CN101231234B - 基于带有数字处理模块的嵌入式实时图像采集处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种基于带有数字处理模块的嵌入式实时图像采集处理系统，其特征在于所述的采集系统采用了带有乘法器的Cyclone II系列的FPGA芯片，含有图像采集、图像处理和结果显示三个模块，整个系统集成在一块PCB板上，集成封装成便携式分析系统。所选的系统能在TFT液晶显示屏上实时显示130万像素，15fps的视频图像，可用于POCT(Point-of-careTest)中生化分析结果中图像信号的实时采集和处理，为POCT仪器提供一种新的硬件平台。

Description

基于带有数字处理模块的嵌入式实时图像采集处理系统

技术领域

本发明涉及一种基于带有数字处理模块的嵌入式实时图像采集处理系统，更确切地说涉及一种图像实时处理系统，它可用于POCT(Point-of-careTest)中生化分析结果中图像信号的采集和处理，是POCT仪器的一种新的硬件平台，属生物医学图像处理技术领域。

背景技术

POCT(Point Of Care Testing)是一种可在病人床边或家庭进行检测的小型化、智能化便携或手持式检测仪器，具有操作简便化、结果报告及时化、准确化的优点，适合于现场检测、特需诊疗，以及农村或基层医院使用，越来越受到临床医护人员、病人及其家属的青睐。POCT主要包括生化分析单元和数据采集和处理单元，生化分析单元实现样本处理和待测指标的检测，数据采集处理单元实现检验结果的判读和显示输出。

在医学检验中，很多检验结果需要通过颜色或图像来识别，如纳米金显色条带、微阵列点阵等，目前一般采用肉眼观测和扫描仪结合PC机实现判读，但针对高密度或多信息处理时会出现结果不准确等问题，也难以实现便携或手持式。将这种判读方法和目前先进的图像信号处理技术相结合，开发一种小型的，能够实时采集图像数据的智能系统，实现POCT的功能，具有重要的意义。目前文献报导的实时图像采集系统一般只作为和PC连接的一个模块，采用CPLD+DSP的结构来实现功能，难以应用于POCT中。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于带有数字处理模块的嵌入式实时图像采集系统，所述的系统采用了一种带有乘法器的Cyclone系列FPGA芯片替代CPLD+DSP结构，构建一种实时采集，能够进行简单图像处理的嵌入式系统，在实现同等质量图像和处理速率的同时，显著降低系统成本和器件功耗，可用于便携或手持式POCT仪器中。

本发明是通过系统总体设计、硬件设计、软件设计、部件选购、组装调试等关键步骤实现的。

具体地说，本发明中所阐述的系统主要由图像采集、图像处理和结果显示三个主要模块构成。由FPGA芯片进行逻辑控制，控制采集模块采集图像；由FPGA内的可编程乘法器进行图像处理，再将所生成的图像或者处理结果显示在显示模块(小型的TFT-LCD显示屏)上，最后将整个系统集成在一块PCB板上，集成封装后形成便携式分析仪。

本发明阐述的系统工作原理：系统上电工作时，首先由FPGA芯片启动对图像数据的采集，直接发送控制信号至图像采集模块，光信号通过镜头后激发CMOS传感器产生电信号，并且在采集模块内自动白平衡，经过模块内的A/D转换器输出图像初始信号。为了实现SRAM中数据地址的同步，则先将图像数据送到FPGA芯片中进行缓冲，然后再送到SRAM中由FPGA芯片中的处理模块读取。实时显示时，FPGA芯片接收数据采集模块的YUV格式视频数据，在芯片内部乘法器中将其转换成RGB格式数据；在进行简单图像处理时，FPGA芯片中的处理模块通过查询和中断模式，来监听FPGA芯片中的中断信号，再收到一个中断信号之后，FPGA中的处理模块将采集的数据和初始的数据进行比较，然后再根据比较的结果通知FPGA芯片内的控制模块是否继续进行数据采集，若提示数据采集完成，则FPGA的处理模块等待一段时间读取SRAM中的数据，在内部进行现有数据的处理，并且将结果储存在存储器(Flash)中，以便以后数据可以通过PC来读出，或者通过USB接口与PC通讯。

本发明优点是为POCT提供一种功耗低，成本低，可实现生物信号图像采集和处理的嵌入式系统，为POCT提供一种新的硬件平台。所选的系统能在TFT液晶显示屏上实时显示130万像素，15fps的视频图像，可用于POCT(Point-of-care Test)中生化分析结果中图像信号的实时采集和处理，为POCT仪器提供一种新的硬件平台。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图。

图2为本发明的软件设计流程

图3为本发明的样机示意图。

图4为本发明的点阵图成像。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的一种具体实例。

1.图像采集模块的选择和设置

本发明中图像采集模块选择OmniVision公司推出的高性能OV9620芯片，它具有130万像素CMOS彩色图像传感器，集成了1280×1024(SXGA)图像阵列和一个10位模/数转换器，用于处理静止图像和视频信号。全分辨率130万像素(SXGA)拍摄时，可达15FPS的速率。分辨率30万像素(VGA)拍摄时，则可达30FPS的速率。OV9620芯片给出了多种工作模式以及直接提供了与SRAM的接口，在本发明中只使用其中的Slave模式，并且只利用其中的一部分使能端，SIO_D为slave模式下接口数据的输入和输出，SIO_C为slave模式下外部时钟的输入，输出的D[9:0]为10位A/D转换芯片的输出图像数据，HSYNC和VSYNC分别为水平同步输出和垂直同步输出。利用外部时钟来使得整个系统同步，芯片内部时钟被屏蔽，其余没有用到的使能端在硬件设计时设置为处在不工作的状态。而输出的数据经过FPGA芯片再到达SRAM，FPGA芯片在其中也起到了一个缓冲器的作用。

2.图像处理模块/逻辑控制模块的选择和设置

本发明利用FPGA芯片实现准确的逻辑控制，同时利用芯片内乘法器的基础上实现数字信号处理功能。本发明选择Altera的第四代开发工具Quartus系统，通过图形编辑器创建图形设计文件；通过文本编辑器，用于创建文本设计文件；创建波形设计文件。可以执行编译，逻辑综合，仿真，定时分析以及器件编程，也支持NoiiS软核的编译和仿真。FPGA芯片有着如此完善的开发平台支持，开发的硬件结构紧凑，性能可靠，保密性好并且容易修改，这也代表了硬件开发的趋势。

3.图像显示模块的选择和设置

本发明采用了topply公司的TD036theal(3.6英寸，72.96mm×54.72mm)显示屏，它具有8位的色深，320×240个成像点，完全满足医学检验中的颜色要求。

4.电源与接口设计

本发明所阐述的嵌入式系统采用外部稳压器供7.5V直流电，再经过LM7805得到稳定的5V电压，然后再经LM1117-3.3V和LM1117-1.2V电源芯片得到非常稳定的FPGA芯片工作电压。

本系统采用一种USB-JTAG接口设计包括USB接口和JTAG接口，前者主要进行USB和并行I/O口之间的数据格式转换，后者进行并行I/O口和JTAG接口之间的数据转换。该电路采用FTD(Future Technology Devices)公司生产的FT245BM型号的USB控制芯片，MAX3000系列CPLD---EPM3128，这个小系统使用独立的3V直流电源和24MHz晶振。

5.软件设计

该系统的整个软件方案在Quartus5.1下，采用Verilog语言编写和调试程序，最后通过JTAG接口将程序下载到FPGA器件中。软件的程序结构如图3所示，成像主程序由第二层的子模块组成，第三层为软件系统的底层，定义了软件中使用的数据结构以及指令集。

6.测试结果

由该系统采集的生物点阵图像清晰，可用于POCT中的实时成像与检验，其设计充分利用了Cyclone II芯片的高速并行处理能力，逻辑控制能力和低成本优势，也为进一步的图像自动识别与跟踪构建了一个小型化的硬件平台，其在医学检验具有很好的用途。

Claims (8)

1.一种基于带有数字处理模块的嵌入式实时图像采集处理系统，所述的采集系统采用了带有乘法器的Cyclone II系列的FPGA芯片，含有图像采集、图像处理和结果显示三个模块，其特征在于整个系统集成在一块PCB板上，集成封装成便携式分析系统；系统上电工作时，首先由FPGA芯片启动对图像数据的采集，直接发送控制信号至图像采集模块，光信号通过镜头后激发CMOS传感器产生电信号，并且在采集模块内自动白平衡，由A/D转换器输出图像初始信号，将图像数据送到FPGA芯片中缓冲，再送到SRAM中由FPGA芯片的处理模块读取，实时显示时，FPGA芯片接收图像采集模块的YUV格式视频图像数据，由芯片内部的乘法器将其转换成RGB格式；在进行简单图像处理时，FPGA芯片中的处理模块通过查询和中断模式监听FPGA芯片中的中断信号，在收到一个中断信号之后，FPGA中的处理模块将采集的数据和初始的数据进行比较，然后再根据比较的结果通知FPGA芯片中的控制模块是否继续进行数据采集，若提示数据采集完成，则FPGA的处理模块等待一段时间读取SRAM中的数据，在内部进行现有数据的处理，并且将结果储存在存储器中，所存数据作为PC进行读取之用。

2.按权利要求1所述的基于带有数字处理模块的嵌入式实时图像采集处理系统，其特征在于所述图像采集模块具有130万像素CMOS彩色图像传感器，集成有1280×1024图像阵列和一个10位模/数转换器。

3.按权利要求1所述的基于带有数字处理模块的嵌入式实时图像采集处理系统，其特征在于所述的图像采集模块为OmniVision公司的OV9620芯片。

4.按权利要求1所述的基于带有数字处理模块的嵌入式实时图像采集处理系统，其特征在于所述的图像处理是由FPGA芯片内的乘法器实现数字信号处理功能，并藉助Quartus开发系统作为工具，通过图形编辑器创建图形设计文件；通过文本编辑器创建文本设计文件和创建波形文件，执行编译，逻辑综合，仿真，定时分析以及器件编程，实现FPGA芯片的准确逻辑控制。

5.按权利要求1所述的基于带有数字处理模块的嵌入式实时图像采集处理系统，其特征在于结果显示模块具有8位的色深，320×240个成像点。

6.按权利要求1所述的基于带有数字处理模块的嵌入式实时图像采集处理系统，其特征在于所述系统为嵌入式系统，所述的系统采用外部稳压器提供7.5V的直流电源；再经稳压得到稳定的5V电压，然后再经电源芯片LM1117-3.3V，LM1117-1.2V得到稳定的3.3V和1.2V电压，为FPGA芯片提供工作电压。

7.按权利要求1所述的基于带有数字处理模块的嵌入式实时图像采集处理系统，其特征在于具有USB接口和JTAG接口，其中USB接口用于实现USB和并行I/O之间的数据格式转换，JTAG接口用于实现并行I/O口和JTAG接口之间的数据格式转换。

8.按权利要求7所述的基于带有数字处理模块的嵌入式实时图像采集处理系统，其特征在于所述的JTAG接口用于将采用Verilog HDL语言编写的程序下载到FPGA器件中。

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