基于S5PV210的嵌入式系統(tǒng)數(shù)碼相框的設(shè)計和實現(xiàn)

摘 要：本系統(tǒng)使用三星ARM芯片S5PV210為控制核心，上位機(jī)采用通用的PC機(jī)，并安裝Win7和Ubuntu10.04兩個操作系統(tǒng)。利用Ubuntu10.04的開發(fā)環(huán)境，使用GCC編輯器、VI編輯器、Makefile及shell腳本編寫出C程序代碼。同時在Win7上安裝交叉編譯環(huán)境和超級終端以構(gòu)建軟件平臺。最終設(shè)計出數(shù)碼相框的軟硬件。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；數(shù)碼相框；S5PV210；Ubuntu 10.04

中圖分類號：TP368.1

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)拍照功能的應(yīng)用普及，人們可以隨時隨地的拍攝美景和影像。部分電子底片會沖印成紙質(zhì)照片，但更多的照片則會經(jīng)由SD卡再轉(zhuǎn)移到PC機(jī)中。在PC機(jī)中瀏覽照片并不方便，由此數(shù)碼相框應(yīng)運而生。

目前，設(shè)計數(shù)碼相框主要有三種方案。第一種是以32位CPU為核心，其內(nèi)部集成硬件音頻及視頻編解碼單元。第二種是以DSP和FPGA為核心，其文件讀取由DSP完成，圖像的編解碼及外設(shè)驅(qū)動有FPGA完成。第三種方案以ARM為核心元件，圖像編碼有JPEG硬件解碼器或者DSP完成。此方案優(yōu)點是解碼速度快，且系統(tǒng)的擴(kuò)展性較好，實現(xiàn)功能較多。[1]

本系統(tǒng)開發(fā)采用上述第三種方案，核心元件為三星公司ARM芯片S5PV210，具有低成本、低功耗特點。最終產(chǎn)品具備多種格式照片的存儲、瀏覽和播放功能，并同時設(shè)計了幻燈片切換效果以及播放背景音樂的功能。其操作簡潔，使用方便。

1 系統(tǒng)軟件設(shè)計

1.1 Ubuntu操作系統(tǒng)

Ubuntu是基于Debian GNU/Linux，支持x86、amd64，和ppc架構(gòu)，由全球的專業(yè)開發(fā)團(tuán)隊（Canonical Ltd）打造的開源GNU/Linux操作系統(tǒng)。Ubuntu操作系統(tǒng)的最大優(yōu)點是：項目完全遵從開源軟件的開發(fā)規(guī)則，鼓勵開發(fā)人員使用、完善并傳播開源軟件。本系統(tǒng)需要安裝Ububtu10.04操作系統(tǒng)，并同時安裝vi編輯器，gcc編譯器，PC機(jī)設(shè)置屏幕分辨率為1024*768，且程序在Ubuntu字符界面下運行。

1.2 FrameBuffer編程

Linux工作在保護(hù)模式下，用戶態(tài)進(jìn)程無法使用顯卡BIOS提供的中斷調(diào)用直接寫屏，因此Linux用戶通過Framebuffer實現(xiàn)寫屏。FrameBuffer設(shè)備提供若干ioctl命令，通過該組命令，可獲得顯示設(shè)備的一些固定信息，如顯存大小，與顯示模式相關(guān)的可變信息，如象素結(jié)構(gòu)、分辨率、每掃描線的字節(jié)寬度等，及偽彩色模式下的調(diào)色板信息等。

通過FrameBuffer機(jī)制顯示圖像的流程如下：通過代碼把操作framebuffer設(shè)備文件映射到內(nèi)存空間，通過jpeg開源庫解碼，然后通過scale和填充灰度操作適應(yīng)顯示器。解碼信息直接寫入指向framebuffer的內(nèi)存空間，既可完成圖像的顯示。

1.3 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)整體功能如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能圖

系統(tǒng)首先加載初始化工作，包括FrameBuffer的初始化，圖片的初始化和FreeType的初始化。然后開機(jī)并加載開機(jī)音樂，顯示系統(tǒng)主界面。主界面功能包含圖片瀏覽、幻燈片切換方式，背景圖片和音樂的切換及關(guān)機(jī)等功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該數(shù)碼相框的硬件設(shè)計方案如圖2所示，主控芯片采用ARM芯片S5PV210，外圍電路模塊包含有NAND FLASH的讀入，按鍵KEY的控制，SD卡的讀寫、TSDRAM控制電路、UART配置及LCD顯示控制。[2]

圖2 系統(tǒng)硬件框架

S5PV210是三星公司推出的一款基于CortexTM-A8架構(gòu)的高性能ARM處理器，其核心部分包含32KB的ICache（指令高速緩存）、32KB的DCache（數(shù)字高速緩存）及512KB的L2Czche（二級緩存）。其片上視頻編碼器包含MPEG4、Decoder-NPED2、H.263、H.264、VC-1。同時包含JPEG圖像編碼器、2D矢量圖形及3D圖形引擎。輸出可采用IVTSC/PAV TV輸出、HDMI輸出。并具有TFT LCD控制器功能。[3]

S5PV210接口資源豐富，可擴(kuò)展性能高。其接口資源如下：

音頻接口包括：3個PCM、3個IIS及S/PDIF/AC97。

存儲器接口包括：4個SD卡接口、1個HSMMC 卡接口機(jī)ATA硬盤接口。

通信接口包括：USB HOST2.0/OTG2.0、4個UART接口及大量GPIO接口。

采用S5PV210作為主控芯片，具有高速度、低成本、低功耗的優(yōu)點。

S5PV210內(nèi)部集成有LCD控制器，可直接控制各類LCD顯示屏，如STN屏和TFT屏。本產(chǎn)品采用通用TFT屏，與CPU的連接簡單，且該屏包含四線觸摸屏接口，可擴(kuò)展為觸摸系統(tǒng)，方便系統(tǒng)日后升級。

SD卡具有大容量、高性能、安全性好等優(yōu)點，被廣泛使用與數(shù)碼相機(jī)、MP3、手機(jī)等便攜式設(shè)備上[4]。SD卡通信方式主要有2種。一種是SPI模式，采用單根數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。優(yōu)點是接線簡單、協(xié)議簡單且易于實現(xiàn)。缺點是傳輸速率較低。另一種是SDI模式，采用4根數(shù)據(jù)線并行傳輸數(shù)據(jù)。優(yōu)點是傳輸速率高，缺點是協(xié)議復(fù)雜，實現(xiàn)困難。S5PV210芯片內(nèi)部提供SDI方式支持SD存儲卡，同時也支持SDIO設(shè)備和MMC存儲卡，接口電路較為成熟，不再贅述。

S5PV210集成IIS總線控制器，可實現(xiàn)對8/16位立體聲音頻編碼的接口，支持IIS總線數(shù)據(jù)格式。本產(chǎn)品音頻芯片采用Philips公司的UDA1341，該芯片可提供立體聲模擬信號與數(shù)字信號的互相轉(zhuǎn)換功能。

S5PV210片上集成SDRAM刷新控制邏輯，本系統(tǒng)中SDRAM存儲器采用2片HY57V561620，其容量為32M。2片HY57V561620構(gòu)成的32為SDRAM存儲器系統(tǒng)，用于構(gòu)建存儲嵌入式操作系統(tǒng)程序及其他復(fù)雜算法的硬件平臺。[3]SDRAM存儲器的接入電路示意圖如圖3所示。

圖3 SDRAM存儲器接入電路

NAND FLASH是FLASH閃存的一種，具有容量大、改寫速度快的優(yōu)點。由于其工藝和機(jī)構(gòu)的特點，NAND FLASH無法尋址直接運行程序，因此一般用于存儲數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)NAND FLASH采用三星公司的K9F1208芯片，其容量為64M×8位。S5PV210在啟動上電時自動讀取其數(shù)據(jù)到SRAM中，然后將代碼復(fù)制到外部RAM中運行。芯片接入電路示意圖如圖4所示。

圖4 K9F1208接入電路

3 結(jié)束語

本文以ARM芯片S5PV210為核心元件，構(gòu)建并擴(kuò)展數(shù)碼相框的硬件，設(shè)計了數(shù)碼相框的外圍電路：包含有NAND FLASH的讀入，按鍵KEY的控制，SD卡的讀寫、DRAM控制電路、UART配置及LCD顯示控制。同時設(shè)計了嵌入式操作系統(tǒng)的移植程序。外圍設(shè)備的驅(qū)動程序：LCD驅(qū)動、按鍵驅(qū)動和音頻驅(qū)動程序。該數(shù)碼相框可實現(xiàn)的功能有：多種格式照片的存儲、瀏覽和播放功能，并同幻燈片切換效果以及播放背景音樂。并可在硬件方案基礎(chǔ)上擴(kuò)展USB通信接口功能、網(wǎng)絡(luò)功能及觸屏功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]李麗.基于ADSP-BF533的電子相框系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2009（01）：1-2.

[2]任松巖.基于ARM的數(shù)碼相框的設(shè)計[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010（03）.

[3]熊積健等.基于S5PV210平板電腦設(shè)計[J].計算機(jī)與現(xiàn)代化，2012（05）.

[4]王麗偉.基于S3C2440和LINUX的嵌入式存儲設(shè)備驅(qū)動程序的研究與開發(fā)[D].青島：青島大學(xué)，2009（06）：54-55.

作者簡介：王麗娟（1979.11-），女，河南長葛人，碩士研究生，講師，研究方向：計算機(jī)通信、測控技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)；王文凡（1981.08-），女，河南禹州人，碩士研究生，講師，研究方向：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)應(yīng)用及多媒體技術(shù)；許亞峰（1981.05-），男，河南商丘人，本科，中級工程師，研究方向：移動通信核心網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計。

作者單位：鄭州升達(dá)經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院，鄭州 451191；中國聯(lián)通河南分公司，鄭州 450000

基金項目：鄭州升達(dá)經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院創(chuàng)辦人基金（項目編號：SDXM041）。