基于A(yíng)RM和CPLD的無(wú)線(xiàn)內窺系統設計

　　當前，醫用無(wú)線(xiàn)內窺鏡已有產(chǎn)品問(wèn)世。以色列GI公司早在2001年5月即推出其M2A無(wú)線(xiàn)內窺鏡產(chǎn)品，并獲得美國FDA認證。GI公司生產(chǎn)的膠囊型內窺鏡 長(cháng)為26 mm，直徑為11mm，重3.5g;采用微功耗CMOS圖像傳感器，可觀(guān)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膠囊型內窺鏡系統。該產(chǎn)品采用超小型CCD攝像頭，含有8個(gè)鏡頭，可觀(guān)察視角為360°，圖像幀率可達30幀 /s?！癗ORIKA3”利用位于藥丸內的轉子線(xiàn)圈與產(chǎn)生磁場(chǎng)的體外定子線(xiàn)圈形成馬達結構來(lái)實(shí)現藥丸系統姿態(tài)控制。RF公司在其網(wǎng)站上發(fā)布了產(chǎn)品的設計模 型。此外，Gong和Park等人電獨立發(fā)表論文，描述了各自關(guān)于無(wú)線(xiàn)內窺鏡的設計。

　　1 系統組成與工作原理

　　1.1 內窺系統組成結構

　　如圖1所示，無(wú)線(xiàn)內窺鏡系統主要由主機和從機(無(wú)線(xiàn)內窺鏡)組成。從機由攝像頭采集原始圖像，經(jīng)過(guò)壓縮處理，通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式把壓縮后的圖像數據傳輸給主機;主機通過(guò)USB連接藍牙適配器接收壓縮圖像，并轉發(fā)給PC上的管理軟件，管理軟件將圖像解壓縮并顯示出來(lái)。

　　圖1　內窺系統結構框圖

　　1.2 無(wú)線(xiàn)內窺鏡組成結構

　　如圖2所示，無(wú)線(xiàn)內窺鏡采用CPLD芯片EPM7256-144，實(shí)現30萬(wàn)像素CMOS攝像頭OV7660的圖像采集控制，以及數據和地址總線(xiàn)的切換。利用Atmel公司的ARM7芯片AT91R40008，實(shí)現JPEG-LS無(wú)損圖像壓縮與藍牙無(wú)線(xiàn)數據傳輸，實(shí)現溫度、壓力采集以及可控光源和系統控制。CPLD和ARM7之間的圖像數據交換通過(guò)8位數據總線(xiàn)實(shí)現，ARM7和CPLD之間的握手控制則通過(guò)I/O口線(xiàn)實(shí)現。由于圖像數據量較大，按640×480分辨率、8位圖像的格式計算達幾十萬(wàn)字節，故本系統外部擴展了2片上作在乒乓方式的512KB的SRAM作數據緩存。

　　圖2　無(wú)線(xiàn)內窺鏡硬件結構框圖

　　1.3 系統工作原理

　　內窺系統可以實(shí)現圖像的連續采集以及溫度、濕度、照明亮度等的控制。其中圖像采集是系統的核心，其工作流程如下：

　?、倌J情況下，系統工作在休眠狀態(tài)。

　?、诠ぷ魅藛T通過(guò)PC管理軟件發(fā)送命令開(kāi)始采集圖像，軟件通過(guò)USB接口把命令發(fā)送給藍牙適配器，然后發(fā)送給無(wú)線(xiàn)內窺鏡。

　?、蹆雀Q鏡接收到圖像采集命令后，ARM控制CPLD開(kāi)始采集圖像數據。

　?、蹸PLD把采集到的一幀圖像數據寫(xiě)入一塊SRAM中，把ARM的總線(xiàn)切換到該SRAM上，并通知ARM進(jìn)行壓縮;同時(shí)CPLD往另一塊SRAM中繼續采集下一幀圖像，便于提高系統的吞吐率。

　?、軦RM通過(guò)藍牙模塊返回響應命令，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)送壓縮數據;如果出錯，可以重新發(fā)送。重復本步驟可以獲取整幀壓縮圖像。

　?、逷C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。

　?、嘀貜筒襟E②～⑦，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(wú)線(xiàn)信道傳輸決定整個(gè)系統的圖像傳輸速率。無(wú)線(xiàn)傳輸采用藍牙技術(shù)，其標稱(chēng)空中速率為1 Mbps，不易提高;因此，系統設計的核心是JPEG-LS的編碼效率。

　　2 ARM與攝像頭接口設計

　　系統采用美國Omni Vision公司(簡(jiǎn)稱(chēng)為“OV公司”)開(kāi)發(fā)的CMOS彩色圖像傳感器芯片。該芯片將CMOS光感應核與外圍支持電路集成在一起，具有可編程控制與視頻模/數混合輸出等功能。

　　(1)SSCB配置

　　為使芯片正常上作，需要通過(guò)SCCB總線(xiàn)來(lái)完成配置工作。SCCB總線(xiàn)是OV公司定義的一套串行總線(xiàn)標準，與I2C總線(xiàn)類(lèi)似。配置時(shí)，主要是寫(xiě)OV7660的內部寄存器，使芯片輸出格式正確的彩色圖像數據。OV7660共有100個(gè)左右的寄存器可以配置，其數據手冊并未提供可用的配置值。系統調試過(guò)程中，通過(guò)各種測試，測出以下一系列配置數據，可使OV7660輸出顏色豐富的圖像，如表l所列。

　　(2)圖像數據訪(fǎng)問(wèn)

　　AT91R40008不帶攝像頭接口，因此系統增加了一塊CPLD實(shí)現CMOS攝像頭的時(shí)序，如圖3所示。ARM只須訪(fǎng)問(wèn)SRAM就可以訪(fǎng)問(wèn)圖像數據。CPLD確保ARM的總線(xiàn)每次都只掛接一塊有完整圖像的SRAM。

　　圖3　ARM與CPLD接口設計

　　3 ARM與藍牙接口設計

　　藍牙是無(wú)線(xiàn)數據和語(yǔ)音傳輸的開(kāi)放式標準。它將各種通信設備、計算機及其終端設備、各種數字系統，甚至家用電器，采用無(wú)線(xiàn)方式連接起來(lái)。為了優(yōu)化系統設計，我們采用性?xún)r(jià)比高的CSR BC2實(shí)現藍牙無(wú)線(xiàn)串口。CSRBC2是一款高度整合的模塊級藍牙芯片，主要包括：基帶控制器、2.4～2.5GHz的數字智能無(wú)線(xiàn)電和程序數據存儲器。通過(guò)該模塊，系統可以提供無(wú)線(xiàn)標準UART接口，支持多種波特率(如9.6 kbps、19.2 kbps、38.4 kbps、57.6kbps、115.2 1kbps、230.4 kbps、460.8 kbps、92l.6 kbps)。本系統經(jīng)過(guò)測試發(fā)現，當速率為460.8 kbps時(shí)，藍牙芯片能夠正常工作;而在921.6kbps時(shí)，會(huì )有很高的誤碼率。藍牙模塊接口電路如圖4所示。 

　　4 JPEG-LS圖像編

　　系統采集的原始圖像相關(guān)性大、數據量大，需要進(jìn)行圖像壓縮。醫學(xué)圖像要求將圖像質(zhì)量放在首位，因此必須采用無(wú)損壓縮算法。本系統采用靜態(tài)圖像無(wú)損壓縮技術(shù)JPEG-LS，它是目前無(wú)損壓縮算法中性能較好的一種算法。JPEG-LS是ISO/ITU組織提出的最新的連續靜態(tài)圖像近無(wú)損壓縮標準。該標準采用LOCO-I(Low Complexity Lossless Compression for Images)核心算法，建立簡(jiǎn)單的上下文模型，在低復雜度的情況下實(shí)現了高壓縮率;同時(shí)，算法對圖像逐行進(jìn)行壓縮，降低了系統對圖像緩沖區的要求。

　　4.1 JPEG-LS工作原理簡(jiǎn)介

　　如圖5所示，JPEG-LS的編碼過(guò)程主要包括預測、上下文建模和熵編碼。核心算法LOCO-I采用鄰域非線(xiàn)性預測和Golomb熵編碼。

　　圖5　JPEG-LS編碼流程

　　上下文建模是JPEG-LS編碼的基礎，使用的建模方法是基于對上下文的認識。上下文首先根據圖5中a、b、c、d處像素值決定對x處像素足采用常規模式編碼還是采用游程模式編碼。當從上下文估計的連續像素在近似無(wú)失真編碼要求的容限內幾乎完全相同時(shí)，選擇游程模式;否則，選擇常規模式。

　　常規模式下首先完成預測。預測器對位于a、b、c等3個(gè)鄰近像素的重建組值Ra、Rb、Rc進(jìn)行綜合，形成x像素的預測值Px，即：

　　預測誤差是x像索的實(shí)際值和預測值的差分。通過(guò)一個(gè)與上下文有關(guān)的項對預測誤差進(jìn)行修正，以補償預測中的系統偏移。如果采用近無(wú)損編碼，則要對預測誤差進(jìn)行量化，所允許的最大誤差用一個(gè)“NEAR"參數表示。對已修正的預測誤差進(jìn)行Golomb編碼。Golomb編碼相當于幾何分布下的Huffman編碼。它依賴(lài)于上下文，而前面編碼的預測誤差也是以相同的上下文為基礎。

　　為進(jìn)一步提高數據壓縮效率，JPEG-LS引入了游程模式。此時(shí)編碼過(guò)程直接跳過(guò)預測和誤差編碼程序：編碼器從x處開(kāi)始對像素值和a處像素重建值相同的一系列連續像素進(jìn)行計數，即統計游程的長(cháng)度。當遇到一個(gè)具有不同值的像素或當前行的行尾時(shí)，游程終止。該游程長(cháng)度經(jīng)過(guò)一個(gè)專(zhuān)門(mén)的性能更好、更適用的Golomb編碼擴展程序來(lái)編碼。

　　4.2 JPEG-LS的移植問(wèn)題

　　本系統使用HP實(shí)驗室提供的開(kāi)源JPEG-LS開(kāi)發(fā)包。完整的JPEG-LS開(kāi)發(fā)包支持多種顏色模型，如多平面壓縮、逐行或者逐點(diǎn)等壓縮方式。本系統考慮到ARM系統資源的限制，只裁減了其中的逐行單文件壓縮方式。原始開(kāi)發(fā)包運行在Linux或者Windows平臺上，移植過(guò)程最主要的工作包括3點(diǎn)。

　?、俨脺p不必要的功能，如原始開(kāi)發(fā)包中對多圖像編碼的支持。

　?、卺槍ο到y設計移植后的接口，如本模塊移植后，只提供以下幾個(gè)接口：

　　jls_global_init，全局初始化函數，計算查詢(xún)表等，只需要啟動(dòng)時(shí)調用一次;

　　jls_image_init，每幀圖像開(kāi)始壓縮時(shí)都要調用一次的初始化;

　　jls_encode_one_line，壓縮一行圖像。

　?、蹖υ_(kāi)發(fā)包中使用的動(dòng)態(tài)內存分配需要移植，解決的方案有2個(gè)：

　　開(kāi)發(fā)一個(gè)簡(jiǎn)單的內存管理模塊;

　　手動(dòng)分配內存。

　　考慮到源碼包中使用的動(dòng)態(tài)內存不多，系統采用第2種方案。在移植過(guò)程中，建議先在PC上分配好一大塊內存，然后，給開(kāi)發(fā)包中需要分配的地方手動(dòng)分配。在PC上調試通過(guò)之后，就可以直接在A(yíng)RM上面使用了。

　　5 調試及優(yōu)化方法

　　5.1調試方法

　　嵌入式系統的調試是一個(gè)很繁瑣而復雜的過(guò)程。在調試之前劃分好模塊，可以大大提高調試效率;另外為了調試，還需要添加一些計劃項目之外的調試工具。

　　本系統的調試工作分為3個(gè)部分。

　　(1)藍牙無(wú)線(xiàn)鏈路層調試

　　藍牙無(wú)線(xiàn)鏈路層的調試可以直接借助PC上很多現有的串口工具來(lái)實(shí)現。

　　(2)CMOS攝像頭調試

　　CMOS攝像頭的調試有兩個(gè)部分：SCCB配置時(shí)序、RGB圖像數據時(shí)序。

　　一般的處理器都不帶SCCB接口，因此要用處理器的口線(xiàn)模擬SCCB時(shí)序。此時(shí)的調試一般都是通過(guò)示波器觀(guān)察模擬的時(shí)序，看足否符合芯片手冊上的要求。為了驗證是否正確，一般可先讀一個(gè)指定的寄存器(這些寄存器都有出廠(chǎng)默認值);然后寫(xiě)一個(gè)數據，讀取出來(lái)驗證是否吻合。

　　RGB圖像數據時(shí)序由CPLD產(chǎn)生，此時(shí)的調試需要ARM來(lái)配合。本系統在調試時(shí)，在PC上編寫(xiě)了一個(gè)簡(jiǎn)單的串口接收程序，ARM把SRAM中的圖像數據通過(guò)串口發(fā)送給該PC，PC上的程序把這些原始的RGB數據插值并顯示出來(lái)，從而可以得知CPLD的時(shí)序是否正確。當然，調試時(shí)序時(shí)，示波器仍然是必不可少的工具。

　　(3)JPEG-LS算法調試

　　JPEG-LS算法的調試分為兩個(gè)步驟：PC上的算法驗證和目標板上的調試。

　　PC上的算法驗證使用VC6.O模擬目標板上的運行環(huán)境，測試目標板上的各個(gè)功能接口。本部分的驗證代碼可供下載。

　　目標板上調試時(shí)，還是要借助串口，把壓縮的圖像和原始圖像通過(guò)串口發(fā)送至PC。Pc上的JPEG-LS解碼程序解碼壓縮圖像，然后與原始圖像對比，從而找出算法中的錯誤。

　　5.2 優(yōu)化方法

　　為提高圖像傳輸的幀率，本系統主要采用了2種優(yōu)化方法。

　　(1)硬件優(yōu)化

　　硬件優(yōu)化主要是在CPLD采集數據時(shí)，使用雙緩沖，使得連續采集下一幀圖像和傳輸上一幀圖像可以并行，從而提高系統的吞吐率。

　　(2)軟件優(yōu)化

　　軟件優(yōu)化的作用在本系統的調試過(guò)程中效果明顯;本系統的第一個(gè)版本，圖像采集速率僅為3 s/幀;通過(guò)軟件優(yōu)化后，達到了最終的O.3 s/幀。其優(yōu)化如下：

　?、傺h(huán)外移，避免在循環(huán)中重復運算;

　?、陬l繁使用的變量申明為寄存器變量;

　?、郯阉械腏PEG-LS編碼函數代碼拷貝到RAM中執行。

　　默認情況下，所有的代碼都存放在Flash中。ARM運行時(shí)，從Flash中讀取指令并且執行。眾所周知，Flash的訪(fǎng)問(wèn)速度相對RAM而言，相差一個(gè)數量級，因此，如果把關(guān)鍵代碼放在RAM中，執行速率將會(huì )大大提高。而AT9lR40008內部自帶512 KB的RAM，足夠本系統使用，因此，這個(gè)方法可行。

　　解決的方法有兩個(gè)，一是寫(xiě)一個(gè)啟動(dòng)程序，在啟動(dòng)時(shí)，把系統所有的代碼都拷貝到RAM中，這樣系統速度會(huì )提高。然而，該方法實(shí)現起來(lái)較麻煩，且如果程序擴展，可能會(huì )超過(guò)RAM的512 KB限制。因此，本系統采用另外一個(gè)簡(jiǎn)單方法。采用IAR Embedded Workbench開(kāi)發(fā)環(huán)境，通過(guò)閱讀其編譯器手冊發(fā)現，在函數之前添加一個(gè)__ramfunc偽指令，那么鏈接器在生成啟動(dòng)代碼時(shí)，會(huì )將該函數拷貝到RAM中，從而提高運行效率。其使用例子如下：

　　ramfunc void encode_oneline(vcrid)

　　通過(guò)使用該方法，系統的運行效率提高了約lO倍。

　　結語(yǔ)

　　本系統以ARM為核心，實(shí)現了JPEG-LS無(wú)損圖像壓縮算法，并日結合CPLD實(shí)現了CMOS攝像頭的時(shí)序控制。通過(guò)藍牙傳輸，實(shí)現了數字化的無(wú)線(xiàn)內窺系統。

　　本系統具有良好的擴充性，可以使得系統更加微型化。首先，如果采用CSR公司更新的BC3系列芯片，則將融合ARM核以及藍牙功能，可以更加減小內窺鏡的體積。最重要的是，如果發(fā)展自主產(chǎn)權的內窺鏡芯片，那么以現有的SOPC技術(shù)，可以將ARM核、CPLD邏輯門(mén)以及藍牙通信功能集成在一起，形成無(wú)線(xiàn)內窺鏡的集成解決方案，從而使其產(chǎn)業(yè)化成為可能。

　　本系統在實(shí)現過(guò)程中，完成了一系列的調試工具，積累了調試以及優(yōu)化經(jīng)驗。我國現有的醫療設備開(kāi)發(fā)技術(shù)相對比較落后，在此分享，希望對同類(lèi)型的產(chǎn)品設計以及芯片生產(chǎn)能有一些參考價(jià)值。