摘  要： 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。
關鍵詞： 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：
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
　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：
int fputc(int， FIL*)；
int fputs(const char*， FIL*)；
int fprintf(FIL*， const char*， ...)；
char* fgets(char*， int， FIL*)；
　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：
　static void TaskStart(void *pdata)；
　static void Task1(void *pdata)；
　static void Task2(void *pdata)；
　其中，TaskStart的優先級最高，在main函數中，初始化?滋COS-II后即被創建：
　/* 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。
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.