基于STM32處理器的便攜式BMP圖片解碼系統設計

　　典型的BMP圖像文件由3部分組成：位圖文件頭數據結構，它包含BMP圖像文件的類(lèi)型、顯示內容等信息；位圖信息數據結構，它包含有BMP圖像的寬、高、壓縮方法，以及定義顏色等信息。

　　ARM公司作為全球32位低功耗處理器設計領(lǐng)域的領(lǐng)導者，曾經(jīng)設計過(guò)很多高性能低功耗的處理器，廣泛應用于各種便攜式手持系統中，意法半導體公司的STM32處理器采用ARM公司最新的V7體系架構的內核Cortex-M3,它的速度比ARM7快三分之一，功耗低四分之三，同時(shí)集成了分支預測，單周期乘法，硬件除法等功能，大大提高了處理器的數據處理能力，同時(shí)采用最新的Thumb-2指令集，有效地降低了代碼的密度，提高了程序的執行救率，通過(guò)對功耗和性能的分析，本文中采用的處理器為STM32F103RBT6,它可以實(shí)現最新的在應用中編程，使得系統的軟件更新更加容易實(shí)現，達到了性能和功耗的平衡，可以應用于很多領(lǐng)域，如工業(yè)控制，溫度測量等。

1 系統的工作原理

　　本系統以STM32F103RBT6為核心，采用晶彩光電的AM240320TFT液晶模塊作為顯示器，完成對解碼后圖片的顯示，需要顯示的圖片存儲在SD卡中，處理器通過(guò)SPI方式讀取SD卡里面的圖片信息，由于STM32內部RAM很小，不能作為整幅圖片的緩沖區，所以本系統的設計過(guò)程中采用了用時(shí)間換空間的方式，即采用了邊解碼邊顯示的方法，省去了外部數據RAM,隨之而來(lái)的就是顯示的速度比直接調到內存中要慢一些。

　　1.1 STM32F系列ARM微控制器簡(jiǎn)介

　　STM32F103RBT6使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內核，工作頻率為72 MHz,內置高速存儲器（高達128 K字節的閃存和20 K字節的SRAM），豐富的增強I/O端口和連接到兩條APB總線(xiàn)的外設。所有型號的器件都包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標準和先進(jìn)的通信接口：多達2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN.供電電壓2.0~3.6 V,一系列的省電模式保證低功耗應用的要求。

　　1.2 TFT液量顯示模塊簡(jiǎn)介

　　TFT液晶顯示屏是薄膜晶體管型液晶顯示屏。TFT液晶為每個(gè)像素都設有一個(gè)半導體開(kāi)關(guān)，每個(gè)像素都可以通過(guò)點(diǎn)脈沖直接控制，因而每個(gè)節點(diǎn)都相對獨立，并可以連續控制，不僅提高了顯示屏的反應速度，同時(shí)可以精確控制顯示色階，所以，TFT液晶的笆彩更真。本文中采用的TFT液晶屏分辨率位320x240,采用的控制芯片為ILI9320,自帶總大小為172 820（240x320x1818）的顯存，模塊的16位數據線(xiàn)與顯寸的對應關(guān)系為565方式，它支持多種控制輸入信號。本文中采用的是8080接口，通過(guò)IO模擬8080總線(xiàn)協(xié)議。

　　1.3 SD卡的特點(diǎn)

　　SD卡（Secure Digital Memory Card）中文翻譯為安全數碼卡，是一種基于半導體快閃記憶器的新一代記憶設備，它被廣泛應用于便攜式裝置，例如數碼相機、個(gè)人數碼助理（PDA）和多媒體播放器等。SD卡一般支持2種操作模式：SD卡模式和SPI模式，本系統的設計過(guò)程中采用SPI模式完成SD卡的讀寫(xiě)操作。

　　1.4 FAT文件系統簡(jiǎn)介

　　常用的文件系統有FAT12/16/32等，FAT12是最古老的文件系統，只能管理8 M左右的空間?，F在基本淘汰了。FAT16則可以管理2 G的空間（通過(guò)特殊處理也能管理2 G以上的空間），而FAT32則能管理到2 TB（2 048 GB）的空間。FAT32較FAT16的優(yōu)勢還在于FAT32采用了更小的簇，可以更有效的保存信息，而不會(huì )造成多的浪費。

　　本系統設計過(guò)程中采用了FAT32文件系統，它的主要組成部分如下：

　　MBR稱(chēng)為主引導記錄區，該區存儲了分區表等信息，位于SD卡的扇區0（物理扇區），在其分區信息里面記錄了DBR所在的位置，SD卡一般只會(huì )有一個(gè)分區，所以也就只要找到分區1的DBR所在位置就可以了。

　　DBR稱(chēng)為操作系統引導記錄區，如果沒(méi)有MBR,那么DBR就位于0扇區；如果有，則必須通過(guò)MBR區得到DBR所在的地址，然后讀出DBR信息。在DBR區，可以知道每個(gè)扇區所占用的字節數、每個(gè)簇的扇區數、FAT表的份數、每個(gè)FAT表的扇區敷、跟目錄簇號、FAT表1所在的扇區等一系列非常重要的信息。

　　FAT稱(chēng)為文件分配表（FAT表），一個(gè)卡上會(huì )存在2個(gè)FAT表，一個(gè)用作備份，一個(gè)使用。FAT表一般緊隨DBR,另一個(gè)FAT表則緊隨第一個(gè)FAT表，這樣只要知道了第一個(gè)FAT表的位置及大小，那么第二個(gè)FAT表的位置也就確定了。FAT表記錄了每個(gè)文件的位置和區域，是一種鏈式結構。

　　FDT稱(chēng)為文件根目錄表，這個(gè)區域固定為32個(gè)扇區，假設每個(gè)扇區為512個(gè)字節。那么根目錄下最多存放512個(gè)文件（假設都用短文件名存儲，每個(gè)短文件名占32個(gè)字節）。文件目錄表是另一個(gè)重要的部分，FAT文件系統中（僅以短文件名介紹），文件目錄項在目錄表下以32個(gè)字節的方式記錄。

2 系統硬件設計

　　2.1 供電部分電路設計

　　整個(gè)系統中的元件均為3.3 V器件。由于系統供電采用電池或者直流電源供電，通過(guò)三端穩壓芯片LM1117-3.3,為主控芯片STM32F103 RBT6供電，用二極管IN4007串接在電源正極，為系統提供電源反接保護。供電部分原理如圖1所示。

圖1 系統供電部分原理圖

　　2.2 液晶顯示部分電路設計

　　液晶顯示部分主要由微控制器STM32F103RBT6驅動(dòng)AM240320LSTNQW-00H完成人機界面狀態(tài)的顯示，通過(guò)發(fā)送命令字，完成液晶模塊的初始化，完成對內容的顯示，顯示部分的硬件電路接口圖如圖2所示。

圖2 系統液晶接口原理圖

　　2.3 SD卡讀寫(xiě)部分的硬件設計

　　處理器主機可以選擇SD卡模式和SPI模式中任意一種模式同SD卡通信，SD卡模式允許4線(xiàn)的高速數據傳輸。SPI模式允許簡(jiǎn)單的通過(guò)SPI接口來(lái)和SD卡通信，這種模式同SD卡模式相比就是喪失了速度。通過(guò)讀取SD卡中的文件，識別出各個(gè)目錄下的圖片數據，然后對數據進(jìn)行解碼。驅動(dòng)液晶完成圖片的顯示，SD卡接口部分電路如圖3所示。

圖3 SD卡接口原理圖

3 BMP圖片的解碼算法

　　3.1 BMP文件組成

　　BMP文件由文件頭、位圖信息頭、顏色信息和圖形數據4部分組成。BMP文件頭數據結構舍有BMP文件的類(lèi)型、文件大小和位圖起始位置等信息，它占14個(gè)字節。BMP位圖信息頭數據用予說(shuō)明位圖的尺寸等信息，它占40個(gè)字節。BMP顏色表用于說(shuō)明位圖中的顏色，它有若干個(gè)表項，每一個(gè)表項定義一種顏色。位圖信息頭和顏色表組成位圖信息，位圖數據記錄了位圖的每一個(gè)像素值，記錄順序是在掃描行內是從左到右，掃描行之間是從下到上，Windows規定一個(gè)掃描行所占的字節數必須是4的倍數（即以long為單位），不足的以0填充。

3.2 BMP圖片的讀取顯示算法

　　首先根據讀取到的BMP圖片數據得到BMP的頭部信息，得到文件類(lèi)型，大小和文件的起始位置，然后讀取BMP位圖信息頭，這里面記錄了圖片的格式的信息，如BMP圖片的寬度和高度，以及每個(gè)像素所占的位數，下面舉例來(lái)說(shuō)明BMP圖片的解碼過(guò)程。

　　常用的BMP圖片格式有24位真彩圖，16位圖，和32位圖，解碼過(guò)程略有不同，下面分別介紹，首先是24位圖，當根據BMP的頭文件信息得到數據的起始地址之后，從起始地址開(kāi)始讀數據，假設每次讀入512字節，由于A(yíng)M240320TFT采用16位的565方式顯示，即就是說(shuō)需要把每個(gè)像素所占的24位致?lián)?，也就?個(gè)字節，轉換為16位的數據，即2個(gè)字節，這里以前3個(gè)字節為例來(lái)說(shuō)明解碼算法：

　　其中codor為需要提供給液晶顯示器每個(gè)像素點(diǎn)的顏色值，tmp_color為解碼過(guò)程中的臨時(shí)變量，數組temp存儲24位格式的像素值。同樣也可以解碼16位顏色圖和32位顏色圖，解碼16位顏色圖的算法比較簡(jiǎn)單，只需要解出連續的兩個(gè)值然后組合成16位的565格式的顏色值送到液晶顯示，其解碼算法如下：

　　在32位圖的解碼過(guò)程中需要注意一個(gè)問(wèn)題，就是32位圖中實(shí)際上只使用了24位存儲像素值，也就是32位中的前3位，最后一位沒(méi)有存儲像素值信息，所以在解碼的過(guò)程中只需要解碼前3位，將第4位跳過(guò)，具體解碼算法如下：

　　3.3 STM32解碼并顯示BMP圖片程序

　　在BMP圖片解碼過(guò)程中，有兩種方式：一種是將BMP圖片數據從外部SD卡中調入內存中，從內存中解碼，解碼后將圖片數據顯示在TFT屏上；第二種方式是一邊從SD卡中讀數據一邊解碼顯示，兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。第一種方式的優(yōu)點(diǎn)是由于整個(gè)解碼過(guò)程全部在內存中進(jìn)行，所以解碼的速度比較快，顯示圖片的速度快。由于一般處理器內部RAM都是有限的，而這種方式對RAM的消耗特別大，所以采用這種方式需要外擴SRAM.第二種方式是從SD卡總邊讀取邊解碼，例如一般FAT32文件簇的大小都是512字節，所以可以以簇為單位來(lái)讀取圖片信息，然后顯示接著(zhù)讀取下一簇，這種方式的缺點(diǎn)是，由于SD卡的SPI方式速度較慢，解碼一張320x240的圖片大概需要1s,但是這種方式對系統的內存消耗比較低，比較適合于沒(méi)有外部RAM的系統。本系統中，采用第二種方式進(jìn)行解碼顯示，STM32采用外部8 MHz的晶振作為輸入時(shí)鐘，內部鎖相環(huán)將時(shí)鐘倍頻到72 MHz作為系統時(shí)鐘，采用GPIO口模擬8080時(shí)序并行驅動(dòng)2.8寸TFT屏，屏幕分辨率為320x240,處理器首先完成各種外設初始化，接著(zhù)初始化FAT文件系統，然后從SD卡中讀取一簇的數據，解碼顯示，接著(zhù)讀取下一簇。整個(gè)程序的流程圖如圖4所示。

圖4 BMP解碼流程圖

4 結論

　　本文采用了基于A(yíng)RM的Cortex-M3內核的STM32,它基于最新ARMv7架構，設計了一個(gè)BMP圖片解碼系統，完成了在2.8寸TFT屏上解碼并顯示BMP圖片，通過(guò)讀取SD卡中的圖片數據，邊讀取邊解碼顯示，實(shí)現了在內存有限的處理器中的BMP圖片的解碼算法。