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一种嵌入式三算子数字乳腺检查仪的系统设计

来源:《中华现代影像学杂志》 作者:刘昊,李凯扬 2008-5-30

摘要: 【摘要】 嵌入式三算子数字乳腺检查仪是一款基于嵌入式图像采集卡和ARM9处理器的便携式乳腺检查仪,设备主要由采集模块、传输模块和处理模块三部分组成,本文主要阐述了嵌入式数字乳腺检查仪的系统构架。 【关键词】 嵌入式系统。AT89C52 乳腺癌是妇女常见的恶性肿瘤之一,发病率不断增高,严重威胁广大妇......


【摘要】  嵌入式三算子数字乳腺检查仪是一款基于嵌入式图像采集卡和ARM9处理器的便携式乳腺检查仪,设备主要由采集模块、传输模块和处理模块三部分组成,本文主要阐述了嵌入式数字乳腺检查仪的系统构架。

【关键词】  嵌入式系统;V302;Advanced RISC Machines;FT245 BM;AT89C52


    Design of tri-operators digital breast imaging system based on embedded system

    LIU Hao,LI Kai-yang.College of Physical Science and Technology,Wuhan University,Wuhan 430072,China

    [Abstract]  Embedded tri-operators digital breast imaging system is one portable breast imaging system which is based on embedded imaging acquisition system and ARM9 processor.It is structured by three parts including imaging acquisition module,transmission module and processing module.The article discusses the system architecture of this device.

    [Key words]  embedded system;V302;Advanced RISC Machines;FT245BM;AT89C52

    乳腺癌是妇女常见的恶性肿瘤之一,发病率不断增高,严重威胁广大妇女的身心健康。根据30年来国内外治疗经验总结,乳腺癌患者的死亡率并未因治疗方法的任何改变而有所降低,其主要原因是临床患者多数为中晚期,均因血行转移而使治疗失败。乳腺癌的早期发现,能够使乳腺癌患者得到早期治疗,是提高乳腺癌患者生存率的重要而有效的途径。常规普查是早期发现乳腺癌的关键,由于三算子数字乳腺检查仪无辐射、操作简便、价格低廉并具有独特的三种特征信息处理算法因而准确率高,是我国用于乳腺普查的首选设备之一[1]。笔者在台式三算子数字乳腺检查仪的基础上,应用ARM9处理器的嵌入式平台,设计了一种嵌入式三算子数字乳腺检查仪。

    嵌入式系统具有便利灵活、性能价格比高、嵌入性强等特点,而ARM9处理器,体积小、功耗低、低成本、高性能;大量使用寄存器,指令执行速度更快;大多数数据操作都在寄存器中完成;寻址方式灵活简单,执行效率高;并且扩展了更丰富的接口模块,使图像的传输和处理速度更加快捷。基于这些优势,设备采用了三星公司的基于ARM9构架的S3C2410处理器作为设备的CPU。

    1  嵌入式三算子数字乳腺检查仪的整体结构

    整个硬件系统是由以下部分组成(图1):高感光度的CCD摄像头用来采集近红外模拟图像信号;V302嵌入式图像采集卡[2]把模拟图像转换为数字图像;FT245BM芯片[3]是一款高速的并口转USB(universal serial bus)芯片,负责把数字图像由USB接口传入到嵌入式平台中;AT89C52单片机对V302和FT245BM芯片分别进行控制,而不负责视频流的传输,这样视频流直接在V302和FT245BM之间同步传输,加快了图像的传输速度;ARM9构架的嵌入式平台对整个图像进行处理和保存,LCD用来显示处理后的图像。

     1.1  图像采集  整个图像采集过程是由武汉万德数码技术有限公司生产的一款嵌入式图像采集卡V302实现的,V302适用于各种嵌入式图像采集处理系统。高感光医用CCD摄像头采集到的近红外模拟视频信号经过V302嵌入式图像采集卡转换为640×480×8位黑白图像格式的视频信号。V302嵌入式图像采集卡由于内嵌的图像解码和采集模块,使整个图像采集的控制也十分方便,仅由4个寄存器进行视频采集的控制和传输,视频流是由3M的FIFO(first in first out)储存并由8位并行接口同步输出的,而且图像的传输速度高达25帧/s(图2)。其中D7到D0为8位的图像数据输出总线,A1、A0是采集卡内部寄存器的地址总线,CE2、CE1、CE0是V302的片选信号,WR、RD为V302寄存器的读写信号,INT为图像开始采集的中断信号。V302的整个工作过程是由单片机AT89C52来控制的,在给采集卡上电的同时,由单片机提供初始化信号,在选定图像的传输模式后,单片机通过中断控制图像的输出,这样视频流就由8位并行总线源源不断的送出。

      1.2  图像传输  为了实现图像的连续传输,转换的数字图像必须由一个高速的传输接口,把图像传入到嵌入式系统中去,因此设备采用FT245BM并行转USB芯片。FT245BM是由FTDI(Future Technology Devices Intl.Ltd.)公司推出的,其主要功能是进行USB和并行I/O接口之间的协议转换。芯片一方面可从主机接收USB数据,并将其转换为并行I/O接口的数据流格式发送给外设;另外一方面外设也可通过并行I/O口将数据转化为USB数据格式并传回主机。而中间的数据格式的转换过程完全由芯片自己完成,无须考虑到硬件的设计,见图3。整个系统的传输通过FIFO控制器的D0~D7接口采集由外设输入的8位并行数据,通过USB收发器的USBDP和USBDM接口向主机发送数据。WR为FIFO发送缓冲区写允许信号,当WR置高电平的时候,允许数据写入FIFO发送缓冲区。TXE#为发送缓冲区的状态标志位,若TXE#信号为低,表示FIFO发送缓冲区没有写满,允许数据的写入,若TXE#信号为高,表示发送缓冲区已满,写入的数据无效,系统是由单片机AT89C52来控制并行数据的写入。USB发收器提供USB 1.1/2.0的全速物理接口到USB总线,支持UHCI/OHCI主控制器,负责向主机传输数据[4]。而在主机上,必须安装一个由FTDI公司提供的FT245BM在Wince操作系统下的驱动程序,由于本系统是基于ARM9构架的嵌入式系统,所以支持基于Wince嵌入式操作系统的驱动程序,在此驱动的基础上开发的应用程序完成数据向主机的传输和保存。

     1.3  图像的处理  图像的处理是在主机中进行的,包括图像的存储、处理、显示等环节。由于该产品为便携式产品,所以主机在体积上不能过大,而且功能必须达到上述提到的要求,这就要求主机的处理器要有较强的处理能力,并且外围芯片和接口电路不能过于复杂。在此基础上选用了基于由Samsung半导体公司为手持设备等相关应用设计的低功耗、高集成度的微处理器即S3C2410微处理器的嵌入式系统,S3C2410包含一个ARM920T内核和其他一些功能模块接口,如外部存储器控制器、LCD控制器、全速USB主设备、SD卡和MMC卡协议等。这样由这些功能模块接口扩展的外围接口设备模块能够完全满足图像处理的要求:8 in的TFT触摸屏完成图像的显示功能,而且触摸屏可以省掉鼠标键盘等输入设备,减小了设备的体积;目前市面上流行的SD卡能够完全满足图像信息的储存和转移;并且基于ARM9的嵌入式多任务操作系统Wince的应用程序能够实现数字图像的三算子处理、存储和显示的功能。如图4所示,采集到的数字图像信号由FT245BM芯片的USBPD和USBPM接口通过主机的USB传输模块传入到嵌入式系统中,全速的USB设备中最高传输速度达到了12 MBit/s,而嵌入式操作系统Wince下的图像处理程序对数字图像进行三算子处理,由LCD模块显示处理后的图像。通过存储模块保存患者的图像和相关信息,便于分析比较。网络模块能够使图像通过网络传输而实现远程医疗检测的功能,使三算子数字乳腺检查仪提供更加方便的检测环境。

     2  结论

    系统单片机的控制程序是在Keil uVision 3的环境下开发的,嵌入式主机操作系统是在Microsoft公司提供的Wince4.2试用版操作系统下搭建的。整个设备的体积还不到笔记本电脑的一半,真正体现了携带方便的特点;使用嵌入式图像采集卡,省去了图像采集部分的系统设计,减少了开发的周期;独立的图像采集传送模块便于连接其他各种嵌入式设备,方便了设备的转移;而且设备操作简单,用户只需要点击相应的按钮来实现图像的采集、处理、显示和保存等功能,为医疗设备的民用化提供了一种新方法。

【参考文献】
  1 Xiang Yan,Li Kaiyang,Yang Xuandong,et al.The application of the edge sharpening operator to the breast near-infrared imaging.Wuhan University Journal of Natural Sciences,2002,7(4):421-425.

2 武汉万德数码技术有限公司.V302 Data Sheet[DB/OL].http://www.wondur.com,2002,10.

3 Future Technology Devices Intl Ltd.FT245BM Data Sheet[DB/OL].http://www.ftdichip.com,2002,08.

4 林水明,章坚武,骆壹恣.基于FT245BM的简易USB接口开发.单片机与嵌入式系统应用,2003,6:38-40.


作者单位:430072 湖北武汉,武汉大学物理科学与技术学院


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