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医用电子内镜嵌入式视频采集控制系统设计与实现

2015-02-04 11:39
天堂的苦涩
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  摘要:介绍了一套基于视频编解码芯片、闪存以及FPGA的医用电子内镜实时图像采集控制系统。文中给出了整套系统的硬件方案及其设计框图并介绍了乒乓操作的原理及系统的FPGA程序实现方法。经测试表明系统的性能稳定易于维护成本低廉、性价比较高,在医用内窥镜领域有较好的应用前景。

  随着内窥镜外科、微创外科技术的迅猛发展,医用电子内窥镜已经成为当前应用非常广泛的一种医疗仪器。目前,国产医用电子内镜一般采用视频卡采集,然后在微机中进行处理,有信号损失大、图像效果差、数据容易丢失、处理时间较慢、设备繁多和成本高等缺陷。采用嵌人式视频控制处理技术,可以借助数字化技术对信号进行处理,信号损失少、图像效果好、配置灵活、维护方便,而且大大降低了成本。

  本文采用视频编解码芯片SRAM, NAND FLASH与现场可编程门阵列FPGA (Field Programmable Gate Array)设计了一套医用内镜嵌人式图像采集控制系统。其中,视频解码芯片可以从视频信号中自动获取行、场同步信号并完成A/D转换,而视频编码芯片则可自动对数字信号进行D/A转换,输出模拟信号。SRAM用于对视频流进行乒乓操作,起缓冲作用,而FLASH则用于对个别图像进行存储,适时进行回放。使用FPGA/CPLD开发数字电路,可大大增加电路的集成度、减小PCB体积小、增强系统功能、降低投资和缩短开发周期,且具有可反复编程修改、开发工具智能化和电路设计灵活等特点。随着电子工艺的不断改进,低成本的FPGA/CPLD器件已成为当今硬件开发设计的首选方式之一。因此,本设计具有小体积、低成本、高可靠性和易于再开发等优点。

  1.系统工作原理及设计方案

  视频采集的系统框图如图1所示。系统上电后,单片机(MCU)通过I2C总线对视频编解码芯片初始化。初始化成功后,视频解码芯片开始工作,将通过CCD摄像头采集到的模拟视频信号转换成720x576的YUV4:2:2数字信号,然后输人FPGA。FPGA一方面作为SRAM的地址发生器,将数据输人到SRAM;另一方面还产生SRAM的读写控制信号,用两片SRAM以乒乓操作方式工作,使每片保存一场图像。与此同时,FPGA又将SRAM中的数据传人视频编码芯片中。由于采用了乒乓操作,因此保证了视频流的流畅性,而视频编码芯片则对从FPGA输人进来的数字信号进行编码处理,从而将数字信号还原成模拟视频信号,传人显示器进行显示。

  通过外部按键,可对FPGA发送的图像进行冻结、存储、删除、回放以及分屏回放等处理。一旦得到外部按键信号,FPGA将会按照NAND FLASH的读写协议,在产生SRAM地址信号和读写控制信号的同时,自动产生FLASH读写控制信号,并向FLASH发送相关的读写命令以及地址信息,从而将数据从SRAM搬移至FLASH中(存储)或者从FLASH中搬移至SRAM(回放)。而当FLASH中数据不再需要时,可通过FPGA发送删除命令,直接对FLASH的指定位置进行擦除操作,从而避免了存储空间的不足。其各部分硬件选择和设计如下:

医用电子内镜嵌入式视频采集控制系统设计与实现

  图1系统结构图

  Fig. 1 System structure diagram

  视频解码芯片采用CONEXANT公司的Bt835KRF,对输人信号进行A/D转换,并提供同步信号与数字信号。视频编码芯片采用CONEXANT公司的型号为Bt860产品,根据解码器提供的同步信号和数据,在输出端完成D/A转换。FPGA采用ALTERA公司Cyclone系列的EP1C6Q240C8芯片。该芯片采用0.13um工艺技术,全铜SRAM工艺,具有5980个逻辑单元,支持近12万门的设计,内嵌RAM共有92160bits,包含2个锁相环电路,包含34个差分通道,最大用户I/O数有185个,可满足设计要求。

  图像缓存模块采用的SRAM芯片是美国IDT公司生产的IDT71V424。它是采用高性能和可靠性的CMOS工艺生产的高速静态存储器,其单片存储容量为512Kx8 Bit,恰好可以存放一帧图像的数据,且具有高速的访问时间(10或12 ns),足够用来保证视频流传输过程中的实时性。其内部完全由静态异步电路构成,无需输入时钟信号,也不必对芯片进行刷新,即可直接对无用数据进行覆盖。

  图像存储模块采用SAMSUNG公司生产的NAND FLASH,型号为K9F5608UOD,容量为264M。NAND结构的FLASH是SAMSUNG公司推出并着力开发的新一代数据存储器件,电源电压为1.7-3.6V,体积小,功耗低,容量最大可达1GB,按页进行读写,按块擦除,通过I/O口分时复用作为命令壮也址墩据。

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