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手持式电子阅读器论文
手持式电子阅读器
作者：
曾学林
方景杰
孙峰
摘要
本阅读器以EasyARM1138作为系统硬件核心，以IAREmbeddedWorkbenchforARM作为系统软件开发平台，具备自动阅读控制、手动向上向下翻页控制、睡眠关机控制、背光开关控制、系统信息查看、SD卡信息查看、文件信息查看、系统运行时间查看等功能。
本阅读器以SD卡作为文本文件载体，SD卡中的文本文档可以通过PC机更新。
阅读器电能由两节7号电池提供，系统运行具有低功耗特点。
本阅读器可以作为手持式个人数字助理。
关键词EasyARM1138；文本文档；阅读器；SD卡
Abstract
ThereaderputsEasyARM1138asthecoreofthehardwareofthesystem,andputsIAREmbeddedWorkbenchasthedevelopmentplatformofthesoftwareofthesystem.Thefunctionsofthereaderfollowas:
readingwithautomaticcontrol,manuallycontrolthepageupanddown,sleepingwithautomaticshutdown,switchingbacklightwithautomaticcontrol,viewingtheinformationofsystem,viewingtheinformationofSDcard,viewingtheinformationoffile,checkingtherunningtimeofthesystemandsoon.
ThereaderputstheSDcardastextfilethevector,thetextdocumentofSDcardcanbeupdatedthroughPersonalComputer.Twopieceof7thbatterycansupplythepowerofthereader.Thesystemhasthepropertyofoperatingwithlowpowerconsumption.
Anyway,thereadercanbeusedashand-heldpersonaldigitalassistant.
Keywords:
EasyARM1138；Textdocument；Reader；SDcard
目录
1.系统设计方案3
1.1.研制背景3
1.2.系统性能与指标3
1.3.设计宗旨4
1.4.总体方案4
2.硬件电路设计6
2.1.SD卡接口电路6
2.2.LCD显示电路7
2.3.键盘电路8
2.4.电源电路10
2.5.处理器部分电路11
3.软件设计13
3.1.监控程序设计13
3.1.1.系统人机界面13
3.1.2.程序总体框架13
3.1.3.人机界面信息处理15
3.2.底层驱动部分程序设计15
3.2.1.SD卡驱动15
3.2.2.LCD显示驱动20
3.2.3.键盘驱动22
3.2.4.FAT16文件系统23
3.3.应用层功能模块程序设计24
3.3.1.从文件中读取一个字符24
3.3.2.从文件中读取一个文字26
3.3.3.从SD卡读取一个目录项26
3.3.4.向下向上翻页26
3.3.5.其它类程序功能模块27
4.调试与测试28
4.1.调试与测试设备28
4.2.底层驱动软件测试28
4.2.1.显示部分测试28
4.2.2.键盘部分29
4.2.3.SD卡部分29
4.3.应用层软件测试31
4.4.系统整体测试32
5.结束语34
6.参考文献35
1.
系统设计方案
1.1.研制背景
21世纪随着网络技术和信息技术的不断发展，人们越来越习惯于从网上搜索信息来阅读使用，电子阅读渐渐地走进了普通大众的生活，手持电子阅读器这种适于离线阅读的电子设备也大量出现。
目前国内的手持电子阅读器正处在发展阶段，以白底黑字为主，屏幕为3-7寸静态屏幕，支持SD扩展卡，具备翻页，显示页码等功能。
国外的电子阅读器早在1998年就已经诞生，，并已研制出彩色阅读器。
从技术角度来说，电子墨水即E-Ink技术，是目前各大专业电子书厂商争相采用的技术，也是未来一段时间内发展的方向。
这一技术的优势在于，它是因为颗粒的凹陷照到颗粒上进行反射，而纸上印的墨汁是通过光线照射上去反射回来。
因此从理论上讲，应用E-Ink技术的显示屏与纸的基质完全一样，与纸的阅读效果也很接近，没有视角，没有主动光源，看上去比较清晰，空间力比较高。
目前，电子阅读器属于电子消费类专属产品，其专注于阅读功能，追求高质量显示，但是价格过高成了其发展的瓶颈。
基于EasyARM1138的手持式电子阅读器采用扩展SD卡的方式来存储文件，SD卡的大小（≦2G）可由用户自己选择，从而可大幅度降低阅读器成本。
在不影响阅读的情况下，显示部分采用128*64分辨率的LCD；控制器部分采用LM3S1138微控制器。
LM3S1138微控制器以ARMCortex™-M3处理器为内核，具有内存小、简化管脚数以及低功耗三方面特点，是一款高性能、低成本的内核。
以上表明，研制基于EasyARM1138的手持式电子阅读器在目前市场上具有广阔的前景和重大意义。
1.2.系统性能与指标
本阅读器为一手持式掌上设备，具有阅读SD卡中的文本文档基本功能，还具备其它阅读辅助功能，如自动阅读功能、睡眠关机功能、背光开关功能、系统信息/SD卡信息查看等。
通过这些辅助功能使用户在使用阅读器时更加方便快捷，更有效的管理阅读器。
作为掌上设备，应具备超小体积，超低功耗等特点。
在器件的选择上应选用集成度高、低功耗的器件。
由于此次控制部分用的是开发板组合，不可避免地使系统体积变得庞大，但完全不影响阅读器的各种功能。
本阅读器具有如下功能：
●自动阅读：
选择自动阅读功能打开或关闭，选择几秒自动翻页一次，选择向上或向下翻页。
●睡眠关机：
选择睡眠关机功能的打开或关闭，选择自动关机时间。
●背光开关：
选择显示器背光的打开或关闭功能。
●系统信息：
查看系统的一些说明信息。
●SD卡信息：
查看关于本系统所使用的SD卡的一些信息。
●文件信息：
查看关于所阅读文本文档的有关信息。
●系统运行时间：
查看系统自启动到当前所运行的时间。
本阅读器性能指标：
使用环境：
温度范围-20℃~50℃
电源：
两节7号电池供电
SD卡容量：
不大于2G
1.3设计宗旨
本阅读器软件设计力求模块化，各个功能模块独立实现，具有可移植性。
统一操作界面的风格，实现其标准化。
在编写各个底层驱动程序时充分考虑了可移植性和可维护性，所以在编写各部分程序时都力求标准，注释也比较详细。
在硬件设计上，本着用尽量少的元器件完成相同的电路功能的宗旨，以减少系统成本。
用软件代替一些硬件的工作，以提高系统的稳定性和可靠性。
1.4总体方案
本阅读器硬件部分由五部分构成：
EasyARM1138开发板、LCD显示电路、键盘电路
、电源处理电路和SD卡接口电路。
系统硬件结构如图1-1所示。
电源处理模块将两节7号电池的供电电压并通过转换电路升压至+5V，然后把+5V电压直接提供给EasyARM1138开发板。
SD卡所需的+3.3V电压由EasyARM1138开发板上的集成稳压芯片SPX1117提供，LCD显示屏和按键部分的+5V电压也直接从EasyARM1138开发板上获取。
各部分硬件都采用了模块化的方式进行设计制作，它们之间通过排线排针互连进行数据通讯。
图1-1系统结构
系统菜单结构如图1-2所示。
菜单选项通过符号“★”指示，使用上下键进行选择，使用确定键或取消键完成进入或退出所选的菜单选项功能。
系统按键仅5个，操作非常简单，体现了注重人性化的特点。
图1-2系统菜单结构
本阅读的工作情况如下：
当加电或重启时，系统最先执行初始化程序，初始化本系统各个软硬件部件。
在初始化时系统会检测有无ＳＤ卡插入，如果没有插入ＳＤ卡，系统则进行提示“请插入ＳＤ卡”，然后自动关机。
初始化后将对ＳＤ卡的文件系统进行检测，如非“FAT１６”格式，系统将进行相关提示，然后自动关机。
如果上面的操作都正确，系统将显示欢迎辞等一系列画面，最后系统正常工作等待用户的操作。
在阅读设置时：
用户可以进行“自动浏览”、“睡眠关机”、“背光”三项系统功能的设置，该三项设置的系统参数一经设置永久有效（数据保持在Flash中）。
自动浏览用来设置用户在阅读文本文档数据时几秒自动翻页一次或者关闭翻页功能，用户按下“↓”键则自动向下翻页，按下“↑”键则自动向上翻页；自动翻页时间可以选择为“2/4/6/8/10/12/14秒”。
睡眠关机主要为节省系统电量而设置，睡眠关机时间可以选择为“2/4/6/8/10/12/14分”或者关闭该功能；在系统睡眠关机功能打开的情况下，如果用户在设置的时间内没有按键动作，系统将执行一系列关机操作，以达到降低系统功耗的目的。
背光功能用来打开或者关闭LCD显示器背光，一般在夜间或者环境光亮度不足时开启背光。
在白天如果能够看清LCD显示器上的文字时则不必打开背光。
因为背光功能的打开将会使系统的功耗大大升高，电池的使用寿命也将缩短。
在文本阅读时：
当用户按下文本阅读功能确定键后，系统将调用一系列相关功能函数从SD卡的根目录下找出后缀名为“.TXT”的文件，然后以一次4个的形式将TXT文件名罗列在LCD显示器上，不足4个的仍然占用一行，超过4个的在用户按下翻页键时再在下一屏罗列出来。
如果此时按下确定键，则表示打开指示符“★”指向的文件。
系统再通过调用一系列相关功能函数在SD卡上找到该文件所在的位置，然后填写该文件的有关信息到文件缓冲区，最后在LCD显示器上显示出“文件大小”“文件修改日期”“文件修改时间”信息供用户查阅。
如果用户此时要阅读该文件，则按下确定键，此时系统再一次调用一系列相关函数，从ＳＤ卡的数据区读出字符经处理后正确显示在LCD屏上。
在上面的所有操作中用户都可以随时按下取消／返回键，返回到上级操作，以便重新进行系统功能选择。
在文本阅读时：
用户可以查看产品信息和ＳＤ卡的信息，该功能的设置是为了方便用户了解阅读器系统。
当在工作情况下ＳＤ卡被拔出时，系统都能够实时地检测到，并给以提示，然后自动关机。
2.
硬件电路设计
系统的硬件部分由五部分构成：
SD卡接口电路、LCD显示电路、键盘电路、电源处理电路和处理器部分电路（存在于EasyARM1138开发板上）。
2.1.SD卡接口电路
SD卡是一种大容量（最大可达4GB）、性价比高、体积小、访问接口简单的存储卡。
SD卡大量应用于数码相机、MP3、手机等大容量存储设备，作为这些便携式设备的存储载体，它还具有低功耗、非易失性、保存数据不消耗能量等特点。
SD卡对外有9根引脚，有SD模式和SPI模式两种通讯方式，在不同的通讯方式下对这9根引脚的解释是不同的。
表2-1和表2-2分别是在SD模式下和SPI模式下的引脚定义。
表2-1SD模式针脚定义
针脚
名称
类型
描述
1
CDDAT3
I/O/PP
卡监测数据位3
2
CMD
PP
命令/回复
3
Vss
S
地
4
Vcc
S
供电电压
5
CLK
I
时钟
6
Css2
S
地
7
DAT0
I/O/PP
数据位0
8
DAT1
I/O/PP
数据位1
9
DAT2
I/O/PP
数据位2
表2-2SPI模式针脚定义
针脚
名称
类型
描述
1
CS
I
片选（负有效）
2
DI
I
数据输入
3
Vss
S
地
4
Vcc
S
供电电压
5
CLK
I
时钟
6
Vss2
S
地
7
DO
O
数据输出
8
RSV
--
9
RSV
--
主机控制系统可以选择以上任一模式与SD卡进行通讯。
SD模式允许4线的高速数据传输。
SPI模式允许简单通用的2通道（数据入和出）传输比特数据，这种模式相对于SD模式的不足之处是丧失了速度，但是它简化了主机的设计。
本阅读器系统采用SPI模式与SD卡通讯。
SD卡接口电路如图2-1所示
图2-1SD卡接口电路
要特别注意的是：
SD卡工作电压范围是+2.0-+3.6V，一旦加上+5V的电压SD卡将会马上被烧毁。
SD卡最大时钟频率为25MHz，因此与其进行通讯的主机数据传输频率必须小于25MHz。
2.2.LCD显示电路
液晶显示器件由于具有显示信息丰富、功耗低、体积小、质量小、无辐射等优点，所以得到了广泛的应用。
本系统液晶显示器件采用OCM4X8C（128*64分辨率）显示模块。
该显示模块具有串/并接口，内部含有中文字库，属于图形点阵显示模块。
OCM4X8C的液晶显示屏为128×64点阵，可显示4行、每行8个汉字。
为了便于简单、方便地显示汉字，该模块具有2Mb的中文字型CGROM，该字型ROM中含有8192个16×16点阵中文字库。
同时，为了便于显示英文和其它常用字符，还具有16Kb的16×8点阵的ASCII字符库。
为了便于构造用户图形，提供了一个64×256点阵的GDRAM绘图区域，而且为了便于构造用户所需字型，提供了4组16×16点阵的造字空间。
利用上述功能，OCM4X8C可实现汉字、ASCII码、点阵图形、自造字体的同屏显示。
为了方便和多种微处理器、单片机接口，模块提供了4位并行、8位并行、2线串行、3线串行多种接口方式。
该模块具有2.7～5.5V的宽工作电压范围，且具有睡眠、正常及低功耗工作模式，可满足系统各种工作电压及便携式仪器低功耗的要求。
模块同时还提供LED背光显示功能。
除此之外，模块还提供了画面清除、游标显示/隐藏、游标归位、游标移位、显示打开/关闭、显示字符闪烁、显示移位、反白显示、垂直画面旋转、液晶睡眠/唤醒等操作指令。
OCM4X8C显示模块具有20根引脚，引脚定义如表2-3
表2-3OCM4X8C引脚定义
本阅读器系统采用3线串行接口同OCM4X8C进行通讯，接口电路如图2-2所示。
图2-2LCD接口电路
采用3线串行通讯时，该模块的第4脚作为显示器片选（
）端，第5脚作为串行数据输入输出（I/O）端（STD），第6脚作为时钟（CLK）端，此时作为串行/并行传输方式选择端的第15脚必须输入低电平。
第1脚为逻辑电源地，第2脚为逻辑电源正，第19脚为显示器背光正，第20脚为显示器背光地。
图2-2电路中显示器背光控制由三极管9013和1K的电阻构成。
三极管工作在饱和与截止状态，分别对应着背光的点亮和熄灭。
1K的电阻为限流作用。
由上可知OCM4X8C显示模块作为本系统的显示器件是完全可以满足性能要求。
该LCD显示电路同控制器仅有4线连接（3线数据传输，1线背光控制）。
需要注意的是本显示模块的第3脚必须悬空，不能通过电位器同电源相连，否则显示器状态将不可知；同时该模块工作电压不能低于4.3V，否则无法显示。
2.3.键盘电路
键盘是各种应用系统实现人机交互最常用的设备之一，在各种系统中都有着广泛的应用。
本阅读器系统采用专用键盘/显示器接口芯片ZLG7289来实现用户按键动作的相关处理。
ZLG7289可直接驱动8位共阴式数码管或64只独立LED，同时还可以扫描管理多达
64只按键。
芯片采用SPI串行总线与微控制器接口，仅占用少数几根I/O口线。
利用片选信号，多片ZLG7289B还可以并接在一起使用，方便地实现多于8位的显示或多于64只按键的应用。
因此使用ZLG7289来专门管理按键无需处理器定时进行键盘扫描，键盘消抖等处理，从而可以大大提高处理器处理数据事务的效率。
本系统采用DIP28封装的ZLG7289，其引脚图如表2-4所示
表2-4ZLG2789引脚表
本阅读器系统的键盘电路如图2-3所示。
图2-3键盘电路
当ZLG7289作为键盘控制使用时，图2-3中的8个100K的下拉电阻（R1-R8）均不能省去，没有用到的10K电阻可以省掉。
实际应用中8只下拉电阻（连接DP、SA-SG）和8只位选线（连接DIG0-DIG7）电阻应遵从一定的比例关系，下拉电阻阻值应大于位选电阻的5倍阻值而小于其50倍阻值，典型取值为10倍，即下拉电阻的取值范围是10K-100K，位选电阻的取值范围是1K-10K。
在不影响显示的前提下，下拉电阻应尽可能的取较小的阻值，这样可以提高键盘部分的抗干扰能力。
ZLG7289需要一外接晶体振荡电路供系统工作，其典型值分别为F=16MHzC=15P。
在VCC到GND端接入100nf的电容可以提高电路的抗干扰能力。
在没有按键被按下时ZLG7289的第9脚为高电平，当有按键被按下时第9脚变为低电平，此时利用该电平变化信号通知处理器从ZLG7289中读取键盘扫描码，供系统处理使用，从而无需处理器来管理键盘，只有当专用键盘芯片通知处理器有按键被按下应该读取数据时ZLG7289才来处理键盘信息，从而大大提高了处理器处理数据事务的效率。
2.4.电源电路
任何电器设备的运行都离不开电源，电路中各个元器件的工作也必须要有电源提供电压才能工作，因此电源作为各种电器设备的一部分，是不可或缺的，可以说电源的性能将在很大程度上影响整个系统的性能。
作为便携式设备，系统功耗要尽量低，系统工作电压也要尽量稳定，因此电源的管理显得尤为重要。
本阅读器系统采用两节7号电池供电，系统各模块需要+5V,+3.3V的工作电压，因此升压稳压是电源电路的工作重点。
本系统采用美信公司的MAX682作为升压稳压芯片，MAX682负责将两节7号电池约+3.0V的电压升压至+5V，提供给系统使用。
MAX682是一种电荷泵型DC/DC转换器,它利用高频振荡器，控制电容的充、放电，将能量由输入传给负载（输出）。
其特点是体积小、电路结构简单，无需电感，因此不存在电磁噪声。
但是MAX682输出电流较小，通常在10mA～150mA左右；同时可产生输入的反相或倍压输出。
MAX682的典型应用电路如图2-4所示，MAX682的引脚图如图2-5所示。
图2-4MAX682的典型应用电路图2-5MAX682引脚图
从以上两张图可知，当第3脚（INPUT端）输入+2.7V～+5.5V的电压时，其第8脚（OUT端）将提供+5V/250mA的输出。
需要注意的是：
MAX682的输入电压不能低于+2.7V，否则得不到稳定的+5V的输出电压；同时因为输出电流仅有250mA，为了提高输出电流大小，可以将两片MAX682并联使用。
本阅读器系统的电源电路如图2-6。
图2-6系统电源电路
两节7号电池的输出电压从图2-6中的IN端输入升压电路，两片MAX682并联后将能够提高到+5.0V/500MmA的输出，从OUT端输出，提供到EasyARM1138开发板上供系统中其它电路模块使用。
2.5.处理器部分电路
处理器部分电路是该系统的核心部分，负责整个系统的各种事物处理控制、数据传输等。
本阅读器系统采用LuminaryMicro公司Stellaris®所提供的基于ARM®Cortex™-M3为内核的LM3S1138作为系统控制器。
LM3S1138具有如下众多特性：
具有32位RISC性能，采用与Thumb®兼容的Thumb-2指令集以获取更高的代码密度，最高工作频率为50MHz，内部集成嵌套向量中断控制器（NVIC），34中断具有8个优先等级，带存储器保护单元（MPU）。
具有64KB单周期Flash和16KB单周期访问的SRAM。
具有4个通用定时器模块（GPTM），可作为32位定时器模式、16位定时器模式、16位输入捕获模式、16位PWM模式。
具有两路同步串行接口（SSI）。
具有3个完全可编程的16C550-typeUART，支持IrDA。
具有8个10位的通道（输入）ADC，片内集成温度传感器。
具有3个独立集成的模拟比较器。
两个I2C模块。
多达9-46个GPIO
具有灵活的多种复位源，多种功耗模式等等。
由此可见将LM3S1138作为本系统的控制器是完全可以满足系统性能功耗速度等众多要求的。
以LM3S1138作为核心而设计的EasyARM1138开发板将能够方便的使用户使用LM3S1138，其结构图如图2-7所示。
图2-7EasyARM1138开发板
该开发板仅需插入一根USB电缆就能实现5V供电、程序下载与在线仿真、UART串行通信功能，同时用了两排插针引出全部GPIO资源，以及ADC0～7、5V/3.3V/GND。
开发LM3S1138采用“C语言＋驱动库”的开发模式，这将大大提高开发效率，降低开发难度。
.软件设计
本阅读器系统开发以IAREmbeddedWorkbenchforARM5.11为开发软件，以“C语言＋驱动库”的开发模式为编程方式，结合开发板在线仿真和虚拟串口通讯功能调试系统，系统软件结构采用前后台结构。
整个系统程序可分为监控程序，底层驱动程序，应用层功能程序三大部分。
3.1.监控程序设计
系统监控程序即系统主程序，负责管理分配系统软硬件资源。
监控程序的合理设计，将使整个系统更加稳定可靠高效的运行，更显人性化，使人机交互更方便。
3.1.1.系统人机界面
对于本阅读器系统来说，人机界面即菜单选项，系统在运行时提供给用户的可视菜单选项。
本系统所使用的显示器可以显示4行汉字，每行8个。
考虑到视角效果和合理性方面，选择了使用“《》”符号将菜单功能选项括起来；使用“★”符号作为菜单选项指示标志，没有占满4行的菜单页使用“《-------》”填充余下行；菜单文字使用居中对齐，文字对空格时空格使用“----”代替以显整体和谐。
系统人机界面如图2-8和图2-9所示。
图2-8基本菜单结构
图2-8中的“XXXXXXXX”和“YYYYYYYY”代表菜单选项名；“—ZZZZ—”中的“ZZZZ”也代表菜单选项名，而“——”主要是为了整体协调而设置的；“————”代表该项不是菜单选项，设置它主要是为了结构一致。
图2-9系统菜单结构
图2-9为本阅读器运行时用户可以看到并实现人机交互的全部菜单选项界面。
3.1.2.程序总体框架
在该系统中，系统的所有软硬件资源都由监控程序（主程序）进行分配和管理。
用户按下某一按键使用系统的某项功能，都由监控程序进行管理。
监控程序通过调用相应子功能程序模块来完成用户的系统功能请求。
从图2-9的菜单结构和监控程序角度来安排程序总体框架如图2-10所示。
图2-10程序总体框架
当有菜单更新要求时（如进入下级菜单），监控程序立即做好本级菜单中相关数据的处理并打开进入下级菜单的入口，然后进入下级菜单。
在进入下级菜单后，首先初始化当前菜单中相关数据（如仅允许菜单更新一次，关闭相对当前菜单而言的下级菜单
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