摘  要： 為應對數(shù)碼相框成本較高的問題,，介紹了一種簡易數(shù)碼相框的設計，實現(xiàn)從SD卡讀取bmp圖片文件并在TFT液晶屏上顯示的功能,。本設計成本低,，具有很高的實用價值。
關鍵詞： 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)碼相框的設計，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)碼相框的硬件平臺以32 bit STM32系列的處理器STM32F103ZET6為核心,，外圍電路主要包括一個2.8英寸的TFT液晶模塊、1個SD卡插座,、5個LED燈和2個按鍵,。硬件系統(tǒng)如圖1所示。

　系統(tǒng)關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,、低功耗的嵌入式應用而設計的ARM Cortex-M3內(nèi)核,，包括了STM32F103增強型系列和STM32F101基本型系列。本設計使用的是增強型系列的高端型號STM32F103ZET6，其最高主頻可以達到72 MHz,，內(nèi)置512 KB的閃存以及64 KB的SRAM,。同時其外設資源豐富，包括并行LCD接口(FSMC),、12通道DMA控制器,、定時器、ADC,、DAC,、SDIO、I2C,、SPI,、USB、UART等[1],?？梢哉f，它完全超越了同價位的8 bit或者16 bit單片機的性能,，而又不像一般32 bit處理器那樣價格昂貴,。

　本設計使用了一個帶有通用并行接口(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SPI接口與SD卡座連接,，以便于控制和簡化程序,，而且對于靜態(tài)圖片，SPI的傳輸速度已足夠,。另外,，還有用于調(diào)試的2個按鍵和5個LED。
2 軟件設計
2.1 移植FATFS文件系統(tǒng)
　FATFS文件系統(tǒng)是一種完全免費開源的FAT文件系統(tǒng)模塊,，專為小型嵌入式系統(tǒng)而設計,，用標準C語言編寫，很方便移植[2],。本設計移植的FATFS版本為R0.07e,，它支持FAT12、FAT16和FAT32,，由于不涉及多個存儲介質(zhì),，因此，本設計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具有三層結構，如圖3所示,。

　應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，而無需理會復雜的FAT協(xié)議,。移植過程中,，需要使用者修改的是底層接口(包括存儲介質(zhì)讀寫接口和供給文件創(chuàng)建修改時間的實時時鐘)。
Tiny-FATFS包含5個文件,，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)準備好SPI讀寫SD卡的代碼后就可以修改diskio.c了,，實際上只需要編寫6個接口函數(shù)：
?、俅鎯γ浇槌跏蓟瘮?shù)：DSTATUS disk_initialize(BYTE drv)。由于存儲媒介是SD卡,，所以實際上是對SD卡的初始化,。drv是存儲媒介號碼，由于Tiny-FATFS只支持一個存儲媒介,，所以drv應恒為0,。執(zhí)行無誤返回0，錯誤返回非0,。
?、跔顟B(tài)檢測函數(shù)：DSTATUS disk_status(BYTE drV)。檢測是否支持當前的存儲媒介,，對Tiny-FATFS來說,，只要drv為0，就認為支持,，然后返回0,。
　③讀扇區(qū)函數(shù)：DRESULT disk_read(BYTE drv,，BYTE*buff,，DWORD sector,，BYTE．count)。在SD卡讀接口函數(shù)的基礎上編寫,，*buff存儲已經(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個扇區(qū)為512 B。執(zhí)行無誤返回0,，錯誤返回非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)的基礎上編寫,，*buff存儲要寫入的數(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個扇區(qū)為512 B。執(zhí)行無誤返回0,，錯誤返回非0,。
　⑤存儲媒介控制函數(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,，如獲得存儲媒介的大小,、檢測存儲媒介的上電與否，存儲媒介的扇區(qū)數(shù)等,。如果是簡單的應用,，也可以不用編寫，返回0即可,。
?、轉(zhuǎn)WORD get_fattime(Void)。本設計未涉及到文件的創(chuàng)建和修改,，因此實時時鐘部分未編寫,，直接返回一個32 bit無符號整數(shù)即可,。
　(2)對Tiny-FATFS進行配置，主要是修改tff.h和diskio.h,。在diskio.h中,，只需要配置一項：使能或者使能只讀屬性。由于本設計只涉及到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,，需要對整個文件系統(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。
?、?define_FS_MINIMIZE 3,。設為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,。
?、?define_USE_SJIS 0。禁用shift-JIS碼,。
?、?define_USE_NTFLAG 1,。對文件名大小寫敏感。
　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卡中存儲的bmp格式圖片被刻意用數(shù)字編號來命名(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)，而本設計使用的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計,。
2.2 在μCOS-II平臺上加載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這兩個文件即可,。需要注意的是,，在tff.h中有以下4個函數(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平臺上編寫任務函數(shù)
　定義三個任務以實現(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),；
　負責初始化目標板、SD卡和LCD,，并創(chuàng)建任務Task1,，同時處理按鍵USER_BUTTON_1。當按下USER_BUTTON_1時,，刪除任務Task2,，其流程如圖5所示。

　Task1的任務是循環(huán)讀取SD卡的bmp格式圖片并送LCD顯示,，同時還要處理按鍵USER_BUTTON_2,。當按下USER_BUTTON_2時，創(chuàng)建任務Task2,，其示意性代碼如下：
static void Task1(void *pdata)
{
    /*    設置變量,；   */
        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任務則只負責執(zhí)行流水燈程序，即循環(huán)依次點亮5個LED,，其優(yōu)先級最低,。
3 測試結果
　本設計的實驗平臺是STM32紅牛開發(fā)板，實物效果圖如圖6所示,。

　實驗結果表明,，μCOS-II+FATFS方案實現(xiàn)的數(shù)碼相框工作穩(wěn)定，開機后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)測試程序的設計,，按下USER_BUTTON_2按鍵則流水燈任務被創(chuàng)建，5個LED燈開始以走馬燈的形式循環(huán)點亮,；與此同時,，圖片讀取和顯示未受到任何影響，證明μCOS-II的任務調(diào)度機制穩(wěn)定可靠,。再按下USER_BUTTON_1,，則流水燈任務被刪除，LED停止動作,。
　本設計基本實現(xiàn)了數(shù)碼相框的功能，其設計的硬件極其簡單,，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,，本設計基于嵌入式實時操作系統(tǒng)μCOS-II,，在穩(wěn)定性和可擴展性上都具有優(yōu)勢。另外,，STM32性能優(yōu)越,，可以很流暢地運行μCOS-II和FATFS系統(tǒng)，也能夠驅(qū)動QVGA甚至更高分辨率的TFT液晶屏,，這是同價位8 bit或16 bit單片機所不能比擬的[6],。本設計還有需要改進的地方，如增加JPEG解碼,、增強文件名支持,、改進幻燈切換方式以及添加其他功能等。
參考文獻
[1] 王永虹,，徐煒,，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，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].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2008(1)：29-31.
[3] 任哲.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II原理與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，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].南昌大學學報,，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)碼相框設計[J].微計算機信息,，2009,，25(6-2)：81-83.
[6] 鄭友勝.μCOS-II在C51中的應用設計[J].中小企業(yè)科技，2007(1)：126-127.