串口传输文件及点阵汉字的字模读取与显示
一、实验要求
1、串口传输文件的练习。将两台笔记本电脑，借助 usb转rs232 模块和杜邦线，建立起串口连接。然后用串口助手等工具软件（带文件传输功能）将一台笔记本上的一个大文件（图片、视频和压缩包软件）传输到另外一台电脑，预算文件大小、波特率和传输时间三者之间的关系，并对比实际传输时间。
2、学习理解汉字的机内码、区位码编码规则和字形数据存储格式。在Ubuntu下用C/C++(或python) 调用opencv库编程显示一张图片，并打开一个名为"logo.txt"的文本文件（其中只有一行文本文件，包括你自己的名字和学号），按照名字和学号去读取汉字24*24点阵字形字库（压缩包中的文件HZKf2424.hz）中对应字符的字形数据，将名字和学号叠加显示在此图片右下位置。
二、串口传输文件
1、串口连接
将两个USB TO TTL串口的RXD、TXD的引脚交叉连接，并将两个USB接口各自接上一台笔记本电脑，实现两台计算机之间的串口传输。
串行接口简称为串口，串行接口 （Serial Interface）是指数据一位一位地顺序传送。实现双向通信就需要一对传输线，即TX与RX线。
电路连接方式：串口如果要实现双向传输，则设备1与设备2，TX与RX要交叉相连。
起始位： 数据线TX由高电平变为低电平。
停止位： 数据线TX由低电平变为高电平。
起始位和停止位作用：如果接收设备检测到数据线由高电平变为低电平，就是接收到了来自发送设备的起始信号，表示开始数据的传输。如果接收设备检测到数据线由低电平变为高电平，就是接收到了来自发送设备的停止信号，表示一帧数据的结束。
常用串口传输格式：1bit 起始位+8bit 数据位+1bit 停止位（无奇偶校验位）
2、传输文件
1）设置波特线为115200
发送：
接收：
修改保存文件的扩展名.DAT为.jpg：
结果展示：
2）设置波特线为2000000
发送：
接收：
3、结果分析
传输时间=文件大小/波特率
① 在一定范围内，当波特率增大时，对于大小相同的文件，传输时间会减少。
② 无论波特率取何值，实际的传输时间与理论的传输时间都相差较大。
波特率和数据的传输速率有关系，但是波特率并不是数据传输速率，数据传输速率是比特率。比特率在数值上和波特率有这样的关系：
I=Slog2N
比特率=波特率单个调制状态对应的二进制位数。
其中I为传信率，S为波特率，N为每个符号承载的信息量，而以比特为单位。
三、点阵汉字的字模读取与显示
1、点阵的了解
我们用之前的方法一个IO口只能控制一个led，如果需要用更少的IO口控制更多的led怎么办？于是，就有了点阵。
例如：8X8点阵共由64个发光二极管组成，且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上，当对应的某一行置1电平，某一列置0电平，则相应的二极管就亮；如要将第一个点点亮，则1脚接高电平a脚接低电平，则第一个点就亮了。
实物图
借助取模软件，即可将我们所需要的文字或字母，以点阵的形式呈现出来
我们知道英文字母数量比较少，我们只要用一个字节（8位）就足以表达。但是汉字非常多。要怎么表达呢？
前人采用的一个方法就是把ASCII码的高128位作为汉字的内码，低128位仍然作为英文字母的内码，然后用两个字节来表示一个汉字。通过这个内码，我们可以获取汉字的字模信息。然后再根据这些字模的信息，把相应的汉字显示出来。
2、汉字编码
1）区位码
点阵字库其实就是按照汉字内码的顺序，把汉字的字模信息存起来。16×16的点阵字库有94区，每个区有94个汉字的字模。这样总的有94×94个汉字。
在国标 GD2312—80 中规定，所有的国标汉字及符号分配在一个 94 行、94 列的方阵中，方阵的每一行称为一个“区”，编号为 01 区到 94 区，每一列称为一个“位”，编号为01 位到 94 位，方阵中的每一个汉字和符号所在的区号和位号组合在一起形成的四个阿拉伯数字就是它们的“区位码”。
区位码的前两位是它的区号，后两位是它的位号。用区位码就可以唯一地确定一个汉字或符号。
2）机内码
汉字的机内码是指在计算机中表示一个汉字的编码。机内码与区位码稍有区别。
汉字区位码的区码和位码的取值均在 1-94 之间，如直接用区位码作为机内码，就会与基本 ASCII 码混淆。为了避免机内码与基本 ASCII 码的冲突，需要避开基本 ASCII 码中的控制码(00H~1FH)，还需与基本 ASCII 码中的字符相区别。
因此：先在区码和位码分别加上 20H，在此基础上再加 80H。
(此处“H”表示前两位数字为十六进制数)
经过这些处理，用机内码表示一个汉字需要占两个字节，分别称为高位字节和低位字节，这两位字节的机内码按如下规则表示：
高位字节 = 区码 + 20H + 80H(或区码 + A0H)
低位字节 = 位码 + 20H + 80H(或位码 + AOH)
由于汉字的区码与位码的取值范围的十六进制数均为 01H-5EH(即十进制的 01-94)，所以汉字的高位字节与低位字节的取值范围则为 A1H-FEH(即十进制的 161-254)。
例如，汉字“啊”的区位码为 1601，区码和位码分别用十六进制表示即为 1001H，它的机内码的高位字节为 B0H，低位字节为 A1H，机内码就是 B0A1H。
3、点阵字库结构
1）点阵字库存储
在汉字的点阵字库中，每个字节的每个位都代表一个汉字的一个点，每个汉字都是由一个矩形的点阵组成，0 代表没有，1 代表有点，将 0 和 1 分别用不同颜色画出，就形成了一个汉字。
字库根据字节所表示点的不同有分为横向矩阵和纵向矩阵，目前多数的字库都是横向矩阵的存储方式(用得最多的应该是早期 UCDOS 字库)，纵向矩阵一般是因为有某些液晶是采用纵向扫描显示法，为了提高显示速度，于是便把字库矩阵做成纵向。
之后所描述的都是指横向矩阵字库。
2）16*16点阵字库
对于 1616 的矩阵来说，它所需要的位数共是 1616＝256 个位，每个字为 8 位，因此，每个汉字都需要用 256/8=32 个字节来表示。
每两个字节代表一行的 16 个点，共需要 16 行，显示汉字时，只需一次性读取 32 个字节，并将每两个字节为一行打印出来，即可形成一个汉字。
3）1414与1212点阵字库
对于 1414 和 1212 的字库，理论上计算，它们所需要的点阵分别为(1414/8)=25, (1212/8)=18 个字节，但是，如果按这种方式来存储，那么取点阵和显示时，由于它们每一行都不是 8 的整位数，因此，就会涉到点阵的计算处理问题，会增加程序的复杂度，降低程序的效率。
为解决这个问题，有些点阵字库会将 1414 和 1212 的字库按 1614和 1612 来存储，即，每行还是按两个字节来存储，但是 1414 的字库，每两个字节的最后两位是没有使用，1212 的字节，每两字节的最后 4 位是没有使用，这个根据不同的字库会有不同的处理方式，所以在使用字库时要注意这个问题。
4、汉字点阵获取
1）利用区位码获取汉字
汉字点阵字库是根据区位码的顺序进行存储的，因此，我们可以根据区位来获取一个字库的点阵，它的计算公式如下：
点阵起始位置 = ((区码- 1) * 94 + (位码 – 1)) * 汉字点阵字节数
获取点阵起始位置后，我们就可以从这个位置开始，读取出一个汉字的点阵。
2）利用汉字机内码获取汉字
汉字的区位码和机内码的关系如下：
机内码高位字节 = 区码 + 20H + 80H（或区码 + A0H）
机内码低位字节 = 位码 + 20H + 80H（或位码 + AOH）
反过来说，我们也可以根据机内码来获得区位码：
区码 = 机内码高位字节 - A0H
位码 = 机内码低位字节 - AOH
将这个公式与获取汉字点阵的公式进行合并计就可以得到汉字的点阵位置。
5、实验步骤
1）实验准备
一张需要显示的图片，24*24的点阵.hz文件，ASCII码.zf文件，需要显示的文本文件
（注：在logo.txt文件当中输入你想要显示的文字的时候需要用ANSI编码进行编写，不然中文会出现乱码）
2）撰写代码
创建一个wo.cpp文件，在文件夹下打开终端，输入以下命令
gedit wo.cpp
代码如下
wo.cpp
#include<iostream>
#include<opencv/cv.h>
#include"opencv2/opencv.hpp"
#include<opencv/cxcore.h>
#include<opencv/highgui.h>
#include<math.h>
using namespace cv;
using namespace std;
void paint_chinese(Mat& image,int x_offset,int y_offset,unsigned long offset);
void paint_ascii(Mat& image,int x_offset,int y_offset,unsigned long offset);
void put_text_to_image(int x_offset,int y_offset,String image_path,char* logo_path);
int main(){
String image_path="yingbao.jpg";//图片的名字
char* logo_path="logo.txt";//汉字文件的名字
put_text_to_image(200,350,image_path,logo_path);//change txt place
return 0;
}
void paint_ascii(Mat& image,int x_offset,int y_offset,unsigned long offset){
//绘制的起点坐标
Point p;
p.x = x_offset;
p.y = y_offset;
//存放ascii字膜
char buff[16];
//打开ascii字库文件
FILE *ASCII;
if ((ASCII = fopen("Asci0816.zf", "rb")) == NULL){
printf("Can't open ascii.zf,Please check the path!");
//getch();
exit(0);
}
fseek(ASCII, offset, SEEK_SET);
fread(buff, 16, 1, ASCII);
int i, j;
Point p1 = p;
for (i = 0; i<16; i++) //十六个char
{
p.x = x_offset;
for (j = 0; j < 8; j++) //一个char八个bit
{
p1 = p;
if (buff[i] & (0x80 >> j)) /*测试当前位是否为1*/
{
/*
由于原本ascii字膜是8*16的，不够大，
所以原本的一个像素点用4个像素点替换，
替换后就有16*32个像素点
ps：感觉这样写代码多余了，但目前暂时只想到了这种方法
*/
circle(image, p1, 0, Scalar(0, 0, 255), -1);
p1.x++;
circle(image, p1, 0, Scalar(0, 0, 255), -1);
p1.y++;
circle(image, p1, 0, Scalar(0, 0, 255), -1);
p1.x--;
circle(image, p1, 0, Scalar(0, 0, 255), -1);
}
p.x+=2; //原来的一个像素点变为四个像素点，所以x和y都应该+2
}
p.y+=2;
}
}
void paint_chinese(Mat& image,int x_offset,int y_offset,unsigned long offset){//在图片上画汉字
Point p;
p.x=x_offset;
p.y=y_offset;
FILE *HZK;
char buff[72];//72个字节，用来存放汉字的
if((HZK=fopen("HZKf2424.hz","rb"))==NULL){
printf("Can't open HZKf2424.hz,Please check the path!");
exit(0);//退出
}
fseek(HZK, offset, SEEK_SET);/*将文件指针移动到偏移量的位置*/
fread(buff, 72, 1, HZK);/*从偏移量的位置读取72个字节，每个汉字占72个字节*/
bool mat[24][24];//定义一个新的矩阵存放转置后的文字字膜
int i,j,k;
for (i = 0; i<24; i++) /*24x24点阵汉字，一共有24行*/
{
for (j = 0; j<3; j++) /*横向有3个字节，循环判断每个字节的*/
for (k = 0; k<8; k++) /*每个字节有8位，循环判断每位是否为1*/
if (buff[i * 3 + j] & (0x80 >> k)) /*测试当前位是否为1*/
{
mat[j * 8 + k][i] = true; /*为1的存入新的字膜中*/
}
else {
mat[j * 8 + k][i] = false;
}
}
for (i = 0; i < 24; i++)
{
p.x = x_offset;
for (j = 0; j < 24; j++)
{
if (mat[i][j])
circle(image, p, 1, Scalar(255, 0, 0), -1); //写(替换)像素点
p.x++; //右移一个像素点
}
p.y++; //下移一个像素点
}
}
void put_text_to_image(int x_offset,int y_offset,String image_path,char* logo_path){//将汉字弄上图片
//x和y就是第一个字在图片上的起始坐标
//通过图片路径获取图片
Mat image=imread(image_path);
int length=16;//要打印的字符长度（打印多少字节长度就为多少，根据自己的情况调整）
unsigned char qh,wh;//定义区号，位号
unsigned long offset;//偏移量
unsigned char hexcode[30];//用于存放记事本读取的十六进制,记得要用无符号
FILE* file_logo;
if ((file_logo = fopen(logo_path, "rb")) == NULL){
printf("Can't open txtfile,Please check the path!");
//getch();
exit(0);
}
fseek(file_logo, 0, SEEK_SET);
fread(hexcode, length, 1, file_logo);
int x =x_offset,y = y_offset;//x,y:在图片上绘制文字的起始坐标
for(int m=0;m<length;){
if(hexcode[m]==0x23){
break;//读到#号时结束
}
else if(hexcode[m]>0xaf){
qh=hexcode[m]-0xaf;//使用的字库里是以汉字啊开头，而不是以汉字符号开头
wh=hexcode[m+1] - 0xa0;//计算位码
offset=(94*(qh-1)+(wh-1))*72L;
paint_chinese(image,x,y,offset);
/*
计算在汉字库中的偏移量
对于每个汉字，使用24*24的点阵来表示的
一行有三个字节，一共24行，所以需要72个字节来表示
*/
m=m+2;//一个汉字的机内码占两个字节，
x+=24;//一个汉字为24*24个像素点，由于是水平放置，所以是向右移动24个像素点
}
else{
//当读取的字符为ASCII码时
wh=hexcode[m];
offset=wh*16l;//计算英文字符的偏移量
paint_ascii(image,x,y,offset);
m++;//英文字符在文件里表示只占一个字节，所以往后移一位就行了
x+=16;
}
}
cv::imshow("image", image);
cv::waitKey();
}
说明：
根据需要修改第16行的图片名字
修改18行文字显示位置
修改第115行，需要打印的字符长度
3)编译运行
保存好wo.cpp文件
编译指令
g++ word.cpp -o word `pkg-config --cflags --libs opencv`
不报错后，./wo运行即可
4）运行截图
四、总结
这次实验主要是应用虚拟机里的OpenCV进行图片显示工作，学会了如何使用串口进行文件传输、如何在Ubuntu下使用C/C++调用opencv库来将logo中的名字和学号叠加显示在图片右下位置，最后在选取图片时应注意图片大小，因为虚拟机中的OpenCV运行截图无法改变图片大小。总之这次实验总体来说还是比较简单的，虽然遇到了一些问题，但是通过参考大佬博客，以及百度分析还是比较成功的得出了运行截图，希望下次进行的更加顺利。
五、参考文献
https://blog.csdn.net/mbs520/article/details/106307139
https://blog.csdn.net/weixin_45919652/article/details/121260847
http://hi.baidu.com/ahnniu/blog/item/7b72d058bea162d89c82048f.html