采用ARM和CPLD的無線內(nèi)窺系統(tǒng)方案

當前，醫(yī)用無線內(nèi)窺鏡已有產(chǎn)品問世。目前國內(nèi)尚無獨立制造該產(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)，圖像壓縮標準JPEG-LS在ARM7平臺上的實現(xiàn)，以及實現(xiàn)過程中所采用的調(diào)試方法、優(yōu)化方法。

一、系統(tǒng)組成與工作原理

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)主要由主機和從機(無線內(nèi)窺鏡)組成。從機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;主機通過USB連接藍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。

圖1　內(nèi)窺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

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，實現(xiàn)JPEG-LS無損圖像壓縮與藍牙無線數(shù)據(jù)傳輸，實現(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)總線實現(xiàn)，ARM7和CPLD之間的握手控制則通過I/O口線實現(xiàn)。由于圖像數(shù)據(jù)量較大，按 640×480分辨率、8位圖像的格式計算達幾十萬字節(jié)，故本系統(tǒng)外部擴展了2片上作在乒乓方式的512KB的SRAM作數(shù)據(jù)緩存。

圖2　無線內(nèi)窺鏡硬件結(jié)構(gòu)框圖

3、系統(tǒng)工作原理

內(nèi)窺系統(tǒng)可以實現(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：

①默認情況下，系統(tǒng)工作在休眠狀態(tài)。

②工作人員通過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)送給藍牙適配器，然后發(fā)送給無線內(nèi)窺鏡。

③內(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)。

④CPLD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。

⑤ARM通過藍牙模塊返回響應(yīng)命令，并返回采集JPEG-LS圖像的頭信息。

⑥PC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。

⑧重復(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。無線傳輸采用藍牙技術(shù)，其標稱空中速率為1 Mbps，不易提高;因此，系統(tǒng)設(shè)計的核心是JPEG-LS的編碼效率。