關(guān)鍵詞 ARM7 JPEG-LS 藍(lán)牙 CMOS攝像頭 CPLD
引 言
目前微米、納米技術(shù)的研究非�；钴S，使得微小技術(shù)、微型機(jī)械電子系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)得到迅速發(fā)展，從而大大促進(jìn)，醫(yī)用器材的微型化、微觀化，出現(xiàn)了醫(yī)用光電微傳感器(如無線內(nèi)窺鏡)。無線內(nèi)窺鏡以微機(jī)電系統(tǒng)為基礎(chǔ)，由感知外界信息(力、熱、光、生、磁、化等)的微型傳感器、控制對象的執(zhí)行器、信號處理和控制電路、通信接口和電源等部件組成，將信息的獲取、處理和執(zhí)行集成在一起，形成一體化的、具有多種功能的微型系統(tǒng)。
當(dāng)前，醫(yī)用無線內(nèi)窺鏡已有產(chǎn)品問世。以色列GI公司早在2001年5月即推出其M2A無線內(nèi)窺鏡產(chǎn)品，并獲得美國FDA認(rèn)證。GI公司生產(chǎn)的膠囊型內(nèi)窺鏡長為26 mm，直徑為11mm，重3．5g；采用微功耗CMOS圖像傳感器，可觀察視角為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(nèi)窺鏡系統(tǒng)。該產(chǎn)品采用超小型CCD攝像頭，含有8個鏡頭，可觀察視角為360°，圖像幀率可達(dá)30幀/s。“NORIKA3”利用位于藥丸內(nèi)的轉(zhuǎn)子線圈與產(chǎn)生磁場的體外定子線圈形成馬達(dá)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)藥丸系統(tǒng)姿態(tài)控制。RF公司在其網(wǎng)站上發(fā)布了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)模型。此外，Gong和Park等人電獨(dú)立發(fā)表論文，描述了各自關(guān)于無線內(nèi)窺鏡的設(shè)計(jì)。
目前國內(nèi)尚無獨(dú)立制造該產(chǎn)品的能力，而國外的產(chǎn)品價格昂貴，因此，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的無線內(nèi)窺鏡產(chǎn)品具有重要意義。本文介紹無線內(nèi)窺系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG-LS在ARM7平臺上的實(shí)現(xiàn)，以及實(shí)現(xiàn)過程中所采用的調(diào)試方法、優(yōu)化方法。
1 系統(tǒng)組成與工作原理
1.1 內(nèi)窺系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)
如圖1所示，無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)主要由主機(jī)和從機(jī)(無線內(nèi)窺鏡)組成。從機(jī)由攝像頭采集原始圖像，經(jīng)過壓縮處理，通過無線方式把壓縮后的圖像數(shù)據(jù)傳輸給主機(jī)；主機(jī)通過USB連接藍(lán)牙適配器接收壓縮圖像，并轉(zhuǎn)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。
1．2 無線內(nèi)窺鏡組成結(jié)構(gòu)
如圖2所示，無線內(nèi)窺鏡采用CPLD芯片EPM7256-144，實(shí)現(xiàn)30萬像素CMOS攝像頭OV7660的圖像采集控制，以及數(shù)據(jù)和地址總線的切換。利用Atmel公司的ARM7芯片AT91R40008，實(shí)現(xiàn)JPEG-LS無損圖像壓縮與藍(lán)牙無線數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)溫度、壓力采集以及可控光源和系統(tǒng)控制。CPLD和ARM7之間的圖像數(shù)據(jù)交換通過8位數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)，ARM7和CPLD之間的握手控制則通過I/O口線實(shí)現(xiàn)。由于圖像數(shù)據(jù)量較大，按640×480分辨率、8位圖像的格式計(jì)算達(dá)幾十萬字節(jié)，故本系統(tǒng)外部擴(kuò)展了2片上作在乒乓方式的512KB的SRAM作數(shù)據(jù)緩存。
1．3 系統(tǒng)工作原理
內(nèi)窺系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)圖像的連續(xù)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(tǒng)的核心，其工作流程如下：
�、倌J(rèn)情況下，系統(tǒng)工作在休眠狀態(tài)。
�、诠ぷ魅藛T通過PC管理軟件發(fā)送命令開始采集圖像，軟件通過USB接口把命令發(fā)送給藍(lán)牙適配器，然后發(fā)送給無線內(nèi)窺鏡。
�、蹆�(nèi)窺鏡接收到圖像采集命令后，ARM控制CPLD開始采集圖像數(shù)據(jù)。
�、蹸PLD把采集到的一幀圖像數(shù)據(jù)寫入一塊SRAM中，把ARM的總線切換到該SRAM上，并通知ARM進(jìn)行壓縮；同時CPLD往另一塊SRAM中繼續(xù)采集下一幀圖像，便于提高系統(tǒng)的吞吐率。
�、軦RM通過藍(lán)牙模塊返回響應(yīng)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(shù)據(jù)；如果出錯，可以重新發(fā)送。重復(fù)本步驟可以獲取整幀壓縮圖像。
⑦PC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�(fù)步驟②～⑦，獲取下一幀壓縮圖像。
由上述流程可以看出，JPEG-LS壓縮以及無線信道傳輸決定整個系統(tǒng)的圖像傳輸速率。無線傳輸采用藍(lán)牙技術(shù)，其標(biāo)稱空中速率為1 Mbps，不易提高；因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心是JPEG-LS的編碼效率。
2 ARM與攝像頭接口設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用美國Omni Vision公司(簡稱為“OV公司”)開發(fā)的CMOS彩色圖像傳感器芯片。該芯片將CMOS光感應(yīng)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(shù)混合輸出等功能。
(1)SSCB配置
為使芯片正常上作，需要通過SCCB總線來完成配置工作。SCCB總線是OV公司定義的一套串行總線標(biāo)準(zhǔn)，與I2C總線類似。配置時，主要是寫OV7660的內(nèi)部寄存器，使芯片輸出格式正確的彩色圖像數(shù)據(jù)。OV7660共有100個左右的寄存器可以配置，其數(shù)據(jù)手冊并未提供可用的配置值。系統(tǒng)調(diào)試過程中，通過各種測試，測出以下一系列配置數(shù)據(jù)，可使OV7660輸出顏色豐富的圖像，如表l所列。
(2)圖像數(shù)據(jù)訪問
AT91R40008不帶攝像頭接口，因此系統(tǒng)增加了一塊CPLD實(shí)現(xiàn)CMOS攝像頭的時序，如圖3所示。ARM只須訪問SRAM就可以訪問圖像數(shù)據(jù)。CPLD確保ARM的總線每次都只掛接一塊有完整圖像的SRAM。
3 ARM與藍(lán)牙接口設(shè)計(jì)
藍(lán)牙是無線數(shù)據(jù)和語音傳輸?shù)拈_放式標(biāo)準(zhǔn)。它將各種通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)及其終端設(shè)備、各種數(shù)字系統(tǒng)，甚至家用電器，采用無線方式連接起來。為了優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，我們采用性價比高的CSR BC2實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙無線串口。CSRBC2是一款高度整合的模塊級藍(lán)牙芯片，主要包括：基帶控制器、2．4～2．5GHz的數(shù)字智能無線電和程序數(shù)據(jù)存儲器。通過該模塊，系統(tǒng)可以提供無線標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)速率為460．8 kbps時，藍(lán)牙芯片能夠正常工作；而在921．6kbps時，會有很高的誤碼率。藍(lán)牙模塊接口電路如圖4所示。
