嵌入式SD卡圖片解碼器設(shè)計方案

　　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)中直接實現(xiàn)。本文設(shè)計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)的格式解碼單元實現(xiàn)圖像重構(gòu)，并在TFT液晶顯示器上進行顯示。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　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)。整個系統(tǒng)的硬件電路包括SD卡電路、TFT液晶顯示電路、獨立按鍵電路。

　　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腳進行控制。片選線CARD_CS接CPU的PA3。時鐘信號CARD_SCK接CPU的PA2。SPI主機輸出從機輸入CARD_MOSI、主機輸入從機輸出CARD_MISO分別接CPU的PA5、PA4。

　　圖1 SD卡電路

　　1.2 TFT液晶顯示電路及獨立按鍵電路

　　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。獨立按鍵為CPU的PD0~PD3口，當按鍵被按下時，CPU檢測到的引腳為低電平。

　　2 軟件設(shè)計

　　為使整個系統(tǒng)正常讀取SD卡的數(shù)據(jù)文件和目錄，需再創(chuàng)建一個可被Windows操作系統(tǒng)認知的文件系統(tǒng)?？紤]到兼容性和方便性，本設(shè)計在μC/OSII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。

　　2.1 SD卡驅(qū)動設(shè)計

　　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)就可以實現(xiàn)對SD卡的訪問，其中包括SD_Initialize(初始化SD卡)、SD_ReadBlock(讀SD卡的一個塊)、SD_WriteBlock(寫SD卡的一個塊)、SD_EraseBlock(擦除SD卡的多個塊)等。

　　2.2 FatFs文件系統(tǒng)設(shè)計

　　FatFs是一個開源的文件管理系統(tǒng)，常用于小型嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)文件系統(tǒng)，支持FAT12、FAT16、FAT32，遵循ANSI C標準，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：

　　DRESULT disk_read (BYTE drv, BYTE *buff, DWORD sector, BYTE count){

　　if(count==1){

　　SD_ReadBlock (sector, buff);//讀取SD卡的一個塊，調(diào)用SD_ReadBlock

　　}

　　else{

　　SD_ReadMultiBlock (sector, count, buff);//讀取SD卡的多個塊，調(diào)用SD_ReadMultiBlock

　　}

　　return FALSE;

　　}

　　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：

　?、?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。

　?、?讀取最小編碼單元數(shù)據(jù)，對其進行熵解碼、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。

　?、?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個部分組成：位圖文件頭(bitmapfile header)、位圖信息頭(bitmapinformation 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位增強型真彩色。這就需要建立相應(yīng)的彩色表實現(xiàn)位圖的顯示。編程實現(xiàn)位圖顯示的步驟如下：

　?、?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，如圖像像素數(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，取出索引對應(yīng)的顏色。

　?、?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，直到畫完整個圖像為止。

　　3.3 GIF格式的分析

　　一個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，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都須要借助的對象。

　　4 模塊化測試

　　整個系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計，利用μC/OSII操作系統(tǒng)進行任務(wù)管理。以任務(wù)Task_BMP為例，對24位真彩色BMP位圖的顯示進行測試，程序如下：

　　Task_BMP{

　　f_mount(0, &fs);

　　res = f_open(&fsrc, "ab.BMP", FA_OPEN_EXISTING | FA_READ);

　　res = f_read(&fsrc, &bmp, sizeof(bmp), &br);

　　if((bmp.pic_head[0]=='B')&&(bmp.pic_head[1]=='M')){//用文件頭判斷是否為BMP文件

　　res= f_lseek(&fsrc,((bmp.pic_data_address_h<<16)|bmp.pic_data_address_l));//采用了Windows的BMP格式，BMP原點在左下角

　　for(tx= bmp.pic_h_l;tx>0;tx--){

　　f_read(&fsrc, buffer, (bmp.pic_w_l)*3, &br);

　　for(ty=0;ty

　　r_data = *(ty*3 +2+buffer);

　　g_data = *(ty*3 +1+buffer);

　　b_data = *(ty*3 +0+buffer);

　　if(tx

　　point.x = tx;

　　point.y = ty;

　　point.r = r_data;

　　point.g = g_data;

　　point.b = b_data;

　　pixelDraw(point.y ,point.x,RGB888ToRGB565(point.r,point.g,point.b));//24位轉(zhuǎn)換成TFT支持的16位并顯示

　　}

　　}

　　}

　　}

　　f_close(&fsrc);

　　}

　　結(jié)語

　　本文提出了一種嵌入式圖片瀏覽器的設(shè)計思路，以模塊化的方法完成了設(shè)計過程，可方便地根據(jù)應(yīng)用需求完善解碼庫的設(shè)計，使其能夠在實際平臺上良好地運行。本設(shè)計基本達到了預(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、遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計上仍然具有一定的參考價值。