基于STM32的動漫游戲系統(tǒng)設(shè)計(jì)

贛州金環(huán)磁選設(shè)備有限公司 李 勇

江西理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院 程鐵棟 周乃軍

1.引言

動漫游戲產(chǎn)業(yè)屬于動漫產(chǎn)業(yè)的一種衍生產(chǎn)品，因其具有低能耗、高產(chǎn)業(yè)價(jià)值等特點(diǎn)與優(yōu)勢，被譽(yù)為21世紀(jì)的朝陽產(chǎn)業(yè)[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(wǎng)絡(luò)游戲與機(jī)臺游戲。以PC為平臺的機(jī)臺游戲多為進(jìn)口主板或采用企業(yè)專用平臺，兼容性較差，同時(shí)因?yàn)橛螒虍a(chǎn)品的時(shí)效性，上述不足容易造成資源浪費(fèi)。本設(shè)計(jì)的目的是為了彌補(bǔ)現(xiàn)有機(jī)臺動漫游戲的不足，為機(jī)臺動漫游戲提供一個(gè)通用的嵌入式平臺[7-13]，從而縮短機(jī)臺游戲的開發(fā)周期，提高效率、節(jié)省成本。系統(tǒng)采用ARM Cortex-M3為內(nèi)核的STM32F103VET6控制器作為控制核心，以uC／OS-II作為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，充分利用uC/OS-II系統(tǒng)的信號量、郵箱機(jī)制來實(shí)現(xiàn)多線程之間的游戲任務(wù)切換，從而提高硬件資源的運(yùn)行效率，最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)結(jié)構(gòu)精簡，可重復(fù)利用的嵌入式動漫游戲平臺。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)主要包括嵌入式控板模塊、分機(jī)模塊和電源模塊共3個(gè)主要部分。其中電源模塊負(fù)責(zé)給整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓電流，系統(tǒng)的核心是嵌入式游戲主控模塊（一臺主控板可帶多臺分機(jī)），而分機(jī)模塊負(fù)責(zé)接收如搖桿這些游戲外設(shè)的人機(jī)交互信息，并在做初步處理后，通過CAN總線把數(shù)據(jù)和信息發(fā)送給游戲主控板進(jìn)行分析、判斷和處理，然后主控板將根據(jù)程序把對應(yīng)動畫效果顯示在LCD顯示器上。

嵌入式游戲系統(tǒng)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(qiáng)的CAN總線和分機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，并將分機(jī)通過CAN總線發(fā)來的相關(guān)信息經(jīng)過邏輯處理后，轉(zhuǎn)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(guān)素材并進(jìn)行處理，包括圖像翻轉(zhuǎn)、解壓和音頻去噪等工作，然后將數(shù)據(jù)輸出到顯示和音頻設(shè)備。

圖2 嵌入式主控板硬件框圖

3.動漫游戲系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 主控器及外圍電路設(shè)計(jì)

如圖3所示是主控板的部分原理圖，其中包括詳細(xì)的SD_CARD接口和CAN總線接口電路圖。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中充分利用了STM32這款處理器的優(yōu)越性能、豐富外設(shè)以及自帶的固件函數(shù)。其中SD卡的作用是自動為動漫游戲系統(tǒng)進(jìn)行程序升級，當(dāng)載有程序的SD卡接入電路時(shí)，系統(tǒng)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(gè)串口和Amazon-LF連接實(shí)現(xiàn)通信；STM32的CAN接口通過CAN總線接口芯片實(shí)現(xiàn)與分機(jī)通信。

圖3 接口原理圖

3.2 多媒體處理電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的多媒體處理電路的設(shè)計(jì)主體是采用32位的Amazon-LF EISC微處理器。與傳統(tǒng)的多媒體處理系統(tǒng)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(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。Amazon-LF是一款低成本、高性能的視頻/圖像加速器，其內(nèi)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(shí)器、串行接口等。芯片內(nèi)建的Cache可以提供單指令周期的編碼和數(shù)據(jù)處理以加速程序的執(zhí)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(shí)現(xiàn)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(tǒng)運(yùn)行過程中，Amazon-LF在接收到STM32發(fā)來的指令后，讀取M59PW1282中的存儲的數(shù)據(jù)，并將讀取的的數(shù)據(jù)送往視頻和音頻輸出口輸出。音頻驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)對Amazon-LF輸出的音頻信號的驅(qū)動和處理，包括濾波、數(shù)模轉(zhuǎn)換、信號放大等。

4.動漫游戲系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 uC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)移植

由于系統(tǒng)需要多線程操作，任務(wù)調(diào)度，需要為動漫游戲系統(tǒng)移植uC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。uC/OS-II是用標(biāo)準(zhǔn)C語言和匯編語言來寫的，只有與微處理器相關(guān)的部分是由匯編指令寫的，所以在STM32F103VET6上移植uC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，只需要做的工作就是修改與處理器有關(guān)的部分，主要有三個(gè)文件：寫處理器相關(guān)文件OS_CPU.H和OS_CPU_C.C；匯編文件0S_CPU_A.ASM和系統(tǒng)配置文件OS_CFG.h，圖4給出了uC/OS-Ⅱ體系結(jié)構(gòu)以及它與系統(tǒng)硬件之間的關(guān)系。圖中還給出了STM32初始化函數(shù)中有相關(guān)的內(nèi)設(shè)和外設(shè)配置。

圖4 uC/OS-II軟件和對應(yīng)硬件體系結(jié)構(gòu)

4.2 硬件驅(qū)動程序

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

4.3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

圖5 主任務(wù)程序流程圖

圖6 動畫程序流程圖

圖7 示意效果圖

應(yīng)用程序包括一個(gè)主函數(shù)程序和4個(gè)任務(wù)程序。(1)主函數(shù)包括了uC/OS-Ⅱ系統(tǒng)的初始化，主任務(wù)初始化以及一些相應(yīng)的硬件初始化程序，在主函數(shù)中創(chuàng)建了4個(gè)任務(wù)函數(shù)，包括主任務(wù)、動畫任務(wù)、聲音任務(wù)、顯示任務(wù)。主函數(shù)的程序流程如圖5所示。(2)主任務(wù)程序設(shè)計(jì)。主任務(wù)程序是在主函數(shù)中創(chuàng)建的，主函數(shù)創(chuàng)建了4個(gè)任務(wù)，應(yīng)用程序所需要實(shí)現(xiàn)的功能大部分都在這4個(gè)任務(wù)中，而主任務(wù)是幾個(gè)任務(wù)中最重要的一個(gè)任務(wù)，在主任務(wù)中有實(shí)現(xiàn)程序升級的函數(shù)，LCD、按鍵、CAN和動畫等初始化函數(shù)，以及處理消息任務(wù)和定時(shí)任務(wù)等。主任務(wù)程序流程圖如圖5所示。(3)動畫子程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)中的動畫采用金魚群的游動作為實(shí)驗(yàn)測試。實(shí)現(xiàn)魚群游動的動畫應(yīng)用程序，是劃分到最細(xì)的子程序模塊。金魚群游動函數(shù)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(xiàn)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(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了多層圖層，不同圖像創(chuàng)建了自己的圖層。當(dāng)一層圖層處于頂層時(shí)，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(xiàn)。當(dāng)一幅圖像需要調(diào)用時(shí)，直接使它的圖層標(biāo)志使能，同理，當(dāng)不需要該圖像時(shí)，則關(guān)閉對應(yīng)的圖層。這種設(shè)計(jì)方案可以減少芯片處理數(shù)據(jù)的負(fù)荷，使圖像顯示更加流暢。

5.結(jié)語

本文利用STM32作為中央處理器設(shè)計(jì)了硬件電路。在硬件電路基礎(chǔ)上移植uC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)并完成了應(yīng)用程序的編寫，最后成功實(shí)現(xiàn)了一個(gè)動漫游戲系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由系統(tǒng)的圖形接口輸出的圖像運(yùn)行流暢，可以到達(dá)18幀/秒的傳輸速度，圖7為其中截取的一幅圖像。經(jīng)過溫度和時(shí)間測試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

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