一种基于CIS的诊断试剂盒成像系统的设计与实现

2020-08-31王爱佳

机电信息 2020年18期

关键词：试剂盒

摘要：试剂盒在医疗诊断中广泛使用，现给出一种基于CIS接触式图像传感器的试剂盒成像检测系统，图像传感器获取的图像数据信息通过USB传输到计算机显示。该系统结构简单，制作成本低，获取的图像清晰完整。

关键词：CIS图像传感器;STM32F429;试剂盒;USB

0 引言

当前试剂盒的图像采集、识别和应用装置主要采用CCD或CMOS图像传感器作为信息获取方式，这种方式采集精度高，但传感器的光源控制、调试和鏡头等空间结构设计相对复杂。

本文综合了CCD或CMOS试剂盒图像检测装置的优缺点，给出了一种基于CIS（Contact Image Sensor，接触式图像传感器）的试剂盒成像检测系统，其具有灵敏度高、装置制作简单的优点，并制作了样机。

CIS是近年来在线阵CCD和CMOS技术之后发展起来的新型图像采集传感器，在结构上，CIS将柱状透镜、LED阵列光源、感光元件阵列与信号放大电路集成到一起，LED光源发出的光线经被扫描物反射后，通过柱状透镜投射聚焦于感光元件阵列，通过感光元件阵列将光信号转化为电信号，然后将信号由放大电路进行放大输出，经后端处理后直接形成扫描对象的图像。

1 CIS成像检测系统硬件构成

如图1所示，CIS的生物芯片成像检测系统主要包括CIS图像传感器、CIS输出信号处理与转换、主控CPU处理器、USB数据传输和PC图像数据显示几部分。

CIS传感器在运动控制机构的辅助下，完成生物芯片的图像采集，经过信号处理完成模拟图像信号到数字信号的转换，然后输入到主控CPU处理器，进行图像处理，最后通过USB接口将图像信号输出到计算机进行显示，可以直接显示原始的数据，也可进一步对采集到的数据进行分析处理。

1.1 CIS图像传感器

CIS图像传感器（图2）负责将光学物理图像投影到传感器镜头焦平面上，同时将图像传感器接收到的光信号转换为电平信号。当前工业级的CIS图像传感器主要生产商为日本三菱和德国Tichawa公司等，国产CIS近年来也得到快速发展，国产替代进口已成为一种趋势。

本系统采用国产CIS图像传感器，分辨率为200 DPI，总像素为672 Pixels。

1.2 运动及控制

系统采用电机带动齿轮转动，从而移动CIS图像传感器完成图像采集。

1.3 信号处理及转换

本部分通过HOLTEK公司的16-Bit CCD/CIS模拟信号处理器芯片HT82V38实现模拟信号的处理，同时完成数字信号转换，输出8位数字信号。芯片结构如图3所示。

1.4 主控处理器

系统采用STM32F429IG作为主控处理器对图像信号进行处理，1 Mb Flash，256 kb RAM;外扩32 Mb SDRAM，用于暂存CIS采集到的JPEG图像信息。

通过STM32F429控制DCMI接收经过HT82V38转换的CIS图像传感器采集的图像，再由DMA将图像发送到外部SDRAM存储。STM32F429的DCMI接口框图如图4所示，DCMI_D数据线的数量可选8、10、12或14位，各个同步信号的有效极性都可编程控制，本设计数据线设置为8位。

1.5 计算机接口

主控器STM32F429将JPEG数据通过USB接口传送到计算机，计算机可以直接显示JPEG图像数据，也可对图形进行进一步的分析处理。USB接口芯片采用SMSC公司的USB3300，是一款工业级的高速物理层USB收发器。USB3300的封装原理如图5所示。USB3300在结构上是一款基于ULPI协议的芯片，物理上可直接外接标准或MINI接口的USB连接器，其功能模块如图6所示。

2 系统软件设计

系统软件包括图像采集、处理与存储、传输及显示等几部分。CIS图像传感器采集的图像数据经过主控器STM32F429分析和处理后，通过USB接口传输到PC端，PC机上的应用软件将图像显示出来。本文重点介绍图像采集处理和图像显示部分的软件实现。

2.1 图像采集与处理

软件编程流程为：

（1）系统初始化，包括初始化DCMI时钟、I2C时钟、DCMI工作模式、DMA等，用于搬运DCMI的数据到SDRAM存储及USB传输，USB接口初始化为USB OTG HS;

（2）使用I2C接口控制CIS图像传感器的运动机构和触发机构，完成图像采集;

（3）DCMI接口配置为帧中断，获得一帧完整的图像数据后，中断触发，进入DCMI的中断服务函数，将进行USB图像传输。

系统软件流程图及软件重要函数如图7所示。

2.2 图像显示

这部分软件为PC机端的应用软件，将通过USB接口接收到的图像数据显示出来。图像显示的PC端软件界面如图8所示。

3 实验

将装置通过USB线缆和计算机连接，把制备好的试剂盒放到CIS的下方，给装置供电。实验样机如图9所示。