基于ARM7的无线内窥系统设计

    引 言

　　目前微米、纳米技术的研究非常活跃，使得微小技术、微型机械电子系统(MEMS)技术得到迅速发展，从而大大促进，医用器材的微型化、微观化，出现了医用光电微传感器(如无线内窥镜)。无线内窥镜以微机电系统为基础，由感知外界信息(力、热、光、生、磁、化等)的微型传感器、控制对象的执行器、信号处理和控制电路、通信接口和电源等部件组成，将信息的获取、处理和执行集成在一起，形成一体化的、具有多种功能的微型系统。

　　当前，医用无线内窥镜已有产品问世。以色列GI公司早在2001年5月即推出其M2A无线内窥镜产品，并获得美国FDA认证。GI公司生产的胶囊型内窥镜长为26 mm，直径为11mm，重3．5g；采用微功耗CMOS图像传感器，可观察视角为14O°，可看清0.lmm左右的物体，采集速度为2帧／s。日本RF公司也于2001年底研制出NORIKA3胶囊型内窥镜系统。该产品采用超小型CCD摄像头，含有8个镜头，可观察视角为360°，图像帧率可达30帧/s。“NORIKA3”利用位于药丸内的转子线圈与产生磁场的体外定子线圈形成马达结构来实现药丸系统姿态控制。RF公司在其网站上发布了产品的设计模型。此外，Gong和Park等人电独立发表论文，描述了各自关于无线内窥镜的设计。

　　目前国内尚无独立制造该产品的能力，而国外的产品价格昂贵，因此，研发具有自主知识产权的无线内窥镜产品具有重要意义。本文介绍无线内窥系统的系统结构，图像压缩标准JPEG-LS在ARM7平台上的实现，以及实现过程中所采用的调试方法、优化方法。

　　1 系统组成与工作原理

　　1.1 内窥系统组成结构

　　如图1所示，无线内窥镜系统主要由主机和从机(无线内窥镜)组成。从机由摄像头采集原始图像，经过压缩处理，通过无线方式把压缩后的图像数据传输给主机；主机通过USB连接蓝牙适配器接收压缩图像，并转发给PC上的管理软件，管理软件将图像解压缩并显示出来。

　　(2)软件优化

　　软件优化的作用在本系统的调试过程中效果明显；本系统的第一个版本，图像采集速率仅为3 s／帧；通过软件优化后，达到了最终的O．3 s／帧。其优化如下：

　　①循环外移，避免在循环中重复运算；

　　②频繁使用的变量申明为寄存器变量；

　　③把所有的JPEG-LS编码函数代码拷贝到RAM中执行。

　　默认情况下，所有的代码都存放在Flash中。ARM运行时，从Flash中读取指令并且执行。众所周知，Flash的访问速度相对RAM而言，相差一个数量级，因此，如果把关键代码放在RAM中，执行速率将会大大提高。而AT9lR40008内部自带512 KB的RAM，足够本系统使用，因此，这个方法可行。

　　解决的方法有两个，一是写一个启动程序，在启动时，把系统所有的代码都拷贝到RAM中，这样系统速度会提高。然而，该方法实现起来较麻烦，且如果程序扩展，可能会超过RAM的512 KB限制。因此，本系统采用另外一个简单方法。采用IAR Embedded Workbench开发环境，通过阅读其编译器手册发现，在函数之前添加一个__ramfunc伪指令，那么链接器在生成启动代码时，会将该函数拷贝到RAM中，从而提高运行效率。其使用例子如下：

　　__ramfunc void encode_oneline(vcrid)

　　通过使用该方法，系统的运行效率提高了约lO倍。

　　结语

　　本系统以ARM为核心，实现了JPEG-LS无损图像压缩算法，并日结合CPLD实现了CMOS摄像头的时序控制。通过蓝牙传输，实现了数字化的无线内窥系统。

　　本系统具有良好的扩充性，可以使得系统更加微型化。首先，如果采用CSR公司更新的BC3系列芯片，则将融合ARM核以及蓝牙功能，可以更加减小内窥镜的体积。最重要的是，如果发展自主产权的内窥镜芯片，那么以现有的SOPC技术，可以将ARM核、CPLD逻辑门以及蓝牙通信功能集成在一起，形成无线内窥镜的集成解决方案，从而使其产业化成为可能。

　　本系统在实现过程中，完成了一系列的调试工具，积累了调试以及优化经验。我国现有的医疗设备开发技术相对比较落后，在此分享，希望对同类型的产品设计以及芯片生产能有一些参考价值。