基于Cortex-M3的SD卡圖片瀏覽器

引言
    目前，對于圖片解碼器的研究主要是針對PC環(huán)境，設(shè)計(jì)工作只是在原有基礎(chǔ)上的升級，對系統(tǒng)和硬件的考慮較少，不能在嵌入式系統(tǒng)中直接實(shí)現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)了一種嵌入式圖片解碼器。通過FatFs文件系統(tǒng)識別圖片文件的格式，調(diào)用相應(yīng)的格式解碼單元實(shí)現(xiàn)圖像重構(gòu)，并在TFT
液晶顯示器上進(jìn)行顯示。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的核心CPU采用LM3S8962，具有豐富的外圍接口以及多種片內(nèi)的硬件接口功能(如UART、SPI、I2C、PWM等)。整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路包括SD卡電路、TFT液晶顯示電路、獨(dú)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(tǒng)采用SPI模式。SD卡電路如圖1所示。SD卡的信號檢測線CARD_INSERT接CPU的PG0端口，CARD_WP檢測卡寫保護(hù)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CARD_CS接CPU的PA3。時(shí)鐘信號CARD_SCK接CPU的PA2。SPI主機(jī)輸出從機(jī)輸入CARD MOSI、主機(jī)輸入從機(jī)輸出CARD_MISO分別接CPU的PA5、PA4。

1．2 TFT液晶顯示電路及獨(dú)立按鍵電路
    TFT液晶顯示電路中，顯示器的數(shù)據(jù)線D0～D7接CPU的PB0～PB7，地址線A0～A7接CPU的PC0～PC7。TFT背面板LED+、TFT驅(qū)動電源都采用3．3 V供電。獨(dú)立按鍵為CPU的PD0～PD3口，當(dāng)按鍵被按下時(shí)，CPU檢測到的引腳為低電平。[!--empirenews.page--]

2 軟件設(shè)計(jì)
    為使整個(gè)系統(tǒng)正常讀取SD卡的數(shù)據(jù)文件和目錄，需再創(chuàng)建一個(gè)可被Windows操作系統(tǒng)認(rèn)知的文件系統(tǒng)。考慮到兼容性和方便性，本設(shè)計(jì)在μC／OS-II操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上移植了一種小型嵌入式文件系統(tǒng)FatFs。該文件系統(tǒng)具有支持多種操作系統(tǒng)、易于移植和存儲速度快的特點(diǎn)。
2．1 SD卡驅(qū)動設(shè)計(jì)
    SD卡驅(qū)動不但需要完成SD卡控制器中相應(yīng)寄存器的設(shè)置和向SD卡發(fā)送命令，還要實(shí)現(xiàn)SD卡的初始化、讀寫等操作。目的是為其上層提供相應(yīng)的功能函數(shù)，屏蔽直接對硬件的具體操作。SD卡的驅(qū)動使用了ZLG／SD的MMC／SD的軟件包。軟件包中提供一些常用的API函數(shù)，只需調(diào)用相關(guān)的API函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)對SD卡的訪問，其中包括SD_Initialize(初始化SD卡)、SD_ReadBloek(讀SD卡的一個(gè)塊)、SD_WriteBlock(寫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(tǒng)設(shè)計(jì)
    FatFs是一個(gè)開源的文件管理系統(tǒng)，常用于小型嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)，支持FAT12、FAT16、FAT32，遵循ANSI C標(biāo)準(zhǔn)，不依賴于硬件平臺。對FatFs的移植，首先需要定義數(shù)據(jù)類型并與CPU．H的數(shù)據(jù)類型匹配；其次，使FatFs中的底層函數(shù)直接調(diào)用ZLG／SD軟件包的函數(shù)。例如：

    由于篇幅有限，底層函數(shù)調(diào)用SD軟件包的函數(shù)不一一列出。通過這些操作就可以調(diào)用f_open、f_read、f_write等函數(shù)來進(jìn)行文件的創(chuàng)建、讀寫等操作。

3 圖片解碼分析
3．1 JPG格式的分析
    JPEG專家組開發(fā)了2種基本的壓縮算法、2種數(shù)據(jù)編碼方法和4種編碼模式。在實(shí)際應(yīng)用中，絕大多數(shù)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編碼過程主要包括顏色轉(zhuǎn)換、DCT變換、量化、熵編碼及Huffman編碼等部分。
    軟件實(shí)現(xiàn)圖像解碼的過程就是圖像編碼的逆過程，程序編程步驟如下：
    ①初始化FatFs文件系統(tǒng)，并利用f_open函數(shù)打開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。
    ②讀取最小編碼單元數(shù)據(jù)，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(zhuǎn)換等，并將最后的解碼數(shù)據(jù)保存至Buffer或直接輸出至顯示。
    ③不斷重復(fù)第②步過程，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(bitmap-fileheader)、位圖信息頭(bitmap-information header)、彩色表(color table)和定義位圖的字節(jié)陣列。BMP圖像的色深，常見有1、4、8、16、24和32位，分別對應(yīng)單色、16色、256色、16位高彩色、24位真彩色和32位增強(qiáng)型真彩色。這就需要建立相應(yīng)的彩色表實(shí)現(xiàn)位圖的顯示。編程實(shí)現(xiàn)位圖顯示的步驟如下；
    ①初始化FatFs文件系統(tǒng)，并BMP格式文件中讀取圖片編碼的相關(guān)信息，如圖像像素?cái)?shù)據(jù)、圖像位數(shù)、RGB值等。
    ②根據(jù)像素索引定位相應(yīng)顏色在彩色表中的位置。文件定位到相應(yīng)彩色項(xiàng)，取出索引對應(yīng)的顏色。
    ③從文件讀取的RGB數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為TFT支持的格式(本系統(tǒng)選用的TFT支持RGB565格式)。在液晶上畫出該像素，直到畫完整個(gè)圖像為止。
3．3 GIF格式的分析
    一個(gè)GIF文件的結(jié)構(gòu)可分為文件頭(file header)、GIF數(shù)據(jù)流(GIF data stream)和文件終結(jié)器(trailer)3個(gè)部分。GIF文件格式采用了可變長度的LZW壓縮編碼。LZW壓縮有3個(gè)重要的對象：數(shù)據(jù)流(CharStream)、編碼流(CodeStream)和編譯表(String Table)。在編碼時(shí)，數(shù)
據(jù)流是輸入對象(圖像的光柵數(shù)據(jù)序列)，編碼流就是輸出對象(存儲在GIF文件的圖像數(shù)據(jù))。在解碼軟件實(shí)現(xiàn)上流程與JPG、BMP相類似，都是先調(diào)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。需要注意的是，在解碼過程中，編碼流則是輸入對象，數(shù)據(jù)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(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)，利用μC／OS-II操作系統(tǒng)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：

[!--empirenews.page--]

結(jié)語
    本文提出了一種嵌入式圖片瀏覽器的設(shè)計(jì)思路，以模塊化的方法完成了設(shè)計(jì)過程，可方便地根據(jù)應(yīng)用需求完善解碼庫的設(shè)計(jì)，使其能夠在實(shí)際平臺上良好地運(yùn)行。本設(shè)計(jì)基本達(dá)到了預(yù)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(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)上仍然具有一定的參考價(jià)值。