內(nèi)窺鏡的研究與設(shè)計

1、1 緒論1.1 內(nèi)窺鏡的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 國內(nèi)研究現(xiàn)狀及主要研究內(nèi)容從1980年代起，國內(nèi)陸續(xù)開始自主研究，生產(chǎn)硬式內(nèi)窺鏡、光纖內(nèi)窺鏡，并且引進電子內(nèi)窺鏡技術(shù)，生產(chǎn)電子內(nèi)窺鏡系列產(chǎn)品。己投放市場的產(chǎn)品有硬式內(nèi)窺鏡、光纖內(nèi)窺鏡、電子視頻內(nèi)窺鏡三類產(chǎn)品。(l)硬式內(nèi)窺鏡硬式內(nèi)窺鏡由成像物鏡、轉(zhuǎn)像透鏡、導光束、目鏡、外管組成。硬式內(nèi)窺鏡成像原理是光學物鏡成像，然后利用轉(zhuǎn)像系統(tǒng)來傳輸圖像。因此，光學鏡片的加工技術(shù)水平?jīng)Q定了硬式內(nèi)窺鏡的技術(shù)水平。目前，在成像技術(shù)上，國內(nèi)與國外是基本相同的。但是，在產(chǎn)品外部材料和外觀上，與國外同類產(chǎn)品相比有差距，但使用效果相同。(2)光纖內(nèi)窺鏡制造光纖內(nèi)窺鏡關(guān)鍵的部件是光纖

2、傳像束，它決定產(chǎn)品清晰度、分辨率和使用壽命。在光纖傳像束直徑相同的條件下，國外光纖傳像束生產(chǎn)線生產(chǎn)的光纖傳像束單絲為2萬余根，國產(chǎn)生產(chǎn)線生產(chǎn)的光纖傳像束單絲為1萬根以內(nèi)。其內(nèi)窺鏡制造原理一樣，但是光纖材料有差別。如果采用進口光纖傳像束組裝內(nèi)窺鏡，國內(nèi)與國外同類產(chǎn)品的差距會減小。例如:EKG一3002型光纖工業(yè)內(nèi)窺鏡是一種利用纖維光學、精密機械及電子技術(shù)結(jié)合而成的新型光學儀器。它利用光導纖維的傳光、傳像原理及其柔軟彎曲性能，可以對設(shè)備中肉眼不易直接觀察的隱蔽部位方便地進行直接快速的檢查。既不需設(shè)備解體，也不需另外照明，只要將窺頭插入孔內(nèi)，內(nèi)部情況便可一目了然?？芍币暎部蓚?cè)視。還可手控窺頭對被檢

3、查面進行連續(xù)上下左右掃描達100°。可目視，也可照相，還可錄像或電視顯示，為分析故障原因提供依據(jù)。是航天、軍事、國防、無損檢測、機械制造、發(fā)電、石化、汽車、兵器、交通、冶金、壓力容器等領(lǐng)域中得心應(yīng)手的直觀高效的檢測儀器。EKG一3002型工業(yè)內(nèi)窺鏡主要技術(shù)參數(shù):l)探頭外徑: 6.515mm2)探測長度:1.84.5m3)工作距離:1080mm4)視場角:100°(3)電子內(nèi)窺鏡國內(nèi)制造商均采用進口CCD原件，組裝電子工業(yè)內(nèi)窺鏡產(chǎn)品，整機主體技參數(shù)與外國產(chǎn)品的相接近。在航天航空行業(yè)等己基本能夠滿足NDT正常使用。國外產(chǎn)品最小直徑為6mm，國內(nèi)產(chǎn)品最小直徑為8mm，只是國內(nèi)產(chǎn)

4、品在外觀的主體材料上與國外產(chǎn)品有差距。 國外研究現(xiàn)狀及主要研究內(nèi)容(l)硬管式內(nèi)窺鏡硬管式內(nèi)窺鏡的發(fā)展經(jīng)歷了兩個階段:即開放式硬式內(nèi)窺鏡和含有光學系統(tǒng)的硬式內(nèi)窺鏡。早在1795年，德國 Bozzine 首先提出了內(nèi)窺鏡的設(shè)想，他利用燭光做光源通過內(nèi)窺鏡看到了直腸和子宮的內(nèi)腔。到19世紀末，20世紀初，隨著愛迪生發(fā)明電燈等技術(shù)的發(fā)展，用小電珠作為內(nèi)窺鏡的照明光源，利用透鏡、棱鏡、反光鏡等做光學元件，以金屬管為外殼而制成硬式內(nèi)窺鏡。要將這類硬直的內(nèi)窺鏡插到彎曲多變的管腔中去，不僅操作上相當困難，而且小電珠或鎢絲燈等外部反射光源照明度低，因而有較多盲區(qū)，所以，這些內(nèi)窺鏡的實用性就受到限制。硬管式內(nèi)窺

5、鏡的構(gòu)造如圖1.1所示。其工作原理是利用轉(zhuǎn)像透鏡來傳送圖像，并由光導光纖傳光照明。為了傳送清晰的圖像，該內(nèi)窺鏡的不銹鋼插入部分內(nèi)設(shè)有若干光學元件的轉(zhuǎn)像透鏡系統(tǒng)。內(nèi)置照明光纖把需要的光線從獨立的冷光源直接送至工作位置上。圖1.1 硬式內(nèi)窺鏡（2）半可曲式內(nèi)窺鏡1932年，光學師 Wolf 和內(nèi)窺鏡學者Schindler共同研制成功了一種半可曲式的內(nèi)窺鏡(semiflexible lens gastroscope)，它是由近端的硬性部和遠端的軟管部組成。軟管部內(nèi)由許多 2030mm 長的金屬管連接而成，外面再用一層薄橡皮包覆，末端裝有棱鏡與橡皮頭，軟管部裝有 26 塊短焦距棱鏡，這樣在彎曲 30

6、度情況下，仍可將圖像傳送到目鏡部分。以后，許多學者又對半可曲式內(nèi)窺鏡進行了大量的改進，并增加了各種附件，使之功能更加齊全、更為實用。如: 將內(nèi)窺鏡硬性部分進一步改細；增加目鏡放大倍率，以利觀察；在內(nèi)窺鏡操作部裝上了彎角裝置，使末端可作“上” “下”兩個方向的彎曲，大大減少觀察盲區(qū)等。（3）光纖內(nèi)窺鏡1930 年，Lamn首先采用玻璃光纖束來導光，但是，因為沒有解決漏光問題，從而沒有建立起實用的光纖光學系統(tǒng)。直到50年代初期，荷蘭的Hell和美國的 Brien在光纖外面加上一層覆層，解決了光纖之間的光絕緣問題。1954年 英國的科學家Hopking及Kapany等研究了纖維絲之間的精密排列，有效

7、地解決了光纖束的圖像排列、傳遞問題，為光纖光學的實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，并為光纖內(nèi)窺鏡的出現(xiàn)創(chuàng)造了條件。1957 年，美國 Hirschowitz 制成了第一臺光纖內(nèi)窺鏡、十二指腸鏡，從而使內(nèi)窺鏡開始進入光纖光學內(nèi)窺鏡的階段。當時的光纖內(nèi)窺鏡雖然柔軟可彎，插入容易，但是還沒有彎曲機構(gòu)，照明還是老式的小電珠內(nèi)部光源，所以觀察盲點還是很多，光學質(zhì)量亦比較差。經(jīng)過了 20 年的發(fā)展，隨著二項重大改革：光纖內(nèi)窺鏡的頭部彎曲機構(gòu)、采用導光束外接強冷光源，才使光纖內(nèi)窺鏡進入了成熟完備的應(yīng)用階段。 光纖內(nèi)窺鏡的構(gòu)造如圖1.2所示。它由高品質(zhì)的傳像光纖束來傳送圖像，通過目鏡直接觀察。光纖內(nèi)窺鏡由插入部、前端部、彎

8、曲部與柔軟操作部與目鏡部組成。光纖傳像束、光纖傳光束及調(diào)校前端擺頭角度的鋼絲均全部內(nèi)置。并且另配有專用的冷光源。產(chǎn)品規(guī)格:直徑2.412mm，長度506000mm。 光纖內(nèi)窺鏡的主體可把人眼睛的視線延深至被探測的物體內(nèi)，并且可改變視線方向，這是硬性內(nèi)窺鏡所達不到的。光纖內(nèi)窺鏡除具備硬性內(nèi)窺鏡的用途以外，因主體柔軟、有效工作長度較長，所以擴大了檢測范圍。圖1.2 光纖內(nèi)窺鏡光纖內(nèi)窺鏡以玻璃光纖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的透鏡、棱鏡等作為導光、傳像的元件，它細而柔軟，加上了頭部的彎曲機構(gòu)以后，頭部可以左右、上下轉(zhuǎn)動，插入復(fù)雜內(nèi)腔，操作方便，而且能夠減少甚至消滅觀察盲點。利用光纖束傳光、傳像，就能夠采用外部的強冷光源

9、，從而使傳輸?shù)墓饬看蟠笤鰪姡?并可以自由調(diào)節(jié)光強而獲得清晰的圖像。這種光源色澤接近自然光，更增加了圖像的真實感。因為光量強，所以可以采用靜態(tài)攝影對檢查進行記錄，甚至還可以攝像和電視顯示作動態(tài)的觀察和記錄。光纖內(nèi)窺鏡的發(fā)展不但克服了原有內(nèi)窺鏡的缺點，而且還具有不少新的優(yōu)點，大大提高了檢查診斷的效果。（4）電子內(nèi)窺鏡電子內(nèi)窺鏡是繼第一代硬式內(nèi)窺鏡和第二代光導纖維內(nèi)窺鏡后的第三代內(nèi)窺鏡。1983年，美國的Welch Allyn公司用微型圖像傳感器(charge coupled device)代替光纖內(nèi)窺鏡的光纖傳像束，宣告了電子內(nèi)窺鏡的誕生，是一次歷史性的突破。電子內(nèi)窺鏡應(yīng)用先進的微電子器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)

10、的纖維導像束和目鏡，通過裝在內(nèi)窺鏡先端部的電荷禍合器件CCD(charge coupled device)，將傳送過來的光學圖像轉(zhuǎn)換成電子圖像，經(jīng)電纜傳遞至圖像處理器，經(jīng)視頻處理在顯示器上重現(xiàn)高清晰度的、色彩逼真的圖像。而且分辨率高，可供多人同時觀看。由于電子內(nèi)窺鏡的問世，在工業(yè)和醫(yī)療科研中發(fā)揮出它巨大的優(yōu)勢。電子內(nèi)窺鏡主要有內(nèi)鏡(endoscope)、電視信息系統(tǒng)中心(video information system center)和電視監(jiān)視器(television monitor)三部分組成。另外，還配備一些輔助裝置，如照相機、錄像機以及用來輸入各種信息的鍵盤等。它的成像主要依賴鏡身前端裝

11、備的成像物鏡。CCD就是一臺光電轉(zhuǎn)換器件，把圖像的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，顯示在電視監(jiān)視器上。電子視頻內(nèi)窺鏡的構(gòu)造原理如圖1.3所示。圖1.3電子內(nèi)窺鏡電子內(nèi)窺鏡與光纖內(nèi)窺鏡相比，具有以下優(yōu)點:1)減少內(nèi)鏡檢查時間，快速抓拍。2)具有錄像、儲存功能，能將病變部位的圖像儲存起來，便于查看及連續(xù)對照觀察;3)色澤逼真，分辨率高，圖像清晰，圖像經(jīng)過特殊處理，可將圖像放大，便于觀察;4)采用屏幕顯示圖像，實現(xiàn)1人操作多人同時觀看，便于疾病會診、診斷、教學。同時有以下的缺點:l)除內(nèi)窺鏡及光源外，還要配置視頻圖像顯示控制單元和電視監(jiān)視器，不便于攜帶。2)前端安裝的電子元件，受使用溫度范圍的限制。3)價格較高

12、。幾種內(nèi)窺鏡的基本原理都是利用光學系統(tǒng)將被檢物體成像，再經(jīng)傳像系統(tǒng)傳送，以利于人眼直接觀察或在顯示器上顯示、記錄，從而獲取所需要的信息。但是因為它們之間又有所區(qū)別，所以具有各自的特點和使用場合。下面介紹一下德國漢能SF6一1000型6mm半柔性管內(nèi)窺鏡。德國漢能工業(yè)內(nèi)窺鏡廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)制造、壓力容器、電力建設(shè)、造船、汽車工業(yè)等行業(yè)中的機械設(shè)備表面及內(nèi)部狀況的檢查、維修。其柔性光纖內(nèi)窺鏡高亮度，高清晰成像，焦距可調(diào)。技術(shù)參數(shù):l)工作長度:1000mm2)探頭直徑:6mm3)亮度:16mm處可達120000lx4)視向:O°5)工作距離:10mm60mm6)角形側(cè)視適配器90

13、°及110°7)防水耐油探頭(5)膠囊式內(nèi)窺鏡膠囊式內(nèi)窺鏡的想法最早產(chǎn)生于1981年，是由以色列一名導彈專家根據(jù)智能導彈上的遙控攝像裝置技術(shù)研制而成的。膠囊式內(nèi)窺鏡是體外無線遙控、圖像接收和圖像處理等裝置組成系統(tǒng)，主要用于檢查人的消化系統(tǒng)疾病，它可以清晰地展現(xiàn)出病變所在位置及其實際情況，比其他體外影像系統(tǒng)(如:CT、MRI、X光透射、紅外成像)用于診斷消化道疾病更具有優(yōu)勢。圖1.4 膠囊內(nèi)窺鏡膠囊內(nèi)窺鏡由以下部分構(gòu)成:具有可攝像體腔內(nèi)圖像的攝像部的攝像裝置、利用照明光照明體腔內(nèi)部的照明裝置、向攝像裝置以及照明裝置供給電力的電源裝置、在內(nèi)部至少配設(shè)了攝像裝置、照明裝置以及電源

14、裝置的膠囊殼體，并且構(gòu)成膠囊殼體的頂端蓋部具備照明用窗部，該照明用窗部導出來自照明裝置的照明光，并使照明光難以反射到攝像裝置。膠囊式內(nèi)窺鏡是消化道系統(tǒng)無損傷性診斷的一種革命性的技術(shù)創(chuàng)新。主要技術(shù)指標:l)視場角(可視范圍):140°2)最小可測距離:0.1mm3)外形尺寸:直徑9mm，長度23mm4)圖像分辨率(象素、解析度):640x4805)圖像傳輸速率:2幀/秒，15幀/秒，30幀/秒6)工作方式:模擬/數(shù)字視頻、單工/雙工數(shù)據(jù)通信、自帶電池/體外無線供電7)運行時長:710個小時。膠囊內(nèi)窺鏡是一種新型無創(chuàng)無痛的消化道影像無線診療系統(tǒng);通過口服智能膠囊完成消化道影像檢查;主要由

15、智能膠囊、圖像一記錄儀、手持無線監(jiān)視儀、影像分析處理工作站等?？朔藗鹘y(tǒng)的推進式內(nèi)窺鏡體積大，檢測過程痛苦的缺點，但不適用于老年、纖弱和危險病人。具有體積小、重量輕、檢查方便、不影響受檢者的正常工作。日本RFSYSTEMIAB經(jīng)過五年時間的研究，成功開發(fā)出目前世界上最先進的、也是最小的膠囊式內(nèi)窺鏡(智能化小機器人)。NORIKA膠囊直徑9mm，長23mm，是目前世界上最小的內(nèi)窺鏡膠囊。在膠囊內(nèi)部采用高清晰度的CCD成像系統(tǒng)，具有很高的圖像清晰度，可達410000像素。它以數(shù)字方式由微波發(fā)送，被外部接收后轉(zhuǎn)換成圖像顯示在屏幕上，進行實時檢測，并可以硬盤儲存，以便隨時調(diào)取研判。病人身穿嵌有三組發(fā)射

16、線圈和接收線圈的背心，線圈發(fā)送射頻。膠囊內(nèi)同樣有三組線圈，在經(jīng)磁線圈接收并經(jīng)電容器轉(zhuǎn)換后感應(yīng)出電流，形成一個三極電機的模式，從而控制膠囊的旋轉(zhuǎn)，以便不同方向觀察病灶。鏡頭四周有二個白色燈和二個近紅外線燈，從外部控制其不同亮度的比例，可產(chǎn)生模擬三維圖像。CCD成像系統(tǒng)鏡頭也可由外部控制來調(diào)節(jié)焦距，它每秒能攝取30幅圖像，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸還可進行遠程會診。此外，膠囊內(nèi)部設(shè)有一個噴藥倉和一個取活檢倉，由醫(yī)生外部控制可根據(jù)需要，對患部進行噴藥或伸出微型欽金屬針取活檢。NORIKA膠囊在2003年推出適合于3歲以下嬰兒和60歲以上老人的超小型膠囊(JR型)，其尺寸僅為直徑smm，長15mm。另外還將推出具有

17、更多功能的WARP型。它內(nèi)部將放置2個CCD，8個鏡頭，前后攝像以進行全方位360°觀察。美國智能藥丸公司研制的聰明藥丸SmartPin是一種在醫(yī)療上起著內(nèi)窺鏡檢查作用的感應(yīng)器或者攝像頭，當患者把這個維生素顆粒大小的小球吞下去后，它將會自動探測患者消化道內(nèi)的壓力、pH值和溫度等指標信號，并把探測結(jié)果發(fā)射到體外的接收器上，醫(yī)生通過接收到的信號和圖像，就可對患者的胃腸性疾病進行診斷。使用聰明藥丸可以檢查到一些胃鏡無法到達的位置，同時也能避免患者做胃鏡檢查時的痛苦。以色列格溫.艾梅格公司也開發(fā)出了類似的膠囊式內(nèi)窺鏡一“PinCam”。近年來，有能完成定點給藥的遙控釋放藥丸;還有能在消化道內(nèi)

18、采樣的藥丸;韓國研制的藥丸式機器人能在體外遙控下完成藥物釋放、圖像采集和手術(shù)治療等多種任務(wù)。不過，這樣的全能藥丸目前仍處于樣機階段研制。1.2 電子內(nèi)窺鏡技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢隨著電子學和數(shù)字視頻技術(shù)的發(fā)展，與80年代出現(xiàn)了電子內(nèi)窺鏡，這樣便不再以光纖傳像，而代之以光敏集成電路攝像系統(tǒng)，主要所能顯示的不但影像質(zhì)量好，光亮度強，而且圖像大，可以檢查出更細小的病變，而且電子內(nèi)窺鏡的外徑更細，圖像更加清晰和直觀，操作方便。有些內(nèi)窺鏡甚至還有微型集成電路傳感器，將所觀察到的信息反饋給計算機。它不但能獲得組織器官形態(tài)學的診斷信息，而且也能對組織器官各種生理機能進行測定。電子內(nèi)窺鏡主要種類及其優(yōu)缺點：(1)

19、按照結(jié)構(gòu)分類：一類為CCD在探頭前部，視頻處理在探頭后部，它的優(yōu)點是探頭直徑可以很小，但缺點是長度會受到限制。另一類是CCD和視頻處理都在探頭前面，它的優(yōu)點是線纜的長度不受限制，可以按照客戶要求定制，但缺點是探頭頭部直徑過大，影響探頭進入部件的有效工作范圍。(2) 按照照明方式分類： 一類采用LED發(fā)光管照明，傳輸電信號，它的優(yōu)點是線纜的長度不受限制，但發(fā)光亮度不如冷光源。另一類采用光纖照明，光源在控制箱內(nèi)，它的優(yōu)點是發(fā)光亮度高，但缺點是長度受限，易損易斷。(3)按照視角方式分類：探頭可分為前視和環(huán)視兩種。前視：觀察窗位于探頭前方，視場角150°，調(diào)節(jié)CCD位移，實現(xiàn)電動調(diào)焦，可以觀

20、察前方有無異物或缺陷;環(huán)視：觀察窗位于探頭筒壁側(cè)面，利用懸掛動圈方式實現(xiàn)電磁調(diào)焦，通過微型馬達及滑環(huán)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)無角度限制任意旋轉(zhuǎn)，可以觀察內(nèi)壁有無缺陷。它們的優(yōu)點是長度不受限制，但缺點是探頭直徑過大?，F(xiàn)在，電子內(nèi)窺鏡的發(fā)展趨勢是CCD的超小型化及其性能的提高，高保真圖像技術(shù)的應(yīng)用，實時高速圖像處理機的開發(fā)，圖像文件管理系統(tǒng)的采用，立體計測系統(tǒng)的開發(fā)及不可見光的利用。1.3 本課題的目的、意義及內(nèi)容內(nèi)窺鏡以其特有的診斷直觀，正確性高，解決問題較迅速，不需折卸或破壞組裝等優(yōu)點，已被廣泛接受，應(yīng)用于醫(yī)學，工業(yè)，軍事等領(lǐng)域。在醫(yī)療方面，內(nèi)窺鏡則主要用于外科手術(shù)和常規(guī)醫(yī)療檢查，與傳統(tǒng)的外科手術(shù)相比，醫(yī)用內(nèi)

21、窺鏡的功能性微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)已近得到醫(yī)生和患者的廣泛接受，醫(yī)用內(nèi)窺鏡利用人體天然孔洞或在必要的時候開幾個小孔，醫(yī)生只要熟練地將內(nèi)窺鏡鏡頭深入身體內(nèi)，通過其他手術(shù)器械和攝像顯示系統(tǒng)就能在體外進行體內(nèi)的密閉手術(shù)操作。在工業(yè)方面，可用于高溫、有毒核、輻射及人眼無法直接觀察到的場所的觀察，可以方便而且迅速地檢查各種機器、設(shè)備、組裝物體的內(nèi)部，不需折卸或破壞組裝就能進行有效的質(zhì)量管理，可與照相機、攝像機或電子計算機耦接，可組成照相、攝像和圖像處理系統(tǒng)，從而可進行視場目標的監(jiān)視、記錄、貯存和圖像分析。本課題的主要研究內(nèi)容是電子內(nèi)窺鏡數(shù)字圖像的實時采集。2 方案論證及系統(tǒng)工作原理2.1 方案論證 本設(shè)計主要由兩

22、部分構(gòu)成：CCD圖像采集系統(tǒng)和數(shù)字圖像的實時采集和顯示系統(tǒng)。其中，CCD圖像采集系統(tǒng)基于CCD實現(xiàn)，數(shù)字圖像的實時采集和顯示系統(tǒng)的實現(xiàn)主要是基于數(shù)據(jù)的高速傳輸，有兩種方案可供選擇，介紹如下： 方案一 基于USB的高速數(shù)據(jù)傳輸USB ,是英文Universal Serial BUS（通用串行總線）的縮寫，而其中文簡稱為“通串線，是一個外部總線標準，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊。是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)。USB接口支持設(shè)備的即插即用和熱插拔功能。USB是在1994年底由英特爾、康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合提出的。USB2.0兼容USB1.1，也就是說USB1.1設(shè)備可以和

23、USB2.0設(shè)備通用，但是這時USB2.0設(shè)備只能工作在全速狀態(tài)下(12Mbit/s)。USB2.0有高速、全速和低速三種工作速度，高速是480Mbit/s，全速是12Mbit/s，低速是1.5Mbit/s。其中全速和低速是為兼容USB1.1和USB1.0而設(shè)計的，因此選購USB產(chǎn)品時不能只聽商家宣傳USB2.0,還要搞清楚是高速、全速還是低速設(shè)備。USB總線是一種單向總線，主控制器在PC機上，USB設(shè)備不能主動與PC機通信。為解決USB設(shè)備互通信問題，有關(guān)廠商又開發(fā)了USB OTG標準，允許嵌入式系統(tǒng)通過USB接口互相通信，從而甩掉了PC機。2.1.2 方案二 基于PCI總線的高速數(shù)據(jù)傳輸P

24、CI是由Intel公司1991年推出的一種局部總線。從結(jié)構(gòu)上看，PCI是在CPU和原來的系統(tǒng)總線之間插入的一級總線，具體由一個橋接電路實現(xiàn)對這一層的管理，并實現(xiàn)上下之間的接口以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳送。管理器提供了信號緩沖，使之能支持10種外設(shè)，并能在高時鐘頻率下保持高性能，它為顯卡，聲卡，網(wǎng)卡，MODEM等設(shè)備提供了連接接口，它的工作頻率為33MHz/66MHz。PCI是Peripheral Component Interconnect(外設(shè)部件互連標準)的縮寫，它是目前個人電腦中使用最為廣泛的接口，幾乎所有的主板產(chǎn)品上都帶有這種插槽。PCI插槽也是主板帶有最多數(shù)量的插槽類型，在目前流行的臺式機主板上

25、，ATX結(jié)構(gòu)的主板一般帶有56個PCI插槽，而小一點的MATX主板也都帶有23個PCI插槽，可見其應(yīng)用的廣泛性。PCI總線是一種不依附于某個具體處理器的局部總線。從結(jié)構(gòu)上看，PCI是在CPU和原來的系統(tǒng)總線之間插入的一級總線，具體由一個橋接電路實現(xiàn)對這一層的管理，并實現(xiàn)上下之間的接口以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳送。管理器提供了信號緩沖，使之能支持10種外設(shè)，并能在高時鐘頻率下保持高性能。PCI總線也支持總線主控技術(shù)，允許智能設(shè)備在需要時取得總線控制權(quán)，以加速數(shù)據(jù)傳送。 本設(shè)計采用的是方案二。2.2 電子內(nèi)窺鏡的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 電子內(nèi)窺鏡的基本結(jié)構(gòu)電子內(nèi)窺鏡的主要結(jié)構(gòu)由CCD耦合腔鏡、腔內(nèi)冷光照明系統(tǒng)、視

26、頻處理系統(tǒng)、和顯示打印系統(tǒng)等部分組成。CCD耦合腔鏡將CCD耦合器件置于腔鏡先端，直接對腔內(nèi)組織或部位進行直接攝像，經(jīng)電纜傳輸信號到圖像中心。 電子內(nèi)窺鏡工作原理是冷光源對所檢查或手術(shù)部位照明后物鏡將被測物體成像在CCD光敏面上，CCD將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，由電纜傳輸至視頻處理器，經(jīng)處理還原后顯示在監(jiān)視器上。CCD光敏面由規(guī)律排列的二極管組成，每一個二極管稱為一個像素(picture elemont)，像素的多寡決定像質(zhì)的優(yōu)劣。目前的制作工藝普遍可達到3041萬像素。電子內(nèi)窺鏡靶面和有效尺寸為Fi(外徑)=2mm左右，而且CCD輸出信號的一級放大電路也要包含在2mm的圓柱體積內(nèi)。電子內(nèi)窺鏡像質(zhì)

27、的好壞主要取決于CCD性能，其次還有驅(qū)動電路和后處理系統(tǒng)的技術(shù)指標，包括分辨率、靈敏度、信躁、光譜響應(yīng)、暗電流、動態(tài)范圍和圖像滯后等。為了減輕患者的痛苦，電子內(nèi)窺鏡的鏡身(插入部)要做到盡可能的細(由先端部粗細決定)，先端硬性部要盡可能短。CCD的大小、形狀和構(gòu)造是決定內(nèi)窺鏡粗細和先端硬性部長短的關(guān)鍵。在電子內(nèi)窺鏡先端部安裝CCD的方法有兩種，一種是CCD的受光面垂直于物鏡光軸方向，使CCD直接接受從物鏡射來的光，是一種最簡單的結(jié)構(gòu)，在這種情況下，必須使用超小型的CCD，這樣可使先端的硬性部最短。另一種就是CCD的受光面平行于物鏡光軸，物鏡射來的光通過一個900的轉(zhuǎn)向棱鏡照射到CCD受光面上。

28、這種方法可以使內(nèi)窺鏡的先端部變細，但硬性部變長，而CCD的面積可以擴大，CCD的像素數(shù)可大大提高。為了獲得更清晰、更精美的圖像質(zhì)量，目前的電子內(nèi)窺鏡逐漸趨向于采用第二種方法安裝CCD，這無疑在技術(shù)上增加了CCD的加工和工藝難度，隨著電子內(nèi)窺鏡技術(shù)的不斷改進和完善，高像素數(shù)CCD的體積會越做越小，滿足于臨床需要的各種細徑電子內(nèi)窺鏡應(yīng)運而生，幾乎可涉及到醫(yī)療的各個領(lǐng)域。同時，一些具有大孔徑或雙孔道及抬鉗等特殊裝置的治療用電子內(nèi)窺鏡的出現(xiàn)，再加上一系列配套輔助器械的研制與開發(fā)，為電子內(nèi)窺鏡在臨床上的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。目前，臨床上的一些病癥已可以通過內(nèi)窺鏡下或小切口治療的方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手術(shù)，大大減

29、輕了患者的痛苦。2.2.2 電子內(nèi)窺鏡系統(tǒng)工作原理（1）纖維內(nèi)鏡成像原理纖維內(nèi)鏡是由直角屋脊棱鏡、成像物鏡、玻璃纖維傳像束、目鏡所組成。當外界的成像光線進入鏡頭時直角屋脊棱鏡將光線作90。方向扭轉(zhuǎn)后直射至成像物鏡、根據(jù)成像物鏡(或成像透鏡)的光學原理，成像物鏡能將外界觀察到的物體成像在玻璃纖維傳像束的一個端面上。這個端面的物體像，經(jīng)過柔軟的纖維束傳到纖維束的另一端，在目鏡后適光位置 即可看到清晰的物體像。（2）光電轉(zhuǎn)換原理內(nèi)窺鏡采用電荷耦合器件(charge coupled device)作為圖像傳感器。CCD圖像傳感器具有光電轉(zhuǎn)換功能， 叉具有信號電荷存儲、轉(zhuǎn)移和讀出功能。其工作過程可分為四

30、步。 第一步是光積分期， 即曝光時間，這時CCD像元把入射光量子按比例地轉(zhuǎn)換成光生電荷， 完成光電轉(zhuǎn)換。第二是在光積分的同時， 把每個像元產(chǎn)生的光電荷暫時存儲在相應(yīng)的光敏二極管勢阱中， 實現(xiàn)信號電荷存儲。第三是在曝光結(jié)束后， 把存儲的光生電荷沿CCD移位寄存器轉(zhuǎn)移到輸出區(qū)完成電荷轉(zhuǎn)移。第四是在讀出放大器中把每個光生電荷嵌次轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的視頻信號， 完成信號讀出 因此CCD圖像傳感器可以看成一個光電變換器，它能把一幅空間分布的光學圖像變換成按時間順序分布的視頻電壓信號。（3）圖像處理中心(或攝像機)的原理當光學圖像經(jīng)過物鏡成像在CCD傳感器上時，在CCD器件上將感生與投射光強相對應(yīng)的光電荷(光電效

31、應(yīng)) 這些光電荷將存儲在二極管的勢阱中，經(jīng)過一定對間的積累， 在驅(qū)動脈沖的作用下，各光敏元的電荷包同時并行地向移位寄存器各單元轉(zhuǎn)移， 在光敏元進行下一次光電荷積累的同時， 在讀出脈沖的作用下， 寄存器內(nèi)的電荷包開始沿移位寄存器向輸出端轉(zhuǎn)移， 從而獲得光電信號輸出， 由此輸出的光電信號經(jīng)過同步電路、同步疊加電路疊加、消除脈沖干擾、直流電平恢復(fù)與控制、線性放大、輸出功率放大、二值化處理等電路處理， 從而得到全電視信號輸出。進一步的處理， 則是按使用場合和技術(shù)要求的不同而分別進行了。（4）附屬設(shè)備工作原理附屬設(shè)備包括： 電子計算機、彩色視頻監(jiān)示器(通常為必選項)、彩色視頻打印機、數(shù)字圖像文件存儲機、

32、AV線錄放像機、攝影裝置等， 這些設(shè)備主要用于診斷圖像的處理、存儲、打印以及病人的檔案、資料管理等。2.3 電子內(nèi)窺鏡的應(yīng)用 由于光纖內(nèi)窺鏡制作工藝復(fù)雜，同時隨著微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，電子內(nèi)窺鏡較之于傳統(tǒng)光纖內(nèi)窺鏡圖像質(zhì)量明顯提高，壽命延長，操作靈活、簡單、方便，減少了治療時間，大大提高了診斷能力和工作效率，更利于圖像處理，病案的存儲管理，因此，光纖內(nèi)窺鏡正逐步唄電子內(nèi)窺鏡所代替。電子內(nèi)窺鏡與光纖內(nèi)窺鏡一樣，在應(yīng)用方面主要用于無損檢測和孔探技術(shù)應(yīng)用，因此，主要還是分為工業(yè)電子內(nèi)窺鏡和醫(yī)療電子內(nèi)窺鏡。在內(nèi)窺鏡機械結(jié)構(gòu)和工作原理上基本沒有大多的差別。 當前在中國市場上的電子內(nèi)窺鏡產(chǎn)品應(yīng)用于臨床

33、的主要有胃鏡、十二指腸鏡、小腸鏡、結(jié)腸鏡、腹腔鏡、支氣管鏡、斜視胃鏡和雙孔道胃鏡等不同型號、不同規(guī)格的電子內(nèi)窺鏡。此外，一種無痛苦、可吞服的“藥丸”式電子內(nèi)窺鏡已經(jīng)問世并應(yīng)用于臨床，主要用于胃鏡和結(jié)腸鏡無法到達的，長度達數(shù)十米的小腸疾病的診斷。這種“藥丸”實際上就是一種微型攝像機和圖像信號發(fā)射機，固定于患者腰帶上的接收器可接收、處理和保存“藥丸”發(fā)來的彩色圖像信號，將接收器連于醫(yī)生的計算機，就可以觀察患者小腸內(nèi)的所有情況。電子內(nèi)窺鏡的廣泛應(yīng)用使早癌的診斷率達到了前所未有的高水平。特別是日本富士公司推出的內(nèi)窺鏡下小探頭超聲系統(tǒng)，可將不同頻率、不同規(guī)格的小超聲探頭通過內(nèi)窺鏡的孔道送到體內(nèi)，探查不同

34、組織層面的腫瘤狀況，大大提高了診斷的陽性率。與此同時，各種各樣的內(nèi)窺鏡下治療也蓬勃興起，如：食管狹窄擴張術(shù)、消化道異物取出術(shù)、消化道息肉切除術(shù)、上消化道出血的內(nèi)窺鏡下治療、消化道癌內(nèi)窺鏡下治療、十二指腸乳頭切開術(shù)、十二指腸內(nèi)窺鏡膽管引流術(shù)、慢性胰腺炎的內(nèi)窺鏡治療、經(jīng)口膽管鏡下治療膽結(jié)石（激光碎石）、腹腔鏡下治療術(shù)等。作為一種重要的微創(chuàng)外科手術(shù)，內(nèi)窺鏡（光學內(nèi)窺鏡、光導纖維內(nèi)窺鏡）手術(shù)近年來得到了迅速發(fā)展。電子腹腔鏡的問世，是電子內(nèi)窺鏡手術(shù)的開端。電子內(nèi)窺鏡手術(shù)除具有普通內(nèi)窺鏡手術(shù)創(chuàng)傷小、可減輕患者痛苦、術(shù)后恢復(fù)快、有利于降低醫(yī)療成本等特點外，還具有畫面清晰、便于圖像保存與傳輸，遠程會診及教學等

35、特點。隨著科學技術(shù)水平的不斷提高，電子胸腔鏡、電子宮腔鏡、電子關(guān)節(jié)鏡、電子喉鏡、電子膽管鏡、電子腦室鏡等也將不斷問世，為電子內(nèi)窺鏡手術(shù)開辟了廣闊的領(lǐng)域。目前，美國等一些西方發(fā)達國家正在研制一種內(nèi)窺鏡手術(shù)機器人系統(tǒng)，用它來完成內(nèi)窺鏡的操作，甚至手術(shù)器具的操作。借助于機器人動作精確、工作可靠的優(yōu)點，可使內(nèi)窺鏡手術(shù)更具安全性、準確性和便利性，大大減輕了醫(yī)務(wù)人員的勞動強度。隨著內(nèi)窺鏡醫(yī)學的發(fā)展，新的電子內(nèi)窺鏡產(chǎn)品的不斷研究和開發(fā)，人體的奧秘不斷被揭開，各種疑難病癥也會得到準確的診斷和治療。我們相信，在不久的將來，電子內(nèi)窺鏡技術(shù)水平的提高必將為醫(yī)學發(fā)展帶來突破性變革。3 CCD圖像采集系統(tǒng)設(shè)計3.1 C

36、CD工作原理CCD從結(jié)構(gòu)上可分為線陣CCD和面陣CCD兩大類，本設(shè)計使用的是面陣CCD。其工作原理是：工作在非平衡態(tài)下的MOS電容器的集合，當光入射到CCD的光敏面上后，入射光子穿過柵極和氧化層，進入Si襯底被吸收，襯底的價帶電子吸收光子能量而躍遷至導帶，從而形成電子空穴對。在對柵極施加一定的正偏壓后，電子空穴對向電極兩端移動。隨著偏壓增高，因空穴被排開而形成的耗盡區(qū)進一步延伸。當偏壓大于P型半導體的閾值電壓時，電子被吸到半導體與氧化層的界面上，形成一層極薄的電荷濃度極高的反轉(zhuǎn)層，此時，光生電荷便被存儲在形成的勢阱中。電荷的多少與光積分時間和光強成近似的正比關(guān)系，直至飽和。光生電荷的轉(zhuǎn)移是通過

37、勢阱的依次產(chǎn)生和消隱實現(xiàn)的，以三相驅(qū)動方式為例，其原理如圖3.1所示。圖中三個相鄰的MOS電容器依次被1、2、3柵極覆蓋，組成一個像素。在這三個柵極上加上一定相位關(guān)系的交替時鐘，使電荷包從淺勢阱流向高勢阱。隨著時間推移，便把光生電荷包按照預(yù)定的轉(zhuǎn)移方向，逐個像素地轉(zhuǎn)移。圖3.1 三相驅(qū)動電荷轉(zhuǎn)移圖面陣CCD的輸出通常采用浮置擴散放大器（FDA）輸出法。如圖3.2所示，CCD的輸出級將每個像素產(chǎn)生的光電荷通過電容器Cg轉(zhuǎn)換成電壓VOS，a表示復(fù)3位電平，b表示參考電平Vref，c表示信號電壓，其值為參考電平與視頻電壓之差。面陣CCD是行列像素的組合，按照轉(zhuǎn)移方式可分為行間轉(zhuǎn)移式CCD、幀轉(zhuǎn)移式C

38、CD、全幀式CCD。1.行間轉(zhuǎn)移式CCD在結(jié)構(gòu)上采用光敏區(qū)與存儲區(qū)相間排列的方式。感光單元與存儲單元一一對應(yīng)。當感光結(jié)束后，光敏區(qū)的信息被迅速轉(zhuǎn)移到存儲區(qū)，之后再轉(zhuǎn)移到寄存器輸出。其缺點是：占空比低，動態(tài)范圍?。粌?yōu)點是：轉(zhuǎn)移速度快；成本低。目前市面上的大多數(shù)民用相機采用的是這種CCD。圖3.2 行間轉(zhuǎn)移過程2.幀轉(zhuǎn)移式CCD由光敏區(qū)、存儲區(qū)、水平寄存器區(qū)組成。感光原理與行轉(zhuǎn)移CCD相似。如圖3.3所示，在光積分的同時，存儲區(qū)的電荷向水平區(qū)轉(zhuǎn)移輸出；感光結(jié)束后，光敏區(qū)的光生電荷在幀轉(zhuǎn)移時鐘和垂直驅(qū)動時鐘的驅(qū)動下向存儲區(qū)逐行轉(zhuǎn)移。圖3.3 幀轉(zhuǎn)移過程3.全幀式CCD沒有存儲區(qū)，只由光敏區(qū)和讀出寄存

39、器組成。如圖3.4所示，光積分后，光生電荷直接垂直轉(zhuǎn)移到水平寄存器，所以幀轉(zhuǎn)移過程不能與光積分同時進行。轉(zhuǎn)移時，一般需要外加機械快門來遮光。全幀式CCD感光面積很大，靈敏度也較高，但其成本非常高，一般用于超高像素要求的科研領(lǐng)域。圖3.4 全幀轉(zhuǎn)移過程3.2 CCD芯片的選擇本圖像采集系統(tǒng)使用DALSA公司生產(chǎn)的FTT1010M高分辨率幀轉(zhuǎn)移式CCD芯片。該CCD是一個單色逐行掃描幀轉(zhuǎn)移型圖像傳感器，具有1024×1024像元，通過一個單一的輸出緩沖器輸出時，最大幀頻為每秒30幀。同時具有高速、高線性和廣動態(tài)范圍等優(yōu)勢，使該CCD可為高端實時醫(yī)療透視，科學研究和國防工業(yè)應(yīng)用提供完美解決

40、方案。圖3.5 FTT1010M結(jié)構(gòu)圖FTT1010M的結(jié)構(gòu)如圖3.5所示，其技術(shù)特點是：1）提供1024×1024有效像素，高達100的填充系數(shù)；2）光敏區(qū)分為W、X、Y、Z四個對稱的象限，每個象限的電荷可以以不同的方向轉(zhuǎn)移，通過四個輸出端同時輸出，有效地增加了幀速率；3）高靈敏度，低讀出噪聲；4）大于72dB的高動態(tài)范圍；5）有效感應(yīng)波長范圍為400nm到1000nm；6）典型電荷轉(zhuǎn)移率高達99.999%；7）變速電子快門，最大幀頻為每秒30幀；8）符合RoHS標準，最高數(shù)據(jù)速率可達80MHz；9）水平驅(qū)動脈沖頻率典型值20MHz，垂直驅(qū)動脈沖頻率典型值500KHz3.3 CCD

41、時序發(fā)生設(shè)計FTT1010M主要有三部分構(gòu)成。第一部分是光敏區(qū)（IMAGE），即光積分區(qū)，產(chǎn)生光生電荷；第二部分是存儲區(qū)（STORAGE），用于緩存光敏區(qū)的光生電荷；第三部分是位于芯片上部和下部的兩個水平移位輸出寄存器，水平移位輸出寄存器將光生電荷水平轉(zhuǎn)移到芯片四個角（W、X、Y、Z）的輸出放大器，輸出放大器內(nèi)有一個浮置擴散電容FD，它可以將接收到的電荷包轉(zhuǎn)換為電壓信號并轉(zhuǎn)移出CCD。當CCD工作于幀轉(zhuǎn)移模式時，Y、Z象限的輸出器不做使用。在本圖像采集系統(tǒng)中，只采用X象限單端輸出。FTT1010M的光敏區(qū)與存儲區(qū)具有相同的結(jié)構(gòu)和電氣特性，光敏區(qū)每行有1086個像素，其中有效像素為1024個，有

42、效像素區(qū)域的左右兩側(cè)各有24個黑像素（包括4個過渡像素）；光敏區(qū)共有1030行，其中有行1024行，有6行黑像素。黑像素不參加光積分，起隔離和提供黑電平的作用。光敏區(qū)每個像素是由被四個柵極時鐘A1、A2、A3、A4覆蓋的相互連接的四個MOS電容器共同組成；存儲區(qū)每個像素被與A時鐘結(jié)構(gòu)相同的B1、B2、B3、B4為時鐘信號覆蓋。水平寄存器單元用來圖像輸出，每個單元被三相時鐘C1、C2、C3覆蓋，這些單元與光敏區(qū)和存儲區(qū)的單元都是相對應(yīng)的。FTT1010M的工作時序從功能上分為幀轉(zhuǎn)移時序、垂直轉(zhuǎn)移時序、水平轉(zhuǎn)移時序。這些時序之間存在循環(huán)與包含的關(guān)系。圖3.6 FTT1010M的幀轉(zhuǎn)移時序圖FTT1

43、010M的幀轉(zhuǎn)移時序圖如圖3.6所示。幀轉(zhuǎn)移時序就是一陣圖像輸出的時序，包括兩個階段：光積分階段、光敏區(qū)到存儲區(qū)轉(zhuǎn)移階段。圖中SSC為系統(tǒng)內(nèi)部的基準時鐘信號，協(xié)調(diào)整個CCD工作流程。CR為CCD的電荷復(fù)位信號，相當于電子快門，是CCD的外部觸發(fā)信號。當CR觸發(fā)后，CCD開始進入光積分階段。光積分階段又同時并發(fā)兩個過程：光敏區(qū)的感光過程、存儲區(qū)的轉(zhuǎn)移過程。感光過程實現(xiàn)光敏元的電荷積累，在感光階段，A4保持低電平，A1、A2、A3保持高電平。這樣A4作為隔離柵極，將像素與像素在垂直方向上隔離開。同時，光敏區(qū)與存儲區(qū)之間也呈阻斷態(tài)，沒有電荷轉(zhuǎn)移。與此同時，進行著存儲區(qū)的轉(zhuǎn)移過程，而存儲區(qū)的轉(zhuǎn)移過程在

44、時間先后上又分為垂直轉(zhuǎn)移和水平轉(zhuǎn)移，它們之間的交替轉(zhuǎn)換是通過SSC電平的高低轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的。圖3.7 FTT1010M存儲區(qū)垂直轉(zhuǎn)移時序圖垂直轉(zhuǎn)移時，SSC保持高電平，存儲區(qū)里的光生電荷在四相B時鐘信號的驅(qū)動下往下轉(zhuǎn)移一行，最下面的一行像素轉(zhuǎn)移到水平輸出寄存器中。如圖3.7所示為了保證轉(zhuǎn)移效率，B1、B2、B3、B4定時關(guān)系要求嚴格。每垂直轉(zhuǎn)移完一行后，進入水平轉(zhuǎn)移階段。SSC變?yōu)榈碗娖?，水平移位輸出寄存器在C1、C2、C3時鐘的驅(qū)動下將該行逐個像素地向輸出放大器轉(zhuǎn)移。輸出放大器內(nèi)通過浮置擴散電容FD將接收到的電荷包轉(zhuǎn)換為電壓信號。RG（ResGate）是通過復(fù)位管對FD進行復(fù)位的信號，復(fù)位后FD

45、可以接收下一個電荷包。SG（Summing Gate）是在輸出柵OG之前的最后一個柵，SG信號和RG信號的相位與C3信號的相位相同。水平輸出順序為7個啞元、24個黑像素、1024個有效像素。水平轉(zhuǎn)移時序如圖3.8所示：圖3.8 FTT1010M存儲區(qū)水平轉(zhuǎn)移時序圖到此為止，光積分階段完成，進入到光敏區(qū)向存儲區(qū)轉(zhuǎn)移階段。如圖3.9所示，幀轉(zhuǎn)移控制時鐘A1、A2、A3、A4和垂直轉(zhuǎn)移時鐘B1、B2、B3、B4同時有效，且對應(yīng)同頻同相；水平轉(zhuǎn)移時鐘C1、C2、C3無效，不向放大器輸出圖像。光敏區(qū)的行像素在A、B時鐘的控制下完成向存儲區(qū)的逐行轉(zhuǎn)移。圖3.9 FTT1010M光敏區(qū)向存儲區(qū)轉(zhuǎn)移時序圖3.

46、4 CCD驅(qū)動電路設(shè)計脈沖驅(qū)動電路是EP1C3T144輸出的時序信號與FTT1010M輸入驅(qū)動信號間的轉(zhuǎn)接電路，它把各路時序信號由TTL電平轉(zhuǎn)變成FTT1010M正常工作所要求的幅度，增大至合理的驅(qū)動功率。FTT1010M的A、B、C時鐘需要在短時間內(nèi)產(chǎn)生最大14V左右的脈沖電壓，而且輸入端呈現(xiàn)較大的容性負載，這要求驅(qū)動器具有極好的瞬態(tài)響應(yīng)和大電流驅(qū)動能力。我們選用MAXIM公司的驅(qū)動器MAX4426，其驅(qū)動電壓范圍4.5V-18V，時鐘偏移小，驅(qū)動電流可達1.8A。如圖3.10所示，輸入電壓10V由LM317產(chǎn)生；EP1C3T144的輸出信號A、B、C時鐘和RG、SG時鐘，經(jīng)過MAX4426

47、Z轉(zhuǎn)換為D_A、D_B、D_C和D_SG、D_RG信號。圖3.10 基于MAX4426的驅(qū)動電路原理圖本系統(tǒng)僅使用FTT1010M的X象限輸出，水平轉(zhuǎn)移時鐘使用CX，垂直轉(zhuǎn)移和幀轉(zhuǎn)移時鐘分別使用BY、AY。在輸出極，采用了NPN管對輸出模擬信號進行放大。FTT1010M電路連接如圖3-17所示。圖3-17 FTT1010M電路連接原理圖4 電子內(nèi)窺鏡數(shù)字圖像的實時采集和顯示設(shè)計4.1 工作原理CCD輸出圖像的實時采集和顯示部分工作原理為：從CCD 攝像頭輸出端口來的全電視信號(1Vp-p)經(jīng)噪聲抑制、自動增益控制、信號放大等處理后，經(jīng)實時采集部分的A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）將串行圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成8位并

48、行數(shù)字信號輸出給FPGA，由FPGA控制完成數(shù)據(jù)的存儲和上傳過程。數(shù)據(jù)存儲到fifo中，在FPGA接收到來自上位機（電腦）的讀數(shù)據(jù)命令后，將存儲在fifo中的數(shù)據(jù)依次輸出到PCI總線上，并傳輸?shù)诫娔X。由系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動程序及上層應(yīng)用程序提供對其進行單幀圖像集、序列圖像采集或?qū)崟r顯示在計算機屏幕上。根據(jù)上述原理,設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4.1所示。系統(tǒng)主要由A/D轉(zhuǎn)換模塊、PCI接口控制功能模塊、傳輸控制模塊(FPGA)、高速緩存(FIFO: 先進先出存儲器) 模塊四個部分組成。每個模塊均承擔一定的功能, 進行一定的分工與協(xié)作, 共同實現(xiàn)了采集卡的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)、實時顯示等功能。FPGA控制送入FIF

49、O控制信號配置信號32bit圖像數(shù)據(jù)8bit圖像數(shù)據(jù)配置信號32bit圖像數(shù)據(jù)計算機CCDPCI總線控制器PEX8111下載電纜或配置EEPROMPCI總線FIFOAD串行EPROM輸入模擬視頻信號8bit圖像數(shù)據(jù) PEX8111控制信號8bit圖像數(shù)據(jù)圖4.1 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖4.2 硬件設(shè)計據(jù)上節(jié)制定的設(shè)計方案，本設(shè)計的硬件電路主要包括以下三個模塊：電源模塊、FPGA主控模塊，PCI電路模塊。此部分的核心芯片是FPGA和橋接芯片。FPGA負責全過程的控制，橋接芯片負責PCI總線數(shù)據(jù)的傳輸。此外，在此部分與圖像采集部分之間還有A/D轉(zhuǎn)換模塊，以下將從各模塊硬件的設(shè)計做詳細的介紹。4.2.1

50、A/D轉(zhuǎn)換模塊本模塊采用ADC0832實現(xiàn)，將CCD輸出的模擬串行信號變成8位并行數(shù)字信號。ADC0832是美國國家半導體公司生產(chǎn)的一種8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。由于體積小，兼容性強，性價比高而深受單片機愛好者以及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。它具有以下特點：1）8位分辨率2）雙通道A/D轉(zhuǎn)換3）輸出輸入電平與TTL/CMOS相兼容4）5V電源供電時輸入電壓在0-5V之間5）工作頻率為250Khz，轉(zhuǎn)換時間位32us6）一般功耗位15mW4.2.2 電源模塊 由于設(shè)計的電路中應(yīng)用到的電壓有+5V,+1.5V,+3.3V,+1.2V,+2.5V等，為了方便的給設(shè)計中個芯片提供電源，

51、本設(shè)計采用背板供電模式，所有的電源由背板提供，設(shè)計中的電路如圖4.2所示：（以+1.5V電源供電模塊為例）圖4.2 +1.5V電源模塊電路圖 FPGA主控模塊在本模塊中，F(xiàn)PGA采用的是BGA封裝的EP2C20F484C8，BGA封裝有很多優(yōu)勢：1）IO數(shù)較多。BGA封裝器件的IO數(shù)主要由封裝體的尺寸和焊球節(jié)距決定。由于BGA封裝的焊料球是以陣列形式排布在封裝基片下面，因而可極大地提高器件的IO數(shù)，縮小封裝體尺寸，節(jié)省組裝的占位空間。2）提高了貼裝成品率，潛在地降低了成本。傳統(tǒng)的QFP、PLCC器件的引線腳均勻地分布在封裝體的四周，其引線腳的節(jié)距為1.27mm、1.0mm、0.8mm、0.65

52、mm、0.5mm。當IO數(shù)越來越多時，其節(jié)距就必須越來越小。而當節(jié)距<0.4mm時，SMT設(shè)備的精度就難以滿足要求。加之引線腳極易變形，從而導致貼裝失效率增加。3）BGA的陣列焊球與基板的接觸面大、短，有利于散熱。 4）BGA陣列焊球的引腳很短，縮短了信號的傳輸路徑，減小了引線電感、電阻，因而可改善電路的性能。 5）明顯地改善了IO端的共面性，極大地減小了組裝過程中因共面性差而引起的損耗。 6）BGA適用于MCM封裝，能夠?qū)崿F(xiàn)MCM的高密度、高性能。 7）BGA和BGA都比細節(jié)距的腳形封裝的IC牢固可靠。FPGA（FieldProgrammable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門

53、陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。其優(yōu)勢有：1）采用FPGA設(shè)計ASIC電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。 2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。 3）FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和IO引腳。 4）FPGA是ASIC電路中設(shè)計周期最短、開發(fā)費用最低、風險最小的器件之一。 5) FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。 可以說，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、

54、可靠性的最佳選擇之一。因此，本設(shè)計的主控部分用FPGA來完成，EP2C20F484C8很好的實現(xiàn)了對本設(shè)計中時序的控制。4.2.4 PCI模塊所謂PCI，是Peripheral Component Interconnect的縮寫。而PCI局部總線標準的制定主要目的是實現(xiàn)一種將周邊設(shè)備與處理器高速結(jié)合起來的總線結(jié)構(gòu)，以便適應(yīng)用戶對于數(shù)據(jù)率越來越高的要求。使用PCI總線結(jié)構(gòu)的設(shè)備，可以達到理論上峰值為132Mbytes/s的數(shù)據(jù)率，雖然這個數(shù)字會因為總線的繁忙和設(shè)備自身的原因而和實際值有些出入，但是達到60 Mbytes/s的平均傳送速率還是有可能的。在用戶具有越來越多的數(shù)據(jù)傳送要求的情況之下，提

55、高設(shè)備和主機之間的速度顯然是大勢所趨。而且使用PCI總線一個突出的優(yōu)點就是CPU占用率極低。因為它和存儲器之間的交互基本上是通過DMA方式，所以即使是低速設(shè)備比如聲卡等等，也開始淘汰ISA總線。因而，在需要高數(shù)據(jù)率和低耗的場合，PCI總線就顯示出了其無可超越的優(yōu)勢。PCI純粹的接口芯片主要有PLX（90xx系列），AMCC（59xx系列），還有Altera的MegaCore中的PCI功能系列以及Xilinx的LogiCore等等。本模塊的實現(xiàn)主要采用了橋接芯片PEX8111。在FPGA的控制下，將8位的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成PCI總線需要的32位，PEX8111將此32位數(shù)據(jù)以PCI模式傳輸給電腦，完

56、成數(shù)據(jù)的采集和上傳。PEX8lll是一款本地總線到PCIE的橋接芯片。它符合PCIE1.0規(guī)范，支持自動極性反轉(zhuǎn)，CRC校驗，鏈路設(shè)備電源管理，傳輸層數(shù)據(jù)包隊列控制。而且具有直接主模式、直接從模式和DMA功能。它能夠簡單地實現(xiàn)PCIE接口，能夠十分容易地把現(xiàn)有的PCI卡轉(zhuǎn)換成PCIE設(shè)計，從而實現(xiàn)PCI到PCIE的平滑過度，并且能夠?qū)υ械尿?qū)動程序進行保留，不用做任何形式的更改。PEX8111支持前向橋模式和反向橋模式這兩種模式，有144個引腳，球型封裝，66MHz本地時鐘，有2個DMA通道，支持最高可達266MBps的突發(fā)峰值傳送速率。有四路GPIO接口，內(nèi)部PCI仲裁器可以支持4個外部PC

57、I主控器。支持SPI串行EEPROM接I：1，有8KB共享內(nèi)存可以供PCIE接I：1及PCI總線訪問。PEX811l的電源模塊由15V的PCIE接I：l工作電壓，33V的IO和的5VPCI所構(gòu)成。圖4.3是PEX8lll的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。它的PCIE接口與計算機的PCIE插槽相連，而PCI接I：1與硬件FPGA相連。PCI接口橋接芯片8K的共享內(nèi)存PCIE完整透明性橋接PCIE接口PCI配置寄存器圖4.3 PEX8111內(nèi)部的結(jié)構(gòu)框圖PCI橋接芯片的引腳如圖4.3所示：圖4.3 橋接芯片引腳圖4.3 程序設(shè)計本設(shè)計中的主控模塊是FPGA（EP2C20F484C8），因此本設(shè)計中軟件設(shè)計的主要工作是對FPGA的編程。4.3.1 編程語言介紹本課題涉及到的需要編程的芯片是FPGA（EP2C20F484C8）。采用的編程語言是VHDL。 VHDL語言的應(yīng)用主要是在數(shù)字電路的設(shè)計中。目前，它在中國的應(yīng)用多數(shù)是用在FPGA/CPLD/EPLD的設(shè)計中。VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口。