0 引言

    隨著微型圖像傳感器和成像技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)的圖像質(zhì)量,、傳輸速度和攜帶方便的要求越來越高,，而國內(nèi)內(nèi)窺鏡由于沒有掌握微型傳感器的核心技術(shù)和控制電路核心技術(shù),，發(fā)展相對(duì)緩慢。因此,，研究具有高圖像分辨率,、傳輸超速的內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。浙江大學(xué)姚陳昀等人設(shè)計(jì)了基于USB接口的高清電子內(nèi)窺鏡系統(tǒng)^[1],，其采用的是SXGA作為圖像傳感器以及USB2.0作為數(shù)據(jù)傳輸接口,，但是由于其采集到的圖像數(shù)據(jù)是經(jīng)過壓縮的且傳輸速度較慢而無法滿足當(dāng)前內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)對(duì)圖像質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速度的需要。因此,，本文采用Cypress公司的CYUSB3065作為EZ-USB CX3橋接控制器的主芯片以及OmniVision公司的OV5640作為圖像傳感器的主芯片設(shè)計(jì)了一種基于USB3.0接口的高清內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng),。系統(tǒng)具有低價(jià)高性能便攜等特點(diǎn)，同時(shí)可以滿足鄉(xiāng)鎮(zhèn)醫(yī)療機(jī)構(gòu)或第三世界醫(yī)療機(jī)構(gòu)的需要,。

1 攝像系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)主要由電源管理系統(tǒng),、圖像采集與圖像處理系統(tǒng)和USB3.0傳輸系統(tǒng)三大模塊組成。攝像系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示,。電源管理系統(tǒng)是為各個(gè)模塊提供不同的電壓,；圖像采集與圖像處理系統(tǒng)是通過攝像頭采集并獲取需要的視頻圖像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像頭各種參數(shù)的設(shè)置,；USB3.0傳輸系統(tǒng)是將經(jīng)過處理系統(tǒng)的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為符合USB視頻類（USB Video Class,，UVC）協(xié)議格式的數(shù)據(jù)，并通過USB3.0接口傳輸給PC機(jī),。與其他總線接口相比,，USB3.0具有很好的適應(yīng)性，且不需要考慮接口的兼容性,。由于采用了UVC協(xié)議,，使得本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的免驅(qū)，這也是USB最突出的優(yōu)勢^[2],。

2 攝像系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 圖像采集與圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)采用OV5640作為圖像采集與圖像處理系統(tǒng)的核心芯片,。OV5640是一個(gè)高清CMOS圖像傳感器，它既能進(jìn)行圖像采集也能進(jìn)行圖像處理,，且具有靈敏度高,、串?dāng)_低、噪音低,、圖像清晰度高,、視頻捕捉功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，此外,，為了使醫(yī)生能更清楚地觀察內(nèi)窺鏡下圖像的細(xì)節(jié)信息,，還要求采集到的圖像是無損非壓縮的，這些都是本設(shè)計(jì)選用此芯片的原因,。

    OV5640的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示^[3],。當(dāng)圖像傳感器通電后,，定時(shí)發(fā)生器會(huì)輸出固定時(shí)鐘信號(hào)來訪問圖像行陣列，之后被采樣的像素?cái)?shù)據(jù)通過放大器校正偏移量并與相應(yīng)的增益相乘,，得到的數(shù)據(jù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),。從圖像傳感器核心模塊(即經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換后)出來的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過校正、去噪,、自動(dòng)對(duì)焦,、白平衡等處理后，進(jìn)入圖像輸出接口,，由移動(dòng)行業(yè)處理器接口（Mobile Industry Processor Interface,，MIPI）輸出串行圖像數(shù)據(jù)，并與EZ-USB CX3橋接控制器的MIPI CSI-2接口相連接,。

2.2 USB3.0傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    EZ-USB CX3橋接控制器主要用于數(shù)字?jǐn)z像頭,、醫(yī)療成像設(shè)備和USB顯微鏡等設(shè)備中。本設(shè)計(jì)使用EZ-USB CX3橋接控制器來進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)傳輸,，主要采用以下主要特性來實(shí)現(xiàn)攝像系統(tǒng)：支持5 Gb/s USB3.0 PHY,；MIPI CIS-2接口支持4個(gè)數(shù)據(jù)通道且每個(gè)通道支持1 Gb/s，完成與圖像傳感器的配置,；支持UYVY視頻數(shù)據(jù)格式,；連接時(shí)鐘頻率為400 kHz的I²C外設(shè)與UART外設(shè)。與USB2.0接口相比,，USB3.0接口的數(shù)據(jù)傳輸速率理論值可達(dá)5.0 Gb/s,，采用的是全雙工、四線差分信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸,，此外除了有2個(gè)用于USB2.0數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)外,，還有4個(gè)用于超速數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)^[4]?；谝陨蠋c(diǎn)原因，選用CYUSB3065作為EZ-USB CX3橋接控制器主芯片來設(shè)計(jì)高清內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng),。USB3.0傳輸模塊系統(tǒng)框圖如圖3所示^[5],。

2.2.1 MIPI CSI-2 接口的設(shè)計(jì)

    由于攝像機(jī)的應(yīng)用比較復(fù)雜，因此對(duì)圖像傳感器要求更高的分辨率,。該要求會(huì)加大并行圖像傳感器的極限值,，而這些接口難以擴(kuò)展，并需要多個(gè)互聯(lián),。因此,，MIPI協(xié)會(huì)定義了攝像機(jī)串行接口2（CSI-2）標(biāo)準(zhǔn)，以便提供功能強(qiáng)大,、功耗低,、抗干擾好且高速的標(biāo)準(zhǔn)串行接口解決圖像傳感器分辨率的問題,。

    MIPI CSI-2 接口是一個(gè)既能傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)也能傳輸時(shí)鐘信號(hào)的單向差分串行接口，每次可以傳輸4個(gè)數(shù)據(jù)通道和1個(gè)時(shí)鐘通道,，且數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到1 Gb/s^[6],。在本設(shè)計(jì)中，MIPI CSI-2控制器主要負(fù)責(zé)將圖像傳感器與CX3連接,，并從該器件上讀取數(shù)據(jù),。因圖像傳感器OV5640提供2-lane MIPI數(shù)據(jù)傳輸^[7]，所以本文只選取了EZ-USB CX3 MIPI 的2-lane模式傳輸圖像數(shù)據(jù),。

    在配置完成后,，MIPI CSI-2控制器將來自圖像傳感器的串行圖像數(shù)據(jù)分解，然后將其轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù),，再通過并行接口發(fā)送該數(shù)據(jù),。此接口提供下面幾個(gè)信號(hào)^[8]：HREF，行有效,；VSYNC,，幀有效；PCLK,，像素時(shí)鐘,；DATA，圖像數(shù)據(jù)的16個(gè)數(shù)據(jù)線,。

2.2.2 GPIF II和DMA模塊的設(shè)計(jì)

    GPIF II模塊使用了一個(gè)狀態(tài)機(jī)讀取MIPI CSI-2控制器的并行接口輸出的視頻數(shù)據(jù),，DMA模塊展示數(shù)據(jù)輸入和輸出方式。

    由于MIPI CSI-2 RX接口是一種沒有流量控制的接口,，在插座填充或清除DMA緩沖區(qū)后會(huì)有一個(gè)時(shí)間延遲（多至幾μs）,，所以通過使用多個(gè)GPIF線程來解決延遲問題。GPIF模塊有4個(gè)線程,，但每次只能是其中一個(gè)線程可以傳輸數(shù)據(jù),。在既解決延遲問題又不浪費(fèi)線程情況下，本文選取了2個(gè)線程,。使用計(jì)數(shù)器來跟蹤讀入插座的數(shù)據(jù)量,，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值達(dá)到極限值（8183），線程就會(huì)進(jìn)行切換,。計(jì)數(shù)器值的設(shè)置如下：DMA緩沖區(qū)的大小為8 184個(gè)16位字節(jié),，數(shù)據(jù)總線的寬度為16位，根據(jù)式(1)可知DMA緩沖區(qū)的計(jì)數(shù)器的數(shù)值設(shè)為8 183,。

2.3 電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    本文選用的USB3.0_MICRO-B接口除了能夠超速傳輸數(shù)據(jù)外,，還為整個(gè)系統(tǒng)提供電源來源。其硬件電路如圖4所示，其引腳VBUS最大輸入電壓為6 V,，經(jīng)過2 A降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換芯片XC9243后,，分別得到3.3 V、2.8 V,、1.8 V,、1.5 V、1.2 V工作電壓,。

    根據(jù)芯片XC9243提供的輸出電壓值與反饋電阻之間的關(guān)系式(2),，可得出各種所需提供的工作電壓值如表1所示。

3 攝像系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    軟件設(shè)計(jì)主要包括圖像采集與圖像處理系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和USB3.0傳輸控制的設(shè)計(jì),。CX3固件是固化在芯片CYUSB3065內(nèi)部的程序代碼,，主要負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)集成電路的功能以及響應(yīng)上位機(jī)請(qǐng)求命令。

3.1 圖像采集系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

    在完成硬件設(shè)計(jì)后,，要能夠獲取圖像數(shù)據(jù)就必須進(jìn)行軟件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì),，在驅(qū)動(dòng)中需要通過I²C接口對(duì)圖像傳感器OV5640實(shí)現(xiàn)控制。首先對(duì)I²C接口模塊進(jìn)行初始化并加載好所需的數(shù)據(jù),，然后對(duì)I²C的WR,、RD等接口進(jìn)行定義且等候圖像傳感器的驅(qū)動(dòng)。在驅(qū)動(dòng)完成之后,，再通過I²C接口對(duì)整個(gè)OV5640進(jìn)行初始化,。

3.2 CX3固件架構(gòu)設(shè)計(jì)

    CX3固件包括CX3硬件模塊的初始化，圖像傳感器OV5640和MIPI CSI-2控制器的配置,，器件的枚舉,，UVC特定請(qǐng)求的處理，通過I²C接口將視頻控制設(shè)置傳輸給圖像傳感器,，在視頻數(shù)據(jù)流中添加UVC頭數(shù)據(jù)以及將帶有頭數(shù)據(jù)的視頻數(shù)據(jù)提交給USB等內(nèi)容,。其設(shè)計(jì)構(gòu)架如圖5所示。

    主程序main函數(shù)是程序運(yùn)行的入口,，主要用于啟動(dòng)CX3器件及實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Real-Time Operating System,，RTOS）內(nèi)核，設(shè)置緩存以及配置CX3的I/O口,。函數(shù)CyU3PdeviceInit用來初始化CX3器件,，如果初始化成功，就用函數(shù)CyU3PdeviceCacheControl初始化CPU緩存（I-cache）,；如果不成功則報(bào)錯(cuò)，重新初始化CX3器件,。在配置成功后,，函數(shù)CyU3PkernelEntry將初始化RTOS。啟動(dòng)RTOS，在函數(shù)CyFXApplicationDefine中創(chuàng)建線程,，實(shí)現(xiàn)圖像傳感器OV5640和MIPI CSI-2控制器之間的交互,。本設(shè)計(jì)創(chuàng)建了一個(gè)UVC_app_thread應(yīng)用線程，接收?qǐng)D像傳感器的串行數(shù)據(jù),。

4 結(jié)論

    本文第2節(jié)和第3節(jié)完成了整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì),，圖6所示為從內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)（Endoscopic Camera System，ECS）媒體播放器軟件中截取的圖片,，通過對(duì)亮度,、對(duì)比度、色調(diào),、飽和度,、清晰度、伽馬,、白平衡的設(shè)置,，可以獲取所需要的圖像清晰度。

    內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)小巧玲瓏,，重量輕,，非常方便攜帶。通過對(duì)內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的調(diào)試,，設(shè)計(jì)的這款攝像系統(tǒng)能夠獲取全高清的圖像,、數(shù)據(jù)傳輸速度快，成本低廉,，攜帶方便,。就目前國內(nèi)醫(yī)療器械發(fā)展?fàn)顩r來看，該攝像系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值以及很理想的經(jīng)濟(jì)效益,。

參考文獻(xiàn)

[1] 姚陳昀．基于USB接口的高清電子內(nèi)窺鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].杭州：浙江大學(xué)光電信息工程學(xué)院,，2014.

[2] 殷開亮．基于UVC協(xié)議的USB3.0圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].蘇州：蘇州大學(xué)電子與通信工程學(xué)院，2014.

[3] 陳燁．基于ARM的水雨情監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,，2014.

[4] Zhou Shilei,，Guan Yalin，Tang Xinkun.Signal integrity analysis of high-speed signal connector USB3.0[J]．Advanced Materials Research,，2013,，760-762，320-324.

[5] Lian Pingping.A novel USB3.0 high definition 3D video camera based on ARM[J]．Advanced Materials Research,，2014,，1037：474-477.

[6] MIPI Alliance Specification for Camera Serial Interface 2(CSI-2)/DataSheet[M].MIPI Alliance Inc.，2009.

[7] OV5640 1/4‘’ color CMOS QSXGA(5 megapixel) image sensor /DataSheet[M].OmniVision Technologies Inc.,，2011.

[8] Cypress.How to interface a MIPI CSI-2 image sensor with EZ-USB CX3[DB/OL].http：//www.cypress.com/documentation/application-notes,，2015.10.14/2015.11.13.