基于ARM與CPLD的無線內(nèi)窺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　引 言

　　目前微米、納米技術(shù)的研究非?；钴S，使得微小技術(shù)、微型機(jī)械電子系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)得到迅速發(fā)展，從而大大促進(jìn)，醫(yī)用器材的微型化、微觀化，出現(xiàn)了醫(yī)用光電微傳感器（如無線內(nèi)窺鏡）。無線內(nèi)窺鏡以微機(jī)電系統(tǒng)為基礎(chǔ)，由感知外界信息（力、熱、光、生、磁、化等）的微型傳感器、控制對象的執(zhí)行器、信號處理和控制電路、通信接口和電源等部件組成，將信息的獲取、處理和執(zhí)行集成在一起，形成一體化的、具有多種功能的微型系統(tǒng)。

　　當(dāng)前，醫(yī)用無線內(nèi)窺鏡已有產(chǎn)品問世。以色列GI公司早在2001年5月即推出其M2A無線內(nèi)窺鏡產(chǎn)品，并獲得美國FDA認(rèn)證。GI公司生產(chǎn)的膠囊型內(nèi)窺鏡長為26 mm，直徑為11mm，重3．5g；采用微功耗CMOS圖像傳感器，可觀察視角為14O°，可看清0.lmm左右的物體，采集速度為2幀／s。日本RF公司也于2001年底研制出NORIKA3膠囊型內(nèi)窺鏡系統(tǒng)。該產(chǎn)品采用超小型CCD攝像頭，含有8個(gè)鏡頭，可觀察視角為360°，圖像幀率可達(dá)30幀/s。“NORIKA3”利用位于藥丸內(nèi)的轉(zhuǎn)子線圈與產(chǎn)生磁場的體外定子線圈形成馬達(dá)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)藥丸系統(tǒng)姿態(tài)控制。RF公司在其網(wǎng)站上發(fā)布了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)模型。此外，Gong和Park等人電獨(dú)立發(fā)表論文，描述了各自關(guān)于無線內(nèi)窺鏡的設(shè)計(jì)。

　　目前國內(nèi)尚無獨(dú)立制造該產(chǎn)品的能力，而國外的產(chǎn)品價(jià)格昂貴，因此，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的無線內(nèi)窺鏡產(chǎn)品具有重要意義。本文介紹無線內(nèi)窺系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG-LS在ARM7平臺上的實(shí)現(xiàn)，以及實(shí)現(xiàn)過程中所采用的調(diào)試方法、優(yōu)化方法。

　　1 系統(tǒng)組成與工作原理

　　1.1 內(nèi)窺系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

　　如圖1所示，無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)主要由主機(jī)和從機(jī)（無線內(nèi)窺鏡）組成。從機(jī)由攝像頭采集原始圖像，經(jīng)過壓縮處理，通過無線方式把壓縮后的圖像數(shù)據(jù)傳輸給主機(jī)；主機(jī)通過USB連接藍(lán)牙適配器接收壓縮圖像，并轉(zhuǎn)發(fā)給PC上的管理軟件，管理軟件將圖像解壓縮并顯示出來。

　　1．2 無線內(nèi)窺鏡組成結(jié)構(gòu)

　　如圖2所示，無線內(nèi)窺鏡采用CPLD芯片EPM7256-144，實(shí)現(xiàn)30萬像素CMOS攝像頭OV7660的圖像采集控制，以及數(shù)據(jù)和地址總線的切換。利用Atmel公司的ARM7芯片AT91R40008，實(shí)現(xiàn)JPEG-LS無損圖像壓縮與藍(lán)牙無線數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)溫度、壓力采集以及可控光源和系統(tǒng)控制。CPLD和ARM7之間的圖像數(shù)據(jù)交換通過8位數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)，ARM7和CPLD之間的握手控制則通過I/O口線實(shí)現(xiàn)。由于圖像數(shù)據(jù)量較大，按640&TImes;480分辨率、8位圖像的格式計(jì)算達(dá)幾十萬字節(jié)，故本系統(tǒng)外部擴(kuò)展了2片上作在乒乓方式的512KB的SRAM作數(shù)據(jù)緩存。

　　1．3 系統(tǒng)工作原理

　　內(nèi)窺系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)圖像的連續(xù)采集以及溫度、濕度、照明亮度等的控制。其中圖像采集是系統(tǒng)的核心，其工作流程如下：

　?、倌J(rèn)情況下，系統(tǒng)工作在休眠狀態(tài)。

　?、诠ぷ魅藛T通過PC管理軟件發(fā)送命令開始采集圖像，軟件通過USB接口把命令發(fā)送給藍(lán)牙適配器，然后發(fā)送給無線內(nèi)窺鏡。

　?、蹆?nèi)窺鏡接收到圖像采集命令后，ARM控制CPLD開始采集圖像數(shù)據(jù)。

　　④CPLD把采集到的一幀圖像數(shù)據(jù)寫入一塊SRAM中，把ARM的總線切換到該SRAM上，并通知ARM進(jìn)行壓縮；同時(shí)CPLD往另一塊SRAM中繼續(xù)采集下一幀圖像，便于提高系統(tǒng)的吞吐率。

　?、軦RM通過藍(lán)牙模塊返回響應(yīng)命令，并返回采集JPEG-LS圖像的頭信息。

　?、轕C管理軟件發(fā)送命令接收下一行壓縮圖像，ARM壓縮該行原始圖像，并發(fā)送壓縮數(shù)據(jù)；如果出錯(cuò)，可以重新發(fā)送。重復(fù)本步驟可以獲取整幀壓縮圖像。

　　⑦PC軟件對壓縮圖像解碼并顯示，并提供其他附加功能，如圖像處理、保存等。

　?、嘀貜?fù)步驟②～⑦，獲取下一幀壓縮圖像。

　　由上述流程可以看出，JPEG-LS壓縮以及無線信道傳輸決定整個(gè)系統(tǒng)的圖像傳輸速率。無線傳輸采用藍(lán)牙技術(shù)，其標(biāo)稱空中速率為1 Mbps，不易提高；因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心是JPEG-LS的編碼效率。