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0 数码相框数码相框 课程 嵌入式课程设计课程 嵌入式课程设计 华南农业大学工程学院 1 摘摘 要要 本设计是一款基于嵌入式硬件平台的数码相框 主控芯片是基于 ARM Cortex M3 内核的 STM32 系列嵌入式处理器 本设计包含主控制器核心板 LCD 液晶显示 SD 卡 存储器等多个功能模块 实现了对 SD 卡里多幅图片以幻灯片形式在 TFT 屏上显示出 来的效果 且带有实时时钟的功能 关键词 关键词 嵌入式 数码相框 Cortex M3 2 目目 录录 摘 要 1 目 录 2 1前言 3 2方案比较与选择 3 2 1 MCU 主控模块方案选择 3 2 2 LCD 模块方案选择 5 2 3外扩大容量存储模块方案选择 5 2 4 图片格式方案选择 5 2 5 实时时钟源方案选择 6 3嵌入式硬件平台介绍 6 3 1 STM32 系列 MCU 6 3 2 STM32F103VCT6 6 3 3电路原理图与 PCB 设计 8 4 系统设计方案 8 4 1系统描述 8 4 2TFT 显示器的驱动 8 4 3 BMP 文件格式 9 4 4STM32 内部 RTC 11 4 5 界面设计 11 5软件设计 13 6心得体会 14 参考文献 16 3 1 1前言前言 嵌入式系统无疑是当前最热门最有发展前途的IT应用领域之一 嵌入式系统用在 一些专用设备上 通常这些设备的硬件资源 如处理器 存储器等 非常有限 并且对 成本很敏感 有时对实时响应要求很高 特别是随着消费家电的智能化 嵌入式更显 重要 像我们平常常见到的手机 PDA 电子字典 可视电话 VCD DVD MP3 播放器 数码相机 数字摄像机 U Disk 机顶盒 高清电视 游戏机 智能玩具 交换机 路由器 数控设备 汽车电子 家电控制系统 医疗仪器 航天航空设备等 等都是典型的嵌入式产品 数码相框正是这样一种嵌入式技术应用的代表产品 数码相框由概念型产品进入 市场至今 已经经历了5 6个年头 作为伴随数码相机及互连网不断飞速发展的衍生 物 在今天也已经被愈来愈多的普通消费者所接受 数码相框 既拥有传统相框的精致 怀旧意味极浓的外观设计和轻便 随意摆放 的功能 又彻底改变了传统相框纸质静态照片的单一展示方式 它采用了直接读取显 示TF存储卡的工作方式 用幻灯显示的数码照片将静态照片所取代 避免了污损 变 旧和丢失 数码相框由三大部件组成 LCD液晶屏 PCB电路板和外框 数码相框是时尚的电子消费品 也是家庭必备的装饰品 它继承了数码的时尚和 相框的温情 用途十分广泛 比如 可以作为商务礼品 节日礼品 纪念品 展览展 示 现代家私 婚纱摄影 数码摄影器材 随身个性饰品等 随着数码相框的大众化 一定会出现越来越多有意思的创意应用 为我们的平淡的生活带来无穷的乐趣 鉴于 数码相框广泛的用途 开发数码相框软件具有重要的意义和市场价值 虽然当前数码 相框并不普及但随着数码成像后期应用市场的不断扩大 数码相框将成为必不可少的 配套产品 它也许会成为继电视 电脑之后生活中必不可少的第三块屏幕 2 2方案比较与选择方案比较与选择 2 12 1 MCUMCU 主控模块方案选择主控模块方案选择 本系统对 MCU 的指令速度 内置闪存以及内置 RAM 都有较高要求 考虑到低成本 构建本系统 MCU 价格不能太高 考虑到低碳节能 MCU 功耗要尽量低 4 方案一 采用 AT91SAM7S256 作为嵌入式处理芯片实现 TFT 液晶显示 AT91SAM7S256 是一款基于 ARM7TDMI 的内核的嵌入式处理器 处理架构采用冯诺依曼 结构 处理速度高达 55M 兼容 ARM 指令与 Thumb 指令 内部有 256k 的 Flash 可 以存储需要显示的图片 方案二 选用意法半导体公司推出的基于 ARM CORTEX M3 内核的 STM32F103FC8T6 微控制器 其包含 64KB 闪存和 10KB RAM 时钟频率可达 72MHz 指令速度可接近 80MIPS 且集成了丰富的片内外设 在芯片功耗方面 已接近 MSP430 超低功耗单片 机水平 而且 STM32F103FC8T6 芯片价格与 C8051F340 芯片价格相差无几 方案比较 ARM Cortex M3 是一种基于 ARM7v 架构的最新 ARM 嵌入式内核 它采 用哈佛结构 使用分离的指令和数据总线 冯诺伊曼结构下 数据和指令共用一条总 线 从本质上来说 哈佛结构在物理上更为复杂 但是处理速度明显加快 根据摩 尔定理 复杂性并不是一件非常重要的事 而吞吐量的增加却极具价值 除了使用哈佛结构 Cortex M3 还具有其它显著的优点 具有更小的基础内核 价格更低 速度更快 与内核集成在一起的是一些系统外设 如中断控制器 总线矩 阵 调试功能模块 而这些外设通常都是由芯片制造商增加的 Cortex M3 还集成了睡眠模式和可选的完整的八区域存储器保护单元 它采用 THUMB 2 指令集 最大限度降低了汇编器使用率 ARM7 可以使用 ARM 和 Thumb 两种指令集 而 Cortex M3 只支持最新的 Thumb 2 指 令集 这样设计的优势在于 免去 Thumb 和 ARM 代码的互相切换 对于早期的处理器来说 这种状态切换会 降低性能 Thumb 2 指令集的设计是专门面向 C 语言的 且包括 If Then 结构 预测接下来 的四条语句的条件执行 硬件除法以及本地位域操作 Thumb 2 指令集允许用户在 C 代码层面维护和修改应用程序 C 代码部分非常 易于重用 Thumb 2 指令集也包含了调用汇编代码的功能 Luminary 公司认为没有必要使 用任何汇编语言 综合以上这些优势 新产品的开发将更易于实现 上市时间也大为缩短 综合以上各点分析 选用方案二的 STM32 系列微控制器 5 2 22 2 LCDLCD 模块方案选择模块方案选择 方案一 选用 LCD12864 显示 微动开关操作 其中 LCD12864 内部集成汉字库 可显示足够多的文字 但是图片显示质量较低 微动开关驱动方便 方案二 选用 TFT 液晶触摸屏 TFT 液晶显示屏的特点是亮度好 对比度高 层 次感强 颜色鲜艳 其广泛应用于手机 MP4 等消费品 本系统选用的 TFT 屏可显 26 万色 分辨率 320 240 可呈现真更多元化的内容 配合触摸屏专用芯片 可对屏幕 进行触摸操作 更显智能化和个性化 为了方便用户使用 我们存储方式采用兼容 FAT 的文件系统 同时该文件系统也兼容 FAT32 等电脑主流的文件系统方式进行存储 方案比较 显然方案二 TFT 触屏显示效果以及操作效果远优于方案一 而价格方 面只比 12864 点阵液晶屏稍贵 因此选用方案二的 TFT 触摸屏 2 32 3外扩大容量存储模块方案选择外扩大容量存储模块方案选择 方案一 选用外扩 FLASH 芯片 操作方便 但容量小 方案二 选用外扩 SD 卡模块 容量大 可存多种格式数据文件 具有很强的可 扩展性 用户可方便使用 SD 卡读卡器对其进行用户信息修改 方案比较 无论容量 扩展性还是方便用户方面 方案二均优于方案一 因此选 择方案二 2 42 4 图片格式方案选择图片格式方案选择 方案一 BIN 格式 全二进制的数据文件 虽然便于文件系统的读写 但是无法 很好地与电脑兼容 因为电脑无法查看 BIN 格式的图片数据 且需要专业的 BIN 格式 转换软件把图片格式转成 BIN 格式 方案二 BMP 格式 BMP 是一种与硬件设备无关的图像文件格式 使用非常广 它采用位映射存储格式 除了图像深度可选以外 不采用其他任何压缩 因此可方便 地提取其数据 且可在电脑上方便查看 不需要格式转换 方案三 JPEG 格式 JPEG 的压缩方式通常是破坏性资料压缩 意即在压缩过程 中图像的品质会遭受到可见的破坏 且其转换算法比较复杂 方案比较 综合各方面看 选择方案二 6 2 52 5 实时时钟源方案选择实时时钟源方案选择 方案一 DS1302 便宜且简单 但是误差较大 需要外扩钮扣电源为其供电 方案二 STM32 系列 MCU 内部实时时钟 这样减少外围器件的同时 也同时更加 了解 STM32 系列嵌入式处理器的内部时钟模块 加强对嵌入式处理器的内部资源的了 解 3 3嵌入式硬件平台介绍嵌入式硬件平台介绍 3 13 1 STM32STM32 系列系列 MCUMCU 本设计采用的嵌入式硬件平台是基于 ARM Cortex M3 内核的 STM32 系列嵌入式处 理器 该处理器的特点是高性能 低成本 低功耗 是为嵌入式应用专门设计的一款 ARM 内核 STM32 系列嵌入式处理器是意法半导体公司 ST 基于 ARM Cortex M3 的 32 位处理器芯片 此次设计采用的具体型号是 STM32F103VCT6 3 23 2STM32F103VCT6STM32F103VCT6 STM32F103VCT6 嵌入式处理器是意法半导体公司 ST 基于 ARM Cortex M3 开发出来 的一款 32 位处理器芯片 如图 1 所示 图 1 STM32F103VCT6 STM32F103VCT6 嵌入式处理器具有以下特点 32 位 RISC 性能处理器 32 位 ARM Cortex M3 结构优化 7 72 MHz 运行频率 单周期访问时速度可达 1 25 DMIPS MHz 硬件除法和单周期乘法 快速可嵌套中断 6 12 个时钟周期 具有 MPU 保护设定访问规则 片内具有 256KB FLASH 48KB RAM 80 个快速 I O 端口 16 个 I O 可映射到外部中断 几乎所有的 I O 可以忍受 5V 电压 片上集成 12Bit A D D A PWM CAN USB SDIO FSMC 等资源 LCD 并行接口 FSMC 可以配置成与多数图形 LCD 控制器的无缝连接 使用这个 LCD 并行接口可以很方便地构建简易的图形应用环境 或使用专用加速控制器的 高性能方案 STM32F103VCT6 的资源完全满足此次的嵌入式数码相框设计 通过设计电路开发 一个支持一个 TFT 彩色液晶屏的驱动电路 在设计中搭配 2 8 寸 TFT 真彩触摸屏模块 作为显示界面 此次电路设计同时支持一个 SD 卡 SPI 方式 可用于存储图片 数 据等 支持一个 AT45DBxxx 的 DATA FLASH 可用于存储汉字库和图片或数据等 8 3 33 3电路原理图与电路原理图与 PCBPCB 设计设计 直接使用了 ALIENTEK MiniSTM32 开发板 4 4 系统设计方案系统设计方案 4 14 1系统描述系统描述 本系统采用基于 CORTEX M3 内核的 STM32 作为主控制器 外扩 SD 卡以及 TFT 彩屏 系统通过文件系统读取 SD 卡内存储的 BMP 格式图片 把多幅图片以幻 灯片的形式从 TFT 屏上显示出来 同时 通过 STM32 内部的 RTC 模块使系统具有 掉电不遗失日期及时钟的功能 系统框图如图 X 所示 4 24 2TFTTFT 显示器的驱动显示器的驱动 Thin Film Transistor 薄膜场效应晶体管 是指液晶显示器上的每一液晶象 素点都是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动 从而可以做到高速度高亮度高对比度显 示屏幕信息 TFT LCD 薄膜晶体管液晶显示器 是多数液晶显示器的一种 TFT 屏幕 的优点如下 大面积 九十年代初第一代大面积玻璃基板 300mm 400mm TFT LCD 生产线投 产 到 2000 年上半年玻璃基板的面积已经扩大到了 680mm 880mm 最近 950mm 1200mm 的玻璃基板也将投入运行 原则上讲没有面积的限制 高集成度 用于液晶投影的 1 3 英寸 TFT 芯片的分辨率为 XGA 含有百万个象素 分辨率为 SXGA 1280 1024 的 16 1 英寸的 TFT 阵列非晶体硅的膜厚只有 50nm 以及 TAB ON GLASS 和 SYSTEM ON GLASS 技术 其 IC 的集成度 对设备和 9 供应技术的要求 技术难度都超过传统的 LSI 功能强大 TFT 最早作为矩阵选址电路改善了液晶的光阀特性 对于高分辨率显 示器 通过 0 6V 范围的电压调节 其典型值 0 2 到 4V 实现了对象元的精确 控制 从而使 LCD 实现高质量的高分辨率显示成为可能 TFT LCD 是人类历史上 第一种在显示质量上超过 CRT 的平板显示器 现在人们开始把驱动 IC 集成到玻 璃基板上 整个 TFT 的功能将更强大 这是传统的大规模半导体集成电路所无法 比拟的 低成本 玻璃基板和塑料基板从根本上解决了大规模半导体集成电路的成本问题 为大规模半导体集成电路的应用开拓了广阔的应用空间 工艺灵活 除了采用溅射 CVD 化学气相沉积 MCVD 分子化学气相沉积 等 传统工艺成膜以外 激光退火技术也开始应用 既可以制作非晶膜 多晶膜 也 可以制造单晶膜 不仅可以制作硅膜 也可以制作其他的 族和 族半导 体薄膜 应用领域广泛 以 TFT 技术为基础的液晶平板显示器是信息社会的支柱产业 也 技术可应用到正在迅速成长中的薄膜晶体管有机电致发光 TFT OLED 平板显示器 也在迅速的成长中 4 34 3 BMPBMP 文件格式文件格式 BMP 是一种与硬件设备无关的图像文件格式 使用非常广 它采用位映射存储格 式 除了图像深度可选以外 不采用其他任何压缩 因此 BMP 文件所占用的空间很 大 BMP 文件的图像深度可选 lbit 4bit 8bit 及 24bit BMP 文件存储数据时 图 像的扫描方式是按从左到右 从下到上的顺序 BMP 文件由文件头 位图信息头 颜 色信息和图形数据四部分组成 2 BMP 文件头 14 字节 BMP 文件头数据结构含有 BMP 文件的类型 文件大小和位图起始位置等信息 其结构定义如下 typedef struct tagBITMAPFILEHEADER WORD bfType 位图文件的类型 必须为 BM 0 1 字节 DWORD bfSize 位图文件的大小 以字节为单位 2 5 字节 10 WORD bfReserved1 位图文件保留字 必须为 0 6 7 字节 WORD bfReserved2 位图文件保留字 必须为 0 8 9 字节 DWORD bfOffBits 位图数据的起始位置 以相对于位图 10 13 字节 文件头的偏移量表示 以字节为单位 BITMAPFILEHEADER 位图信息头 40 字节 BMP 位图信息头数据用于说明位图的尺寸等信息 typedef struct tagBITMAPINFOHEADER DWORD biSize 本结构所占用字节数 14 17 字节 LONG biWidth 位图的宽度 以像素为单位 18 21 字节 LONG biHeight 位图的高度 以像素为单位 22 25 字节 WORD biPlanes 目标设备的级别 必须为 1 26 27 字节 WORD biBitCount 每个像素所需的位数 必须是 1 双色 28 29 字节 4 16 色 8 256 色 或 24 真彩色 之一 DWORD biCompression 位图压缩类型 必须是 0 不压缩 30 33 字节 1 BI RLE8 压缩类型 或 2 BI RLE4 压缩类型 之一 DWORD biSizeImage 位图的大小 以字节为单位 34 37 字节 LONG biXPelsPerMeter 位图水平分辨率 每米像素数 38 41 字节 LONG biYPelsPerMeter 位图垂直分辨率 每米像素数 42 45 字节 DWORD biClrUsed 位图实际使用的颜色表中的颜色数 46 49 字节 DWORD biClrImportant 位图显示过程中重要的颜色数 50 53 字节 BITMAPINFOHEADER 颜色表 颜色表用于说明位图中的颜色 它有若干个表项 每一个表项是一个 RGBQUAD 类 型的结构 定义一种颜色 RGBQUAD 结构的定义如下 typedef struct tagRGBQUAD BYTE rgbBlue 蓝色的亮度 值范围为 0 255 BYTE rgbGreen 绿色的亮度 值范围为 0 255 BYTE rgbRed 红色的亮度 值范围为 0 255 11 BYTE rgbReserved 保留 必须为 0 RGBQUAD 颜色表中 RGBQUAD 结构数据的个数有 biBitCount 来确定 当 biBitCount 1 4 8 时 分别有 2 16 256 个表项 当 biBitCount 24 时 没有颜色表项 位图信息头和颜色表组成位图信息 BITMAPINFO 结构定义如下 typedef struct tagBITMAPINFO BITMAPINFOHEADER bmiHeader 位图信息头 RGBQUAD bmiColors 1 颜色表 BITMAPINFO 位图数据 位图数据记录了位图的每一个像素值 记录顺序是在扫描行内是从左到右 扫描 行之间是从下到上 位图的一个像素值所占的字节数 当 biBitCount 1 时 8 个像素占 1 个字节 当 biBitCount 4 时 2 个像素占 1 个字节 当 biBitCount 8 时 1 个像素占 1 个字节 当 biBitCount 24 时 1 个像素占 3 个字节 4 44 4STM32STM32 内部内部 RTCRTC STM32 内部实时时钟具有一组连续运行的计数器 可以通过适当的软件提供日历 时钟功能 还具有闹钟中断和阶段性中断功能 RTC 的驱动时钟可以是一个使用外部 晶体的 32 768kHz 的振荡器 内部低功耗 RC 振荡器或高速的外部时钟经 128 分频 内部低功耗 RC 振荡器的典型频率为 40kHz 为补偿天然晶体的偏差 可以通过输出 一个 512Hz 的信号对 RTC 的时钟进行校准 RTC 具有一个 32 位的可编程计数器 使 用比较寄存器可以进行长时间的测量 有一个 20 位的预分频器用于时基时钟 默认 情况下时钟为 32 768kHz 时 它将产生一个 1 秒长的时间基准 RTC 和后备寄存器通 过一个开关供电 在 VDD 有效时该开关选择 VDD 供电 否则由 VBAT 引脚供电 后备 寄存器 42 个 16 位的寄存器 可以用于在关闭 VDD 时 保存 84 个字节的用户应用数 据 RTC 和后备寄存器不会被系统或电源复位源复位 当从待机模式唤醒时 也不会 12 被复位 4 54 5界面设计界面设计 界面由背景 触摸键 状态栏组成 各模块功能如下 背景 初始画面 触摸键 切换幻灯片模式以及日期时间模式 状态栏 当处于幻灯片模式时 显示当前图片序号及总图片数量 当处于日期时 间模式时 显示日期和时间 界面示意图如图 X 所示 实物图如图 X 所示 13 5 5软件设计软件设计 本系统先对 STM32 及其外设进行初始化 再对界面进行初始化 接着根据功能选 择而分别进入幻灯片模式或时间模式 详细程序流程图如图 X 所示 14 6 6心得体会心得体会 回顾起此次嵌入式课程设计 至今我们仍感慨颇多 的确 从选题到定稿 从理 论到实践 在整整两星期的日子里 可以说得是苦多于甜 但是可以学到很多很多的 的东西 同时不仅可以巩固了以前所学过的知识 而且学到了很多在书本上所没有学 到过的知识 接下来我就详细描述一下此次嵌入式课程设计的心得体会 在制作嵌入式课程设计的过程中 经过我们组内的讨论开始设计硬件电路 通过 充分比较我们采用了意法半导体的基于 Cotex M3 内核的嵌入式处理芯片 STM32F103CVT6 同时我们明确了分工程序 分成两组 一组由曾星与李婉文组成的 软件组 另外一组由马洁丹与房柳煌组成的硬件组 软件组的工作负责前期的软件调 试的模拟仿真 硬件组开始制作开发板 软件组的开始的工作的时候 由于没有具体的开发平台 在调试的过程中只能利 用 keil 的模拟环境进行开发 这对开发带来了一系列的难度 不过经过软件组的两 位组员的努力 在前期的工作完成得还是十分顺利 在完成前期工作的时候 软件组 开始分享他们的设计成果 通过多个例程的演示 我们组内进行了一次互相学习互相 讨论的环节 通过这样的一个环节 使得我们这个组都能够对嵌入式处理器有一个比 较深入的了解 同时 也加强了组内的合作默契程度 在前期工作完成后 开发板的 制作也差不多完成了 此时 软件组的同学开始了第二轮的软件编写 这次不同前期 15 工作的是 我们组内的全部人员都负责了软件的编写 通过分工我们把各个模块细分