0 引言

    隨著微型圖像傳感器和成像技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)的圖像質(zhì)量、傳輸速度和攜帶方便的要求越來(lái)越高，而國(guó)內(nèi)內(nèi)窺鏡由于沒(méi)有掌握微型傳感器的核心技術(shù)和控制電路核心技術(shù)，發(fā)展相對(duì)緩慢。因此，研究具有高圖像分辨率、傳輸超速的內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。浙江大學(xué)姚陳昀等人設(shè)計(jì)了基于USB接口的高清電子內(nèi)窺鏡系統(tǒng)^[1]，其采用的是SXGA作為圖像傳感器以及USB2.0作為數(shù)據(jù)傳輸接口，但是由于其采集到的圖像數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)壓縮的且傳輸速度較慢而無(wú)法滿足當(dāng)前內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)對(duì)圖像質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速度的需要。因此，本文采用Cypress公司的CYUSB3065作為EZ-USB CX3橋接控制器的主芯片以及OmniVision公司的OV5640作為圖像傳感器的主芯片設(shè)計(jì)了一種基于USB3.0接口的高清內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)。系統(tǒng)具有低價(jià)高性能便攜等特點(diǎn)，同時(shí)可以滿足鄉(xiāng)鎮(zhèn)醫(yī)療機(jī)構(gòu)或第三世界醫(yī)療機(jī)構(gòu)的需要。

1 攝像系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)主要由電源管理系統(tǒng)、圖像采集與圖像處理系統(tǒng)和USB3.0傳輸系統(tǒng)三大模塊組成。攝像系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。電源管理系統(tǒng)是為各個(gè)模塊提供不同的電壓；圖像采集與圖像處理系統(tǒng)是通過(guò)攝像頭采集并獲取需要的視頻圖像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像頭各種參數(shù)的設(shè)置；USB3.0傳輸系統(tǒng)是將經(jīng)過(guò)處理系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為符合USB視頻類（USB Video Class，UVC）協(xié)議格式的數(shù)據(jù)，并通過(guò)USB3.0接口傳輸給PC機(jī)。與其他總線接口相比，USB3.0具有很好的適應(yīng)性，且不需要考慮接口的兼容性。由于采用了UVC協(xié)議，使得本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的免驅(qū)，這也是USB最突出的優(yōu)勢(shì)^[2]。

2 攝像系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 圖像采集與圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)采用OV5640作為圖像采集與圖像處理系統(tǒng)的核心芯片。OV5640是一個(gè)高清CMOS圖像傳感器，它既能進(jìn)行圖像采集也能進(jìn)行圖像處理，且具有靈敏度高、串?dāng)_低、噪音低、圖像清晰度高、視頻捕捉功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，此外，為了使醫(yī)生能更清楚地觀察內(nèi)窺鏡下圖像的細(xì)節(jié)信息，還要求采集到的圖像是無(wú)損非壓縮的，這些都是本設(shè)計(jì)選用此芯片的原因。

    OV5640的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示^[3]。當(dāng)圖像傳感器通電后，定時(shí)發(fā)生器會(huì)輸出固定時(shí)鐘信號(hào)來(lái)訪問(wèn)圖像行陣列，之后被采樣的像素?cái)?shù)據(jù)通過(guò)放大器校正偏移量并與相應(yīng)的增益相乘，得到的數(shù)據(jù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。從圖像傳感器核心模塊(即經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)換后)出來(lái)的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)校正、去噪、自動(dòng)對(duì)焦、白平衡等處理后，進(jìn)入圖像輸出接口，由移動(dòng)行業(yè)處理器接口（Mobile Industry Processor Interface，MIPI）輸出串行圖像數(shù)據(jù)，并與EZ-USB CX3橋接控制器的MIPI CSI-2接口相連接。

2.2 USB3.0傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    EZ-USB CX3橋接控制器主要用于數(shù)字?jǐn)z像頭、醫(yī)療成像設(shè)備和USB顯微鏡等設(shè)備中。本設(shè)計(jì)使用EZ-USB CX3橋接控制器來(lái)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)傳輸，主要采用以下主要特性來(lái)實(shí)現(xiàn)攝像系統(tǒng)：支持5 Gb/s USB3.0 PHY；MIPI CIS-2接口支持4個(gè)數(shù)據(jù)通道且每個(gè)通道支持1 Gb/s，完成與圖像傳感器的配置；支持UYVY視頻數(shù)據(jù)格式；連接時(shí)鐘頻率為400 kHz的I²C外設(shè)與UART外設(shè)。與USB2.0接口相比，USB3.0接口的數(shù)據(jù)傳輸速率理論值可達(dá)5.0 Gb/s，采用的是全雙工、四線差分信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸，此外除了有2個(gè)用于USB2.0數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)外，還有4個(gè)用于超速數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)^[4]?；谝陨蠋c(diǎn)原因，選用CYUSB3065作為EZ-USB CX3橋接控制器主芯片來(lái)設(shè)計(jì)高清內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)。USB3.0傳輸模塊系統(tǒng)框圖如圖3所示^[5]。

2.2.1 MIPI CSI-2 接口的設(shè)計(jì)

    由于攝像機(jī)的應(yīng)用比較復(fù)雜，因此對(duì)圖像傳感器要求更高的分辨率。該要求會(huì)加大并行圖像傳感器的極限值，而這些接口難以擴(kuò)展，并需要多個(gè)互聯(lián)。因此，MIPI協(xié)會(huì)定義了攝像機(jī)串行接口2（CSI-2）標(biāo)準(zhǔn)，以便提供功能強(qiáng)大、功耗低、抗干擾好且高速的標(biāo)準(zhǔn)串行接口解決圖像傳感器分辨率的問(wèn)題。

    MIPI CSI-2 接口是一個(gè)既能傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)也能傳輸時(shí)鐘信號(hào)的單向差分串行接口，每次可以傳輸4個(gè)數(shù)據(jù)通道和1個(gè)時(shí)鐘通道，且數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到1 Gb/s^[6]。在本設(shè)計(jì)中，MIPI CSI-2控制器主要負(fù)責(zé)將圖像傳感器與CX3連接，并從該器件上讀取數(shù)據(jù)。因圖像傳感器OV5640提供2-lane MIPI數(shù)據(jù)傳輸^[7]，所以本文只選取了EZ-USB CX3 MIPI 的2-lane模式傳輸圖像數(shù)據(jù)。

    在配置完成后，MIPI CSI-2控制器將來(lái)自圖像傳感器的串行圖像數(shù)據(jù)分解，然后將其轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，再通過(guò)并行接口發(fā)送該數(shù)據(jù)。此接口提供下面幾個(gè)信號(hào)^[8]：HREF，行有效；VSYNC，幀有效；PCLK，像素時(shí)鐘；DATA，圖像數(shù)據(jù)的16個(gè)數(shù)據(jù)線。

2.2.2 GPIF II和DMA模塊的設(shè)計(jì)

    GPIF II模塊使用了一個(gè)狀態(tài)機(jī)讀取MIPI CSI-2控制器的并行接口輸出的視頻數(shù)據(jù)，DMA模塊展示數(shù)據(jù)輸入和輸出方式。

    由于MIPI CSI-2 RX接口是一種沒(méi)有流量控制的接口，在插座填充或清除DMA緩沖區(qū)后會(huì)有一個(gè)時(shí)間延遲（多至幾μs），所以通過(guò)使用多個(gè)GPIF線程來(lái)解決延遲問(wèn)題。GPIF模塊有4個(gè)線程，但每次只能是其中一個(gè)線程可以傳輸數(shù)據(jù)。在既解決延遲問(wèn)題又不浪費(fèi)線程情況下，本文選取了2個(gè)線程。使用計(jì)數(shù)器來(lái)跟蹤讀入插座的數(shù)據(jù)量，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值達(dá)到極限值（8183），線程就會(huì)進(jìn)行切換。計(jì)數(shù)器值的設(shè)置如下：DMA緩沖區(qū)的大小為8 184個(gè)16位字節(jié)，數(shù)據(jù)總線的寬度為16位，根據(jù)式(1)可知DMA緩沖區(qū)的計(jì)數(shù)器的數(shù)值設(shè)為8 183。

2.3 電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    本文選用的USB3.0_MICRO-B接口除了能夠超速傳輸數(shù)據(jù)外，還為整個(gè)系統(tǒng)提供電源來(lái)源。其硬件電路如圖4所示，其引腳VBUS最大輸入電壓為6 V，經(jīng)過(guò)2 A降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換芯片XC9243后，分別得到3.3 V、2.8 V、1.8 V、1.5 V、1.2 V工作電壓。

    根據(jù)芯片XC9243提供的輸出電壓值與反饋電阻之間的關(guān)系式(2)，可得出各種所需提供的工作電壓值如表1所示。

3 攝像系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    軟件設(shè)計(jì)主要包括圖像采集與圖像處理系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和USB3.0傳輸控制的設(shè)計(jì)。CX3固件是固化在芯片CYUSB3065內(nèi)部的程序代碼，主要負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)集成電路的功能以及響應(yīng)上位機(jī)請(qǐng)求命令。

3.1 圖像采集系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

    在完成硬件設(shè)計(jì)后，要能夠獲取圖像數(shù)據(jù)就必須進(jìn)行軟件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，在驅(qū)動(dòng)中需要通過(guò)I²C接口對(duì)圖像傳感器OV5640實(shí)現(xiàn)控制。首先對(duì)I²C接口模塊進(jìn)行初始化并加載好所需的數(shù)據(jù)，然后對(duì)I²C的WR、RD等接口進(jìn)行定義且等候圖像傳感器的驅(qū)動(dòng)。在驅(qū)動(dòng)完成之后，再通過(guò)I²C接口對(duì)整個(gè)OV5640進(jìn)行初始化。

3.2 CX3固件架構(gòu)設(shè)計(jì)

    CX3固件包括CX3硬件模塊的初始化，圖像傳感器OV5640和MIPI CSI-2控制器的配置，器件的枚舉，UVC特定請(qǐng)求的處理，通過(guò)I²C接口將視頻控制設(shè)置傳輸給圖像傳感器，在視頻數(shù)據(jù)流中添加UVC頭數(shù)據(jù)以及將帶有頭數(shù)據(jù)的視頻數(shù)據(jù)提交給USB等內(nèi)容。其設(shè)計(jì)構(gòu)架如圖5所示。

    主程序main函數(shù)是程序運(yùn)行的入口，主要用于啟動(dòng)CX3器件及實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Real-Time Operating System，RTOS）內(nèi)核，設(shè)置緩存以及配置CX3的I/O口。函數(shù)CyU3PdeviceInit用來(lái)初始化CX3器件，如果初始化成功，就用函數(shù)CyU3PdeviceCacheControl初始化CPU緩存（I-cache）；如果不成功則報(bào)錯(cuò)，重新初始化CX3器件。在配置成功后，函數(shù)CyU3PkernelEntry將初始化RTOS。啟動(dòng)RTOS，在函數(shù)CyFXApplicationDefine中創(chuàng)建線程，實(shí)現(xiàn)圖像傳感器OV5640和MIPI CSI-2控制器之間的交互。本設(shè)計(jì)創(chuàng)建了一個(gè)UVC_app_thread應(yīng)用線程，接收?qǐng)D像傳感器的串行數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

    本文第2節(jié)和第3節(jié)完成了整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，圖6所示為從內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)（Endoscopic Camera System，ECS）媒體播放器軟件中截取的圖片，通過(guò)對(duì)亮度、對(duì)比度、色調(diào)、飽和度、清晰度、伽馬、白平衡的設(shè)置，可以獲取所需要的圖像清晰度。

    內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)小巧玲瓏，重量輕，非常方便攜帶。通過(guò)對(duì)內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的調(diào)試，設(shè)計(jì)的這款攝像系統(tǒng)能夠獲取全高清的圖像、數(shù)據(jù)傳輸速度快，成本低廉，攜帶方便。就目前國(guó)內(nèi)醫(yī)療器械發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，該攝像系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值以及很理想的經(jīng)濟(jì)效益。

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