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[资料] 【正点原子FPGA连载】第十九章SD卡读BMP图片LCD显示实验-领航者ZYNQ之嵌入式开发教程
2020-9-5 15:39:21  48 正点原子FPGA
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第十九章SD卡读BMP图片LCD显示实验
在“SD卡读写TXT文本实验”中,我们利用fatfs在SD卡中实现了TXT文本的创建、写入与读取。在本次实验中,我们将学习如何从SD卡中读取BMP图片,并将其显示在LCD上。
本章包括以下几个部分:
1919.1简介
19.2实验任务
19.3硬件设计
19.4软件设计
19.5下载验证
19.1简介
我们常用的图片格式有很多,一般最常用的有三种:JPEG(或JPG)、BMP和GIF。其中JPEG(或JPG)和BMP是静态图片,而GIF则是可以实现动态图片。在本次实验中,我们选择使用BMP图片格式。
BMP(全称Bitmap)是Window操作系统中的标准图像文件格式,文件后缀名为“.bmp”,使用非常广。它采用位映射存储格式,除了图像深度可选以外,不采用其他任何压缩,因此,BMP文件所占用的空间很大,但是没有失真。BMP文件的图像深度可选lbit、4bit、8Bit、16bit、24bit及32bit。BMP文件存储数据时,图像的扫描方式是按从下到上、从左到右的顺序。
典型的BMP图像文件由四部分组成:   
1、BMP文件头,它包含BMP图像文件的类型、大小等信息;
2、BMP信息头,它包含有BMP图像的宽、高、压缩方法,以及定义颜色等信息;
3、调色板,这个部分是可选的,如果使用索引来表示图像,调色板就是索引与其对应颜色的映射表;   
4、位图数据,即图像数据,在位深度为24位时直接使用RGB格式,而小于24位时使用调色板中颜色的索引值。
各个部分的大小如下图所示:

图 19.1.1 BMP文件各部分及其大小

我们一般见到的图像以24位图像为主,即R、G、B三种颜色各用8个bit来表示,这样的图像我们称之为真彩色。在这种情况下是不需要调色板的,位图信息头后面紧跟的就是位图数据了。也就是说,位图文件从文件头开始偏移54个字节就是图像数据了。在这里我们就以一幅24位BMP图片为例,如图 19.1.2所示,详细介绍其文件结构。


图 19.1.2 示例图片:24位BMP图片

首先我们来看一下该图片在Window中的属性信息,如下图所示:

图 19.1.3 示例图片属性

图 19.1.3中包括BMP图片的文件属性以及其图像属性,文件大小为1.09MB,图像分辨率为800*480,每个像素点的颜色使用24位表示。
接下来,我们使用Notepad++以十六进制格式打开该BMP文件,如下图所示:

图 19.1.4 示例图片16进制数据

图 19.1.4中红色矩形区域为BMP文件头,共14字节;蓝色区域为BMP信息头,共40字节;剩余部分为图像数据。左下角红色椭圆区域表明整个BMP文件共1152054个字节,除去文件头和信息头所占的54个字节,图像数据为1152000字节。由于示例图片每个像素点使用3个字节表示颜色,因此我们可以计算出图像数据的大小为800*480*3 = 1152000字节,与Notepad++中计算得到的结果一致。
首先来了解一下BMP文件头的数据结构,如下表所示:
表 19.1.1 BMP文件头数据结构


我们将表 19.1.1中橙色区域与下图矩形区域中的数据一一对应:

图 19.1.5 BMP文件头

对比后可得到如下结果:
1、bf_Size:位图文件的大小为0x119436,即1152054字节(1.09MB),与示例图片属性一致。需要注意的是,在BMP文件中,如果一个数据需要用几个字节来表示的话,那么该数据的低字节存放在低地址,高字节存放在高地址;
2、bfOffBits:文件头到图像数据之间的偏移量为0x36,即54字节。这个偏移量非常有用,我们可以利用它快速定位BMP文件中的图像数据的位置。
接下来是BMP信息头的数据结构,如下表所示:
表 19.1.2 BMP信息头数据结构



同样,将中橙色区域与下图矩形区域中的数据一一对应:

图 19.1.6 BMP信息头

对比后可得到如下结果:
1、biWidth:图像的宽度为0x320,即800像素;
2、biHeight:图像的高度为0x1e0,即480像素;
3、biBitCount:像素的位深度为0x18,即24位;
4、biSizeImage:图像的大小为0x119400,即1152000字节。
19.2实验任务
本章的实验任务是使用领航者ZYNQ开发板读取SD卡中存放的BMP格式图片,分辨率为800*480,并将其显示在LCD上。
19.3硬件设计
根据实验任务我们可以画出本次实验的系统框图,如下图所示:

图 19.3.1 系统框图

图 19.3.1与“PS通过VDMA驱动LCD显示实验”中的系统框图基本相同,其中各个模块的功能介绍请大家参考相应的章节。唯一不同的地方是,在“PS通过VDMA驱动LCD显示实验”中我们显示在LCD上的是CPU在ddr3内存中绘制的彩条图案。而在本次实验中,我们需要从SD卡中读取BMP图片,并将其写到DDR3相应的内存空间,用于LCD显示。
本次实验的硬件环境可以在“PS通过VDMA驱动LCD显示实验”的基础上搭建。由于需要读SD卡的功能,因此在配置ZYNQ7 PS模块时,需要使能SD卡控制器外设,具体方法请参考“SD卡读写TXT文本实验”中的硬件设计部分。
19.4软件设计
为了能够在软件中读取SD卡中的文件,我们需要设置BSP工程,添加并设置FATFS库。具体的方法请参考“SD卡读写TXT文本实验”软件设计部分。
接下来修改main.c文件中的代码,修改完成后代码的主体部分如下所示:
  • 1 #include <stdio.h>
  • 2 #include <stdlib.h>
  • 3 #include <string.h>
  • 4 #include "xil_types.h"
  • 5 #include "xil_cache.h"
  • 6 #include "xparameters.h"
  • 7 #include "xgpio.h"
  • 8 #include "xaxivdma.h"
  • 9 #include "xaxivdma_i.h"
  • 10 #include "display_ctrl/display_ctrl.h"
  • 11 #include "vdma_api/vdma_api.h"
  • 12 #include "ff.h"
  • 13
  • 14 //宏定义
  • 15 #define BYTES_PIXEL 3 //像素字节数,RGB888占3个字节
  • 16 #define DYNCLK_BASEADDR XPAR_AXI_DYNCLK_0_BASEADDR //动态时钟基地址
  • 17 #define VDMA_ID XPAR_AXIVDMA_0_DEVICE_ID //VDMA器件ID
  • 18 #define DISP_VTC_ID XPAR_VTC_0_DEVICE_ID //VTC器件ID
  • 19 #define AXI_GPIO_0_ID XPAR_AXI_GPIO_0_DEVICE_ID //PL端 AXI GPIO 0(lcd_id)器件ID
  • 20 #define AXI_GPIO_0_CHANEL 1 //PL按键使用AXI GPIO(lcd_id)通道1
  • 21
  • 22 //函数声明
  • 23 void load_sd_bmp(u8 *frame);
  • 24
  • 25 //全局变量
  • 26 XAxiVdma vdma;
  • 27 DisplayCtrl dispCtrl;
  • 28 XGpio axi_gpio_inst; //PL端 AXI GPIO 驱动实例
  • 29 VideoMode vd_mode;
  • 30 //frame buffer的起始地址
  • 31 unsigned int const frame_buffer_addr = (XPAR_PS7_DDR_0_S_AXI_BASEADDR + 0x1000000);
  • 32 unsigned int lcd_id=0; //LCD ID
  • 33
  • 34 int main(void)
  • 35 {
  • 36 //获取LCD的ID
  • 37 XGpio_Initialize(&axi_gpio_inst,AXI_GPIO_0_ID);
  • 38 lcd_id = LTDC_PanelID_Read(&axi_gpio_inst,AXI_GPIO_0_CHANEL);
  • 39 xil_printf("LCD ID: %x\r\n",lcd_id);
  • 40
  • 41 //根据获取的LCD的ID号来进行video参数的选择
  • 42 switch(lcd_id){
  • 43 case 0x4342 : vd_mode = VMODE_480x272; break; //4.3寸屏,480*272分辨率
  • 44 case 0x4384 : vd_mode = VMODE_800x480; break; //4.3寸屏,800*480分辨率
  • 45 case 0x7084 : vd_mode = VMODE_800x480; break; //7寸屏,800*480分辨率
  • 46 case 0x7016 : vd_mode = VMODE_1024x600; break; //7寸屏,1024*600分辨率
  • 47 case 0x1018 : vd_mode = VMODE_1280x800; break; //10.1寸屏,1280*800分辨率
  • 48 default : vd_mode = VMODE_800x480; break;
  • 49 }
  • 50
  • 51 //配置VDMA
  • 52 run_vdma_frame_buffer(&vdma, VDMA_ID, vd_mode.width, vd_mode.height,
  • 53 frame_buffer_addr,0, 0,ONLY_READ);
  • 54
  • 55 //初始化Display controller
  • 56 DisplayInitialize(&dispCtrl, DISP_VTC_ID, DYNCLK_BASEADDR);
  • 57 //设置VideoMode
  • 58 DisplaySetMode(&dispCtrl, &vd_mode);
  • 59 DisplayStart(&dispCtrl);
  • 60
  • 61 //读取SD卡图片并显示
  • 62 load_sd_bmp((u8*)frame_buffer_addr);
  • 63
  • 64 return 0;
  • 65 }
  • 66


主函数的代码与“PS通过VDMA驱动LCD显示实验”几乎完全相同,我们只需要将其中写彩条的函数修改为函数load_sd_bmp(u8 *frame)即可,如程序第23行和第62行所示。另外,由于对SD卡进行操作用到了FAT文件系统相关的函数,因此在程序的第12行还包含了ff.h头文件。
有关这部分代码更详细的介绍,请大家参考“PS通过VDMA驱动LCD显示实验”软件设计部分。
load_sd_bmp(u8 *frame)函数负责从SD卡中读取BMP格式的图片,并将其写入图片显存所对应的地址空间中,其代码如下所示:
  • 67 //从SD卡中读取BMP图片
  • 68 void load_sd_bmp(u8 *frame)
  • 69 {
  • 70 static FATFS fatfs;
  • 71 FIL fil;
  • 72 u8 bmp_head[54];
  • 73 UINT *bmp_width,*bmp_height,*bmp_size;
  • 74 UINT br;
  • 75 int i;
  • 76
  • 77 //挂载文件系统
  • 78 f_mount(&fatfs,"",1);
  • 79
  • 80 //打开文件
  • 81 f_open(&fil,"fengjing.bmp",FA_READ);
  • 82
  • 83 //移动文件读写指针到文件开头
  • 84 f_lseek(&fil,0);
  • 85
  • 86 //读取BMP文件头
  • 87 f_read(&fil,bmp_head,54,&br);
  • 88 xil_printf("fengjing.bmp head: \n\r");
  • 89 for(i=0;i<54;i++)
  • 90 xil_printf(" %x",bmp_head);
  • 91
  • 92 //打印BMP图片分辨率和大小
  • 93 bmp_width = (UINT *)(bmp_head + 0x12);
  • 94 bmp_height = (UINT *)(bmp_head + 0x16);
  • 95 bmp_size = (UINT *)(bmp_head + 0x22);
  • 96 xil_printf("\n width = %d, height = %d, size = %d bytes \n\r",
  • 97 *bmp_width,*bmp_height,*bmp_size);
  • 98
  • 99 //读出图片,写入DDR
  • 100 for(i=*bmp_height-1;i>=0;i--){
  • 101 f_read(&fil,frame+i*(*bmp_width)*3,(*bmp_width)*3,&br);
  • 102 }
  • 103
  • 104 //关闭文件
  • 105 f_close(&fil);
  • 106
  • 107 Xil_DCacheFlush(); //刷新Cache,数据更新至DDR3中
  • 108 xil_printf("show bmp\n\r");
  • 109 }
  • 110


在上面的程序中,主要是通过调用FATFS库函数来读取SD卡中的BMP图片文件。本章的简介部分详细介绍了BMP图片的数据格式,我们首先要读取BMP文件前面54个字节的数据,如程序第87行所示,其中包含了BMP图片的分辨率等信息。然后在程序的92至97行,我们根据BMP信息头中各数据的偏移地址,找到并打印出图像的分辨率和大小等信息。
在读取BMP文件之前,我们先通过调用f_lseek(&fil,0)函数将文件的读写指针移动到文件开头。然后在读取54个字节的数据之后,读写指针便移动到了BMP文件中图像数据的起始位置。接下来就可以通过f_read()函数继续读取下面的图像数据。
我们需要注意的是程序的第99至102行。由于BMP文件存储数据时,图像的扫描方式是按从下到上、从左到右的顺序,因此如果我们直接将一整幅图片存入DDR显存,那么最终显示出来的将是一个上下颠倒的图片。在这里我们通过一个for循环来读取一整幅BMP图片,从上到下每次读取一行,然后把先读出来的数据放到了图片显存后面的位置。也就是说,读出来的第一行数据实际上是BMP图片的最后一行图像,因此要把它放在显存的最后一行。通过这个for循环,我们就可以将上下颠倒的图像给反过来。
最后通过调用Xil_DCacheFlush( )函数将缓存在DataCache中的数据刷新到DDR3中,供PL中的模块读取并在LCD上显示。
到这里本次实验的软件设计就介绍完了,如果大家对FATFS库函数的使用方法不熟悉的话,请参考“SD卡读写TXT文本实验”中的软件设计部分。
19.5下载验证
首先我们将下载器与领航者底板上的JTAG接口连接,下载器另外一端与电脑连接。然后使用Mini USB连接线将开发板左侧的USB_UART接口与电脑连接,用于串口通信
接下来使用FPC排线将正点原子的RGB LCD屏幕连接到领航者底板上的LCD接口。然后把本章简介部分所给出的示例图片重命名为“fengjing.bmp”,并拷贝到SD卡的根目录下。最后将micro SD卡插入领航者底板背面的卡槽中。
需要注意的是,拷贝到Micro SD卡中的BMP图片分辨率应与开发板所连接的LCD屏幕分辨率保持一致。我们在工程目录下新建了一个名为“风景图片”的文件夹,里面有四种不同分辨率的图片,如下图所示:


图 19.5.1 不同分辨率的BMP图片

比如本次实验使用的LCD屏幕分辨率为800*480,那么就将上图中名为“fengjing_800x480.bmp”的图片拷贝到Micro SD卡根目录下。在拷贝完成后,千万不要忘记将Micro SD中图片的名称修改为“fengjing.bmp”。
另外本次实验要求使用的Micro SD卡为fat32格式,如果不是,那么在使用前需要将其格式化为FAT32格式。
准备工作完成之后,接下来连接开发板的电源,并打开电源开关
在SDK软件下方的SDK Terminal窗口中点击右上角的加号来设置并连接串口。然后下载本次实验硬件设计过程中所生成的BIT文件,来对PL进行配置。最后下载软件程序,下载完成后,在下方的SDK Terminal中可以看到应用程序打印的信息,如下图所示:


图 19.5.2 串口打印信息

图 19.5.2中打印出了BMP图片的文件头和信息头等信息,与图 19.1.4中的数据保持一致。同时从数据中计算出BMP图片的宽度为800,高度为480。另外根据读出的LCD屏幕ID看出,所使用的LCD屏幕分辨率为800*480,与Micro SD卡中的BMP图片分辨率一致。如果不一致,那么屏幕上就无法正常显示图片。
LCD屏幕上显示的图片如下图所示,说明本次实验在领航者ZYNQ开发板上面下载验证成功。


图 19.5.3 下载验证


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