采用ARM和CPLD的无线内窥系统方案

当前，医用无线内窥镜已有产品问世。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。

一、系统组成与工作原理

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。

图1　内窥系统结构框图

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 640×480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。

图2　无线内窥镜硬件结构框图

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。