呂春豪，郭利進

（天津工業(yè)大學 電氣工程與自動化學院，天津300387）

呂春豪（碩士研究生），主要研究方向為微機控制技術(shù)；郭利進（副教授），主要研究方向為微機控制技術(shù)、現(xiàn)場總線。

引 言

伴隨著數(shù)碼科技的快速發(fā)展以及數(shù)碼相機的日益普及，傳統(tǒng)的相冊和相框由于自身局限性已經(jīng)不能完全滿足人們?nèi)找嬖鲩L的對于照片的有效存儲和分享的需求。鑒于此，數(shù)碼相框應運而生，經(jīng)過幾年的發(fā)展，數(shù)碼相框［1］的外觀已經(jīng)非常接近傳統(tǒng)相框，而且更為精致。從200萬像素發(fā)展到目前的600萬以上像素，畫面精度和質(zhì)量已經(jīng)有了大幅上升。此外，還有多功能數(shù)碼相框，除了能展示數(shù)碼照片外，還可以播放 MP3／MP4／幻燈片、電影／影像／電視，以及看電子書、設置鬧鐘和日歷等。

本文介紹一種簡單、低成本的數(shù)碼相框設計，主要由LPC1100系列MCU、SD存儲卡、TFT液晶屏以及電源等外圍電路組成。通過信號處理芯片LPC1114實現(xiàn)BMP圖片文件的讀取以及TFT液晶屏的顯示。經(jīng)試驗，此數(shù)碼相框可以存儲和展示幾百甚至上千張的照片，能夠很好地完成SD卡中照片的循環(huán)播放，性能穩(wěn)定且畫面清晰，比普通相框的單一功能更有優(yōu)勢。

1 硬件設計

本數(shù)碼相框功能非常簡單，把320×240像素的16位或24位BMP照片放入SD卡中，數(shù)碼相框就會循環(huán)讀取SD卡中的照片，并逐一顯示。硬件平臺以NXP公司生產(chǎn)的低 功 耗、高 性 能 ARM Cortex－M0［2］內(nèi) 核 微 控 制 器LPC1114為核心，配合一個SD卡和一個3.2英寸的TFT顯示屏。數(shù)碼相框硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)碼相框硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.1 電源電路

電源電路作為本系統(tǒng)的供電電路具有十分重要的作用，是整個系統(tǒng)的動力核心。數(shù)碼相框一般情況下都是處于運行狀態(tài)，非常耗電，不適合采用電池供電，所以這里采用直流電源供電。首先，220V的交流電經(jīng)過變壓整流轉(zhuǎn)換成9～12V的直流電壓，再通過二極管IN5819進入三端穩(wěn)壓器7805轉(zhuǎn)換成5V電壓，然后通過西伯斯公司（Sipex半導體）生產(chǎn)的低壓差（LDO）穩(wěn)壓芯片SPX1117轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)需要的3.3V電壓。設計中選取7805主要出于兩方面的考慮：一是所需外圍元件少，內(nèi)部有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路；二是可以擴大輸入電壓范圍，并為其他5V電路提供電源。IN5819的作用是防止電源正負極接反，SPX1117是將7805穩(wěn)定好的5V電壓轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)需要的3.3V電壓。電源電路如圖2所示。

圖2 電源電路

1.2 SD卡的硬件電路

存儲器采用普通SD卡，容量選擇在2GB以下，其SD卡存儲電路如圖3所示。SD卡最大的特點就是具有加密功能，可以充分保證數(shù)據(jù)資料的安全性。SD卡支持兩種可選的通信協(xié)議，分別為SD模式和SPI模式［3］?；谥骺匦酒倪x擇，設計中采用SPI模式為彩屏模塊提供字庫和圖庫，這樣大大降低了硬件要求，同時又能很好地滿足系統(tǒng)的需求。需要注意的是，不同卡座引腳有所不同，所以在使用SD卡座時，注意先檢查引腳區(qū)別。

圖3 SD卡存儲電路

1.3 TFT液晶模塊

這里選擇市場上比較流行且方便購買的3.2寸TFT彩屏模塊［4］，其控制芯片為ILI9320。為了節(jié)省LPC1114的I／O端口，在數(shù)據(jù)的輸入端口采用數(shù)據(jù)鎖存器74HC573進行數(shù)據(jù)鎖存，以實現(xiàn)兩次8位數(shù)據(jù)的分轉(zhuǎn)。背光采用8050三極管控制，串聯(lián)10kΩ限制電阻，放大電流達到300mA，完全能為5路LED提供足夠的電流。觸摸屏選擇電阻式觸摸屏，驅(qū)動芯片為ADS7843，以此實現(xiàn)對于數(shù)碼相框的鍵盤操作。其模塊電路如圖4所示。

1.4 處理器電路

處理器部分電路是本系統(tǒng)的核心電路，設計中選取NXP公司推出的基于ARM Cortex－M0內(nèi)核的LPC1100系列MCU LPC1114。LPC1114屬于32位微控制器，主要面向8、16位微控制器的應用，具有高性能、低功耗、簡單指令集和統(tǒng)一編址尋址等優(yōu)點，相對于市場上存在的8／16位架構(gòu)來說，它有效地降低了代碼長度。它不僅能執(zhí)行基本的控制任務，而且能進行復雜的運算。執(zhí)行效率的提高直接轉(zhuǎn)換為能耗的降低。目前，LPC1100系列MCU運行速度高達50MHz，其功耗也得到了很大程度的優(yōu)化——平均電流不到10mA。

圖4 TFT液晶模塊電路

LPC1114作為LPC1100系列的一種，內(nèi)部資源非常豐富，簡要介紹如下：

① 多達42個帶有配置上拉／下拉電阻的通用GPIO，驅(qū)動電流可達20mA；

② 具有一個增強快速模式（FM＋）I2C接口，4個通用定時器／計數(shù)器，8通道10位ADC；

③32KB片上Flash可編程存儲器，高達8KB的SRAM；

④ 一個RS－485／EIA－485標準的通用異步串行收發(fā)器，兩個具有SSP特性的SPI接口；

⑤ 擁有集成PMU（電源管理單元），可自動調(diào)整其內(nèi)部的電壓調(diào)節(jié)器，以降低睡眠、深度睡眠和深度掉電模式期間的功耗。

控制部分電路其實就是LPC1114的最小系統(tǒng)電路，主要由時鐘電路、調(diào)試電路和復位電路組成，控制電路如圖5所示。

2 軟件設計

2.1 TFT彩屏模塊驅(qū)動

彩屏模塊程序可以分為兩大類：一類是內(nèi)部函數(shù)，主要由復位函數(shù)、寫數(shù)據(jù)函數(shù)、寫寄存器函數(shù)、光標設置函數(shù)、顯示窗口設置函數(shù)、清屏函數(shù)等組成，供TFT模塊內(nèi)部驅(qū)動程序調(diào)用；另一類為外部函數(shù)，主要由TFT初始化、背光控制、顯示測試、寫點函數(shù)等組成，專門提供用戶應用程序調(diào)用。

圖5 LPC1114控制電路

2.2 文件系統(tǒng)FatFs的移植

學習SPI總線時已經(jīng)介紹了讀／寫SD卡的方法，對于SD卡的讀寫操作都是以扇區(qū)為基本單位進行的，但是，系統(tǒng)又是如何讀取的呢？又是怎么知道文件存放在哪些扇區(qū)呢？本設計采用文件系統(tǒng)FatFs［5］的方法對存儲器空間進行組織和分配，并對存入的文件進行保護和檢索。具體來說，也就是它負責為用戶建立文件、存入、讀出、修改、轉(zhuǎn)儲以及控制文件的存取，當用戶不再使用的時候撤銷文件。

FatFs文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要分為3個層：磁盤I／O操作、FatFs模塊和應用層。前兩層分別是移植文件系統(tǒng)需要編寫的驅(qū)動函數(shù)層和文件系統(tǒng)操作層，而最后一層就是用戶操作層，當文件系統(tǒng)移植完成后，用戶可以根據(jù)自己的需要編寫應用程序，操作磁盤。

FatFs作為一種開源項目具有容易移植、代碼小、占用資源少、支持RTOS和多扇區(qū)讀／寫等特點，非常適合微處理器使用。要移植FatFs文件系統(tǒng)，首先需要到FatFs文件系統(tǒng)的官方網(wǎng)站，下載文件系統(tǒng)源代碼。設計中使用的版本是FatFs R0.08b，具體移植步驟介紹如下：

① 解壓下載的文件系統(tǒng)，可以看到一共有兩個文件夾：一個是doc，包含F(xiàn)atFs的描述、特性說明等；另一個是src，可以存放所有的源代碼信息，一共有8個文件。

② 在工程下新建一個文件夾，存放文件系統(tǒng)源代碼。

③ 把源代碼都添加到相應的工程中，首先根據(jù)需要修改數(shù)據(jù)類型，在integer.h中修改適合的數(shù)據(jù)類型。

④ 配置文件系統(tǒng)，可以根據(jù)字節(jié)的需要進行配置，從而減小代碼和內(nèi)存空間。

⑤ 打開diskio.c文件，編寫相應的函數(shù)，如初始化磁盤函數(shù)、磁盤狀態(tài)函數(shù)、讀／寫扇區(qū)函數(shù)、磁盤相關功能控制函數(shù)等。

⑥ 最后，需要在ff.c中添加函數(shù)get＿fattime，此函數(shù)可獲取操作時間，便于在文件屬性中填寫相應的創(chuàng)建、修改、訪問時間。

2.3 BMP位圖顯示

BMP是Windows操作系統(tǒng)中的標準圖像文件格式，應用非常廣泛。它采用位映射存儲格式，除了圖像深度可選擇以外，不采用其他任何壓縮，因此，BMP占用的空間很大。BMP文件的圖像深度可選擇1位、4位、8位、16位、32位等。BMP文件存儲數(shù)據(jù)時，圖像的掃描方式是按照從左到右、從下到上的順序。典型的BMP圖像文件由4部分組成，如表1所列。

表1 BMP位圖文件結(jié)構(gòu)

位圖顯示［6］是通過函數(shù)參數(shù)傳遞文件名，通過文件名讀取文件數(shù)據(jù)。讀取位圖數(shù)據(jù)時，先讀取54字節(jié)的頭信息，再根據(jù)頭信息判斷是否為位圖圖像。如果不是位圖，直接返回不再讀取數(shù)據(jù)；如果是位圖，再判斷是16位還是24位，并循環(huán)讀取數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后發(fā)送到TFT進行顯示。

讀取位圖文件需要調(diào)用FatFs文件系統(tǒng)的API函數(shù)，在讀取文件時需要注意以下3點：

① 首先要f＿mounth函數(shù)注冊工作區(qū)，在文件讀取完成后，再調(diào)用這個函數(shù)來注銷工作區(qū)；

② 打開文件需要調(diào)用的f＿open函數(shù)，當文件讀取完成后，再調(diào)用f＿close函數(shù)關閉文件，所以這兩個函數(shù)必須成對出現(xiàn)；

③ 在讀取文件時，可以由f＿read函數(shù)返回的結(jié)果和次函數(shù)的讀取結(jié)果來判斷數(shù)據(jù)是否讀取完成。

2.4 系統(tǒng)整體工作流程

圖6為數(shù)碼相框軟件流程圖。系統(tǒng)上電后先按順序初始化系統(tǒng)時鐘、SSP0總線、SD卡以及TFT，之后循環(huán)掃描顯示數(shù)碼照片。代碼編寫過程中完全實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化，只需要直接調(diào)用數(shù)碼相框，掃描顯示函數(shù)BmpFileScan（）即可實現(xiàn)其功能。

圖6 數(shù)碼相框軟件流程圖

結(jié) 語

數(shù)碼相框是基于NXP公司推出的Cortex－M0內(nèi)核LPC1100系列ARM芯片LPC1114設計的，主要從硬件和軟件兩個方面介紹了一種簡易數(shù)碼相框的制作過程。硬件電路較為簡單，軟件方面通過FatFs文件系統(tǒng)的移植，能夠很好地完成BMP圖片的循環(huán)播放。經(jīng)試驗，LPC1114微控制器能夠穩(wěn)定地實現(xiàn)數(shù)碼相框的基本功能，實物效果如圖7所示。

對于一些特殊效果尚無法實現(xiàn)，再加上除了BMP格式外，都要涉及解碼問題，而使用微處理器軟件解碼非常緩慢的。對于這些不完善的地方在后續(xù)的研究中將逐步解決。

圖7 實物效果

［1］丁鑫蕾，劉一清，余奔.一種簡易數(shù)碼相框的設計［J］.微型機與應用，2011（3）：19－21，25.

［2］范云龍，方安平，李寧.Cortex－M0處理器初探［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2010（6）：79－82.

［3］楊懷德，樸希南.基于SPI的SD卡驅(qū)動軟件設計［J］.現(xiàn)代計算機，2012（4）：78－82.

［4］周波.TFT液晶顯示原理［J］.科技咨詢，2006（35）：15－18.

［5］李世奇，董浩斌，李榮生.基于FatFs文件系統(tǒng)的SD卡存儲器設計［J］.測控技術(shù)，2011（12）：84－86.

［6］楊喜東.基于AVR單片機的簡易數(shù)碼相框設計［J］.機械電子，2012（9）：135－136.