电子内镜系统研究与实现

2018-12-15董子琦

电子设计工程 2018年23期

陈诚，董子琦

（1.重庆大学附属肿瘤医院，重庆400000；2.重庆邮电大学移通学院智能工程学院，重庆400000）

随着电子产业的不断发展，医学技术也在不断更新。而微创治疗技术作为医学技术的前沿科技更是受到社会的极大关注。集临床医学、光学、机电、信息科学、材料科学以及生物工程学等高科技学科于一身的内镜微创治疗，以其手术伤口小，疼痛轻，手术时间短，操作简单、安全，术后恢复快等优势，很受医患双方的喜爱，已成为消化、呼吸、泌尿、耳鼻喉科等系统疾病诊断和治疗必不可少的医疗仪器[1]。目前受困于图像传感器显示技术，电子内镜核心技术一直掌握在国外，导致国内电子内镜价格昂贵。虽然国内一些企业已经开始进行电子内镜的研发，但是与国外的差距仍然比较大。

文中提出一种低成本电子内镜系统研究方案，主要依靠三星mini2240的ARM开发板作为开发平台，然后通过COMS图像传感器将采集到的图像数据进行滤波、存储，然后在通过液晶显示屏进行显示。本电子内镜系统的光源采用高亮LED光源。

1 系统整体结构设计

本论文所研究的电子内镜系统是一种便携式电子内镜仪器系统，其前端的图像采集部分负责向我们提供被观测部位的图像信息，并以标准模拟视频信号（PAL／NTSC制式）输出中央处理设备中，然后根据系统的控制命令要求进行相应的操作，进行简单的图像处理后，如进行静态图像存储、视频存储，图像放大等，再以标准的视频信号（PAL/NTSC制式）输出到显示屏上。其主要信号流程图如图1所示。

图1 系统信号流程图

本电子内镜系统主要包括摄像头、高亮LED灯源、显示屏、电源、系统控制核心、还有其他交互接口等。在本系统中系统电源主要为LED灯源、摄像头与系统控制核心等提供电源，在选择系统电源时需要注意电源纹波，如果纹波大了，将对系统将产生自身干扰，对系统稳定性会造成影响。考虑到电子内镜系统需要将摄像头深入到人胃部进行探测，在图像采集模块主要考虑摄像是否满足本系统尺寸要求与像素要求。本系统中摄像头模块采用OV9650微型摄像头，OV9650是OmniVision公司推出的一款高性价比的CMOS图像传感器，其大小为1/4英寸，像素为130万像素，具有像素高，体积小，价格低等优点，完全满足本系统对尺寸与像素的要求。系统控制核心采用三星mini2240的ARM开发板作为中央处理平台，该开发板集成linux操作系统，方便后期进行图像数据处理。其采用S3C2440芯片作为该平台的处理核心。其工作频率为400 MHz，采用基于ARM架构，具有良好的数据处理能力，广泛应用于医疗设备，通信设备中，同时该ARM处理平台集成了SDRAM与Nand Flash共同构成系统存储器，在存储图片数据时就不需要额外增加存储器。该电子内镜系统首先通过高亮LED光源探照胃部等区域，然后将图像数据传输到ARM平台，最后进行显示，系统整体结构图如图2所示。

图2 系统整体结构图

2 系统硬件设计

2.1 高亮LED灯源设计

在本系统中，需要为摄像头提供灯源照明，然后摄像头开始采集图像数据。考虑到系统灯源需要深入到人体胃部进行探照，本系统采用大功率高亮LED作为系统灯源，LED具有体积小，亮度高等特点。在LED灯源设计中需要对灯源亮度进行调节，本系统采用PWM方式对灯源亮度进行调节，PWM脉冲可以通过系统控制核心mini2240开发板产生，考虑到本系统LED功率较大，通常需要100 mA以上电流，远远超过系统控制核心所能提供的电流，本系统采用PWM大电流驱动芯片BTS7960对LED进行驱动。

BTS7960芯片是一款PWM大电流驱动芯片，其内部通过P型晶体管与N型晶体管相结合方式进行PWM信号大电流驱动。该芯片总共有8个管脚，其中第3管脚用于芯片状态控制，当3管脚为高电平时，PWM驱动开始工作，当3管脚为低电平时PWM驱动停止工作。该芯片5脚和6脚主要用于PWM频率设定与电流反馈判断等。对于PWM信号是通过2管脚输入的，系统控制核心mini2240开发板通过2脚输入PWM信号，然后经过一个二极管，到达芯片的输入管脚，当2脚为高电平时，输出高，反之输出低，这样就实现了PWM信号传输。其中在PWM信号输入中串联一个二极管主要用于反向保护，不允许该芯片倒灌电流到系统控制核心中，以免损坏mini2240开发板。高亮LED驱动电路如图3所示。

图3 LED驱动电路图

2.2 图像传感器SCCB协议

OV9650实现图像传感器主要由SCCB总线、时序发生器、DSP、A/D转换器、相关寄存器等组成。其图像数据传输是通过SCCB总线数据进行传输。SCCB（Serial Camera Control Bus）是和I2C相类似的一个协议，支持的数据传输速率分别是100 kb/s和400 kb/s。它是欧姆尼图像技术公司（OmniVision）开发的一种总线技术，广泛应用于OV系列图像传感器上。标准的SCCB协议是一种3线的总线，由SCCB_E、SIO_C、SIO_D组成，分别为SCCB总线的使能线、时钟线和数据线，可以实现对多个从器件进行控制。但有时为了减少芯片的引脚，将其缩减为2根总线，即SIO_C和SIO_D，时钟线和数据线。2线的SCCB总线只能是一个主器件对一个从器件控制，且需要主器件至少具备一个以下条件：

1）主器件可以使SIO_D处于除了高、低电平之外的第三态—高阻态。

2）主器件能够驱动SIO_D，而且驱动电压可以比正常识别电压更高或更低。

SCCB控制总线功能的实现主要是依靠SIO_C、SIO_D两条总线上电平的状态以及两者之间的相互配合实现的。SCCB总线传输的启动和停止条件如图4所示，SIO_E由高到低的变化变表明3线SCCB总线的数据传输开始，不过为了避免在数据传输开始之前出现不确定的总线状态，在SIO_E有效前和失效之后，主器件都必须驱动SIO_D为1。

图4 三线数据传输时序图

2.3 OV9650摄像头模块

在本系统中，图像采集模块主要用OV9650 CMOS摄像头。OV9650摄像头主要是由一块封装有SXGA摄像传感器和图像处理器构成。OV9650利用先进的传感器技术，降低甚至消除普通的光照设备或者电子干扰造成的图像污染。例如混合模式噪声，拖尾效应等。可以得到一个清晰，十分稳定的彩色图像，极大的提高了图像质量。OV9650可以提供全帧，或者8/10位窗口输出帧。可以通过设置OV9650相关寄存器以控制图像显示时的帧速率，输出格式，数据传输，曝光控制，伽马控制白平衡等。OV9650可以输出SXGA，VGA，QVGAF等格式。

OV6950图像传感器的读写主要是通过SCCB总线进行读写的。其接口支持多字节读/写。主设备必须保证内部地址在写周期中而不是在读周期中。OV6950读内部地址是在写周期之前。在多字节读/写周期中，内部寄存器地址可以在第一个数据字节之后自动增加，以便于连续的放置在一个总线周期上。在一个多字节周期内重写它的原始内部寄存器地址；如果一个读周期紧跟着一个多字节周期的话，在一个单字节写周期内可以将一个新的地址插入其中。OV6950还支持一个单设备ID号，在写周期的时候这个ID被预先设置为0x6C，而在读的时候被预先设置为0x6D。在SCCB中的写周期中，第二个字节是为选择单个芯片上寄存器的内部寄存器地址。第三个字节是这个寄存器要写入的数据。但是写入没有生效的内部地址将会被忽略的。在读周期中，第二个字节是预先存储的内部地址的数据，在无效的内部地址读时，会返回不确知的信息。OV9650摄像头主要电路图如图5所示。

由图5可知，OV9650摄像头外围电路主要有外部晶振与电源，其中外部晶振一般为12MHz用于给摄像头提供时钟信号。时钟信号通过Video Timing Generator（时序发生器）后实现帧信号的产生、帧的相关速率控制等，该时序发生器能产生七中不同的帧。电源模块主要给摄像头提供电源，在开始进行图像采集后，图像数据就通过OV_D0-OV_D8这8位数据端口传输到中央处理器中。

3 系统软件设计

本系统是以是以mini2240开发板作为处理器，该开发板是以linux操作系统为软件平台，在此基础上进行linux内核的裁剪，相关模块底层驱动设计，图像采集模块软件设计，led灯源设计等。

3.1 图像采集模块设计

图像采集主要完成OV9650摄像头的图像采集，将内核采集到的图像信息发送给应用层，应用层在将接受到的数据进行图像压缩及格式转换，将yuyv格式图像信息压缩转换为jpeg格式，在编写图像采集程序时需要编写底层驱动程序。驱动程序主要是围绕file_operations结构体展开的，实现里面的各个函数，主要有 camera_open（）、camera_read（）和camera_ioctl（）等。编写好驱动程序后需要编写应用层图像采集程序。

图5 OV9650电路图

在应用层图像采集程序中主要函数接口如下，打开图像设备open（"/dev/video0"，O_RDWR|O_NONBLOCK），查询图像设备的功能函数ioctl（camerafd，VIDIOC_QUERYCAP，&cap），设置图像捕获格式函数ioctl（fd，VIDIOC_S_FMT，&fmt），当设置好图像格式后需要向内存申请帧缓冲函数ioctl（fd，VIDIOC_REQBUFS，&req），申请到帧缓冲后需要将采集到的数据从内核复制到应用层，但是这样对系统的开销比较大，使用mmap（）函数，直接将内核地址映射到用户空可以减小系统开销。

3.2 LED智能灯源设计

在本系统中，我们采用可控的高亮LED作为本系统的灯源，该灯源采用PWM进行通信。利用CMOS图像传感器获取的图像，将其显示在开发板自带的液晶显示器上。当液晶屏上的图像中有一块80*80个点图像区域的平均亮度数值小于暗阈值value_back（默认为10）时，则说明图像过暗。将需要增加的LED光源的数值增加，然后通过增加PWM占空比从而增加光源亮度。当有一块40*40个点图像区域的平均亮度数值大于亮阈值value_bright（默认为250）时，则说明图像过亮。将需要减少的LED光源的数值，然后通过减小PWM占空比从而减小光源亮度。从而实现光源的智能控制。

4 系统测试

本次实验用3节7号干电池串联作为CMOS摄像头的电源，电压在3.8 V附近，采用计算机显示器来显示CMOS摄像头所采集的图像，显示器色温参数调整为6 500 K。在测试程序中图片采集格式为YUV422，采集速度为15帧每秒，图片分辨率为320*240，采集截图如图6所示。与传统系统相比该系统在视频采集过程中稳定，没有出现抖动现象，画面流畅，图像色彩较好。