0 引言

    隨著微型圖像傳感器和成像技術的不斷發(fā)展，人們對內(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越高，而國內(nèi)內(nèi)窺鏡由于沒有掌握微型傳感器的核心技術和控制電路核心技術，發(fā)展相對緩慢。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)實意義。浙江大學姚陳昀等人設計了基于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)過壓縮的且傳輸速度較慢而無法滿足當前內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)對圖像質(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計了一種基于USB3.0接口的高清內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)。系統(tǒng)具有低價高性能便攜等特點，同時可以滿足鄉(xiāng)鎮(zhèn)醫(yī)療機構(gòu)或第三世界醫(yī)療機構(gòu)的需要。

1 攝像系統(tǒng)總體設計

    本設計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)是為各個模塊提供不同的電壓；圖像采集與圖像處理系統(tǒng)是通過攝像頭采集并獲取需要的視頻圖像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對攝像頭各種參數(shù)的設置；USB3.0傳輸系統(tǒng)是將經(jīng)過處理系統(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USB3.0接口傳輸給PC機。與其他總線接口相比，USB3.0具有很好的適應性，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)能實現(xiàn)設備的免驅(qū)，這也是USB最突出的優(yōu)勢^[2]。

2 攝像系統(tǒng)硬件設計

2.1 圖像采集與圖像處理系統(tǒng)的設計

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

    OV5640的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示^[3]。當圖像傳感器通電后，定時發(fā)生器會輸出固定時鐘信號來訪問圖像行陣列，之后被采樣的像素數(shù)據(jù)通過放大器校正偏移量并與相應的增益相乘，得到的數(shù)據(jù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。從圖像傳感器核心模塊(即經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換后)出來的數(shù)字信號經(jīng)過校正、去噪、自動對焦、白平衡等處理后，進入圖像輸出接口，由移動行業(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)的設計

    EZ-USB CX3橋接控制器主要用于數(shù)字攝像頭、醫(yī)療成像設備和USB顯微鏡等設備中。本設計使用EZ-USB CX3橋接控制器來進行圖像數(shù)據(jù)傳輸，主要采用以下主要特性來實現(xiàn)攝像系統(tǒng)：支持5 Gb/s USB3.0 PHY；MIPI CIS-2接口支持4個數(shù)據(jù)通道且每個通道支持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；連接時鐘頻率為400 kHz的I²C外設與UART外設。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5.0 Gb/s，采用的是全雙工、四線差分信號數(shù)據(jù)傳輸，此外除了有2個用于USB2.0數(shù)據(jù)傳輸信號外，還有4個用于超速數(shù)據(jù)傳輸信號^[4]。基于以上幾點原因，選用CYUSB3065作為EZ-USB CX3橋接控制器主芯片來設計高清內(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 接口的設計

    由于攝像機的應用比較復雜，因此對圖像傳感器要求更高的分辨率。該要求會加大并行圖像傳感器的極限值，而這些接口難以擴展，并需要多個互聯(lián)。因此，MIPI協(xié)會定義了攝像機串行接口2（CSI-2）標準，以便提供功能強大、功耗低、抗干擾好且高速的標準串行接口解決圖像傳感器分辨率的問題。

    MIPI CSI-2 接口是一個既能傳輸數(shù)據(jù)信號也能傳輸時鐘信號的單向差分串行接口，每次可以傳輸4個數(shù)據(jù)通道和1個時鐘通道，且數(shù)據(jù)傳輸速率可達到1 Gb/s^[6]。在本設計中，MIPI CSI-2控制器主要負責將圖像傳感器與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)，再通過并行接口發(fā)送該數(shù)據(jù)。此接口提供下面幾個信號^[8]：HREF，行有效；VSYNC，幀有效；PCLK，像素時鐘；DATA，圖像數(shù)據(jù)的16個數(shù)據(jù)線。

2.2.2 GPIF II和DMA模塊的設計

    GPIF II模塊使用了一個狀態(tài)機讀取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接口是一種沒有流量控制的接口，在插座填充或清除DMA緩沖區(qū)后會有一個時間延遲（多至幾μs），所以通過使用多個GPIF線程來解決延遲問題。GPIF模塊有4個線程，但每次只能是其中一個線程可以傳輸數(shù)據(jù)。在既解決延遲問題又不浪費線程情況下，本文選取了2個線程。使用計數(shù)器來跟蹤讀入插座的數(shù)據(jù)量，當計數(shù)器的值達到極限值（8183），線程就會進行切換。計數(shù)器值的設置如下：DMA緩沖區(qū)的大小為8 184個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)的計數(shù)器的數(shù)值設為8 183。

2.3 電源管理系統(tǒng)的設計

    本文選用的USB3.0_MICRO-B接口除了能夠超速傳輸數(shù)據(jù)外，還為整個系統(tǒng)提供電源來源。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)軟件設計

    軟件設計主要包括圖像采集與圖像處理系統(tǒng)驅(qū)動程序的設計和USB3.0傳輸控制的設計。CX3固件是固化在芯片CYUSB3065內(nèi)部的程序代碼，主要負責控制和協(xié)調(diào)集成電路的功能以及響應上位機請求命令。

3.1 圖像采集系統(tǒng)驅(qū)動程序的設計

    在完成硬件設計后，要能夠獲取圖像數(shù)據(jù)就必須進行軟件驅(qū)動設計，在驅(qū)動中需要通過I²C接口對圖像傳感器OV5640實現(xiàn)控制。首先對I²C接口模塊進行初始化并加載好所需的數(shù)據(jù)，然后對I²C的WR、RD等接口進行定義且等候圖像傳感器的驅(qū)動。在驅(qū)動完成之后，再通過I²C接口對整個OV5640進行初始化。

3.2 CX3固件架構(gòu)設計

    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特定請求的處理，通過I²C接口將視頻控制設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。其設計構(gòu)架如圖5所示。

    主程序main函數(shù)是程序運行的入口，主要用于啟動CX3器件及實時操作系統(tǒng)（Real-Time Operating System，RTOS）內(nèi)核，設置緩存以及配置CX3的I/O口。函數(shù)CyU3PdeviceInit用來初始化CX3器件，如果初始化成功，就用函數(shù)CyU3PdeviceCacheControl初始化CPU緩存（I-cache）；如果不成功則報錯，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RTOS，在函數(shù)CyFXApplicationDefine中創(chuàng)建線程，實現(xiàn)圖像傳感器OV5640和MIPI CSI-2控制器之間的交互。本設計創(chuàng)建了一個UVC_app_thread應用線程，接收圖像傳感器的串行數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

    本文第2節(jié)和第3節(jié)完成了整個系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計，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，通過對亮度、對比度、色調(diào)、飽和度、清晰度、伽馬、白平衡的設置，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。通過對內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)軟硬件的設計以及相應的調(diào)試，設計的這款攝像系統(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。就目前國內(nèi)醫(yī)療器械發(fā)展狀況來看，該攝像系統(tǒng)的實現(xiàn)具有很強的實用價值以及很理想的經(jīng)濟效益。

參考文獻

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