生物医学实验教学装置研制与应用

何 鹏，侯艳阳，房汉雄

（1.齐齐哈尔大学通信与电子工程学院，黑龙江齐齐哈尔 161006；2.哈尔滨理工大学测试技术与通信工程学院，黑龙江哈尔滨 150040）

实验是生物医学工程专业的重要教学环节，是学好生物医学工程专业知识的主要实践形式。我们在教学过程中发现：医学图像处理、数字信号处理、医学成像技术、嵌入式医学仪器设计、医用传感器技术、DSP技术和高级程序语言等课程难度较大，学生学习起来枯燥无味，很多学生不能深入到课程的学习当中；课程实验以验证性为主，学生并不能真正的掌握这些课程的精髓；教学结构上也有许多的不合理之处，比如将一些综合性强、难度较大又具有很强实践性的课程放置过后，实践环节安排的太少，影响学生各类创新活动的开展［1－3］。因此，设计了基于DM642的生物医学专业实验教学装置。

1 实验装置

实验装置（见图1）包括：PAL制式高清CCD 摄像机，DSP电路板，PC机，XDS510仿真器，医用观片灯，系统软件，以太网通信模块。

1.1 电路板

图1 实验装置

图2 硬件系统框图

图2是功能扩展后的硬件系统框图。采用合众达公司的SEED－VPM642开发板（见图3）作为本装置主电路板。SEED－VPM642开发板是一款专为各种视频应用的低功耗开发板，学生可以对TI 公司的C64xxDSP系列芯片进行各种开发和应用。SEEDVPM642开发板有完备的板上设备，主要包括：TI公司600 MHz的TMS320DM642DSP 芯片，具有标准的PCI总线结构，可以作为协作处理板使用；4 路PAL／NTSC制视频输入端口和1 路PAL／NTSC 制视频输出端口；4 MB×64位SDRAM 可存储多达32帧图像；4 MB×8位FLASH，可以写进大量程序，具备自启动功能；2路标准RS232串口，可以通过该串口传递一些控制命令；一个10／l00 MB 标准以太网端口；一块CPLD 芯片，通过控制在CPLD 内部的寄存器，实现对板卡硬件功能的软件配置。视频采集模块选用Sony公司生产的6.35mm（1／4英寸）CCD 高清摄像机和DSP开发板上的VideoPort解码模块对CT图像进行采集，CCD 支持PAL 及NTSC 2 种不同的模拟信号制式输出，VideoPort解码模块负责将输入的模拟信号转换为数字信号供DSP处理。PC 机采用Windows XP系统，硬件配置为1GB 内存的台式机。仿真器采用合众达公司的SEED－XDS510PLUS仿真器，支持CCS2.2及以上版本［4－5］。

图3 SEED－VPM642开发板

1.2 系统软件

系统软件分为DSP 片上程序和PC 机端控制系统。DSP片上程序采用TI公司的CCS（code composer studio）软件生成，CCS 是基于Windows操作系统下的集成开发环境，集成了代码生成工具和调试工具，同时还提供了基于可视化链接和可剖析的编译功能，采用CCS2.2 版本。在电脑上编译完的程序通过XDS510仿真器将程序下载到DSP 板的SDRAM 中，PC机端软件发出命令后，DSP 根据命令从SDRAM中调用相应程序处理图像。掌握CCS软件是DSP开发者必备的技能，学生可以在实验装置上进行充分的训练。

PC机端控制程序由VC＋＋编写，主要用于向DSP发送各种命令和显示处理结果。该软件主要功能包括：（1）图像截取：命令DSP截取一幅图像；（2）图像预处理：灰度转换、噪声过滤和水平梯度检测；（3）图像增强：图像平滑、中值滤波、图像锐化；（4）图像变换：图像的放大和缩小、图像平移、图像水平变换、图像垂直变换、图像旋转；（5）边缘检测：Sobel边缘检测、Kirsch边缘检测、Laplacian边缘检测。另外还有阈值分割和恢复图像等功能。软件主界面见图4

1.3 以太网传输模块

以太网传输模块电路见图5。EMAC模块是DSP处理器内核与片外的网络物理层数据传输的接口，负责以太网数据的接收和发送。采用Broadcom 公司的BCM5221芯片，实现IEEE802.3标准的以太网MAC层协议，通过物理层驱动（HPY）和RJ－45 网口相连接，可以实现命令传输和数据传输［6－7］。

在装置中，以太网口的主要功能是接收PC 机传来的各种命令，将命令传递给DSP，同时将传送处理完的数据送到PC机指定的文件夹中。DSP片上程序和PC控制程序间的通信见图6。

在以网口程序传输命令的同时采用RS232串口传递指令，辅助以太网口控制DSP［8］。

图4 软件主界面

图5 以太网传输模块电路

图6 DSP与PC之间通信

2 实验装置的部分功能

启动实验装置和加载程序后，可以在PC 机端的软件中点击截取图像选单（菜单），见图7，DSP会自动截取一幅bmp 格式的图像并传递给PC 机，然后在VC＋＋软件中自动显示。

在图像预处理的选单中找到图像取反选项即可实现图像取反，见图8。设当前灰度为A，取反后的灰度为B，则取反公式为B＝255－A。

边缘检测采用我们改进型Sobel边缘算子［9］作算法处理。图9为边缘检测界面。

图7 截取图像

图8 图像取反

单击阈值分割选单，见图11，可以实现图像的阈值分割，将图像改变为黑白两种颜色，灰度级为0 和255，即所谓的‘图像二值化’。

限于篇幅，上述功能仅仅是本装置的部分功能。

3 该装置特点

该装置具有以下优点：

图9 边缘检测

图10 局部放大

（1）综合了医学图像处理、医学检验分析仪器、医用传感器技术、医学成像技术、嵌入式医学仪器设计、DSP技术和高级编程语言等课程，通过一些综合性实验项目将各门课程紧密地联系起来，可加强学生的实践能力，同时培养学生的创新意识；

（2）实验内容模块化、系统化，强调理论课程间相互关系，实验内容难易结合，既保留了原有验证性实验，又开发了大量综合性实验，能适应各层次、各年级学生的教学需要；

（3）在本实验装置上也可开展课程设计、毕业设计、电子竞赛、创新创业项目研究［10－12］。

图11 阈值分割

4 结束语

本装置综合了多门课程的实验，同时解决了这些课程在授课方式和课程安排上的原来弊端，使学生在学习上达到举一反三的目的。该装置不仅可以用于生物医学专业本科实验教学，也可以用于其他与视频有关的领域。

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