基于RT-Thread和STM32的數(shù)碼相框設(shè)計(jì)方案

1.引言

近年來，隨著數(shù)碼相機(jī)的普及，一種以數(shù)碼照片的保存、回放和瀏覽為核心功能的產(chǎn)品，數(shù)碼相框應(yīng)運(yùn)而生，它以其獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念和美妙的欣賞效果倍受市場(chǎng)青睞。數(shù)碼相框采用傳統(tǒng)普通相框的外觀造型，把傳統(tǒng)普通相框的中間照片部分換成液晶顯示屏，配上電源，控制器，存儲(chǔ)介質(zhì)等部件，可以直接展示數(shù)碼照片。同時(shí)，數(shù)碼相框也可以在同一個(gè)相框內(nèi)循環(huán)展示不同照片，解決了需要使用電腦才能查看數(shù)碼相片的缺陷，給日益增多的數(shù)碼照片和喜好照片的人們提供一個(gè)更好的展示照片的平臺(tái)和空間?；诖耍鞠到y(tǒng)設(shè)計(jì)了基于RT-Thread和STM32的數(shù)碼相框。

本系統(tǒng)采用STM32為主控芯片，利用源代碼開放的嵌入式RT-Thread操作系統(tǒng)和人機(jī)交互界面μC/GUI共同建立的平臺(tái)設(shè)計(jì)了數(shù)碼相框系統(tǒng)。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了JPEG格式圖片在觸摸液晶屏上的瀏覽展示、USB主機(jī)讀取功能、SPIFLASH存儲(chǔ)等功能。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由嵌入式處理器、外圍設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件等部分組成。系統(tǒng)以嵌入式RT- Thread和嵌入式微控制器STM32為核心平臺(tái)，通過μC/GUI建立人機(jī)交互界面，利用USB主機(jī)讀取功能將圖片和字庫文件寫入外部SPI FLASH，利用文件系統(tǒng)讀取圖片文件，經(jīng)過圖片解碼算法處理，顯示在觸摸液晶屏上，通過觸摸完成對(duì)圖片的瀏覽功能。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以STM32為主要硬件平臺(tái)，系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。系統(tǒng)硬件主要有電源模塊、STM32最小系統(tǒng)、JTAG下載調(diào)試接口、USB驅(qū)動(dòng)電路、SPI FLASH驅(qū)動(dòng)模塊、觸摸LCD驅(qū)動(dòng)電路等部分組成。

3.1電源模塊

本系統(tǒng)中微控制器及其外圍電路驅(qū)動(dòng)模塊需要3.3V電源，系統(tǒng)選用的電源電池為3.7V，需要通過穩(wěn)壓芯片提供3.3V電壓。

對(duì)于產(chǎn)生3.3V電壓，采用國家半導(dǎo)體公司的LM1117穩(wěn)壓芯片輸出3.3V，LM1117提供電流限制和熱保護(hù)。電路包含1個(gè)齊納調(diào)節(jié)的帶隙參考電壓以確保輸出電壓的精度在±1%以內(nèi)。

輸出端需要一個(gè)至少10uF的鉭電容來改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。LM1117穩(wěn)壓芯片輸出3.3V電路如圖3所示。

3.2 USB驅(qū)動(dòng)電路

STM32芯片內(nèi)部集成了USB外設(shè)，減輕了USB電路的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了USB接口電路以及ESD保護(hù)電路。

3.2.1 USB接口電路

在USB接口電路中將USB上拉電壓接到D+上，實(shí)現(xiàn)USB全速通訊，三極管為開關(guān)作用，當(dāng)開關(guān)開啟時(shí)，PC開始枚舉USB存儲(chǔ)設(shè)備。USB的VCC引腳沒有接板上電源，通過PC機(jī)給USB設(shè)備供電。

3.2.2 ESD保護(hù)電路

采用意法半導(dǎo)體公司的USBLC6-2P6，該芯片使USB的D+/D-信號(hào)完全平衡，I/O接口到地線的匹配公差僅為0.04pF，完全在USB 2.0最大1pF的公差范圍內(nèi)。如果USB數(shù)據(jù)線路上發(fā)生ESD現(xiàn)象，芯片的ESD保護(hù)功能就會(huì)將電流引至地線，為了確保ESD保護(hù)的最高效能，數(shù)據(jù)線路采用軌對(duì)軌保護(hù)拓?fù)洌瑸榱颂岣咻敵龉β?，VCC線路采用鉗位保護(hù)結(jié)構(gòu)。USB驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路原理圖如圖4所示。

3.3 SPI FLASH驅(qū)動(dòng)電路

系統(tǒng)采用SPI串行閃存芯片W25Q64，該芯片具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)讀取速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠減少系統(tǒng)電路切換噪聲，降低系統(tǒng)功耗及開發(fā)成本。其應(yīng)用電路如圖5所示。

3.4 LCD觸摸驅(qū)動(dòng)電路

本系統(tǒng)的觸摸控制器選用TSC2046，TSC2046是四線電阻式觸摸屏控制器，其核心是一個(gè)具有采樣和保持功能的12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。本系統(tǒng)通過STM32的SPI接口驅(qū)動(dòng)TSC2046控制器，典型的驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件主要由系統(tǒng)各模塊初始化、μC/GUI建立人機(jī)交互界面、文件系統(tǒng)讀取圖片及字庫文件、圖片解碼算法的實(shí)現(xiàn)、觸摸瀏覽功能及幻燈片播放功能等功能模塊組成。

4.1μC/GUI建立人機(jī)交互界面本系統(tǒng)利用μC/GUI builder建立μC/GUI人機(jī)交互界面，在μC/GUI builder中建立窗體、文本框、控件等、將編譯后產(chǎn)生的C文件添加到工程目錄中。μC/GUI builder的應(yīng)用，縮短了界面開發(fā)周期，修改靈活方便，后期修改界面時(shí)，只需要在μC/GUI builder修改相關(guān)組件，編譯運(yùn)行即可實(shí)現(xiàn)程序的修改。

4.2μC/GUI顯示漢字

μC/GUI中通過查找字模的方式來實(shí)現(xiàn)字體的顯示。字體庫中的每一個(gè)字母都有其對(duì)應(yīng)的字模，字模由結(jié)構(gòu)體GUI_FONT和GUI_FONT_PROP統(tǒng)一管理。但是μC/GUI中本身只支持英文，沒有提供中文的字庫源碼文件。本系統(tǒng)在修改μC /GUI字庫顯示驅(qū)動(dòng)函數(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了漢字的顯示，以顯示12*12點(diǎn)陣漢字為例，具體的修改步驟如下：

第一步：在GUI.H中聲明全局結(jié)構(gòu)體對(duì)象GUI_Font12_HZ；

第二步：定義存放字模數(shù)據(jù)的數(shù)組；

第三步：定義用于說明每個(gè)字母的字模數(shù)據(jù)在程序段存儲(chǔ)方式的結(jié)構(gòu)體；

第四步：根據(jù)漢字內(nèi)碼高位定義多個(gè)結(jié)構(gòu)體，用于存放字庫字模編碼和字模數(shù)據(jù)存放地址的映像；

第五步：將創(chuàng)建的漢字庫文件HZK12.C添加至μC/GUI工程，在主函數(shù)中調(diào)用顯示函數(shù)。

通過以上步驟實(shí)現(xiàn)了中文漢字在μC/GUI界面的顯示，經(jīng)測(cè)試，漢字顯示流暢穩(wěn)定。

4.3圖片解碼算法

JPEG圖片解碼顯示包括解析JPEG頭文件信息、基于連續(xù)DCT編碼的JPEG解碼算法處理、轉(zhuǎn)換圖像格式、液晶顯示等部分，總體流程圖如圖7所示。

4.3.1解析JPEG頭文件信息

對(duì)JPEG解碼的過程進(jìn)行初始化，獲取JPEG頭文件中的相關(guān)信息，本系統(tǒng)的方法是設(shè)計(jì)一系列的結(jié)構(gòu)體對(duì)應(yīng)頭文件中的各個(gè)信息標(biāo)記，并存儲(chǔ)標(biāo)記內(nèi)表示的信息，如色彩信息、采樣比、圖片尺寸、量化表、Huffman解碼表等重要信息。

4.3.2基于連續(xù)DCT編碼的JPEG解碼算法

基于連續(xù)DCT編碼的JPEG解碼算法包括熵解碼、反量化和反向離散余弦變換（IDCT）共三個(gè)步驟。JPEG基本系統(tǒng)的解碼器結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

（1）熵解碼。熵解碼的輸入信號(hào)是被壓縮編碼的比特流，輸出是被解碼得到的DCT變換系數(shù)的量化值。通過查找Huffman解碼表將壓縮圖像數(shù)據(jù)還原成交流AC系數(shù)和直流DC系數(shù)組成的量化數(shù)據(jù)塊。

熵解碼對(duì)讀入的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行DC直流系數(shù)和AC交流系數(shù)的Huffman解碼。JPEG算法提供標(biāo)準(zhǔn)的Huffman碼表，針對(duì)每幅圖像都有各自不同的特點(diǎn)，系統(tǒng)熵解碼采用自適應(yīng)的Huffman碼表。采用自適應(yīng)的Huffman碼表，首先統(tǒng)計(jì)輸入圖像數(shù)據(jù)的特性，生成碼樹，再反推得到各級(jí)Huffman碼表。

在JPEG頭文件信息的標(biāo)記中，定義了一張表用來記錄Huffman樹其代碼長(zhǎng)度限制在16bit以內(nèi)。JPEG頭文件信息一般包含4個(gè)Huffman碼：用于解碼直流DC系數(shù)的Huffman碼表，其中包括一個(gè)亮度表和一個(gè)色度表；用于解碼交流AC系數(shù)的Huffman碼表，其中包括一個(gè)亮度表和一個(gè)色度表。根據(jù)Huffman碼表在文件中的保存形式，設(shè)計(jì)Huffman解碼一個(gè)碼字的程序，程序流程圖如圖9所示。

解碼時(shí)，輸入圖像壓縮后的數(shù)據(jù)流，從數(shù)據(jù)流中讀取比特?cái)?shù)據(jù)組成的碼字，在Huffman樹中搜索碼字的位置，根據(jù)碼字的位置確定解碼的值，解碼輸出結(jié)果是一個(gè)8位值。在Huffman解碼過程中，如果產(chǎn)生了一個(gè)0xFF，就用0xFF0x00代替，把0xFF0x00當(dāng)做0xFF進(jìn)行處理。

（2）反量化。反量化的輸入信號(hào)是熵解碼后的數(shù)據(jù)，通過查量化表進(jìn)行計(jì)算，將在壓縮過程中經(jīng)過DCT變換后的頻率系數(shù)還原出來，反量化成DCT系數(shù)。

JPEG文件中包括亮度量化表和色度量化表兩張量化表，將Huffman解碼得到的系數(shù)矩陣與相應(yīng)的量化矩陣相乘，即得到反量化結(jié)果。

由于數(shù)據(jù)是按8×8矩陣的“Z”字形編排，所以要對(duì)反量化運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行反Zig-Zag變換。

（3）反向離散余弦變換（IDCT）。反向離散余弦變換把頻率域DCT分量系數(shù)反轉(zhuǎn)成顏色空間域表示的圖像數(shù)據(jù)。對(duì)反量化后得到的DCT變換系數(shù)經(jīng)過反向離散余弦變換IDCT得到圖像的像素。反離散余弦轉(zhuǎn)換的輸入是頻率域的一個(gè)8×8分量系數(shù)塊，輸出則得到空間域的一個(gè)8×8像素塊。

在程序運(yùn)行過程中，IDCT運(yùn)算量較大，有大量浮點(diǎn)乘法和加法運(yùn)算，程序執(zhí)行速度較慢，這對(duì)圖片能否流暢的顯示有很大影響?；诖吮窘y(tǒng)軟件對(duì)IDCT算法了優(yōu)化，采用一種快速IDCT算法［5］，把二維IDCT分解成行和列兩個(gè)一維IDCT，再將IDCT算法通過數(shù)學(xué)變換轉(zhuǎn)化為離散傅里葉逆變換（IDFT），利用矩陣變換簡(jiǎn)化計(jì)算。在開始進(jìn)行二維IDCT轉(zhuǎn)換時(shí)，先對(duì)輸入的反量化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行8次一維的行變換，并將存儲(chǔ)運(yùn)行結(jié)果，再對(duì)運(yùn)行的結(jié)果進(jìn)行8次一維的列變換，經(jīng)過兩次變換，得到的就是二維IDCT運(yùn)算變換的結(jié)果。程序流程圖如圖10所示。

4.3.3色彩模式轉(zhuǎn)換

由于液晶支持的是RGB格式的圖像數(shù)據(jù)，需要把執(zhí)行完解碼過程得到的YCrCb格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RGB模式，將256級(jí)的YCrCb色彩模型轉(zhuǎn)換成RGB色彩模型的計(jì)算公式如式（1）。

因?yàn)镽、G、B的取值范圍為［0，255］，需要對(duì)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行閾值保護(hù)，對(duì)超過255的數(shù)值，限定在255，小于0的數(shù)值，限定在0.經(jīng)過運(yùn)算最終可以得到RGB模式的圖像數(shù)據(jù)，完成解碼過程。

4.4圖片瀏覽模式

本系統(tǒng)的圖片瀏覽模式有觸摸手動(dòng)瀏覽和定時(shí)自動(dòng)瀏覽兩種模式可供選擇。在觸摸手動(dòng)瀏覽模式下，有“下一張”，“上一張”，“退出”控件。通過操作觸摸屏上下翻頁的控件，實(shí)現(xiàn)瀏覽圖片的功能。在瀏覽完最后一張時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到第一張。在定時(shí)自動(dòng)瀏覽模式下，界面僅有退出控件，每隔3秒，自動(dòng)進(jìn)行下一張圖片的瀏覽，并循環(huán)顯示。

5.系統(tǒng)調(diào)試

5.1硬件調(diào)試

通過硬件電路設(shè)計(jì)，檢查元器件之間的電氣連接，下載基本調(diào)試程序，檢測(cè)系統(tǒng)板運(yùn)行狀況，在對(duì)USB枚舉測(cè)試時(shí)，通過USB數(shù)據(jù)線連接至電腦，可以對(duì)flash存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行讀寫操作。

5.2軟件調(diào)試

5.2.1 LIB庫的編譯

本系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境是MDK，在程序基本模塊的底層驅(qū)動(dòng)編寫完善以后，將STM32的底層外設(shè)驅(qū)動(dòng)庫和μC/GUI庫函數(shù)編譯封裝成LIB庫，在后期程序開發(fā)時(shí)，大大提高了程序的編譯效率，縮短了軟件開發(fā)周期。

5.2.2 Finsh Shell調(diào)試組件本系統(tǒng)采用RT-Thread嵌入式操作系統(tǒng)，通過其自帶的用戶命令行組件Finsh Shell查看系統(tǒng)運(yùn)行狀況。通過超級(jí)終端輸入相應(yīng)的命令來使用Finsh Shell.Finsh Shell在RT-Thread中被設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立的線程，通過串口設(shè)備輸入相應(yīng)的命令，系統(tǒng)對(duì)用戶命令進(jìn)行解析執(zhí)行，可用來獲取系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)信息，對(duì)任意寄存器和內(nèi)存地址進(jìn)行讀寫操作，還能夠直接在shell中調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)，訪問系統(tǒng)變量。FinshShell組件的使用，在很大程度上提高了調(diào)試程序的效率。

5.2.3圖片解碼調(diào)試

由于圖片解碼算法占用內(nèi)存較大，考慮到圖片解碼算法在STM32中可能會(huì)因?yàn)閮?nèi)存分配不足而無法正常運(yùn)行，在驗(yàn)證圖片解碼函數(shù)的正確性時(shí)，先在PC機(jī)的VC模擬器上運(yùn)行，用以給圖片解碼算法提供一個(gè)理想的運(yùn)行平臺(tái)。在模擬器中，用數(shù)組存儲(chǔ)圖片二進(jìn)制源碼，用解碼算法對(duì)圖片的數(shù)組數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，驗(yàn)證解碼算法的正確性。在模擬器運(yùn)行正確后，再將圖片解碼算法移植到本系統(tǒng)上運(yùn)行，實(shí)踐證明，STM32的內(nèi)存足以支持圖片解碼算法正常執(zhí)行。實(shí)驗(yàn)在VC模擬器中運(yùn)行的效果圖如圖11所示。

6.結(jié)論

本文介紹了基于RT-Thread和STM32的數(shù)碼相框的設(shè)計(jì)方案，通過設(shè)計(jì)相關(guān)硬件電路和軟件算法，實(shí)現(xiàn)了數(shù)碼相框?qū)PEG格式圖片文件的瀏覽功能。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基于連續(xù)IDCT變換的JPEG解碼算法能夠正確穩(wěn)定完成JPEG格式圖像的解碼，解碼速度較快，恢復(fù)圖像的質(zhì)量良好。實(shí)際測(cè)試表明，本方案具有很強(qiáng)的實(shí)用性。