基于ARM与CPLD的无线内窥系统设计

　　引 言

　　目前微米、纳米技术的研究非常活跃，使得微小技术、微型机械电子系统（MEMS）技术得到迅速发展，从而大大促进，医用器材的微型化、微观化，出现了医用光电微传感器（如无线内窥镜）。无线内窥镜以微机电系统为基础，由感知外界信息（力、热、光、生、磁、化等）的微型传感器、控制对象的执行器、信号处理和控制电路、通信接口和电源等部件组成，将信息的获取、处理和执行集成在一起，形成一体化的、具有多种功能的微型系统。

　　当前，医用无线内窥镜已有产品问世。以色列GI公司早在2001年5月即推出其M2A无线内窥镜产品，并获得美国FDA认证。GI公司生产的胶囊型内窥镜长为26 mm，直径为11mm，重3．5g；采用微功耗CMOS图像传感器，可观察视角为14O°，可看清0.lmm左右的物体，采集速度为2帧／s。日本RF公司也于2001年底研制出NORIKA3胶囊型内窥镜系统。该产品采用超小型CCD摄像头，含有8个镜头，可观察视角为360°，图像帧率可达30帧/s。“NORIKA3”利用位于药丸内的转子线圈与产生磁场的体外定子线圈形成马达结构来实现药丸系统姿态控制。RF公司在其网站上发布了产品的设计模型。此外，Gong和Park等人电独立发表论文，描述了各自关于无线内窥镜的设计。

　　目前国内尚无独立制造该产品的能力，而国外的产品价格昂贵，因此，研发具有自主知识产权的无线内窥镜产品具有重要意义。本文介绍无线内窥系统的系统结构，图像压缩标准JPEG-LS在ARM7平台上的实现，以及实现过程中所采用的调试方法、优化方法。

　　1 系统组成与工作原理

　　1.1 内窥系统组成结构

　　如图1所示，无线内窥镜系统主要由主机和从机（无线内窥镜）组成。从机由摄像头采集原始图像，经过压缩处理，通过无线方式把压缩后的图像数据传输给主机；主机通过USB连接蓝牙适配器接收压缩图像，并转发给PC上的管理软件，管理软件将图像解压缩并显示出来。

　　1．2 无线内窥镜组成结构

　　如图2所示，无线内窥镜采用CPLD芯片EPM7256-144，实现30万像素CMOS摄像头OV7660的图像采集控制，以及数据和地址总线的切换。利用Atmel公司的ARM7芯片AT91R40008，实现JPEG-LS无损图像压缩与蓝牙无线数据传输，实现温度、压力采集以及可控光源和系统控制。CPLD和ARM7之间的图像数据交换通过8位数据总线实现，ARM7和CPLD之间的握手控制则通过I/O口线实现。由于图像数据量较大，按640&TImes;480分辨率、8位图像的格式计算达几十万字节，故本系统外部扩展了2片上作在乒乓方式的512KB的SRAM作数据缓存。

　　1．3 系统工作原理

　　内窥系统可以实现图像的连续采集以及温度、湿度、照明亮度等的控制。其中图像采集是系统的核心，其工作流程如下：

　　①默认情况下，系统工作在休眠状态。

　　②工作人员通过PC管理软件发送命令开始采集图像，软件通过USB接口把命令发送给蓝牙适配器，然后发送给无线内窥镜。

　　③内窥镜接收到图像采集命令后，ARM控制CPLD开始采集图像数据。

　　④CPLD把采集到的一帧图像数据写入一块SRAM中，把ARM的总线切换到该SRAM上，并通知ARM进行压缩；同时CPLD往另一块SRAM中继续采集下一帧图像，便于提高系统的吞吐率。

　　⑤ARM通过蓝牙模块返回响应命令，并返回采集JPEG-LS图像的头信息。

　　⑥PC管理软件发送命令接收下一行压缩图像，ARM压缩该行原始图像，并发送压缩数据；如果出错，可以重新发送。重复本步骤可以获取整帧压缩图像。

　　⑦PC软件对压缩图像解码并显示，并提供其他附加功能，如图像处理、保存等。

　　⑧重复步骤②～⑦，获取下一帧压缩图像。

　　由上述流程可以看出，JPEG-LS压缩以及无线信道传输决定整个系统的图像传输速率。无线传输采用蓝牙技术，其标称空中速率为1 Mbps，不易提高；因此，系统设计的核心是JPEG-LS的编码效率。