一種簡易數碼相框的設計

丁鑫蕾，劉一清，余 奔

（華東師范大學，上海 200241）

一種簡易數碼相框的設計

丁鑫蕾，劉一清，余 奔

（華東師范大學，上海 200241）

為應對數碼相框成本較高的問題，介紹了一種簡易數碼相框的設計，實現從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。

數碼相框；SD 卡；STM32；μCOS-II；FATFS

本文介紹一種簡單、低成本的數碼相框的設計，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。硬件系統如圖1所示。

系統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]。可以說，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，而且對于靜態圖片，SPI的傳輸速度已足夠。另外，還有用于調試的2個按鍵和5個LED。

2 軟件設計

2.1 移植FATFS文件系統

FATFS文件系統是一種完全免費開源的FAT文件系統模塊，專為小型嵌入式系統而設計，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，因此，本設計僅移植了其簡化版本Tiny-FATFS，其占用內存更少，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，只需要簡單的調用即可，而無需理會復雜的FAT協議。移植過程中，需要使用者修改的是底層接口（包括存儲介質讀寫接口和供給文件創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，而這些代碼將在diskio.c中被調用。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：

①存儲媒介初始化函數：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。執行無誤返回0，錯誤返回非 0。

②狀態檢測函數：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讀扇區函數：DRESULT disk_read（BYTE drv，BYTE*buff，DWORD sector，BYTE.count）。在 SD 卡讀接口函數的基礎上編寫，*buff存儲已經讀取的數據，sector是開始讀的起始扇區，count是需要讀的扇區數。1個扇區為512 B。執行無誤返回0，錯誤返回非0。

④寫扇區函數：DRESULT disk_write（BYTE drv，const BYTE*buff，DWORD sector，BYTE count）。 在 SD 卡 寫 接口函數的基礎上編寫，*buff存儲要寫入的數據，sector是開始寫的起始扇區，count是需要寫的扇區數。1個扇區為512 B。執行無誤返回0，錯誤返回非0。

⑤存儲媒介控制函數：DRESULT disk_ioctl（BYTE drv，BYTE ctrl，VoiI*buff）。 ctrl是控制代碼，*buff存儲或接收控制數據。可以在此函數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，存儲媒介的扇區數等。如果是簡單的應用，也可以不用編寫，返回0即可。

⑥DWORD get_fattime（Void）。本設計未涉及到文件的創建和修改，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，從而使文件系統更精簡。

在tff.h中，需要對整個文件系統做全面的配置，包括：

①#define_MCU_ENDIAN 1。STM32是小端模式，選擇1。

②#define_FS_READONLY 1。使能只讀操作，去掉寫操作，節省空間。

③#define_FS_MINIMIZE 3。設為3表示使用最基本的FATFS函數，最大限度節省空間。

④#define_USE_STRFUNC 0。禁用字符串函數功能。

⑤#define_USE_FORWARD 0。禁用forward功能。

⑥#define_FAT321。支持FAT32文件系統。

⑦#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。對文件名大小寫敏感。

到此為止，FATFS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的間隔循環讀取SD卡中的bmp格式圖片并顯示，main函數的流程如圖4所示。

需要說明的是，為了便于循環讀圖，SD卡中存儲的bmp格式圖片被刻意用數字編號來命名（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換處理才能正常顯示。轉換程序代碼如下：

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

FATFS的加載比其他一些嵌入式文件系統要簡單[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：

專家共識推薦:原位癌的存在與否對疾病的預后及后續治療有直接影響，同時基于膀胱腫瘤的多中心性及易復發性，建議電切時對符合條件的患者行膀胱或前列腺部尿道多點活檢。

這4個函數與stdio.h中定義的函數有沖突，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

定義三個任務以實現數碼相框功能：

其中，TaskStart的優先級最高，在main函數中，初始化μCOS-II后即被創建：

負責初始化目標板、SD卡和LCD，并創建任務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。

Task2任務則只負責執行流水燈程序，即循環依次點亮5個LED，其優先級最低。

3 測試結果

本設計的實驗平臺是STM32紅牛開發板，實物效果圖如圖6所示。

實驗結果表明，μCOS-II+FATFS方案實現的數碼相框工作穩定，開機后μCOS-II加載成功即開始循環讀取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），經長時間觀察，無讀取失敗、掉幀、花屏等問題，每張圖片都是完美展示。根據測試程序的設計，按下USER_BUTTON_2按鍵則流水燈任務被創建，5個LED燈開始以走馬燈的形式循環點亮；與此同時，圖片讀取和顯示未受到任何影響，證明μCOS-II的任務調度機制穩定可靠。再按下USER_BUTTON_1，則流水燈任務被刪除，LED停止動作。

本設計基本實現了數碼相框的功能，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μCOS-II，在穩定性和可擴展性上都具有優勢。另外，STM32性能優越，可以很流暢地運行μCOS-II和FATFS系統，也能夠驅動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。

[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FATFS Module[J].單片機與嵌入式系統應用，2008（1）：29-31.

[3]任哲.嵌入式實時操作系統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內核上的嵌入式文件系統[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].中小企業科技，2007（1）：126-127.

Design of a simple digital photo frame

Ding Xinlei，Liu Yiqing，Yu Ben

（East China Normal University，Shanghai 200241，China）

To deal with the high cost of the digital photo frame，this article introduccd a design of a simple digital photo frame which can read a bmp picture file from SD card and display it on the TFT LCD screen.The low-cost program has a very high practical value.

digital photo frame；SD card；STM32；μCOS-II；FATFS

TP368

A

1674-7720（2011）03-0015-03

2010-09-07）

丁鑫蕾，女，1986年生，碩士研究生，主要研究方向：高速電路設計與視頻圖像處理。