基于Cortex-M3的SD卡图片浏览器

引言
    目前，对于图片解码器的研究主要是针对PC环境，设计工作只是在原有基础上的升级，对系统和硬件的考虑较少，不能在嵌入式系统中直接实现。本文设计了一种嵌入式图片解码器。通过FatFs文件系统识别图片文件的格式，调用相应的格式解码单元实现图像重构，并在TFT
液晶显示器上进行显示。

1 系统硬件设计
    系统的核心CPU采用LM3S8962，具有丰富的外围接口以及多种片内的硬件接口功能(如UART、SPI、I2C、PWM等)。整个系统的硬件电路包括SD卡电路、TFT液晶显示电路、独立按键电路。
1．1 SD卡电路
    SD卡有两种工作模式，即SD和SPI模式。由于LM3S8962具有SPI接口，为此该嵌入式系统采用SPI模式。SD卡电路如图1所示。SD卡的信号检测线CARD_INSERT接CPU的PG0端口，CARD_WP检测卡写保护接CPU的PE2。SD卡的供电电路采用P型MOS管2SJ355的可控电路，由CARD_POWER跳接CPU的PG1脚进行控制。片选线CARD_CS接CPU的PA3。时钟信号CARD_SCK接CPU的PA2。SPI主机输出从机输入CARD MOSI、主机输入从机输出CARD_MISO分别接CPU的PA5、PA4。

1．2 TFT液晶显示电路及独立按键电路
    TFT液晶显示电路中，显示器的数据线D0～D7接CPU的PB0～PB7，地址线A0～A7接CPU的PC0～PC7。TFT背面板LED+、TFT驱动电源都采用3．3 V供电。独立按键为CPU的PD0～PD3口，当按键被按下时，CPU检测到的引脚为低电平。[page]

2 软件设计
    为使整个系统正常读取SD卡的数据文件和目录，需再创建一个可被Windows操作系统认知的文件系统。考虑到兼容性和方便性，本设计在μC／OS-II操作系统的基础上移植了一种小型嵌入式文件系统FatFs。该文件系统具有支持多种操作系统、易于移植和存储速度快的特点。
2．1 SD卡驱动设计
    SD卡驱动不但需要完成SD卡控制器中相应寄存器的设置和向SD卡发送命令，还要实现SD卡的初始化、读写等操作。目的是为其上层提供相应的功能函数，屏蔽直接对硬件的具体操作。SD卡的驱动使用了ZLG／SD的MMC／SD的软件包。软件包中提供一些常用的API函数，只需调用相关的API函数就可以实现对SD卡的访问，其中包括SD_Initialize(初始化SD卡)、SD_ReadBloek(读SD卡的一个块)、SD_WriteBlock(写SD卡的一个块)、SD_EraseBlock(擦除SD卡的多个块)等。
2．2 FatFs文件系统设计
    FatFs是一个开源的文件管理系统，常用于小型嵌入式系统中实现文件系统，支持FAT12、FAT16、FAT32，遵循ANSI C标准，不依赖于硬件平台。对FatFs的移植，首先需要定义数据类型并与CPU．H的数据类型匹配；其次，使FatFs中的底层函数直接调用ZLG／SD软件包的函数。例如：

    由于篇幅有限，底层函数调用SD软件包的函数不一一列出。通过这些操作就可以调用f_open、f_read、f_write等函数来进行文件的创建、读写等操作。

3 图片解码分析
3．1 JPG格式的分析
    JPEG专家组开发了2种基本的压缩算法、2种数据编码方法和4种编码模式。在实际应用中，绝大多数JPG图像使用的是DCT(离散余弦变换)、Huffman(哈夫曼)编码、顺序模式。JPG编码过程主要包括颜色转换、DCT变换、量化、熵编码及Huffman编码等部分。
    软件实现图像解码的过程就是图像编码的逆过程，程序编程步骤如下：
    ①初始化FatFs文件系统，并利用f_open函数打开jpg格式的文件，用f_read从JPG格式文件中读取图片编码的相关信息，如图像大小、量化表、Huffman表等。
    ②读取最小编码单元数据，对其进行熵解码、反量化、反离散余弦变换、YCrCb模式向RGB模式转换等，并将最后的解码数据保存至Buffer或直接输出至显示。
    ③不断重复第②步过程，直至整张图片解码完毕。
3．2 BMP格式的分析
    BMP(Bitmap，位图)是Windows采用的图像文件格式。位图文件由4个部分组成：位图文件头(bitmap-fileheader)、位图信息头(bitmap-information header)、彩色表(color table)和定义位图的字节阵列。BMP图像的色深，常见有1、4、8、16、24和32位，分别对应单色、16色、256色、16位高彩色、24位真彩色和32位增强型真彩色。这就需要建立相应的彩色表实现位图的显示。编程实现位图显示的步骤如下；
    ①初始化FatFs文件系统，并BMP格式文件中读取图片编码的相关信息，如图像像素数据、图像位数、RGB值等。
    ②根据像素索引定位相应颜色在彩色表中的位置。文件定位到相应彩色项，取出索引对应的颜色。
    ③从文件读取的RGB数据，转换为TFT支持的格式(本系统选用的TFT支持RGB565格式)。在液晶上画出该像素，直到画完整个图像为止。
3．3 GIF格式的分析
    一个GIF文件的结构可分为文件头(file header)、GIF数据流(GIF data stream)和文件终结器(trailer)3个部分。GIF文件格式采用了可变长度的LZW压缩编码。LZW压缩有3个重要的对象：数据流(CharStream)、编码流(CodeStream)和编译表(String Table)。在编码时，数
据流是输入对象(图像的光栅数据序列)，编码流就是输出对象(存储在GIF文件的图像数据)。在解码软件实现上流程与JPG、BMP相类似，都是先调用GIF格式文件再创建进行GIF_LZW解码，最后在TFT上显示出来。需要注意的是，在解码过程中，编码流则是输入对象，数据流是输出对象。编译表是在编码和解码时都须要借助的对象。

4 模块化测试
    整个系统采用模块化的设计，利用μC／OS-II操作系统进行任务管理。以任务Task_BMP为例，对24位真彩色BMP位图的显示进行测试，程序如下：

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结语
    本文提出了一种嵌入式图片浏览器的设计思路，以模块化的方法完成了设计过程，可方便地根据应用需求完善解码库的设计，使其能够在实际平台上良好地运行。本设计基本达到了预期效果，虽然不能作为一种通用图片浏览器的方案，但在需要用到图片解码器的GPS、手持PDA、远程监控系统设计上仍然具有一定的参考价值。