【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的硬件設(shè)計(jì) 7 CS、復(fù)位 RST 等分別與單片機(jī) I/O相連，并由單片機(jī)總線(xiàn) 同步控制。另外，對(duì)于液晶屏的背光調(diào)節(jié)，可接入 1K 的滑動(dòng)電阻，并連接到地，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻阻值，以達(dá)到良好的屏幕亮度。 圖 液晶彩屏設(shè)計(jì)電路 按鍵 模塊 為便于控制圖片顯示播放，相框系統(tǒng)中加入了按鍵模塊，以此來(lái)作為圖片播放播放功能鍵。本系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單的直連式按鍵，共設(shè) 4 個(gè)按鍵 Key1~Key4，并分別與單片機(jī)的 ~ 直連。當(dāng)鍵按下時(shí)接地，輸出低電平，操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。具體電路設(shè)計(jì)如圖 所示。 圖 按鍵設(shè)計(jì)電路 浙江大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)論文 第 2 章 數(shù)碼相框的硬件設(shè)計(jì) 8 串口模塊 為便于程序下載以及軟硬件調(diào)試，除了設(shè)計(jì)所需硬件電路，在單片機(jī)外圍電路中還加入了串口模塊，方便主機(jī)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行調(diào)控。 圖 串口設(shè)計(jì)電路 與一般的 8051 單片機(jī)串口類(lèi)似，采用 MAX232 作為串口的主芯片。在選擇異步通信方式 (UART)下，主機(jī)通過(guò) TX_PC線(xiàn)路向 MAX232發(fā)送命令，再由 RXD()串行數(shù)據(jù)輸入端傳送到單片機(jī)中；同樣也可由單片機(jī)通過(guò) TXD()串行數(shù)據(jù)發(fā)送端發(fā)送信號(hào)到 MAX232，再有 RX_PC 線(xiàn)路送給主機(jī)。 電源電路 在本系統(tǒng)中，由于各個(gè)硬件部分的工作電壓各不相同，比如 SD 卡需要 工作電壓，而單片機(jī)及液晶彩屏則需要 5v 工作電壓，因此在主系統(tǒng)中還需要設(shè)計(jì)統(tǒng)一的電源電路，方便給各部分硬 件提供工作電壓。 圖 電源設(shè)計(jì)電路 浙江大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)論文 第 2 章 數(shù)碼相框的硬件設(shè)計(jì) 9 在一般單片機(jī)外圍電路中， LM1117 系列電源適配器經(jīng)常被選用，它具有穩(wěn)定性好、輸出電壓精度高、漏失電壓小等特點(diǎn)。在本系統(tǒng)中，采用了 5v 轉(zhuǎn) 的電源適配器，這樣有效簡(jiǎn)化了電源電路 設(shè)計(jì)，同時(shí)也解決了各個(gè)部件工作電壓不統(tǒng)一的問(wèn)題。 浙江大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)論文 第 3 章 數(shù)碼相框的軟件設(shè)計(jì) 10 第 3 章 數(shù)碼相框的軟件設(shè)計(jì) 軟件總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 整個(gè)數(shù)碼相框的軟件系統(tǒng)按功能可以分為 4 個(gè)模塊：圖像文件讀取、圖像信息解碼、圖像文件顯示以及控制模塊。 主函數(shù)調(diào)用了各個(gè)模塊程序，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)模塊的初始化過(guò)程以及接口配置，同時(shí)也規(guī)劃了程序的流程安排，如圖 所示。 浙江大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)論文 第 3 章 數(shù)碼相框的軟件設(shè)計(jì) 11 圖 主程序流程圖 圖像文件讀取設(shè)計(jì) 圖像文件的讀取主要包括 3 個(gè)部分，即 SD 卡的初始化、 SPI 數(shù)據(jù)傳輸以及 FAT FS 文件系統(tǒng) 的移植。在整個(gè)程序設(shè)計(jì)中，單片機(jī)運(yùn)用 FAT FS 文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì) SD卡內(nèi)文件的讀取，同時(shí)通過(guò) SPI 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議傳輸圖像數(shù)據(jù)。 開(kāi)始 各模塊初始化 讀取 SD 卡內(nèi)文件 讀取圖像數(shù)據(jù) 顯示圖片 是否有文件 結(jié)束 掃描鍵盤(pán)判斷是否有按鍵按下 讀取下一個(gè)文件 是 否 是 否 對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼 浙江大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)論文 第 3 章 數(shù)碼相框的軟件設(shè)計(jì) 12 SD 卡初始化 SD 卡與單片機(jī)的通信都由單片機(jī)控制，單片機(jī)發(fā)送命令給 SD 卡，接收 SD卡的響應(yīng)并確認(rèn) SD 卡的是否進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)后，再進(jìn)行下一步的命令操作。當(dāng)然，每次單片機(jī)對(duì) SD 卡的進(jìn)行任何操作前都必須拉低 SD 卡的片選信號(hào) CS，然后再發(fā)送命令。單片機(jī)與 SD 卡之間的常用命令總共有 19 個(gè)，每個(gè)命令又會(huì)產(chǎn)生不同的響應(yīng)。 本系統(tǒng)中 SD 卡初始化主要包括 SD 卡的上電復(fù)位以及選擇 SPI 通信模式。 程序流程如圖 所示。 圖 SD卡初始化流程圖 在接收到 SD 卡插入后的響應(yīng)后，單片機(jī)會(huì)先給 SD 卡發(fā)送 74 個(gè)時(shí)鐘周期，以完成 SD 卡的上電過(guò)程，之后再發(fā)送復(fù)位命令 (CMD0)[7]。如果此時(shí)的片選信號(hào)開(kāi)始 發(fā)送 74 個(gè)時(shí)鐘周期 發(fā)送復(fù)位命令 (CMD0) 進(jìn)入 SPI 總線(xiàn)模式 接受 SD 卡響應(yīng) 響應(yīng)是否為 0？ 發(fā)送激活命令(CMD1) 是 結(jié)束 否 浙江大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)論文 第 3 章 數(shù)碼相框的軟件設(shè)計(jì) 13 CS 為低電平，那么 SD 卡將進(jìn)入 SPI 總線(xiàn)模式，否則 SD 卡將一直保持 SD 總線(xiàn)模式。進(jìn)入 SPI 模式后，單片機(jī)會(huì)。向 SD 卡發(fā)送激活命令 (CMD1)。如果接收到的響應(yīng)為 0，則表示 SD 卡已完成了初始化過(guò)程，處于空閑狀態(tài)，等待單片機(jī)的下一個(gè)命令，否則單片機(jī)將繼續(xù)發(fā) 送命令直到響應(yīng)為 0。 SPI 數(shù)據(jù)傳輸 STC12C5A60S2 系列單片機(jī)提供了一種高速串行通信接口，即 SPI 接口。它是一種全雙工、高速、同步的通信總線(xiàn)，與之相關(guān)的特殊功能的寄存器主要有：控制寄存器 SPCTL、狀態(tài)寄存器 SPSTAT 以及數(shù)據(jù)寄存器 SPDAT。 (1) 控制寄存器 SPCTL： SPI 的使能控制端，確定單片機(jī)為主機(jī)還是從機(jī)，決定高低字節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸優(yōu)先順序以及選擇 SPI 的時(shí)鐘頻率。 (2) 狀態(tài)寄存器 SPSTAT：用來(lái)判斷 SPI 數(shù)據(jù)是否傳輸完成以及檢測(cè)是否對(duì)數(shù)據(jù)寄存器 SPDAT 進(jìn)行寫(xiě)操作。 (3) 數(shù)據(jù)寄存器 SPDAT：傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位 Bit7~Bit0。 在使用 SPI 通信接口時(shí)，需要對(duì)三個(gè)寄存器進(jìn)行相應(yīng)的初值設(shè)定，以達(dá)到 SPI的初始化效果： sfr SPCTL = 0xCE。 //啟動(dòng) SPI 傳輸，確定單片機(jī)為主機(jī)，高位字節(jié)數(shù)據(jù)優(yōu)先發(fā)送， SPI 時(shí)鐘頻率設(shè)定為主機(jī)的 1/64 sfr SPSTAT = 0xCD。 //默認(rèn)標(biāo)志位為“ 1” sfr SPDAT = 0xCF。 //默認(rèn)傳輸數(shù)據(jù)位為 0xcf SD 卡在 SPI 模式下可以選擇單塊和多塊讀操作 [8]。選擇單塊讀操作時(shí)，所讀的數(shù)據(jù)塊一般都固定為 512 字節(jié)；選擇多塊讀操作時(shí)，可以指定的位置開(kāi)始讀數(shù)據(jù)，一直讀到接收到單片機(jī)發(fā)送的停止讀數(shù)據(jù)的命令?？紤]到圖像數(shù)據(jù)的讀取要具有靈活性，便于系統(tǒng)程序調(diào)試，本系統(tǒng)采用多塊讀操作方式，具體操作流程如圖 所示。 浙江大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)論文 第 3 章 數(shù)碼相框的軟件設(shè)計(jì) 14 圖 SD卡圖像數(shù)據(jù)讀取流程 FAT FS 文件系統(tǒng)移植設(shè)計(jì) 文件的讀取，是屬于文件系統(tǒng)的管理功能。因此要實(shí)現(xiàn)對(duì) SD 卡內(nèi)文件的讀取，就需要在單片機(jī)中移植入一種 SD 卡所支持的文件系統(tǒng)，進(jìn)而通過(guò)文件系統(tǒng)向 SD卡發(fā)送命令讀取圖片文件。 (1) FAT FS 文件系統(tǒng)簡(jiǎn)介 FATFS 是一種完全免費(fèi)開(kāi)源的 FAT 文件系統(tǒng)模塊，專(zhuān)門(mén)為小型的嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì) [9]，它具有一般文件系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的基本功能，包括打開(kāi) /關(guān)閉文件以及對(duì)文件進(jìn)行讀寫(xiě)操作等等。它完全用標(biāo)準(zhǔn) C 語(yǔ)言編寫(xiě)，很適合移植到單片機(jī)上；它支持多個(gè)存儲(chǔ)媒介，有獨(dú)立的緩沖區(qū)，可以對(duì)多個(gè)文件進(jìn)行讀 /寫(xiě)操作。其中也有一個(gè)簡(jiǎn)化的版本 Tiny— FatFs。該版本與 FATFS 的完全版用法一樣，不過(guò)因?yàn)樗s減了一 般小型嵌入式系統(tǒng)所用不到的系統(tǒng)程序，只提供用戶(hù)一般所需要的幾個(gè)接口函數(shù)，所以所需編寫(xiě)的代碼量相對(duì)較少；而且它占用的內(nèi)存低，只要 1KB RAM，開(kāi)始 SD 卡初始化 發(fā)送寫(xiě)命令 (CMD17) 響應(yīng)是否 =0xfe？ 接收兩個(gè)字節(jié)CRC 接收指定數(shù)據(jù)塊 是 結(jié)束 否 浙江大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)論文 第 3 章 數(shù)碼相框的軟件設(shè)計(jì) 15 僅支持一個(gè)存儲(chǔ)媒介，對(duì)于單片機(jī)而言，比較容易實(shí)現(xiàn)。因此，對(duì)于文件系統(tǒng)的移植， Tiny— FatFs 是個(gè)相當(dāng)不錯(cuò)的選擇。 (2) FAT 文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理 FAT 文件系統(tǒng) 在磁盤(pán)中的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下圖 所示。 所有部分連續(xù)存放，中間沒(méi)有間隔部分，所以通過(guò)計(jì)算根據(jù)上一部分存儲(chǔ)的結(jié)束地址可以得到下一部分開(kāi)始的位置。 圖 FAT文件系統(tǒng)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) a) 引導(dǎo)扇區(qū) 引導(dǎo)扇區(qū)是 文件系統(tǒng)操作的引導(dǎo)記錄區(qū)，它包括了跳轉(zhuǎn)指令、廠商標(biāo)志、 OS版本號(hào)、 BPB 參數(shù)塊、引導(dǎo)扇區(qū)代碼以及結(jié)束標(biāo)志等等。其中 BPB 參數(shù)塊更是包含了很多文件結(jié)構(gòu)信息，比如每扇區(qū)字節(jié)數(shù)、每簇扇區(qū)數(shù)、 FAT 表所占的扇區(qū)數(shù)、根目錄簇號(hào)、根目錄項(xiàng)數(shù)以及總扇區(qū)數(shù)等等。所有文件操作系統(tǒng)都必須通過(guò)引導(dǎo)扇區(qū)的引導(dǎo)記錄才能實(shí)現(xiàn)對(duì)文件的操作。 b) FAT 文件表 FAT 文件表是用來(lái)給每個(gè)文件分配磁盤(pán)物理空間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并記錄數(shù)據(jù)區(qū)浙江大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)論文 第 3 章 數(shù)碼相框的軟件設(shè)計(jì) 16 簇鏈結(jié)構(gòu)。 FAT 文件系統(tǒng)最小的存儲(chǔ)單位為扇區(qū)，一般每個(gè)扇區(qū)為 512 個(gè)字節(jié)。而簇則是 FAT 分配文件存儲(chǔ)空間的最小 單位，它的大小通常為 2n 個(gè)扇區(qū)，但實(shí)際大小是 BPB 信息中每簇扇區(qū)數(shù)與每扇區(qū)字節(jié)數(shù)的乘積大小。當(dāng)創(chuàng)建文件時(shí)，即使文件大小只有一個(gè)字節(jié)，操作系統(tǒng)也會(huì)分配一個(gè)最小單元給它，即一個(gè)簇。每個(gè)文件都同表中的若干項(xiàng)相對(duì)應(yīng)，并在目錄中進(jìn)行索引 [10]。因此通過(guò) FAT 表，可以了解到整個(gè)磁盤(pán)中所有文件的存儲(chǔ)信息。 c) 目錄項(xiàng) 在根目錄下，所有文件都有一個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的目錄項(xiàng)。目錄項(xiàng)包含了文件開(kāi)始的簇號(hào)，文件的創(chuàng)建時(shí)間以及文件的大小等。因此在讀取文件時(shí)，可以先從目錄項(xiàng)中了解文件的基本信息，在配合 FAT 文件表準(zhǔn)確定位文件存放地址。 (3) FAT FS 文件系統(tǒng)的移植方法 文件系統(tǒng)本身就具有各種文件操作功能，比如打開(kāi) /關(guān)閉文件、讀取文件以及寫(xiě)文件等等，而且它的對(duì)象僅僅是文件本身而已。因而移植 FATFS 文件系統(tǒng)的方法主要是將文件系統(tǒng)操作的對(duì)象設(shè)定為 SD 卡內(nèi)的文件，并且只對(duì) SD 卡內(nèi)的文件進(jìn)行操作。為此，在移植過(guò)程中，只需要在原有的 FATFS 文件系統(tǒng)操作程序中移植入 SD 卡文件的操作程序即可。主要的操作程序包括以下三個(gè)方面： DSTATUS disk_initialize (void)； //初始化 SD 卡 DRESULT disk_readp()； //讀指定扇區(qū) DRESULT disk_writep (BYTE* buff,DWORD sector)； //寫(xiě)指定扇區(qū) (4) FAT FS 文件系統(tǒng)的讀取過(guò)程 在根目錄下，讀取文件的主要流程如圖 所示。主要分為以下幾個(gè)步驟： 浙江大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)論文 第 3 章 數(shù)碼相框的軟件設(shè)計(jì) 17 圖 FAT FS讀取文件流程圖 a) FAT FS 文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 類(lèi)似于 FAT 引 導(dǎo)扇區(qū)中 BPB 信息結(jié)構(gòu)， FAT FS 文件也有設(shè)定相應(yīng)的文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便于文件操作程序的簡(jiǎn)化，達(dá)到開(kāi)源的目的。 typedef struct _FATFS_ { BYTE fs_type。 //文件類(lèi)型 BYTE csize。 //每一簇的扇區(qū)數(shù) BYTE flag。 //文件標(biāo)志位 BYTE csect。 //文件扇區(qū)地址 WORD n_rootdir。 //根目錄項(xiàng)數(shù) BYTE* buf。 //數(shù)據(jù)存儲(chǔ)緩沖區(qū)指針 CLUST max_clust。 //最大簇 開(kāi)始 根目錄查找 是否有文件？ 文件起始簇號(hào) 讀取指定的所有簇 文件讀取完成 查找 FAT 表按簇序找到所有簇 結(jié)束 否 是 浙江大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)論文 第 3 章 數(shù)碼相框的軟件設(shè)計(jì) 18 DWORD fatbase。 //FAT 文件表起始扇區(qū)號(hào) DWORD dirbase。 //很目錄起始扇區(qū)號(hào) DWORD database。 //數(shù)據(jù)起始扇區(qū)號(hào) DWORD fptr。 //文件名指針 DWORD fsize。 //文件大小 CLUST _clust。 //文件起始簇號(hào) CLUST curr_clust。 //文件當(dāng)前簇 DWORD dsect。