基于STM32的BMP图片解码系统

摘要：设计了一种基于STM32处理器的便携式BMP图片解码系统。在设计过程中采用了从SD卡中读取编码的同时同步解码的方法，有效地减少了系统内存的消耗。完成了基于ARM最新Cortex-M3内核的处理器STM32的BMP解码系统的硬件电路设计和软件程序设计，实现了一个能在内存有限的片上系统中进行BMP图片解码的系统。
关键词：BMP图片；ARM微控制器；STM32；SD卡

    在现代便携式设备的应用过程中，常常需要在系统中显示一些图片，而在各种图片格式中，BMP又是最具代表性的一种图片格式。
    BMP是一种与硬件设备无关的图像文件格式，使用非常广泛。它采用位映射存储格式，除了图像深度可选以外，BMP文件的图像深度可选1、4、8及24 bit。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。
    典型的BMP图像文件由3部分组成：位图文件头数据结构，它包含BMP图像文件的类型、显示内容等信息；位图信息数据结构，它包含有BMP图像的宽、高、压缩方法，以及定义颜色等信息。
    ARM公司作为全球32位低功耗处理器设计领域的领导者，曾经设计过很多高性能低功耗的处理器，广泛应用于各种便携式手持系统中，意法半导体公司的STM32处理器采用ARM公司最新的V7体系架构的内核Cortex-M3，它的速度比ARM7快三分之一，功耗低四分之三，同时集成了分支预测，单周期乘法，硬件除法等功能，大大提高了处理器的数据处理能力，同时采用最新的Thumb-2指令集，有效地降低了代码的密度，提高了程序的执行救率，通过对功耗和性能的分析，本文中采用的处理器为STM32F103RBT6，它可以实现最新的在应用中编程，使得系统的软件更新更加容易实现，达到了性能和功耗的平衡，可以应用于很多领域，如工业控制，温度测量等。

1 系统的工作原理
    本系统以STM32F103RBT6为核心，采用晶彩光电的AM240320TFT液晶模块作为显示器，完成对解码后图片的显示，需要显示的图片存储在SD卡中，处理器通过SPI方式读取SD卡里面的图片信息，由于STM32内部RAM很小，不能作为整幅图片的缓冲区，所以本系统的设计过程中采用了用时间换空间的方式，即采用了边解码边显示的方法，省去了外部数据RAM，随之而来的就是显示的速度比直接调到内存中要慢一些。
1．1 STM32F系列ARM微控制器简介
    STM32F103RBT6使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，工作频率为72 MHz，内置高速存储器(高达128 K字节的闪存和20 K字节的SRAM)，丰富的增强I／O端口和连接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。供电电压2．0～3．6 V，一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。
1．2 TFT液量显示模块简介
    TFT液晶显示屏是薄膜晶体管型液晶显示屏。TFT液晶为每个像素都设有一个半导体开关，每个像素都可以通过点脉冲直接控制，因而每个节点都相对独立，并可以连续控制，不仅提高了显示屏的反应速度，同时可以精确控制显示色阶，所以，TFT液晶的笆彩更真。本文中采用的TFT液晶屏分辨率位320x240，采用的控制芯片为ILI9320，自带总大小为172 820(240x320x1818)的显存，模块的16位数据线与显寸的对应关系为565方式，它支持多种控制输入信号。本文中采用的是8080接口，通过IO模拟8080总线协议。
1．3 SD卡的特点
    SD卡(Secure Digital Memory Card)中文翻译为安全数码卡，是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，它被广泛应用于便携式装置，例如数码相机、个人数码助理(PDA)和多媒体播放器等。SD卡一般支持2种操作模式：SD卡模式和SPI模式，本系统的设计过程中采用SPI模式完成SD卡的读写操作。
1．4 FAT文件系统简介
    常用的文件系统有FAT12／16／32等，FAT12是最古老的文件系统，只能管理8 M左右的空间。现在基本淘汰了。FAT16则可以管理2 G的空间(通过特殊处理也能管理2 G以上的空间)，而FAT32则能管理到2 TB(2 048 GB)的空间。FAT32较FAT16的优势还在于FAT32采用了更小的簇，可以更有效的保存信息，而不会造成多的浪费。
    本系统设计过程中采用了FAT32文件系统，它的主要组成部分如下：
    MBR称为主引导记录区，该区存储了分区表等信息，位于SD卡的扇区0(物理扇区)，在其分区信息里面记录了DBR所在的位置，SD卡一般只会有一个分区，所以也就只要找到分区1的DBR所在位置就可以了。
    DBR称为操作系统引导记录区，如果没有MBR，那么DBR就位于0扇区；如果有，则必须通过MBR区得到DBR所在的地址，然后读出DBR信息。在DBR区，可以知道每个扇区所占用的字节数、每个簇的扇区数、FAT表的份数、每个FAT表的扇区敷、跟目录簇号、FAT表1所在的扇区等一系列非常重要的信息。
    FAT称为文件分配表(FAT表)，一个卡上会存在2个FAT表，一个用作备份，一个使用。FAT表一般紧随DBR，另一个FAT表则紧随第一个FAT表，这样只要知道了第一个FAT表的位置及大小，那么第二个FAT表的位置也就确定了。FAT表记录了每个文件的位置和区域，是一种链式结构。
    FDT称为文件根目录表，这个区域固定为32个扇区，假设每个扇区为512个字节。那么根目录下最多存放512个文件(假设都用短文件名存储，每个短文件名占32个字节)。文件目录表是另一个重要的部分，FAT文件系统中(仅以短文件名介绍)，文件目录项在目录表下以32个字节的方式记录。

2 系统硬件设计
2．1 供电部分电路设计
    整个系统中的元件均为3．3 V器件。由于系统供电采用电池或者直流电源供电，通过三端稳压芯片LM1117-3．3，为主控芯片STM32F103 RBT6供电，用二极管IN4007串接在电源正极，为系统提供电源反接保护。供电部分原理如图1所示。

[!--empirenews.page--]
2．2 液晶显示部分电路设计
    液晶显示部分主要由微控制器STM32F103RBT6驱动AM240320LSTNQW-00H完成人机界面状态的显示，通过发送命令字，完成液晶模块的初始化，完成对内容的显示，显示部分的硬件电路接口图如图2所示。

2．3 SD卡读写部分的硬件设计
    处理器主机可以选择SD卡模式和SPI模式中任意一种模式同SD卡通信，SD卡模式允许4线的高速数据传输。SPI模式允许简单的通过SPI接口来和SD卡通信，这种模式同SD卡模式相比就是丧失了速度。通过读取SD卡中的文件，识别出各个目录下的图片数据，然后对数据进行解码。驱动液晶完成图片的显示，SD卡接口部分电路如图3所示。

[!--empirenews.page--]

3 BMP图片的解码算法
3．1 BMP文件组成
    BMP文件由文件头、位图信息头、颜色信息和图形数据4部分组成。BMP文件头数据结构舍有BMP文件的类型、文件大小和位图起始位置等信息，它占14个字节。BMP位图信息头数据用予说明位图的尺寸等信息，它占40个字节。BMP颜色表用于说明位图中的颜色，它有若干个表项，每一个表项定义一种颜色。位图信息头和颜色表组成位图信息，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，Windows规定一个扫描行所占的字节数必须是4的倍数(即以long为单位)，不足的以0填充。
3．2 BMP图片的读取显示算法
    首先根据读取到的BMP图片数据得到BMP的头部信息，得到文件类型，大小和文件的起始位置，然后读取BMP位图信息头，这里面记录了图片的格式的信息，如BMP图片的宽度和高度，以及每个像素所占的位数，下面举例来说明BMP图片的解码过程。
    常用的BMP图片格式有24位真彩图，16位图，和32位图，解码过程略有不同，下面分别介绍，首先是24位图，当根据BMP的头文件信息得到数据的起始地址之后，从起始地址开始读数据，假设每次读入512字节，由于AM240320TFT采用16位的565方式显示，即就是说需要把每个像素所占的24位致据，也就是3个字节，转换为16位的数据，即2个字节，这里以前3个字节为例来说明解码算法：
   
    其中codor为需要提供给液晶显示器每个像素点的颜色值，tmp_color为解码过程中的临时变量，数组temp存储24位格式的像素值。同样也可以解码16位颜色图和32位颜色图，解码16位颜色图的算法比较简单，只需要解出连续的两个值然后组合成16位的565格式的颜色值送到液晶显示，其解码算法如下：
   
    在32位图的解码过程中需要注意一个问题，就是32位图中实际上只使用了24位存储像素值，也就是32位中的前3位，最后一位没有存储像素值信息，所以在解码的过程中只需要解码前3位，将第4位跳过，具体解码算法如下：
   
3．3 STM32解码并显示BMP图片程序
    在BMP图片解码过程中，有两种方式：一种是将BMP图片数据从外部SD卡中调入内存中，从内存中解码，解码后将图片数据显示在TFT屏上；第二种方式是一边从SD卡中读数据一边解码显示，两种方式各有优缺点。第一种方式的优点是由于整个解码过程全部在内存中进行，所以解码的速度比较快，显示图片的速度快。由于一般处理器内部RAM都是有限的，而这种方式对RAM的消耗特别大，所以采用这种方式需要外扩SRAM。第二种方式是从SD卡总边读取边解码，例如一般FAT32文件簇的大小都是512字节，所以可以以簇为单位来读取图片信息，然后显示接着读取下一簇，这种方式的缺点是，由于SD卡的SPI方式速度较慢，解码一张320x240的图片大概需要1s，但是这种方式对系统的内存消耗比较低，比较适合于没有外部RAM的系统。本系统中，采用第二种方式进行解码显示，STM32采用外部8 MHz的晶振作为输入时钟，内部锁相环将时钟倍频到72 MHz作为系统时钟，采用GPIO口模拟8080时序并行驱动2．8寸TFT屏，屏幕分辨率为320x240，处理器首先完成各种外设初始化，接着初始化FAT文件系统，然后从SD卡中读取一簇的数据，解码显示，接着读取下一簇。整个程序的流程图如图4所示。

4 结论
    本文采用了基于ARM的Cortex-M3内核的STM32，它基于最新ARMv7架构，设计了一个BMP图片解码系统，完成了在2．8寸TFT屏上解码并显示BMP图片，通过读取SD卡中的图片数据，边读取边解码显示，实现了在内存有限的处理器中的BMP图片的解码算法。