摘 要：为应对数码相框成本较高的问题，介绍了一种简易数码相框的设计，实现从SD卡读取bmp图片文件并在TFT液晶屏上显示的功能。本设计成本低，具有很高的实用价值。
关键词：数码相框；SD卡；STM32；μCOS-II；FATFS

　本文介绍一种简单、低成本的数码相框的设计，它可以幻灯片式地浏览SD卡中的bmp格式的照片。
1 硬件电路
　该数码相框的硬件平台以32 bit STM32系列的处理器STM32F103ZET6为核心，外围电路主要包括一个2.8英寸的TFT液晶模块、1个SD卡插座、5个LED灯和2个按键。硬件系统如图1所示。

　系统关键器件的电路原理图如图2所示。STM32系列MCU基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用而设计的ARM Cortex-M3内核，包括了STM32F103增强型系列和STM32F101基本型系列。本设计使用的是增强型系列的高端型号STM32F103ZET6，其最高主频可以达到72 MHz，内置512 KB的闪存以及64 KB的SRAM。同时其外设资源丰富，包括并行LCD接口(FSMC)、12通道DMA控制器、定时器、ADC、DAC、SDIO、I2C、SPI、USB、UART等[1]。可以说，它完全超越了同价位的8 bit或者16 bit单片机的性能，而又不像一般32 bit处理器那样价格昂贵。

　本设计使用了一个带有通用并行接口(FSMC)的2.8英寸TFT液晶模块，这种液晶模块很常见，而且价格便宜，另外还有3.2英寸甚至更大的尺寸可供选择。STM32F103ZET6通过一个SPI接口与SD卡座连接，以便于控制和简化程序，而且对于静态图片，SPI的传输速度已足够。另外，还有用于调试的2个按键和5个LED。
2 软件设计
2.1 移植FATFS文件系统
　FATFS文件系统是一种完全免费开源的FAT文件系统模块，专为小型嵌入式系统而设计，用标准C语言编写，很方便移植[2]。本设计移植的FATFS版本为R0.07e，它支持FAT12、FAT16和FAT32，由于不涉及多个存储介质，因此，本设计仅移植了其简化版本Tiny-FATFS，其占用内存更少，只需要大约1 KB RAM。FATFS具有三层结构，如图3所示。

　应用层为用户提供了一系列接口函数，只需要简单的调用即可，而无需理会复杂的FAT协议。移植过程中，需要使用者修改的是底层接口(包括存储介质读写接口和供给文件创建修改时间的实时时钟)。
Tiny-FATFS包含5个文件，分别是tff.c、tff.h、diskio.c、diskio.h和integer.h，移植之前首先要编写初始化和读写SD卡的SPI接口代码。代码主要包括SD_Init()、SD_ReadSingleBlock()、SD_ReadMultiBlock ()、SD_WriteSingle
　Block()、SD_WriteMultiBlock()函数，而这些代码将在diskio.c中被调用。移植FATFS文件过程：
　(1)准备好SPI读写SD卡的代码后就可以修改diskio.c了，实际上只需要编写6个接口函数：
　①存储媒介初始化函数：DSTATUS disk_initialize(BYTE drv)。由于存储媒介是SD卡，所以实际上是对SD卡的初始化。drv是存储媒介号码，由于Tiny-FATFS只支持一个存储媒介，所以drv应恒为0。执行无误返回0，错误返回非0。
　②状态检测函数：DSTATUS disk_status(BYTE drV)。检测是否支持当前的存储媒介，对Tiny-FATFS来说，只要drv为0，就认为支持，然后返回0。
　③读扇区函数：DRESULT disk_read(BYTE drv，BYTE*buff，DWORD sector，BYTE．count)。在SD卡读接口函数的基础上编写，*buff存储已经读取的数据，sector是开始读的起始扇区，count是需要读的扇区数。1个扇区为512 B。执行无误返回0，错误返回非0。
　④写扇区函数：DRESULT disk_write(BYTE drv，const BYTE*buff，DWORD sector，BYTE count)。在SD卡写接口函数的基础上编写，*buff存储要写入的数据，sector是开始写的起始扇区，count是需要写的扇区数。1个扇区为512 B。执行无误返回0，错误返回非0。
　⑤存储媒介控制函数：DRESULT disk_ioctl(BYTE drv，BYTE ctrl，VoiI*buff)。ctrl是控制代码，*buff存储或接收控制数据。可以在此函数里编写自己需要的功能代码，如获得存储媒介的大小、检测存储媒介的上电与否，存储媒介的扇区数等。如果是简单的应用，也可以不用编写，返回0即可。
　⑥DWORD get_fattime(Void)。本设计未涉及到文件的创建和修改，因此实时时钟部分未编写，直接返回一个32 bit无符号整数即可。
　(2)对Tiny-FATFS进行配置，主要是修改tff.h和diskio.h。在diskio.h中，只需要配置一项：使能或者使能只读属性。由于本设计只涉及到SD卡的读操作，因此定义使能只读属性：#define_READONLY1。这样可以裁减掉关于写SD卡的那部分代码，从而使文件系统更精简。
在tff.h中，需要对整个文件系统做全面的配置，包括：
　①#define_MCU_ENDIAN 1。STM32是小端模式，选择1。
　②#define_FS_READONLY 1。使能只读操作，去掉写操作，节省空间。
　③#define_FS_MINIMIZE 3。设为3表示使用最基本的FATFS函数，最大限度节省空间。
　④#define_USE_STRFUNC 0。禁用字符串函数功能。
　⑤#define_USE_FORWARD 0。禁用forward功能。
　⑥#define_FAT321。支持FAT32文件系统。
　⑦#define_USE_FSINFO 1。支持FAT32磁盘信息获取。
　⑧#define_USE_SJIS 0。禁用shift-JIS码。
　⑨#define_USE_NTFLAG 1。对文件名大小写敏感。
　到此为止，FATFS的移植就全部完成了。
　编写一段程序测试FATFS是否移植成功。以1 s的间隔循环读取SD卡中的bmp格式图片并显示，main函数的流程如图4所示。

　需要说明的是，为了便于循环读图，SD卡中存储的bmp格式图片被刻意用数字编号来命名(如：1.bmp~n.bmp)，这样，在程序中只需要简单处理文件名就可以按顺序读取图片了。
　通常bmp图片都是24位颜色深度的(即RGB=8：8：8)，而本设计使用的TFT液晶是16位颜色深度的(即RGB=5：6：5)，因此在程序中需要作转换处理才能正常显示。转换程序代码如下：
u16 RGB888toRGB565(u8 r，u8 g，u8 b)
{
return(u16) (r & 0xF8) <<8|(g & 0xFC)<<3|(b & 0xF8)>>3；
}
　由于bmp图片是最简单的图片格式，不涉及解码处理，因此大大简化了程序设计。
2.2 在μCOS-II平台上加载FATFS文件系统
　FATFS的加载比其他一些嵌入式文件系统要简单[4]，只需要在工程中加入tff.c和diskio.c这两个文件即可。需要注意的是，在tff.h中有以下4个函数：
int fputc(int， FIL*)；
int fputs(const char*， FIL*)；
int fprintf(FIL*， const char*， ...)；
char* fgets(char*， int， FIL*)；
　这4个函数与stdio.h中定义的函数有冲突，需要将其删除。
　此外，tff.h中还定义了一个EOF，也与stdio.h中的定义有冲突，只需把它重命名即可(如EOFF)。
2.3 在μCOS-II平台上编写任务函数
　定义三个任务以实现数码相框功能：
　static void TaskStart(void *pdata)；
　static void Task1(void *pdata)；
　static void Task2(void *pdata)；
　其中，TaskStart的优先级最高，在main函数中，初始化?滋COS-II后即被创建：
　/* Initialize "μC/OS-II， The Real-Time Kernel"*/
OSInit()；
　/* Create the start task */
OSTaskCreate(TaskStart，(void*)0，
&TaskStartStk[TASK_START_STK_SIZE-1]，0)；
　负责初始化目标板、SD卡和LCD，并创建任务Task1，同时处理按键USER_BUTTON_1。当按下USER_BUTTON_1时，删除任务Task2，其流程如图5所示。

　Task1的任务是循环读取SD卡的bmp格式图片并送LCD显示，同时还要处理按键USER_BUTTON_2。当按下USER_BUTTON_2时，创建任务Task2，其示意性代码如下：
static void Task1(void *pdata)
{
/* 设置变量； */
While(1)
{
if(!USER_BUTTON_2)
OSTaskCreate(Task2，(void *)0，
&TaskStk2[TASK2_STK_SIZE-1]，4)；
Read_pic_display()；
OSTimeDly(OS_TICKS_PER_SEC/2)；
}
}
　Task2任务则只负责执行流水灯程序，即循环依次点亮5个LED，其优先级最低。
3 测试结果
　本设计的实验平台是STM32红牛开发板，实物效果图如图6所示。

　实验结果表明，μCOS-II+FATFS方案实现的数码相框工作稳定，开机后μCOS-II加载成功即开始循环读取SD卡中的bmp图片并在TFT屏上显示。图片间的切换是简单的拉幕式切换，间隔为5 s(可调)，经长时间观察，无读取失败、掉帧、花屏等问题，每张图片都是完美展示。根据测试程序的设计，按下USER_BUTTON_2按键则流水灯任务被创建，5个LED灯开始以走马灯的形式循环点亮；与此同时，图片读取和显示未受到任何影响，证明μCOS-II的任务调度机制稳定可靠。再按下USER_BUTTON_1，则流水灯任务被删除，LED停止动作。
　本设计基本实现了数码相框的功能，其设计的硬件极其简单，相比于一些基于高端32 bit MCU(如ARM)的方案[5]，成本要低得多。相比于一些简单的读图显示程序，本设计基于嵌入式实时操作系统μCOS-II，在稳定性和可扩展性上都具有优势。另外，STM32性能优越，可以很流畅地运行μCOS-II和FATFS系统，也能够驱动QVGA甚至更高分辨率的TFT液晶屏，这是同价位8 bit或16 bit单片机所不能比拟的[6]。本设计还有需要改进的地方，如增加JPEG解码、增强文件名支持、改进幻灯切换方式以及添加其他功能等。
参考文献
[1] 王永虹，徐炜，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.
[2] 洪岳炜，王百鸣，谢超英.一种易于移植和使用的文件系统FATFS Module[J].单片机与嵌入式系统应用，2008(1)：29-31.
[3] 任哲.嵌入式实时操作系统μC/OS-II原理与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[4] 王命延，余爱军.一种加载在μCOS-II内核上的嵌入式文件系统[J].南昌大学学报，2005，29(2)：197-199.
[5] 王伟能，吴烁宇，陈弟虎，等.基于S3C2410和Qt/Embedded的数码相框设计[J].微计算机信息，2009，25(6-2)：81-83.
[6] 郑友胜.μCOS-II在C51中的应用设计[J].中小企业科技，2007(1)：126-127.