基于STM32的BMP圖片解碼系統

邸興，張建花，陳貝

（中國飛行試驗研究院陜西西安710069）

在現代便攜式設備的應用過程中，常常需要在系統中顯示一些圖片，而在各種圖片格式中，BMP又是最具代表性的一種圖片格式。

BMP是一種與硬件設備無關的圖像文件格式，使用非常廣泛。它采用位映射存儲格式，除了圖像深度可選以外，BMP文件的圖像深度可選l、4、8及24 bit。BMP文件存儲數據時，圖像的掃描方式是按從左到右、從下到上的順序。

典型的BMP圖像文件由3部分組成：位圖文件頭數據結構，它包含BMP圖像文件的類型、顯示內容等信息；位圖信息數據結構，它包含有BMP圖像的寬、高、壓縮方法，以及定義顏色等信息。

ARM公司作為全球32位低功耗處理器設計領域的領導者，曾經設計過很多高性能低功耗的處理器，廣泛應用于各種便攜式手持系統中，意法半導體公司的STM32[1]處理器采用ARM公司最新的V7體系架構的內核Cortex－M3，它的速度比ARM7快三分之一，功耗低四分之三，同時集成了分支預測，單周期乘法，硬件除法等功能，大大提高了處理器的數據處理能力，同時采用最新的Thumb－2指令集，有效地降低了代碼的密度，提高了程序的執行效率，通過對功耗和性能的分析，本文中采用的處理器為STM32F103RBT6[2]，它可以實現最新的在應用中編程，使得系統的軟件更新更加容易實現[3]，達到了性能和功耗的平衡，可以應用于很多領域，如工業控制，溫度測量[4]等。

1 系統的工作原理

本系統以STM32F103RBT6為核心，采用晶彩光電的AM240320TFT液晶模塊作為顯示器，完成對解碼后圖片的顯示，需要顯示的圖片存儲在SD卡中，處理器通過SPI方式讀取SD卡里面的圖片信息，由于STM32內部RAM很小，不能作為整幅圖片的緩沖區，所以本系統的設計過程中采用了用時間換空間的方式，即采用了邊解碼邊顯示的方法，省去了外部數據RAM，隨之而來的就是顯示的速度比直接調到內存中要慢一些。

1.1 STM32F系列ARM微控制器簡介

STM32F103RBT6使用高性能的ARM Cortex－M3 32位的RISC內核，工作頻率為72 MHz，內置高速存儲器（高達128 K字節的閃存和20 K字節的SRAM），豐富的增強I/O端口和連接到兩條APB總線的外設。所有型號的器件都包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN。供電電壓2.0～3.6 V[2]，一系列的省電模式保證低功耗應用的要求。

1.2 TFT液晶顯示模塊簡介

TFT液晶顯示屏是薄膜晶體管型液晶顯示屏。TFT液晶為每個像素都設有一個半導體開關，每個像素都可以通過點脈沖直接控制，因而每個節點都相對獨立，并可以連續控制，不僅提高了顯示屏的反應速度，同時可以精確控制顯示色階，所以TFT液晶的色彩更真。本文中采用的TFT液晶屏分辨率位320×240，采用的控制芯片為ILI9320，自帶總大小為172 820（240×320×18/8）的顯存，模塊的16位數據線與顯寸的對應關系為565方式，它支持多種控制輸入信號。本文中采用的是8080接口，通過IO模擬8080總線協議。

1.3 SD卡的特點

SD卡（Secure Digital Memory Card）中文翻譯為安全數碼卡，是一種基于半導體快閃記憶器的新一代記憶設備，它被廣泛應用于便攜式裝置，例如數碼相機、個人數碼助理（PDA）和多媒體播放器等。SD卡一般支持2種操作模式：SD卡模式和SPI模式，本系統的設計過程中采用SPI模式完成SD卡的讀寫操作。

1.4 FAT文件系統簡介

常用的文件系統有FAT12/16/32等，FAT12是最古老的文件系統，只能管理8 M左右的空間，現在基本淘汰了。FAT16則可以管理2 G的空間（通過特殊處理也能管理2 G以上的空間），而FAT32則能管理到2 TB（2 048 GB）的空間。FAT32較FAT16的優勢還在于FAT32采用了更小的簇，可以更有效的保存信息，而不會造成多的浪費。

本系統設計過程中采用了FAT32文件系統，它的主要組成部分如下：

MBR稱為主引導記錄區，該區存儲了分區表等信息，位于SD卡的扇區0（物理扇區），在其分區信息里面記錄了DBR所在的位置，SD卡一般只會有一個分區，所以也就只要找到分區1的DBR所在位置就可以了。

DBR稱為操作系統引導記錄區，如果沒有MBR，那么DBR就位于0扇區；如果有，則必須通過MBR區得到DBR所在的地址，然后讀出DBR信息。在DBR區，可以知道每個扇區所占用的字節數、每個簇的扇區數、FAT表的份數、每個FAT表的扇區數、跟目錄簇號、FAT表1所在的扇區等一系列非常重要的信息。

FAT稱為文件分配表（FAT表），一個卡上會存在2個FAT表，一個用作備份，一個使用。FAT表一般緊隨DBR，另一個FAT表則緊隨第一個FAT表，這樣只要知道了第一個FAT表的位置及大小，那么第二個FAT表的位置也就確定了。FAT表記錄了每個文件的位置和區域，是一種鏈式結構。

FDT稱為文件根目錄表，這個區域固定為32個扇區，假設每個扇區為512個字節，那么根目錄下最多存放512個文件（假設都用短文件名存儲，每個短文件名占32個字節）。文件目錄表是另一個重要的部分，FAT文件系統中（僅以短文件名介紹），文件目錄項在目錄表下以32個字節的方式記錄。

2 系統硬件設計

2.1 供電部分電路設計

整個系統中的元件均為3.3 V 器件，由于系統供電采用電池或者直流電源供電，通過三端穩壓芯片LM1117-3.3，為主控芯片STM32F103RBT6供電，用二極管IN4007串接在電源正極，為系統提供電源反接保護。供電部分原理如圖1所示。

圖1 系統供電部分原理圖Fig.1Schematic of power section

2.2 液晶顯示部分電路設計[5]

液晶顯示部分主要由微控制器STM32F103RBT6驅動AM240320L8TNQW-00H完成人機界面狀態的顯示，通過發送命令字，完成液晶模塊的初始化，完成對內容的顯示，顯示部分的硬件電路接口圖如圖2所示。

圖2 系統液晶接口原理圖Fig.2Schematic of liquid crystal interface

2.3 SD卡讀寫部分的硬件設計

處理器主機可以選擇SD卡模式和SPI模式中任意一種模式同SD卡通信，SD卡模式允許4線的高速數據傳輸。SPI模式允許簡單的通過SPI接口來和SD卡通信，這種模式同SD卡模式相比就是喪失了速度。通過讀取SD卡中的文件，識別出各個目錄下的圖片數據，然后對數據進行解碼，驅動液晶完成圖片的顯示，SD卡接口部分電路如圖3所示。

圖3 SD卡接口原理圖Fig.3Schematic of SD card interface

3 BMP圖片的解碼算法

3.1 BMP文件組成

BMP文件由文件頭、位圖信息頭、顏色信息和圖形數據4部分組成。BMP文件頭數據結構含有BMP文件的類型、文件大小和位圖起始位置等信息，它占14個字節。BMP位圖信息頭數據用于說明位圖的尺寸等信息，它占40個字節。BMP顏色表用于說明位圖中的顏色，它有若干個表項，每一個表項定義一種顏色。位圖信息頭和顏色表組成位圖信息，位圖數據記錄了位圖的每一個像素值，記錄順序是在掃描行內是從左到右，掃描行之間是從下到上，Windows規定一個掃描行所占的字節數必須是4的倍數（即以long為單位），不足的以0填充。

3.2 BMP圖片的讀取顯示算法

首先根據讀取到的BMP圖片數據得到BMP的頭部信息，得到文件類型，大小和文件的起始位置，然后讀取BMP位圖信息頭，這里面記錄了圖片的格式的信息，如BMP圖片的寬度和高度，以及每個像素所占的位數，下面舉例來說明BMP圖片的解碼過程。

常用的BMP圖片格式有24位真彩圖，16位圖，和32位圖，解碼過程略有不同，下面分別介紹，首先是24位圖，當根據BMP的頭文件信息得到數據的起始地址之后，從起始地址開始讀數據，假設每次讀入512字節，由于AM240320TFT采用16位的565方式顯示，即就是說需要把每個像素所占的24位數據，也就是3個字節，轉換為16位的數據，即2個字節，這里以前3個字節為例來說明解碼算法：

tmp_color=temp[1]＞＞3；

color|=tmp_color；

tmp_color=temp[2]＞＞2；

tmp_color＜＜=5；

color|=tmp_color；

tmp_color=temp[3]＞＞3；

tmp_color＜＜=11；

color|=tmp_color；

其中color為需要提供給液晶顯示器每個像素點的顏色值，tmp_color為解碼過程中的臨時變量，數組temp存儲24位格式的像素值。同樣也可以解碼16位顏色圖和32位顏色圖，解碼16位顏色圖的算法比較簡單，只需要解出連續的兩個值然后組合成16位的565格式的顏色值送到液晶顯示，其解碼算法如下：

tmp_color=temp[1]；

color=temp[2]；

color＜＜=8；

color|=tmp_color；

在32位圖的解碼過程中需要注意一個問題，就是32位圖中實際上只使用了24位存儲像素值，也就是32位中的前3位，最后一位沒有存儲像素值信息，所以在解碼的過程中只需要解碼前3位，將第4位跳過，具體解碼算法如下：

tmp_color=temp[i]；

color|=tmp_color＞＞3；

i++；

tmp_color=temp[i]；

tmp_color＞＞=2；

color|=tmp_color＜＜5；

i++；

tmp_color=temp[i]；

tmp_color＞＞=3；

color|=tmp_color＜＜11；

i=i+2；

3．3 STM32解碼并顯示BMP圖片程序[6]

在BMP圖片解碼過程中，有兩種方式：一種是將BMP圖片數據從外部SD卡中調入內存中，從內存中解碼，解碼后將圖片數據顯示在TFT屏上；第二種方式是一邊從SD卡中讀數據一邊解碼顯示，兩種方式各有優缺點。第一種方式的優點是由于整個解碼過程全部在內存中進行，所以解碼的速度比較快，顯示圖片的速度快。由于一般處理器內部RAM都是有限的，而這種方式對RAM的消耗特別大，所以采用這種方式需要外擴SRAM。第二種方式是從SD卡總邊讀取邊解碼，例如一般FAT32文件簇的大小都是512字節，所以可以以簇為單位來讀取圖片信息，然后顯示接著讀取下一簇，這種方式的缺點是，由于SD卡的SPI方式速度較慢，解碼一張320×240的圖片大概需要1 s，但是這種方式對系統的內存消耗比較低，比較適合于沒有外部RAM的系統。本系統中，采用第二種方式進行解碼顯示，STM32采用外部8 MHz的晶振作為輸入時鐘，內部鎖相環將時鐘倍頻到72 MHz作為系統時鐘，采用GPIO口模擬8080時序并行驅動2.8寸TFT屏，屏幕分辨率為320×240，處理器首先完成各種外設初始化，接著初始化FAT文件系統，然后從SD卡中讀取一簇的數據，解碼顯示，接著讀取下一簇。整個程序的流程圖如圖4所示。

4 結論

本文采用了基于ARM的Cortex－M3內核的STM32，它基于最新ARMv7架構，設計了一個BMP圖片解碼系統，完成了在2.8寸TFT屏上解碼并顯示BMP圖片，通過讀取SD卡中的圖片數據，邊讀取邊解碼顯示，實現了在內存有限的處理器中的BMP圖片的解碼算法。

圖4 BMP解碼流程圖Fig.4Flow chart of BMP decode system

[1]李寧.基于MDK的STM32處理器開發應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[2]王永虹，徐煒，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[3]陳峰峰.STM32F10x在應用中編程的實現方法[J].單片機與嵌入式系統應用，2009（9）:25-28.CHEN Feng-feng.The realization method of STM32F10x in application programming[J].Microcontrollers&Embedded Systems，2009（9）:25-28.

[4]曹圓圓.基于STM32的溫度測量系統[J].儀器儀表與分析監測，2010（1）:16-19.CAO Yuan-yuan.Temperature measurement system based on the STM32[J].Instrumentation Analysis Monitoring.2010（1）:16-19.

[5]STMicroelectronics.STM32 Reference manual RM0008.[EB/OL].（2010-04-05）[2010-8-21].http://www.st.com/stonline/products/literature/rm/13902.pdf

[6]STMicroelectronics.STM32F10x_StdPeriph_Driver V3.3.0.[EB/OL].（2010-04-05）[2010-8-21].http://www.st.com/stonline/products/support/micro/files/um0427.zip.