基于STC12LE2052AD控制芯片的内窥镜无线采集系统设计与应用*

陈 庆 许新建 尤若宁

目前，内窥镜视频系统广泛应用于临床中的胸腔镜、宫腔镜、输尿管肾镜、前列腺电切镜、椎间盘镜、关节镜和腹腔镜等，其中腹腔镜和宫腔镜应用最为普及[1]。在临床检查中，随时采集内窥镜系统输出的图像，便于医生查看患者检查结果和书写报告，而传统的图像采集过程通过图像处理器的九针串口外连接有线采集开关，较长的外接线容易受到物理环境的影响，导致采集线与其他连接线相互干扰，图像的自由度较低，连接线极易断裂损坏，故障率偏高，影响医务人员的诊疗工作[2]。为此，本研究设计一种内窥镜无线采集系统，用于医务人员采集患者的各类腔镜检查的图像。

1 内窥镜无线采集系统设计

内窥镜无线采集系统主要包括无线发射模块和无线接收模块，采用单片机STC12LE2052AD为主控制芯片，无线传输模块采用nRF24L01，医务人员通过控制无线发射模块的按键，无线接收模块接收信号后采集系统完成采集。整个系统无任何外接线，避免受到不必要的牵绊，且使用自由度高，采集图像稳定性高。

1.1 无线发射控制模块电路

内窥镜无线采集系统主要包括采集系统无线发射控制模块和采集系统无线接收控制模块，采集系统无线发射控制模块电路包括电源电路、按键电路、霍尔传感器感应电路、无线发射电路和晶振电路。电路结构见图1。

图1 内窥镜无线采集系统无线发射控制模块电路结构

1.2 无线接收控制模块电路

采集系统无线接收控制模块电路主要包括电源电路、按键电路、串口控制电路、无线接收电路、晶振电路等，当无线发射模块的采集键按下时会发射无线信号，当无线接收信号收到采集信号时，串口控制电路接通，进而实现内窥镜检查图像的无线采集。电路结构见图2。

2 内窥镜无线采集系统电路设计

2.1 无线发射模块主电路

图2 内窥镜无线采集系统无线接收控制模块电路结构

内窥镜无线采集系统的主控制芯片为STC12L E2052AD，内部集成256字节随机存储器(random access memory，RAM)和MAX810专用复位电路，可省去外部复位电路[3]；共4个16位定时器2个与传统8051兼容的定时器和(或)计数器，16位定时器T0和T1，可编程计数器阵列(programmable counter array，PCA)模块可再实现2个16位定时器；其复位引脚(RST)连接外部按键电路；XTAL1管脚和XTAL2管脚连接外部晶振电路；P1.7管脚连接霍尔传感器感应电路；P1.0至P1.4管脚和P3.7管脚连接无线发射模块。无线发射模块主电路见图3。

图3 内窥镜无线采集系统无法发射模块主电路

2.2 电源电路

内窥镜无线采集系统的无线发射模块电路采用一体化设计，医务人员可以随意放置在顺手的地方进行图像采集，实现整个无线发射控制电路的轻便操作；采用锂电池供电，保持电源稳定输出，采用电源稳压芯片ASM1117，芯片的输入管脚接入锂电池，在输入管脚和接地管脚接入电源指示灯发光二极管(light emitting diode，LED)1和保护电阻R1，其电路输出管脚稳定输出3.3 V，并采用电容C1和C2进行滤波[4]。电源稳压电路见图4。

2.3 霍尔传感器感应电路

图4 内窥镜无线采集系统电源稳压电路

普通的内窥镜图像采集系统采用机械开关，容易造成触电接触不良或机械开关损坏失灵[5]。采用霍尔传感器感应开关作为控制按键，当按下磁铁按键时，霍尔传感器感应到磁铁按键后OUT开关键输出低电平到比较器LM393的1脚，通过比较器比较后，其比较器的4脚输出底电平到主控制芯片，采集指示灯LED4亮，表示图像采集动作已经产生[6]。霍尔传感器感应电路见图5。

图5 内窥镜无线采集系统霍尔传感器感应电路

2.4 无线发射模块电路

内窥镜无线采集系统的无线发射模块和无线接收模块均采用nRF24L01，医务人员按下磁铁按键后，主控制芯片接收信号后控制无线模块发射电路发射采集信号，无线接收模块接收电路接收信号后，输出指令给串口采集电路[7]。nRF24L01的使能信号(enable signal，CE)、低电平有效(CSN)、同步时钟(SCK)、主机输出从机输入(master output slave input，MOSI)、主机输入从机输出(master input slave output，MISO)以及中断请求(interrupt request，IRQ)等管脚连接上拉电阻排RP1，用于稳定电平，同时连接主控制芯片，用于传输控制信号[8]。无线模块发射电路见图6。

图6 内窥镜无线采集系统无线模块发射电路

2.5 串口控制电路

内窥镜无线采集系统通过串口连接外置采集开关进行采集图像，系统的串口控制电路与无线接收模块封装在一起，当无线接收模块收到采集信号时，主控制芯片的P1.7管脚输出低电压，开光管Q1导通，串口的2脚和3脚接通，完成采集图像的功能[9]。串口控制电路见图7。

图7 内窥镜无线采集系统串口控制电路

3 内窥镜无线采集系统软件设计

3.1 无法发射控制模块

内窥镜无线采集系统的软件设计主要实现采集信号的无线传输，无法发射控制模块程序包括电池电量监测子程序、按键扫描子程序、霍尔传感器感应子程序、无线发射模块子程序以及LED显示子程序等[10]。无法发射控制模块主程序见图8。

图8 内窥镜无线采集系统无法发射控制模块主程序结构

3.2 无法接收控制模块

内窥镜无线采集系统无线接收控制模块程序由按键扫描子程序、串口控制子程序和无线接收模块子程序等组成。程序见图9。

图9 内窥镜无线采集系统无法接收控制模块主程序结构

4 内窥镜无线采集系统临床应用

在临床诊疗工作中，各种内窥镜检查在门诊治疗中发挥了不可替代的作用[11]。本研究设计的内窥镜无线采集系统完成临床电子胃镜检查100例、喉镜检查100例以及腹腔镜检查100例的检测，实现各内窥镜检查图像采集的运用。在患者检查过程中，检查图像传输到工作站后，通过无线采集系统采集图像，为临床诊治提供影像资料。检查中图像采集见图10。

图10 内窥镜无线采集系统临床使用效果

5 结论

当前，医院各种腔镜的检查数量较大，传统的采集手段一般采用具有外接连接线的采集方式，其在大量采集图像的过程中，外接线容易受到物理环境的影响而时常打结或者断裂，采用的机械触点容易氧化或者损坏，影响临床科室的使用[12-14]。本研究设计的内窥镜无线采集系统，采用霍尔传感器采集开关，从根本上解决外接线容易断裂和机械触点接触不良的问题，实现采集图像使用效率的提升[15]。内窥镜无线采集系统在运用过程中安装简单、使用方便快捷，对于降低设备故障率，提升医疗质量具有重大的意义。