專利名稱：基于帶有數(shù)字處理模塊的嵌入式實時圖像采集處理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于帶有數(shù)字處理模塊的嵌入式實時圖像采集處理系統(tǒng)，更確切地說涉及一種圖像實時處理系統(tǒng)，它可用于POCT (Point-of-care Test)中生化分析結(jié)果中圖像信號的采集和處理，是POCT儀器的一種新的 硬件平臺，屬生物醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景POCT (Point Of Care Testing)是一種可在病人床邊或家庭進(jìn)行檢測的小 型化、智能化便攜或手持式檢測儀器，具有操作簡便化、結(jié)果報告及時化、 準(zhǔn)確化的優(yōu)點，適合于現(xiàn)場檢測、特需診療，以及農(nóng)村或基層醫(yī)院使用，越 來越受到臨床醫(yī)護(hù)人員、病人及其家屬的青睞。POCT主要包括生化分析單 元和數(shù)據(jù)采集和處理單元，生化分析單元實現(xiàn)樣本處理和待測指標(biāo)的檢測， 數(shù)據(jù)采集處理單元實現(xiàn)檢驗結(jié)果的判讀和顯示輸出。在醫(yī)學(xué)檢驗中，很多檢驗結(jié)果需要通過顏色或圖像來識別，如納米金顯 色條帶、微陣列點陣等，目前一般采用肉眼觀測和掃描儀結(jié)合PC機(jī)實現(xiàn)判 讀，但針對高密度或多信息處理時會出現(xiàn)結(jié)果不準(zhǔn)確等問題，也難以實現(xiàn)便 攜或手持式。將這種判讀方法和目前先進(jìn)的圖像信號處理技術(shù)相結(jié)合，開發(fā) 一種小型的，能夠?qū)崟r采集圖像數(shù)據(jù)的智能系統(tǒng)，實現(xiàn)POCT的功能，具有 重要的意義。目前文獻(xiàn)報導(dǎo)的實時圖像采集系統(tǒng)一般只作為和PC連接的一 個模塊，采用CPLD+DSP的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)功能，難以應(yīng)用于POCT中。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的在于提供一種基于帶有數(shù)字處理模塊的嵌入式實時圖像采集 系統(tǒng)，所述的系統(tǒng)采用了一種帶有乘法器的Cyclone系列FPGA芯片替代 CPLD+DSP結(jié)構(gòu)，構(gòu)建一種實時采集，能夠進(jìn)行簡單圖像處理的嵌入式系統(tǒng)，在實現(xiàn)同等質(zhì)量圖像和處理速率的同時，顯著降低系統(tǒng)成本和器件功耗，可用于便攜或手持式POCT儀器中。本發(fā)明是通過系統(tǒng)總體設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、部件選購、組裝調(diào) 試等關(guān)鍵步驟實現(xiàn)的。具體地說，本發(fā)明中所闡述的系統(tǒng)主要由圖像采集、圖像處理和結(jié)果顯 示三個主要模塊構(gòu)成。由FPGA芯片進(jìn)行邏輯控制，控制采集模塊采集圖像; 由FPGA內(nèi)的可編程乘法器進(jìn)行圖像處理，再將所生成的圖像或者處理結(jié)果 顯示在顯示模塊(小型的TFT-LCD顯示屏)上，最后將整個系統(tǒng)集成在一 塊PCB板上，集成封裝后形成便攜式分析儀。本發(fā)明闡述的系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)上電工作時，首先由FPGA芯片啟動 對圖像數(shù)據(jù)的采集，直接發(fā)送控制信號至圖像采集模塊，光信號通過鏡頭后 激發(fā)CMOS傳感器產(chǎn)生電信號，并且在采集模塊內(nèi)自動白平衡，經(jīng)過模塊內(nèi) 的A/D轉(zhuǎn)換器輸出圖像初始信號。為了實現(xiàn)SRAM中數(shù)據(jù)地址的同步，則 先將圖像數(shù)據(jù)送到FPGA芯片中進(jìn)行緩沖，然后再送到SRAM中由FPGA芯 片中的處理模塊讀取。實時顯示時，F(xiàn)PGA芯片接收數(shù)據(jù)采集模塊的YUV格 式視頻數(shù)據(jù)，在芯片內(nèi)部乘法器中將其轉(zhuǎn)換成RGB格式數(shù)據(jù)；在進(jìn)行簡單 圖像處理時，F(xiàn)PGA芯片中的處理模塊通過査詢和中斷模式，來監(jiān)聽FPGA 芯片中的中斷信號，再收到一個中斷信號之后，F(xiàn)PGA中的處理模塊將采集 的數(shù)據(jù)和初始的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，然后再根據(jù)比較的結(jié)果通知FPGA芯片內(nèi)的 控制模塊是否繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，若提示數(shù)據(jù)采集完成，則FPGA的處理模 塊等待一段時間讀取SRAM中的數(shù)據(jù)，在內(nèi)部進(jìn)行現(xiàn)有數(shù)據(jù)的處理，并且將 結(jié)果儲存在存儲器(Flash)中，以便以后數(shù)據(jù)可以通過PC來讀出，或者通 過USB接口與PC通訊。本發(fā)明優(yōu)點是為POCT提供一種功耗低，成本低，可實現(xiàn)生物信號圖像 采集和處理的嵌入式系統(tǒng)，為POCT提供一種新的硬件平臺。所選的系統(tǒng)能 在TFT液晶顯示屏上實時顯示130萬像素，15fps的視頻圖像，可用于POCT (Point-of-care Test)中生化分析結(jié)果中圖像信號的實時采集和處理，為POCT儀器提供一種新的硬件平臺。


圖l為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為本發(fā)明的軟件設(shè)計流程 圖3為本發(fā)明的樣機(jī)示意圖。 圖4為本發(fā)明的點陣圖成像。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的一種具體實例。
1. 圖像采集模塊的選擇和設(shè)置
本發(fā)明中圖像采集模塊選擇OmniVision公司推出的高性能OV9620芯 片，它具有130萬像素CMOS彩色圖像傳感器，集成了 1280x1024 (SXGA)圖 像陣列和一個10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于處理靜止圖像和視頻信號。全分辨率 130萬像素(SXGA)拍攝時，可達(dá)15 FPS的速率。分辨率30萬像素(VGA)拍 攝時，則可達(dá)30FPS的速率。OV9620芯片給出了多種工作模式以及直接提 供了與SRAM的接口，在本發(fā)明中只使用其中的Slave模式，并且只利用其 中的一部分使能端，SIO一D為slave模式下接口數(shù)據(jù)的輸入和輸出，SIO—C 為slave模式下外部時鐘的輸入，輸出的D[9:0]為10位A/D轉(zhuǎn)換芯片的輸出 圖像數(shù)據(jù)，HSYNC和VSYNC分別為水平同步輸出和垂直同步輸出。利用 外部時鐘來使得整個系統(tǒng)同步，芯片內(nèi)部時鐘被屏蔽，其余沒有用到的使能 端在硬件設(shè)計時設(shè)置為處在不工作的狀態(tài)。而輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA芯片再 到達(dá)SRAM， FPGA芯片在其中也起到了一個緩沖器的作用。
2. 圖像處理模塊/邏輯控制模塊的選擇和設(shè)置
本發(fā)明利用FPGA芯片實現(xiàn)準(zhǔn)確的邏輯控制，同時利用芯片內(nèi)乘法器的 基礎(chǔ)上實現(xiàn)數(shù)字信號處理功能。本發(fā)明選擇Altem的第四代開發(fā)工具Quartus 系統(tǒng)，通過圖形編輯器創(chuàng)建圖形設(shè)計文件；通過文本編輯器，用于創(chuàng)建文本 設(shè)計文件；創(chuàng)建波形設(shè)計文件?？梢詧?zhí)行編譯，邏輯綜合，仿真，定時分析 以及器件編程，也支持NoiiS軟核的編譯和仿真。FPGA芯片有著如此完善的開發(fā)平臺支持，開發(fā)的硬件結(jié)構(gòu)緊湊，性能可靠，保密性好并且容易修改， 這也代表了硬件開發(fā)的趨勢。
3. 圖像顯示模塊的選擇和設(shè)置
本發(fā)明采用了 topply公司的TD036thea 1(3.6英寸,72.96mmx54.72mm)
顯示屏，它具有8位的色深，320x240個成像點，完全滿足醫(yī)學(xué)檢驗中的顏 色要求。
4. 電源與接口設(shè)計
本發(fā)明所闡述的嵌入式系統(tǒng)采用外部穩(wěn)壓器供7.5V直流電，再經(jīng)過 LM7805得到穩(wěn)定的5V電壓，然后再經(jīng)LM1117-3.3V和LM1117-1.2V電源 芯片得到非常穩(wěn)定的FPGA芯片工作電壓。
本系統(tǒng)采用一種USB-JTAG接口設(shè)計包括USB接口和JTAG接口 ，前者 主要進(jìn)行USB和并行I/O 口之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，后者進(jìn)行并行I/O 口和 JTAG接口之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。該電路采用FTD (Future Technology Devices) 公司生產(chǎn)的FT245BM型號的USB控制芯片，MAX3000系列 CPLD…EPM3128，這個小系統(tǒng)使用獨(dú)立的3V直流電源和24MHz晶振。
5. 軟件設(shè)計
該系統(tǒng)的整個軟件方案在Quartus5.1下，采用Verilog語言編寫和調(diào)試 程序，最后通過JTAG接口將程序下載到FPGA器件中。軟件的程序結(jié)構(gòu)如 圖3所示，成像主程序由第二層的子模塊組成，第三層為軟件系統(tǒng)的底層， 定義了軟件中使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及指令集。
6. 測試結(jié)果
由該系統(tǒng)采集的生物點陣圖像清晰，可用于POCT中的實時成像與檢驗， 其設(shè)計充分利用了 Cyclone II芯片的高速并行處理能力，邏輯控制能力和低 成本優(yōu)勢，也為進(jìn)一步的圖像自動識別與跟蹤構(gòu)建了一個小型化的硬件平臺， 其在醫(yī)學(xué)檢驗具有很好的用途。
權(quán)利要求
1、一種基于帶有數(shù)字處理模塊的嵌入式實時圖像采集系統(tǒng)，其特征在于所述的采集系統(tǒng)采用了帶有乘法器的Cyclone II系列的FPGA芯片，含有圖像采集、圖像處理和結(jié)果顯示三個模塊，整個系統(tǒng)集成在一塊PCB板上，集成封裝成便攜式分析系統(tǒng)。
2、 按權(quán)利要求1所述的基于帶有數(shù)字處理模塊的嵌入式實時圖像采集處 理系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)上電工作時，首先由FPGA芯片啟動對圖像數(shù)據(jù)的 采集，直接發(fā)送控制信號至圖像采集模塊，光信號通過鏡頭后激發(fā)CMOS傳 感器產(chǎn)生電信號，并且在采集模塊內(nèi)自動白平衡，由A/D轉(zhuǎn)換器輸出圖像初 始信號，將圖像數(shù)據(jù)送到FPGA芯片中緩沖，再送到SRAM中由FPGA芯片 的處理模塊讀取，實時顯示時，F(xiàn)PGA芯片接收數(shù)據(jù)采集模塊的YUV格式視 頻圖像數(shù)據(jù)，由芯片內(nèi)部的乘法器將其轉(zhuǎn)換成RGB格式；在進(jìn)行簡單圖像 處理時，F(xiàn)PGA芯片中的處理模塊通過査詢和中斷模式監(jiān)聽FPGA芯片中的 中斷信號，在收到一個中斷信號之后，F(xiàn)PGA中的處理模塊將采集的數(shù)據(jù)和 初始的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，然后再根據(jù)比較的結(jié)果通知FPGA芯片中的控制模塊 是否繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，若提示數(shù)據(jù)采集完成，則FPGA的處理模塊等待一 段時間讀取SRAM中的數(shù)據(jù)，在內(nèi)部進(jìn)行現(xiàn)有數(shù)據(jù)的處理，并且將結(jié)果儲存 在存儲器中，所存數(shù)據(jù)作為PC進(jìn)行讀取之用，或者通過USB接口與PC進(jìn)行通訊o
3、 按權(quán)利要求1或2所述的基于帶有數(shù)字處理模塊的嵌入式實時圖像采 集處理系統(tǒng)，其特征在于所述圖像采集模塊具有130萬像素CMOS彩色圖像 傳感器，集成有1280 X 1024圖像陣列和一個10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。
4、 按權(quán)利要求1或2所述的基于帶有數(shù)字處理模塊的嵌入式實時圖像采 集處理系統(tǒng)，其特征在于所述的圖像采集模塊為OmniVision公司的OV9620 心片。
5、 按權(quán)利要求1或2所述的基于帶有數(shù)字處理模塊的嵌入式實時圖像采 集處理系統(tǒng)，其特征在于所述的圖像處理是由FPGA芯片內(nèi)的乘法器實現(xiàn)數(shù)字信號處理功能，并藉助Quartus開發(fā)系統(tǒng)作為工具，通過圖形編輯器創(chuàng)建 圖形設(shè)計文件；通過文本編輯器創(chuàng)建文本設(shè)計文件和創(chuàng)建波形文件，執(zhí)行編 譯，邏輯綜合，仿真，定時分析以及器件編程，實現(xiàn)FPGA芯片的準(zhǔn)確邏輯控制。
6、 按權(quán)利要求1或2所述的基于帶有數(shù)字處理模塊的嵌入式實時圖像采 集處理系統(tǒng)，其特征在于圖像顯示模塊具有8位的色深，320X240個成像點。
7、 按權(quán)利要求1或2所述的基于帶有數(shù)字處理模塊的嵌入式實時圖像采 集處理系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)為嵌入式系統(tǒng)，所述的系統(tǒng)采用外部穩(wěn)壓 器提供7.5V的直流電源；再經(jīng)穩(wěn)壓得到穩(wěn)定的5V電壓，然后再經(jīng)電源芯片 LM1117-3.3V， LM1117-1.2V得到穩(wěn)定的3.3V和1.2V電壓，為FPGA芯片 提供工作電壓。
8、 按權(quán)利要求1或2所述的基于帶有數(shù)字處理模塊的嵌入式實時圖像采 集處理系統(tǒng)，其特征在于所述的系統(tǒng)接口包含USB接口和JTAG接口，其中 USB接口用于實現(xiàn)USB和并行I/O之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，JTAG接口用于實 現(xiàn)并行I/O 口和JTAG接口之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。
9、按權(quán)利要求1或2所述的基于帶有數(shù)字處理模塊的嵌入式實時圖像采 集處理系統(tǒng)，其特征在于所述的JTAG接口用于采用Verilog HDL語言編寫 程序下載到FPGA器件中。
全文摘要
本發(fā)明涉及了一種基于帶有數(shù)字處理模塊的嵌入式實時圖像采集處理系統(tǒng)，其特征在于所述的采集系統(tǒng)采用了帶有乘法器的Cyclone II系列的FPGA芯片，含有圖像采集、圖像處理和結(jié)果顯示三個模塊，整個系統(tǒng)集成在一塊PCB板上，集成封裝成便攜式分析系統(tǒng)。所選的系統(tǒng)能在TFT液晶顯示屏上實時顯示130萬像素，15fps的視頻圖像，可用于POCT(Point-of-careTest)中生化分析結(jié)果中圖像信號的實時采集和處理，為POCT儀器提供一種新的硬件平臺。
文檔編號H04N9/73GK101231234SQ200810033600
公開日2008年7月30日 申請日期2008年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月15日
發(fā)明者超 童, 趙建龍, 金慶輝 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所