基于CCD和FPGA的内窥镜图像采集系统的设计

周文光，王春飞，毛坤剑，陈　庆，孔　悦

基于CCD和FPGA的内窥镜图像采集系统的设计

周文光，王春飞，毛坤剑，陈庆，孔悦

目的：设计一种内窥镜图像采集系统，以辅助诊疗。方法：采用高分辨率电荷耦合器件（charge coupled device，CCD）图像传感器将内窥镜观测到的光学信号转换为电信号，经模数转换后由现场可编程门阵列（field-programmable gate array，FPGA）控制器进行数据存储，最后经外设组件互连标准（peripheral componet interconnect，PCI）总线传输到计算机。结果：经测试，该系统可采集到清晰、稳定的图像，且结构简单、操作方便。结论：该系统采集的图像质量好，临床使用方便，非常适用于内窥镜的诊疗工作。

内窥镜；CCD；FPGA；图像采集

0　引言

从1795年德国医生Philip Bozzini第一次使用硬管观察患者膀胱和直肠内部病变至今，内窥镜经历了硬管式内窥镜、半可曲式内窥镜、光纤内窥镜、电子内窥镜4个发展阶段[1]。目前，应用最为广泛的电子内窥镜采用先进的微电子器件代替传统的纤维导像束和目镜，通过安装在内窥镜前端的电荷耦合器件（charge coupled device，CCD），将采集到的光学信号转换成电信号，经光纤传递至图像处理器处理后在显示器上重现高分辨率、色彩逼真的图像。

现场可编程门阵列（field-programmable gate array，FPGA）作为专用集成电路领域中的一种半定制电路，既综合了分离器件与大规模集成芯片的优点，又具有用户可编程特性，大大缩短了设计周期，减少了设计费用，降低了设计风险[2]。

本文设计的内窥镜图像采集系统采用高分辨率CCD图像传感器FTT1010M将内窥镜观测到的光学信号转换为电信号，经模数转换后由FPGA控制器EP1C6Q240C8进行数据的存储与控制，最后经外设组件互连标准（peripheral componet interconnect，PCI）总线传输到计算机。

1　系统设计

本系统由硬件部分和软件部分组成。硬件部分主要包括CCD模块、模数转换模块、FPGA模块、PCI总线模块等；软件部分主要包括数据存储和读写程序设计、FPGA对PCI的控制程序设计等。

1.1硬件部分

系统结构框图如图1所示。由CCD采集到的信号经噪声抑制、自动增益控制、信号放大等处理后，传输至模数转换模块将串行图像数据转变成8位并行数字信号输出给FPGA控制器，由FPGA控制完成数据的存储和上传过程。数据存储到先入先出队列（first in first out，FIFO）中，在FPGA接收到来自上位机（计算机）的数据读取命令后，将存储在FIFO中的8 bit的图像数据转换成32 bit的图像数据依次输出到PCI总线上，并传输到计算机。

图1　系统结构框图

1.1.1CCD模块

本次设计选用的CCD芯片是DALSA公司生产的单色逐行扫描帧转移型图像传感器FTT1010M，具有高速、高线性和较宽的动态范围等优势[3]。

（1）工作原理。一般来说，CCD芯片主要由光敏单元、移位寄存器、转移栅和辅助输入、输出电路等部分组成[4]。当其处于工作状态时，光敏单元在设定的时间内对光源进行采样，然后将所采集到的光的信号强弱转换为光敏单元电荷量的多少。采样结束后，各光敏单元中的电荷从转移栅转移到移位寄存器内对应的单元中存储。之后，移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷依次转移到辅助输出端，最后将输出信号传输到外接的信号存储、处理设备中，就可对所采集的光信号进行存储处理或再现。

（2）驱动设计。CCD芯片的驱动电路如图2所示。15.5 V的输入电压经过集成芯片LM317滤波、调压后，输出稳定的10 V驱动集成芯片MAX4426上电工作，中央处理器EP1C6Q240C8输出的5路时钟信号经过MAX4426转换为D_A、D_B、D_C、D_SG和 D_RG 5路数字信号输出。

图2　CCD芯片驱动电路图

CCD芯片FTT1010M的电路连接图如图3所示，水平转移时钟使用CX端的3个接口，垂直转移时钟使用BX端的4个接口，帧转移时钟使用AY端的4个接口。在输出端，选用了NPN型三极管BFR92AW对输出模拟信号进行放大。

1.1.2模数转换模块

该模块采用美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片ADC0832来实现，将CCD输出的模拟串行信号变成8位并行数字信号。其优点是体积小、兼容性强、性价比高，并具有以下特点[5]：

图3　FTT1010M电路连接图

（1）8位分辨率；（2）双通道A/D转换；（3）输出、输入电平与TTL/CMOS电平相兼容；（4）工作频率为250kHz，转换时间为32μs；（5）功耗低，一般为15mW。

ADC0832有双列直插式封装技术（dual inlinepin package，DIP）和小外形集成电路封装（small outline integrated circuit package，SOIC）2种封装，本次设计选用DIP封装，其引脚排列如图4所示。CH0、CH1为2路模拟信号的输入端，VCC、VREF为正电源端和基准电压输入端，D1为2路模拟输入选择输入端，D0为模数转换结果串行输出端，CLK为时钟信号输入端。

1.1.3FPGA控制器

在该模块中，采用的是塑料方块平面封装（plastic quad flat package，PQFP）的FPGA芯片EP1C6Q240C8，其系统功能图如图5所示。

图4　ADC0832引脚图

图5　EP1C6Q240C8系统功能图

此芯片支持标准AS编程接口和JTAG调试接口、+5 V直接输入，包含4个用户自定义按键、4个用户自定义LED、1个7段数码管LED、1个50 MHz的高精度时钟源、3个高密度扩展接口，并且自带上电复位电路。

1.1.4PCI总线模块

PCI总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线，是在CPU和原系统总线之间插入的一级总线，由一个桥接电路对这一级的总线进行管理，实现上下之间数据的传输，其传输速率理论上可以达到132 MB/s的峰值[6]。

该模块的实现主要采用桥接芯片PEX8111。在FPGA的控制下，将8位并行数据转变成PCI总线需要的32位数据，PEX8111将该32位数据以PCI模式传输给计算机，完成数据的采集和上传。

PEX8111是一款从本地总线到PCIE接口的桥接芯片，它的设计符合PCIE1.0规范，支持自动极性反转、循环冗余校验和直接内存存取（direct memory access，DMA）等多项功能。图6为PEX8111的内部结构图。

图6PEX8111内部结构图

PEX8111桥接芯片可实现与计算机PCIE接口的对接，并可在不做任何形式更改的前提下将现有的PCI卡转换成PCIE设计，实现从PCI到PCIE的平滑过度。

图7　PCI桥接芯片的引脚图

PEX8111桥接芯片包含144个引脚、1个66MHz的本地时钟、2个DMA通道和4个通用输入/输出接口，内部PCI仲裁器可以支持4个外部PCI主控制器，支持最高可达266 MB/s的突发峰值传送速率[7]。PCI桥接芯片的引脚如图7所示。

1.2软件部分

该系统采用VHDL编程语言对EP1C6Q240C8芯片进行编程。从结构上来讲，VHDL语言区别于其他编程语言的最大特征是，它在进行程序设计时将整个系统设计分为外部可视部分及内部不可视部分[8]。从操作层面上来说，VHDL语言先是定义好系统的外部界面，待其内部结构开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个设计实体。其优点还包括以下几个方面[9]：

（1）具有较广的覆盖面，语言描述能力强；（2）可读性强，编程人员容易理解，计算机也可接受；（3）当工艺改变时，VHDL语言只需修改相应程序中的属性参数即可满足新要求，适应性较强；（4）支持大规模设计的分解和已有设计的再利用；（5）可支持自上而下（top down）和基于库（library-based）的设计方法，而且支持同步电路、异步电路等的设计。

1.2.1数据存储和读写程序设计

该部分的设计是用FPGA内部FIFO实现的。FIFO作为一种先进先出的数据缓存器，与普通存储器的最大区别是没有外部读写地址线，因此使用起来非常方便。其数据存储和读写程序如图8所示。

1.2.2FPGA对PCI的控制程序设计

在该部分设计中，FPGA需要将8位数据变成并行的32位数据，流程图如图9所示。

2　应用效果

连接好CCD芯片FTT1010M、EP1C6Q240C8控制器、PEX8111总线控制器、计算机等硬件模块后，运行VHDL控制程序对整体系统进行仿真测试，可在显示器上显示由CCD芯片采集到的清晰稳定的图像。

图8　数据存储和读写程序流程图

图9　FPGA对PCI的控制程序流程图

该图像采集系统经多家医疗单位进行临床测试，其数据传输速度快，可采集到清晰、稳定的图像；系统结构简单、操作方便，体积小、质量轻、便于携带；系统抗干扰能力强，可适应野外复杂多变的环境。该系统深受医护人员的一致好评，建议推广应用。

3　结语

该系统以高分辨率CCD图像传感器FTT1010M为图像采集芯片，将实时观测到的光学信号转换为电信号，经模数转换芯片ADC0832数字化处理后，由FPGA控制器EP1C6Q240C8进行数据的存储与控制，最后经PCI总线传输到计算机。经测试，该系统采集的图像质量好、稳定性高，且设计周期短、造价低廉，非常适用于各种电子内窥镜的图像采集。

[1]李励.医用内窥镜的发展历程[J].医疗设备信息，1999（4）:51-53.

[2]徐忠，刘洪英，皮喜田，等.医用超细内窥镜系统研究[J].中国生物医学工程学报，2014，33（1）:107-111.

[3]宋海吒，唐立军，谢新辉.基于FPGA和OV7620的图像采集及VGA显示[J].电视技术，2011，35（5）:45-47.

[4]徐健，萧泽新.基于嵌入式的数字显微镜图像采集系统的研究[J].光学技术，2008，34（3）:26-28.

[5]陈晓冬，郁道银，宋玲玲，等.医用电子内窥镜成像系统的研制[J].仪器仪表学报，2005，26（10）:1 047-1 051．

[6]陈冬青，谢洪波，徐智，等.医用电子内窥镜图像畸变校正方法的研究[J].中国生物医学工程学报，2001，20（1）:89-94.

[7]江洁，郁道银，张汉奇，等.医用电子内窥镜图像采集与视频显示系统的设计与实现[J].中国生物医学工程学报，2001，20（3）: 281-285.

[8]王炳乂.面阵CCD图像采集与多接口传输系统[D].成都:电子科技大学，2009.

[9]张俊藻.单片机中级教程[M].北京:北京航天航空大学出版社，2006:25-32.

（收稿：2014-09-19修回：2014-12-19）

Design of endoscope image acquisition system based on CCD and FPGA

ZHOU Wen-guang,WANG Chun-fei,MAO Kun-jian,CHEN Qing,KONG Yue
(Chenggong Hospital of Xiamen University,the 174th Hospital of the PLA,Xiamen 361003,Fujian Province,China)

Objective To design an endoscopic image acquisition system.Methods High resolution CCD image sensor was used as the image acquisition equipment to converse the optical signals into electrical ones.Data were stored with FPGA controller after ADC,and then transmitted to the computer with PCI bus,Results Trials proved that the system could acquire clear and stable image with simple structure and easy operation.Conclusion The system can acquire high-quality images for the diagnosis and treatment of endoscope.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（5）：37-40]

endoscope;CCD;FPGA;image acquisition

[中国图书资料分类号]R318.6；TH777A

1003-8868（2015）05-0037-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.05.037

南京军区2013年度科技创新项目资助课题（MS087）

周文光（1970—），男，主任技师，主要从事医疗设备的维修、质量控制、使用管理等方面的研究工作，E-mail:zhouwgsun@126.com。

361003福建厦门，解放军174医院，厦门大学附属成功医院（周文光，王春飞，毛坤剑，陈庆，孔 悦）

孔悦，E-mail:xmky2005@126.com