带触摸功能的TFT液晶显示模块.docx
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带触摸功能的TFT液晶显示模块
摘要
随着人们生活水平的不断提高，迅速发展的数字摄影已应用在计算机、通信、电子、交通、旅游、医疗、军事等各行各业需要图像的领域。
而高像素化、小型化、多功能化、时尚化的数码相机已在市场上呈爆炸性增长趋势。
本系统采用ARMCortex-M3内核的STM32F103C8T6作为微处理器，结合带3Mbit存储器的OV7670图像传感器、TF存储卡、GPS模块、带触摸的TFT液晶等设备，以FAT16文件系统，设计并实现了摄像，照片与图像浏览，电子书浏览，GPS导航定位等功能为一体的简易数码相机。
关键词：
STM32F103C8T6；OV7670；TF卡；TFT液晶；GPS模块；FAT16
Abstract
Aspeoplelivingstandardriseceaselessly,therapiddevelopmentofdigitalphotographyhasbeenusedincomputer,communications,electronics,transportation,tourism,medical,militaryandotherindustriesneedtoimagefield.Whilethehighpixel,miniaturization,morefunctional,fashionabledigitalcamerahasbeenonthemarketforexplosivegrowthtrend.ThissystemadoptsARMCortex-M3STM32F103R8T6kernelasthemicroprocessor,combinedwith3MbitsmemoryOV7670imagesensor,TFmemorycard,GPSmodule,withatouchofTFTliquidcrystalandotherequipment,toFAT16filesystem,thedesignandimplementationofvideo,photosandimagebrowsing,bookbrowsing,GPSnavigationandpositioningandotherfunctionsintoonesimpledigitalcamera.
Keywords：
STM32F103CBT6;OV7670;TFcard;TFTLCD;GPSmodule;FAT16
目录
1前言1
1.1选题背景与现状1
1.2论文的主要工作与结构1
2FAT文件系统3
2.1FAT16简介3
2.2FAT16存储原理4
3系统概述与硬件电路设计6
3.1系统概述6
3.2电源模块7
3.3微控制器模块7
3.4带触摸功能的TFT液晶显示模块9
3.5摄像头模块11
3.6全球导航定位GPS模块13
4系统软件设计15
4.1软件设计总流程15
4.2底层驱动程序设计15
4.2.1TFT显示驱动程序设计15
4.2.2XPT2046触摸驱动程序设计16
4.2.3TF卡读取驱动程序设计16
4.2.4RTC时钟驱动程序设计19
4.2.5摄像头驱动程序设计19
4.3功能模块程序设计21
4.3.1电子书与图片浏览功能程序设计21
4.3.2摄像头照片存储功能程序设计22
5系统调试与分析23
5.1系统硬件实物23
5.2系统调试出现的问题及解决办法23
5.3系统调试结果与分析24
6结束语25
参考文献25
附录27
致谢27
基于STM32处理器的简易数码相机设计
1前言
1.1选题背景与现状
随着电子技术水平不断提高，生活元素越来越多样化，报纸、电视、杂志等可以说是铺天盖地——有关数码产品[1]的信息向我们涌来，显然对数码相机这块大蛋糕的争夺之战已经开始了。
从1982年第一台数码相机问世至今短短十几年间[2]，数码相机以其强大的优势取得了飞速的发展。
数码相机从一开始就表现出了强大的优势，比如：
一、不用化学药品冲洗胶卷；二、不用暗室加工；三、拍摄后可直接连到计算机上观看并且图文并茂款式多样；四、对拍摄的图像与文字可以随时进行编辑处理和保存；五、拍摄的图像经过调制解调可远距离传输。
同时随着各项技术的发展，数码相机的性价比越来越高，可以想象在不久的将来数码相机将会成为人类必备的数码消费产品之一[3][4]。
目前数码相机主要采用DSP+MCU双内核架构，MCU用于完成整个数码相机的高速接口功能，而DSP则用于完成图像信号处理及一些附加功能的实现，对于实现这样的架构国内外许多企业都有自己的设计方式，比如TI公司推出的专用数码相机芯片DSC21等进行设计，在专用芯片中集成了DSP和ARM。
这样采用DSP进行图像数据的算法处理，ARM进行外围器件的控制和相关处理，以完成数码相机的功能。
也可以采用DSP+FPGA的架构，由FPGA内部编写相应的控制器来完成ARM的功能，同时也可以实现设计的柔性化[5]。
基于此，在技术上没有太大差别的数码相机，后起厂家若想赶超传统厂家，很显然在技术上市很难有大大作为，只有在找寻现有市场盲点的同时创造市场。
竞争的重点也就放在产品外观创新、功能性、人性化等，所以目前的数码相机趋势是性价比高、小型性、多功能化、时尚化[6]。
本课题研究、设计并实现了由高性价比的STM32F的处理器、功能强大但廉价的OV7670图像传感器、人性化的TFT触摸显示屏、极细小的TF存储卡等组成的多功能、时尚且小巧的简易数码相机[7]。
1.2论文的主要工作与结构
本论文主要做了如下工作：
1.研究并了解了数码相机的背景与现状。
2.学习并掌握了性价比高的STM32F处理器和外围设备的应用。
3.掌握了ARM开发工具RealViewMDK的使用入门。
4.研究并简述FAT文件系统和存储原理。
5.学习并掌握了TFT触摸屏的使用和极细小TF卡的使用。
6.设计并制作了简易数码相机的板，同时掌握了Protell99、DXP画图工具。
7.研究并掌握图像传感器OV7670模块[8][9]的图像采集过程和GPS模块的使用。
8.学会了该系统各部分硬件驱动程序的编写，和整机软硬件调试的方法。
本论文的结构如下：
首先介绍了FAT16文件系统和FAT16的存储原理；然后简要阐述STM32处理器在OV7670图像传感器、TFT触摸屏、GPS模块和TF卡等的硬件接口电路，以及软件设计总流程、底层驱动程序设计和功能模块的程序设计；最后验证了系统功能实现的正确性，并总结了本方案调试遇到的问题和解决办法，以及存在的缺陷和需进一步解决的问题等。
2FAT文件系统
FAT16是Microsoft较早推出的文档系统，兼容性好，现在仍然广泛应用于个人电脑尤其是存储设备中。
本设计TF卡存储读取采用了FAT16文件系统。
2.1FAT16简介
FAT[10]文件系统把存储卡划分为几个区，包括DBR扇区、保留扇区、FAT表1、FAT表2、根目录和数据区，具体结构如图2-1所示。
图2-1存储卡结构图
1.DBR区（DOSBOOTRECORD）
DBR区即文件系统引导记录区的意思，也称为引导扇区或启动扇区。
它记录了存储卡的所有重要信息，一共512个字节，本区各参数大小分布如图2-2所示。
图2-2DBR区参数大小分布图
2.关于保留扇区
系统之所以设置保留扇区，是为了对DBR作备份或留待以后升级时用。
当DBR扇区被破坏导致分区无法访问时。
可以用保留扇区的备份替换第0扇区来找回数据。
比如DBR偏移量0x0E位置的2个字节是0x0006，指明了保留的扇区数为6。
3.FAT表和数据的存储原则
FAT表（FileAllocationTable文件分配表），是Microsoft在FAT文件系统中用于磁盘数据（文件）索引和定位引进的一种链式结构。
在FAT文件系统中，文件的存储依照FAT表制定的簇链式数据结构来进行。
同时，FAT文件系统将组织数据时使用的目录也抽象为文件，以简化对数据的管理。
4.根目录
FAT文件系统的目录结构其实是一颗有向的从根到叶的树，这里提到的有向是指对于FAT分区内的任一文件（包括文件夹），均需从根目录寻址来找到。
可以这样认为：
目录存储结构的入口就是根目录。
FAT文件系统根据根目录来寻址其他文件（包括文件夹），故而根目录的位置必须在磁盘存取数据之前得以确定。
FAT文件系统就是根据分区的相关DBR参数与DBR中存放的已经计算好的FAT表（2份）的大小来确定的。
格式化以后，根目录的大小和位置其实都已经确定下来了，位置紧随FAT2之后。
2.2FAT16存储原理
格式化FAT16分区时，格式化程式根据分区的大小确定簇的大小，然后根据保留扇区的数目、根目录的扇区数目、数据区可分的簇数和FAT表本身所占空间来确定FAT表所需的扇区数目，然后将计算后的结果写入DBR的相关位置。
FAT16文档系统从根目录所占的32个扇区之后的第一个扇区开始以簇为单位进行数据的处理，这之前仍以扇区为单位。
对于根目录之后的第一个簇，系统并不编号为第0簇或第1簇，而是编号为第2簇，也就是说数据区顺序上的第1个簇也是编号上的第2簇。
FAT表实际上是个数据表，以2个字节为单位，这个单位称为FAT记录项，通常情况其第1、2个记录项（前4个字节）用作介质描述。
从第三个记录项开始记录除根目录外的其他文档及文档夹的簇链情况。
根据簇的表现情况FAT用相应的取值来描述，见表2-1。
表2-1FAT取值含义
FAT16记录项的取值
对应簇的表现情况
0000
未分配的簇
0002～FFEF
已分配的簇
FFF0～FFF6
系统保留
FFF7
坏簇
FFF8～FFFF
文件结束簇
FAT表记录了磁盘数据文档的存储链表，对于数据的读取而言是极其重要的，以至于Microsoft为其研发的FAT文档系统中的FAT表创建了一份备份，就是我们看到的FAT2。
FAT2和FAT1的内容通常是实时同步的，也就是说假如通过正常的系统读写对FAT1做了更改，那么FAT2也同样被更新。
FAT文档系统的目录结构其实就是FAT分区内的任一文档，均需从根目录寻址来找到。
正如上面所述，FAT文档系统是根据分区的相关DBR参数和DBR中存放的已计算好的FAT表的大小来确定的。
FAT文档系统的一个重要思想是把目录（文档夹）当作一个特别的文档来处理，在FAT16中，虽然根目录地位并不等同于普通的文档或说是目录，但其组织形式和普通的目录（文档夹）并没有不同。
其具体存储原理是不管目录文档所占空间为多少簇，一簇为多少字节。
系统都会以32个字节为单位进行目录文档所占簇的分配。
这32个字节以确定的偏移来定义本目录下的一个文档（或文档夹）的属性，实际上是个简单的二维表，见表2-2所列。
表2-2文件目录表各字段定义
FAT16文件目录项32个字节的定义
字节偏移量
字数量
定义
0x0～0x7
8
文件名
0x8～0xA
3
扩展名
0xB
1
属性字节
0x00（读写）
0x01（只读）
0x02（隐藏）
0x04（系统）
0x08（卷标）
0x10（子目录）
0x20（归档）
0xC～0x15
10
系统保留
0x16～0x17
2
文件的最近修改时间
0x18～0x19
2
文件的最近修改日期
0x1A～0x1B
2
表示文件的首簇号
0x1C～0x1F
4
表示文件的长度
3系统概述与硬件电路设计
3.1系统概述
本系统是基于STM32处理器的一种简易数码相机设计方案。
该系统主要由STM32C8T6处理器、OV7670图像传感器、带有触摸的TFT液晶、TF存储卡、GPS模块等设备组成。
STM32是以ARMCortex-M3[11][12]为核心的高性价比处理器，OV7670是提供VGA摄像头与摄像处理器所有功能的图像传感器模组、且带有3Mbit的AL422B存储器，显示采用带有触摸功能的TFT液晶，TF存储卡用于存储照片、图片、电子书等信息，系统的总体框图如图3-1所示。
其中，系统的电源由锂电池提供，OV7670图像传感器输出的8位RGB数据放在AL422B存储器，再由AL422B读出来的数据直接驱动彩屏。
对于TF卡来说，首先读好数据，再分为8位发送，这样基本看不到刷图的痕迹，直接显示图像。
拍好的照片以.BMP格式，通过SPI总线传送到TF卡存储。
从拍摄到查看图像，只需用手触摸液晶屏操作即可完成，方便了人机交流。
同时本系统增加了GPS导航定位的功能，增加系统的多功能性。
图3-1系统总体框图
3.2电源模块
电源[13][14]是电子设备中必不可少的一部分，它为设备提供了能量。
电源模块电路如图3-2所示。
系统电源采用锂电池供电，P4为锂电池接口，类似移动电源供电，而且用万能充之类即可充电，很方便。
电路中的电容起耦合作用；LP2980IM5-X3.3是3.3V稳压芯片，给整个系统[15]供电稳定的电源。
图3-2电源模块电路
3.3微控制器模块
本设计中的微控制器采用意法半导体公司出产的STM32F103C8T6芯片。
STM32F103C8T6[16]基于ARMCortex-M3内核设计，片上集成有丰富的资源，允许最高72MHz的工作频率，是一款性价比很高的32位ARM处理器，是低成本ARM嵌入式应用的极佳选择。
其引脚分布如图3-3所示。
图3-3STM32F103CBT6引脚图
在本系统中，STM32起控制外设和处理数据的作用。
对于OV7670图像传感器来说，OV7670输出的数据直接存入AL422B存储器中，经过STM32处理后，由AL422B输出的数据去驱动TFT，即可显示图像。
对于TF存储卡来说，先把读好的数据，再分8位的数据通过SPI发送至STM32进行控制即可。
对于GPS模块，只要通过串口收发数据给STM32进行处理数据即可。
STM32F103C8T6的各引脚接口分布如表3-1所列。
表3-1STM32F103C8T6引脚接口分布表
STM引脚编号
连接器件
备注
3，4
32.678kHz晶振
RTC时钟晶振
5，6
8MHz晶振
系统时钟
PB8～PB15
触摸液晶模块接口
液晶8位数据口
PB0,PA5～PA7
TF卡
STM32的SPI接口
PA0～PA2
触摸液晶模块接口
液晶控制接口
PB3～PB7
触摸液晶模块接口
触摸控制接口
PA8，PA11～PA13
摄像头接口
摄像头数据时钟线口
PA3～PA4，PA9～PA10
存储器接口
存储器时钟与使能接口
STM32F103C8模块接口电路如图3-4所示。
图中，J3为插针，用于选择系统的启动模式，当BOOT0=1时用户闪存存储器被选为启动区域，此时可以通过串口下载程序；当BOOT0=0时，系统存储器被选为启动区域。
电源滤波为STM32F103C8电源引脚的旁路电容，能够起到稳定电源的作用，在PCB布板时应尽量靠近MCU。
Y1为8MHz晶振，为STM32F103C8T6提供工作时钟，在设计时也要靠近MCU，避免干扰。
图3-4STM32F103C8T6模块接口电路
3.4带触摸功能的TFT液晶显示模块
本系统采用2.4寸带有触摸的TFT液晶屏，不仅显示效果细腻、而且省电，最重要的是操作简单，全触摸操作，方便人机交流。
TFT液晶屏通过STM32处理器来控制显示，OV7670通过输出的数据来直接驱动彩屏。
TFT液晶屏带有触摸，有彩屏功能。
以往的电路设计一般都采用LCD1602或LCD12864，不过它们都是黑白屏，不能提供彩色图片显示的功能。
随着TFT屏的广泛使用，它的价格也越来越低，并且更符合本设计的要求，因而本系统便采用2.4寸TFT-LCD[17]，它的显示驱动采用ILI9325[18]，其特征如下：
Ø320×240分辨率；
Ø供电电压2.5～3.3V；
Ø8位数据接口；
Ø高对比度、高亮度、低功耗；
Ø4线式模拟电阻式触摸屏。
当触摸屏被按下时会得到模拟的电压值，因此要将该值转换成坐标就需要一个A/D控制器。
这种触摸屏的A/D控制芯片有很多，本系统触摸控制芯片采用TI公司的XPT2046[19]低压I/O触摸屏控制器，其成本比ADS7843低很多，而且兼容ADS7843。
该芯片的引脚图如下图见图3-5所示，其各个引脚的说明如表3-2所列。
图3-5XPT2046引脚图
表3-2XPT2046芯片引脚说明
引脚号
引脚名称
引脚说明
1
VCC
电源（2.2V～5.25V）
2
XP
X+位置输入
3
XD
Y+位置输入
4
XN
X-位置输入
5
YN
Y-位置输入
6
GND
地
7
VBAT
电池监控器输入
8
AUX
ADC辅助输入
9
VREF
基准电压输入输出（2.5V）
10
+VCC
数字I/O电源（2.2V～5.25V）
11
笔段控制脚
12
DOUT
连续数据输出，数据在DCLK下降沿转换，
为高电平时输出高阻抗
13
BUSY
BUSY输出，
为高电平时输出高阻抗
14
DIN
连续数据输入，数据在DCLK上升沿保持
15
芯片选择输入，控制转换时间，控制连续数据输入输出寄存器。
为高电平时等同于掉电模式，仅仅对ADC有效
16
DCLK
外部时钟输入端。
时钟驱动SAR转换器，并与连续输入输出同步
带触摸功能的TFT液晶显示模块电路如图3-6所示。
图中，三极管Q1用来控制TFT背光；R3与C11构成屏的硬件复位；PB08～PB15是显示驱动ILI9325的8位数据线；XPT2046是触摸芯片，兼容ADS7843。
图3-6带触摸功能的TFT液晶显示模块电路
3.5摄像头模块
本模块是由OV7670[20]与AL422B存储器组合而成的。
其模块电路如图3-9所示。
1.OV7670图像传感器
OV7670CAMERACHIPTM图像传感器[21]，体积小、工作电压低，提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能。
通过SCCB总线控制，可以输出整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率8位影响数据。
该产品VGA图像最高达到30帧/秒。
用户可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式。
所有图像处理功能过程包括伽玛曲线、白平衡、饱和度、色度等都可以通过SCCB接口编程。
该图像传感器应用独有的传感器技术，通过减少或消除光学或电子缺陷如固定图案噪声、托尾、浮散等，提高了图像质量，得到了清晰、稳定的彩色图像。
其模块功能框图如图3-7所示。
OV7670的引脚说明如表3-3所列。
图3-7模块功能图
表3-3OV7670引脚说明
引脚
名称
引脚说明
1
NC
电源（2.2V～5.25V）
2
AGND
模拟地
3
TFA
SCCB数据口
4
AVDD
模拟电源
5
SCL
SCCB时钟口
6
RESET
0：
复位，初始化所有寄存器到默认值；1：
一般模式
7
VSYNC
帧同步
8
PEDN
0：
POWERUP；1：
POWERDOWN
9
HREF
行同步
引脚
名称
引脚说明
10
DVDD_1.8V
内核电压（+1.8VDC）
11
D0VDD_2.8V
I/O电源，电压（1.7～3.3V）
12
D7
数据位7
13
XCLK
系统时钟输入
14
D6
数据位6
15
DGND
数字地
16
D5
数据位5
17
PCLK
像素时钟
18
D4
数据位4
19
D0
数据位0
20
D3
数据位3
21
D1
数据位1
22
D2
数据位2
摄像头模块OV7670中TFA和SCL是SCCB的数据口与时钟口，只要保证SCCB的读写寄存器没问题，调试就完成一大半了。
同时，VSYNC是帧同步信号，HREF是行同步信号，每刷一帧图像需刷屏320*240个像素，PCLK是像素时钟，摄像头本身时钟是24MHz左右，经过三分频提供的像素时钟为8MHz，XCLK是系统时钟输入也为8MHz。
数据位D0-D7输出给存储器AL422B的DI0-DI7，再由AL422B输出数据去驱动TFT。
2.AL422B存储器
AL422B存储器有3Mbit内存，并配置393216字节和8位先进先出数据的存储器。
内置的地址和指针控制电路提供简单的串行接口总线读/写存储器，从而减少芯片间的设计工作。
该8位读/写端口可以独立在最大50MHz的速度下工作，其芯片引脚图见图3-8所示。
图3-8AL422B存储器的引脚图
摄像头模块电路如图3-9所示。
其中，WE是写信号，低电平有效，当WE为低电平时，AL422B接收到OV7670的8位RGB数据；当WE为高电平时，AL422B再输出8位数据给TFT，从而驱动TFT显示图像。
WRST是写复位信号，低电平有效，很多情况下因为写复位没写好，会造成显示图像的畸形。
PCLK是OV7670的像素时钟，作为AL422B的写时钟。
OE是使能信号，低电平有效。
RRST是读复位信号，低电平有效。
RSC是读时钟信号，由系统提供。
图中的DI0-DI7的8位数据分别由OV7670输出的8位数据来提供，DO0-DO7是AL422B的输出的数据给TFT，来驱动它。
图3-9摄像头模块电路
3.6全球导航定位GPS模块
本系统GPS模块采用韩国JCOMC3-470B/C470C[22]（SiRFIII芯片）内置天线模块，其特点如下：
Ø内置GPS接收器，保护罩；
Ø完全的SiRFstarIIIGPS结构；
ØGSC3F/LP高性能GPS单芯片；
ØGPSDSP以及内置RTC时钟的ARM7TDMICPU处理器；
Ø4MbitFLASH存储空间；
Ø低噪声运放和SAW滤波器；
Ø温度补偿晶体振荡器，Reset和校准器等功能；
Ø内置备用电池；
GPS模块实物图如图3-10所示。
图3-10GPS模块实物
GPS模块的引脚如表3-4所列。
GPS模块用3.3V供电，模块的TX、RX引脚分别与系统的RX、TX相接。
因为该模块内部已经含有固件，所以只要通过串口收发数据，就可实现导航定位的功能，使用简单方便。
正常情况下，全球有27颗卫星，其中有24颗在运行，3颗是备用的，南北半球各占12颗，只要能收到3颗以上的卫星，GPS就可以通过串口收发数据经过STM32处理即可实现导航定位的功能。
但是，该模块在室内收不到信号，或者比较弱。
表3-4GPS模块引脚说明
引脚
名称
引脚说明
1
EN
电源稳压器启用
2
VCC（5.0）
电源电压（2.0～5.0V）
3
TXA
串行TX端口
4
RXA
串行RX端口
5
GND
电压地
6
BOOT
BOOT端口模式：
接VCC，BOOT开启；悬空，BOOT关闭
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