摘  要： 為應(yīng)對(duì)數(shù)碼相框成本較高的問題，介紹了一種簡易數(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，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，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通過一個(gè)SPI接口與SD卡座連接，以便于控制和簡化程序，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)開源的FAT文件系統(tǒng)模塊，專為小型嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫，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)用層為用戶提供了一系列接口函數(shù)，只需要簡單的調(diào)用即可，而無需理會(huì)復(fù)雜的FAT協(xié)議。移植過程中，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初始化和讀寫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文件過程：
　(1)準(zhǔn)備好SPI讀寫SD卡的代碼后就可以修改diskio.c了，實(shí)際上只需要編寫6個(gè)接口函數(shù)：
?、俅鎯?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)行無誤返回0，錯(cuò)誤返回非0。
?、跔顟B(tài)檢測函數(shù)：DSTATUS disk_status(BYTE drV)。檢測是否支持當(dāng)前的存儲(chǔ)媒介，對(duì)Tiny-FATFS來說，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，*buff存儲(chǔ)已經(jīng)讀取的數(shù)據(jù)，sector是開始讀的起始扇區(qū)，count是需要讀的扇區(qū)數(shù)。1個(gè)扇區(qū)為512 B。執(zhí)行無誤返回0，錯(cuò)誤返回非0。
　④寫扇區(qū)函數(shù)：DRESULT disk_write(BYTE drv，const BYTE*buff，DWORD sector，BYTE count)。在SD卡寫接口函數(shù)的基礎(chǔ)上編寫，*buff存儲(chǔ)要寫入的數(shù)據(jù)，sector是開始寫的起始扇區(qū)，count是需要寫的扇區(qū)數(shù)。1個(gè)扇區(qū)為512 B。執(zhí)行無誤返回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)。可以在此函數(shù)里編寫自己需要的功能代碼，如獲得存儲(chǔ)媒介的大小、檢測存儲(chǔ)媒介的上電與否，存儲(chǔ)媒介的扇區(qū)數(shù)等。如果是簡單的應(yīng)用，也可以不用編寫，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，直接返回一個(gè)32 bit無符號(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SD卡的那部分代碼，從而使文件系統(tǒng)更精簡。
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。
?、?define_FS_READONLY 1。使能只讀操作，去掉寫操作，節(jié)省空間。
　③#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。
?、?define_USE_STRFUNC 0。禁用字符串函數(shù)功能。
?、?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)文件名大小寫敏感。
　到此為止，F(xiàn)ATFS的移植就全部完成了。
　編寫一段程序測試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)來命名(如：1.bmp~n.bmp)，這樣，在程序中只需要簡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圖片是最簡單的圖片格式，不涉及解碼處理，因此大大簡化了程序設(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 測試結(jié)果
　本設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是STM32紅牛開發(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，開機(jī)后μCOS-II加載成功即開始循環(huán)讀取SD卡中的bmp圖片并在TFT屏上顯示。圖片間的切換是簡單的拉幕式切換，間隔為5 s(可調(diào))，經(jīng)長時(shí)間觀察，無讀取失敗、掉幀、花屏等問題，每張圖片都是完美展示。根據(jù)測試程序的設(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。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。
參考文獻(xiàn)
[1] 王永虹，徐煒，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.
[2] 洪岳煒，王百鳴，謝超英.一種易于移植和使用的文件系統(tǒng)FATFS Module[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2008(1)：29-31.
[3] 任哲.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II原理與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.
[4] 王命延，余愛軍.一種加載在μCOS-II內(nèi)核上的嵌入式文件系統(tǒng)[J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，29(2)：197-199.
[5] 王偉能，吳爍宇，陳弟虎，等.基于S3C2410和Qt/Embedded的數(shù)碼相框設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009，25(6-2)：81-83.
[6] 鄭友勝.μCOS-II在C51中的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].中小企業(yè)科技，2007(1)：126-127.