基于CortexM3的SD卡圖片瀏覽器

引言

目前，對于圖片解碼器的研究主要是針對PC環(huán)境，設計工作只是在原有基礎上的升級，對系統(tǒng)和硬件的考慮較少，不能在嵌入式系統(tǒng)中直接實現(xiàn)。本文設計了一種嵌入式圖片解碼器。通過FatFs文件系統(tǒng)識別圖片文件的格式，調用相應的格式解碼單元實現(xiàn)圖像重構，并在TFT液晶顯示器上進行顯示。

1  系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)的核心CPU采用LM3S8962，具有豐富的外圍接口以及多種片內的硬件接口功能（如UART、SPI、I2C、PWM等）。整個系統(tǒng)的硬件電路包括SD卡電路、TFT液晶顯示電路、獨立按鍵電路。

1.1  SD卡電路

SD卡有兩種工作模式，即SD和SPI模式。由于LM3S8962具有SPI接口，為此該嵌入式系統(tǒng)采用SPI模式。SD卡電路如圖1所示。 SD卡的信號檢測線CARD_INSERT接CPU的PG0端口，CARD_WP檢測卡寫保護接CPU的PE2。SD卡的供電電路采用P型MOS管 2SJ355的可控電路，由CARD_POWER跳接CPU的PG1腳進行控制。片選線CARD_CS接CPU的PA3。時鐘信號CARD_SCK接 CPU的PA2。SPI主機輸出從機輸入CARD_MOSI、主機輸入從機輸出CARD_MISO分別接CPU的PA5、PA4。

圖1  SD卡電路

1.2  TFT液晶顯示電路及獨立按鍵電路

TFT液晶顯示電路中,顯示器的數(shù)據(jù)線D0~D7接CPU的PB0~PB7，地址線A0~A7接CPU的PC0~PC7。TFT背面板LED+、TFT驅動電源都采用3.3 V供電。獨立按鍵為CPU的PD0~PD3口，當按鍵被按下時，CPU檢測到的引腳為低電平。

2  軟件設計

為使整個系統(tǒng)正常讀取SD卡的數(shù)據(jù)文件和目錄，需再創(chuàng)建一個可被Windows操作系統(tǒng)認知的文件系統(tǒng)?？紤]到兼容性和方便性，本設計在 μC/OSII操作系統(tǒng)的基礎上移植了一種小型嵌入式文件系統(tǒng)FatFs。該文件系統(tǒng)具有支持多種操作系統(tǒng)、易于移植和存儲速度快的特點。

2.1  SD卡驅動設計

SD卡驅動不但需要完成SD卡控制器中相應寄存器的設置和向SD卡發(fā)送命令，還要實現(xiàn)SD卡的初始化、讀寫等操作。目的是為其上層提供相應的功能函數(shù)，屏蔽直接對硬件的具體操作。SD卡的驅動使用了ZLG/SD的MMC/SD的軟件包。軟件包中提供一些常用的API函數(shù)，只需調用相關的API 函數(shù)就可以實現(xiàn)對SD卡的訪問，其中包括SD_Initialize（初始化SD卡）、SD_ReadBlock（讀SD卡的一個塊）、 SD_WriteBlock（寫SD卡的一個塊）、SD_EraseBlock（擦除SD卡的多個塊）等。

2.2  FatFs文件系統(tǒng)設計

FatFs是一個開源的文件管理系統(tǒng)，常用于小型嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)文件系統(tǒng)，支持FAT12、FAT16、FAT32，遵循ANSI C標準，不依賴于硬件平臺。對FatFs的移植，首先需要定義數(shù)據(jù)類型并與CPU.H的數(shù)據(jù)類型匹配；其次，使FatFs中的底層函數(shù)直接調用 ZLG/SD軟件包的函數(shù)。例如：

DRESULT  disk_read (BYTE  drv, BYTE  *buff, DWORD  sector, BYTE  count){
if(count==1){
SD_ReadBlock (sector, buff);//讀取SD卡的一個塊，調用SD_ReadBlock
}
else{
SD_ReadMultiBlock (sector, count, buff);//讀取SD卡的多個塊，調用SD_ReadMultiBlock
}
return FALSE;
}

由于篇幅有限，底層函數(shù)調用SD軟件包的函數(shù)不一一列出。通過這些操作就可以調用f_open、f_read、f_write等函數(shù)來進行文件的創(chuàng)建、讀寫等操作。

3  圖片解碼分析

3.1  JPG格式的分析

JPEG專家組開發(fā)了2種基本的壓縮算法、2種數(shù)據(jù)編碼方法和4種編碼模式。在實際應用中，絕大多數(shù)JPG圖像使用的是DCT（離散余弦變換）、Huffman（哈夫曼）編碼、順序模式。JPG編碼過程主要包括顏色轉換、DCT變換、量化、熵編碼及Huffman編碼等部分。

軟件實現(xiàn)圖像解碼的過程就是圖像編碼的逆過程，程序編程步驟如下：

① 初始化FatFs文件系統(tǒng)，并利用f_open函數(shù)打開jpg格式的文件，用f_read從JPG格式文件中讀取圖片編碼的相關信息，如圖像大小、量化表、Huffman表等。

② 讀取最小編碼單元數(shù)據(jù)，對其進行熵解碼、反量化、反離散余弦變換、YCrCb模式向RGB模式轉換等，并將最后的解碼數(shù)據(jù)保存至Buffer或直接輸出至顯示。

③ 不斷重復第②步過程，直至整張圖片解碼完畢。

3.2  BMP格式的分析

BMP(Bitmap，位圖)是Windows采用的圖像文件格式。位圖文件由4個部分組成：位圖文件頭(bitmapfile header)、位圖信息頭(bitmapinformation header)、彩色表(color table)和定義位圖的字節(jié)陣列。BMP圖像的色深，常見有1、4、8、16、24和32位，分別對應單色、16色、256色、16位高彩色、24位真彩色和32位增強型真彩色。這就需要建立相應的彩色表實現(xiàn)位圖的顯示。編程實現(xiàn)位圖顯示的步驟如下：

① 初始化FatFs文件系統(tǒng)，并BMP格式文件中讀取圖片編碼的相關信息，如圖像像素數(shù)據(jù)、圖像位數(shù)、RGB值等。

② 根據(jù)像素索引定位相應顏色在彩色表中的位置。文件定位到相應彩色項，取出索引對應的顏色。

③ 從文件讀取的RGB數(shù)據(jù)，轉換為TFT支持的格式（本系統(tǒng)選用的TFT支持RGB565格式）。在液晶上畫出該像素，直到畫完整個圖像為止。

3.3  GIF格式的分析

一個GIF文件的結構可分為文件頭(file header)、GIF數(shù)據(jù)流(GIF data stream)和文件終結器(trailer)3個部分。GIF文件格式采用了可變長度的LZW壓縮編碼。LZW壓縮有3個重要的對象：數(shù)據(jù)流 (CharStream)、編碼流(CodeStream)和編譯表(String Table)。在編碼時，數(shù)據(jù)流是輸入對象（圖像的光柵數(shù)據(jù)序列），編碼流就是輸出對象（存儲在GIF文件的圖像數(shù)據(jù)）。在解碼軟件實現(xiàn)上流程與JPG、 BMP相類似，都是先調用GIF格式文件再創(chuàng)建進行GIF_LZW解碼，最后在TFT上顯示出來。需要注意的是，在解碼過程中，編碼流則是輸入對象，數(shù)據(jù)流是輸出對象。編譯表是在編碼和解碼時都須要借助的對象。

4  模塊化測試

整個系統(tǒng)采用模塊化的設計，利用μC/OSII操作系統(tǒng)進行任務管理。以任務Task_BMP為例，對24位真彩色BMP位圖的顯示進行測試，程序如下：

Task_BMP{
f_mount(0, &fs);
res = f_open(&fsrc, "ab.BMP", FA_OPEN_EXISTING | FA_READ);
res = f_read(&fsrc, &bmp, sizeof(bmp), &br);
if((bmp.pic_head[0]=='B')&&(bmp.pic_head[1]=='M')){//用文件頭判斷是否為BMP文件
res= f_lseek(&fsrc,((bmp.pic_data_address_h<<16)|bmp.pic_data_address_l));//采用了Windows的BMP格式，BMP原點在左下角
for(tx= bmp.pic_h_l;tx>0;tx--){
f_read(&fsrc, buffer, (bmp.pic_w_l)*3, &br);
for(ty=0;ty<bmp.pic_w_l;ty++){
r_data = *(ty*3 +2+buffer);
g_data = *(ty*3 +1+buffer);
b_data = *(ty*3 +0+buffer);
if(tx<bmp.pic_h_l){
point.x = tx;
point.y = ty;
point.r = r_data;
point.g = g_data;
point.b = b_data;
pixelDraw(point.y ,point.x,RGB888ToRGB565(point.r,point.g,point.b));//24位轉換成TFT支持的16位并顯示
}
}
}
}
f_close(&fsrc);
}

結語

本文提出了一種嵌入式圖片瀏覽器的設計思路，以模塊化的方法完成了設計過程，可方便地根據(jù)應用需求完善解碼庫的設計，使其能夠在實際平臺上良好地運行。本設計基本達到了預期效果，雖然不能作為一種通用圖片瀏覽器的方案，但在需要用到圖片解碼器的GPS、手持PDA、遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計上仍然具有一定的參考價值。