一種嵌入式SD卡圖片瀏覽器的設計

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，對系統和硬件的考慮較少，不能在嵌入式系統中直接實(shí)現。本文設計了一種嵌入式圖片解碼器。通過(guò)FatFs文件系統識別圖片文件的格式，調用相應的格式解碼單元實(shí)現圖像重構，并在TFT液晶顯示器上進(jìn)行顯示。

1 系統硬件設計

系統的核心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(gè)系統的硬件電路包括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，為此該嵌入式系統采用SPI模式。SD卡電路如圖1所示。SD卡的信號檢測線(xiàn)CARD_INSERT接CPU的PG0端口，CARD_WP檢測卡寫(xiě)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(jìn)行控制。片選線(xiàn)CARD_CS接CPU的PA3。時(shí)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,顯示器的數據線(xiàn)D0~D7接CPU的PB0~PB7，地址線(xiàn)A0~A7接CPU的PC0~PC7。TFT背面板LED+、TFT驅動(dòng)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(shí)，CPU檢測到的引腳為低電平。

2 軟件設計

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

2.1 SD卡驅動(dòng)設計

SD卡驅動(dòng)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(shí)現SD卡的初始化、讀寫(xiě)等操作。目的是為其上層提供相應的功能函數，屏蔽直接對硬件的具體操作。SD卡的驅動(dòng)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，只需調用相關(guān)的API 函數就可以實(shí)現對SD卡的訪(fǎng)問(wèn)，其中包括SD_IniTIalize（初始化SD卡）、SD_ReadBlock（讀SD卡的一個(gè)塊）、SD_WriteBlock（寫(xiě)SD卡的一個(gè)塊）、SD_EraseBlock（擦除SD卡的多個(gè)塊）等。

2.2 FatFs文件系統設計

FatFs是一個(gè)開(kāi)源的文件管理系統，常用于小型嵌入式系統中實(shí)現文件系統，支持FAT12、FAT16、FAT32，遵循ANSI C標準，不依賴(lài)于硬件平臺。對FatFs的移植，首先需要定義數據類(lèi)型并與CPU.H的數據類(lèi)型匹配；其次，使FatFs中的底層函數直接調用ZLG/SD軟件包的函數。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(gè)塊，調用SD_ReadBlock

　　}

　　else{

　　SD_ReadMultiBlock (sector, count, buff);//讀取SD卡的多個(gè)塊，調用SD_ReadMultiBlock

　　}

　　return FALSE;

　　}

由于篇幅有限，底層函數調用SD軟件包的函數不一一列出。通過(guò)這些操作就可以調用f_open、f_read、f_write等函數來(lái)進(jìn)行文件的創(chuàng )建、讀寫(xiě)等操作。

3 圖片解碼分析

3.1 JPG格式的分析

JPEG專(zhuān)家組開(kāi)發(fā)了2種基本的壓縮算法、2種數據編碼方法和4種編碼模式。在實(shí)際應用中，絕大多數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(guò)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(shí)現圖像解碼的過(guò)程就是圖像編碼的逆過(guò)程，程序編程步驟如下：

　?、?初始化FatFs文件系統，并利用f_open函數打開(kāi)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(guān)信息，如圖像大小、量化表、Huffman表等。

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

　?、?不斷重復第②步過(guò)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(gè)部分組成：位圖文件頭(bitmapfile header)、位圖信息頭(bitmapinformatiON header)、彩色表(color table)和定義位圖的字節陣列。BMP圖像的色深，常見(jiàn)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(shí)現位圖的顯示。編程實(shí)現位圖顯示的步驟如下：

　?、?初始化FatFs文件系統，并BMP格式文件中讀取圖片編碼的相關(guān)信息，如圖像像素數據、圖像位數、RGB值等。

　?、?根據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。

　?、?從文件讀取的RGB數據，轉換為T(mén)FT支持的格式（本系統選用的TFT支持RGB565格式）。在液晶上畫(huà)出該像素，直到畫(huà)完整個(gè)圖像為止。

3.3 GIF格式的分析

一個(gè)GIF文件的結構可分為文件頭(file header)、GIF數據流(GIF data STream)和文件終結器(trailer)3個(gè)部分。GIF文件格式采用了可變長(cháng)度的LZW壓縮編碼。LZW壓縮有3個(gè)重要的對象：數據流(CharStream)、編碼流(CodeStream)和編譯表(String Table)。在編碼時(shí)，數據流是輸入對象（圖像的光柵數據序列），編碼流就是輸出對象（存儲在GIF文件的圖像數據）。在解碼軟件實(shí)現上流程與JPG、BMP相類(lèi)似，都是先調用GIF格式文件再創(chuàng )建進(jìn)行GIF_LZW解碼，最后在TFT上顯示出來(lái)。需要注意的是，在解碼過(guò)程中，編碼流則是輸入對象，數據流是輸出對象。編譯表是在編碼和解碼時(shí)都須要借助的對象。

4 模塊化測試

整個(gè)系統采用模塊化的設計，利用μC/OSII操作系統進(jìn)行任務(wù)管理。以任務(wù)Task_BMP為例，對24位真彩色BMP位圖的顯示進(jìn)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_h16)|bmp.pic_data_address_l));//采用了Windows的BMP格式，BMP原點(diǎn)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

　　 r_data = *(ty*3 +2+buffer);

　　 g_data = *(ty*3 +1+buffer);

　　 b_data = *(ty*3 +0+buffer);

　 　if(tx

　　 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(yǔ)

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(guò)程，可方便地根據應用需求完善解碼庫的設計，使其能夠在實(shí)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、遠程監控系統設計上仍然具有一定的參考價(jià)值。