基于STM32的動漫游戲系統設計

贛州金環磁選設備有限公司 李 勇

江西理工大學電氣工程與自動化學院 程鐵棟 周乃軍

1.引言

動漫游戲產業屬于動漫產業的一種衍生產品，因其具有低能耗、高產業價值等特點與優勢，被譽為21世紀的朝陽產業[1-3]。目前市場上的動漫游戲按平臺類別大致可分為兩種：網絡游戲與機臺游戲。以PC為平臺的機臺游戲多為進口主板或采用企業專用平臺，兼容性較差，同時因為游戲產品的時效性，上述不足容易造成資源浪費。本設計的目的是為了彌補現有機臺動漫游戲的不足，為機臺動漫游戲提供一個通用的嵌入式平臺[7-13]，從而縮短機臺游戲的開發周期，提高效率、節省成本。系統采用ARM Cortex-M3為內核的STM32F103VET6控制器作為控制核心，以uC／OS-II作為實時操作系統，充分利用uC/OS-II系統的信號量、郵箱機制來實現多線程之間的游戲任務切換，從而提高硬件資源的運行效率，最終實現一個結構精簡，可重復利用的嵌入式動漫游戲平臺。

圖1 系統整體框圖

2.系統總體設計

系統的整體框圖如圖1所示。整個系統主要包括嵌入式控板模塊、分機模塊和電源模塊共3個主要部分。其中電源模塊負責給整個系統提供穩定的電壓電流，系統的核心是嵌入式游戲主控模塊（一臺主控板可帶多臺分機），而分機模塊負責接收如搖桿這些游戲外設的人機交互信息，并在做初步處理后，通過CAN總線把數據和信息發送給游戲主控板進行分析、判斷和處理，然后主控板將根據程序把對應動畫效果顯示在LCD顯示器上。

嵌入式游戲系統的硬件框圖如圖2所示。電路由主控制器STM32、多媒體處理芯片Amazon-LF以及NAND FLASH存儲器、音頻處理電路、視頻接口電路、SD卡接口電路和電源電路等組成。主控板通過抗干擾能力強的CAN總線和分機實現通信，并將分機通過CAN總線發來的相關信息經過邏輯處理后，轉換成命令傳遞給多媒體處理芯片Amazon-LF。Amazon-LF芯片通過串口和主控制器通信，在接收到指令后自行讀取多媒體庫里面的相關素材并進行處理，包括圖像翻轉、解壓和音頻去噪等工作，然后將數據輸出到顯示和音頻設備。

圖2 嵌入式主控板硬件框圖

3.動漫游戲系統硬件電路設計

3.1 主控器及外圍電路設計

如圖3所示是主控板的部分原理圖，其中包括詳細的SD_CARD接口和CAN總線接口電路圖。系統設計中充分利用了STM32這款處理器的優越性能、豐富外設以及自帶的固件函數。其中SD卡的作用是自動為動漫游戲系統進行程序升級，當載有程序的SD卡接入電路時，系統能自動檢測到硬件并開始程序升級；USB和LCD作為備用接口；STM32通過一個串口和Amazon-LF連接實現通信；STM32的CAN接口通過CAN總線接口芯片實現與分機通信。

圖3 接口原理圖

3.2 多媒體處理電路設計

系統的多媒體處理電路的設計主體是采用32位的Amazon-LF EISC微處理器。與傳統的多媒體處理系統相比較，采用專用的多媒體處理器可以減小核心CPU的處理負擔，提高系統的運行速度。Amazon-LF是一款低成本、高性能的視頻/圖像加速器，其內部集成了32位EISC（SE3208）處理器核以及一些周邊的功能模塊如定時器、串行接口等。芯片內建的Cache可以提供單指令周期的編碼和數據處理以加速程序的執行速度。Amazon-LF支持NTSC/PAL的視頻顯示式，并具有基于3D的圖像加速引擎。實現對多媒體資料存儲作用的是NAND FLASH，采用的是M59PW1282芯片，在電路中的作用是存儲動漫游戲中用到的圖片文件、音樂文件、以及各種字庫資源。在系統運行過程中，Amazon-LF在接收到STM32發來的指令后，讀取M59PW1282中的存儲的數據，并將讀取的的數據送往視頻和音頻輸出口輸出。音頻驅動電路實現對Amazon-LF輸出的音頻信號的驅動和處理，包括濾波、數模轉換、信號放大等。

4.動漫游戲系統軟件系統設計

4.1 uC/OS-II實時操作系統移植

由于系統需要多線程操作，任務調度，需要為動漫游戲系統移植uC/OS-II實時操作系統。uC/OS-II是用標準C語言和匯編語言來寫的，只有與微處理器相關的部分是由匯編指令寫的，所以在STM32F103VET6上移植uC/OS-II實時操作系統，只需要做的工作就是修改與處理器有關的部分，主要有三個文件：寫處理器相關文件OS_CPU.H和OS_CPU_C.C；匯編文件0S_CPU_A.ASM和系統配置文件OS_CFG.h，圖4給出了uC/OS-Ⅱ體系結構以及它與系統硬件之間的關系。圖中還給出了STM32初始化函數中有相關的內設和外設配置。

圖4 uC/OS-II軟件和對應硬件體系結構

4.2 硬件驅動程序

動漫游戲系統在使用微控制器的各種外設接口資源、以及各種硬件資源時只需要調用這些硬件資源的驅動程序。動漫游戲系統的硬件驅動程序由串口打印輸出驅動程序、SD卡驅動程序、Amazon-LF驅動程序、液晶顯示器驅動程序、SPI串行通信口驅動程序等程序組成。以上的驅動程序保證了各個模塊硬件資源的正常工作。系統只要調用這些底層驅動程序，就可實現整個動漫游戲系統的各個硬件部分功能。

4.3 應用程序設計

圖5 主任務程序流程圖

圖6 動畫程序流程圖

圖7 示意效果圖

應用程序包括一個主函數程序和4個任務程序。(1)主函數包括了uC/OS-Ⅱ系統的初始化，主任務初始化以及一些相應的硬件初始化程序，在主函數中創建了4個任務函數，包括主任務、動畫任務、聲音任務、顯示任務。主函數的程序流程如圖5所示。(2)主任務程序設計。主任務程序是在主函數中創建的，主函數創建了4個任務，應用程序所需要實現的功能大部分都在這4個任務中，而主任務是幾個任務中最重要的一個任務，在主任務中有實現程序升級的函數，LCD、按鍵、CAN和動畫等初始化函數，以及處理消息任務和定時任務等。主任務程序流程圖如圖5所示。(3)動畫子程序設計。系統中的動畫采用金魚群的游動作為實驗測試。實現魚群游動的動畫應用程序，是劃分到最細的子程序模塊。金魚群游動函數程序流程見圖6所示。動畫的頁面效果是多層圖層疊加在一起顯現的。而圖層就象膠片一張張按順序疊放在一起，組合起來形成頁面的最終效果。金魚圖層就只含有金魚圖像，同理，背景圖層就只含有背景圖像。動漫游戲系統設計中，采用了多層圖層，不同圖像創建了自己的圖層。當一層圖層處于頂層時，它會遮掩它下面的圖層，不用的地方可以濾掉，使下一層的圖像顯現。當一幅圖像需要調用時，直接使它的圖層標志使能，同理，當不需要該圖像時，則關閉對應的圖層。這種設計方案可以減少芯片處理數據的負荷，使圖像顯示更加流暢。

5.結語

本文利用STM32作為中央處理器設計了硬件電路。在硬件電路基礎上移植uC/OS-II實時操作系統并完成了應用程序的編寫，最后成功實現了一個動漫游戲系統設計。由系統的圖形接口輸出的圖像運行流暢，可以到達18幀/秒的傳輸速度，圖7為其中截取的一幅圖像。經過溫度和時間測試，系統運行穩定可靠。

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