǎn)單的拉幕式切換,，間隔為5 s(可調(diào))，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間觀察,，無(wú)讀取失敗、掉幀,、花屏等問(wèn)題,，每張圖片都是完美展示。根據(jù)測(cè)試程序的設(shè)計(jì),，按下USER_BUTTON_2按鍵則流水燈任務(wù)被創(chuàng)建,，5個(gè)LED燈開(kāi)始以走馬燈的形式循環(huán)點(diǎn)亮；與此同時(shí),，圖片讀取和顯示未受到任何影響,，證明μCOS-II的任務(wù)調(diào)度機(jī)制穩(wěn)定可靠。再按下USER_BUTTON_1,，則流水燈任務(wù)被刪除,，LED停止動(dòng)作。
　本設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)碼相框的功能,，其設(shè)計(jì)的硬件極其簡(jiǎn)單,，相比于一些基于高端32 bit MCU(如ARM)的方案[5]，成本要低得多,。相比于一些簡(jiǎn)單的讀圖顯示程序,，本設(shè)計(jì)基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μCOS-II，在穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性上都具有優(yōu)勢(shì),。另外,，STM32性能優(yōu)越，可以很流暢地運(yùn)行μCOS-II和FATFS系統(tǒng),，也能夠驅(qū)動(dòng)QVGA甚至更高分辨率的TFT液晶屏,，這是同價(jià)位8 bit或16 bit單片機(jī)所不能比擬的[6]。本設(shè)計(jì)還有需要改進(jìn)的地方，如增加JPEG解碼,、增強(qiáng)文件名支持,、改進(jìn)幻燈切換方式以及添加其他功能等。
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