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2015-07-03
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摘 要：介紹了一種數(shù)字式無線內(nèi)窺鏡的系統(tǒng)方案及其膠囊內(nèi)關(guān)鍵數(shù)�；旌蠈Ｓ眯酒慕Y(jié)構(gòu)與功能，提出并實現(xiàn)了用于該數(shù)�；旌蠈Ｓ眯酒腇PGA驗證系統(tǒng)及驗證流程。為了進行芯片系統(tǒng)級低功耗設(shè)計，驗證系統(tǒng)完成了體內(nèi)硬件部分的能量測試。
關(guān)鍵詞：無線內(nèi)窺鏡；數(shù)模混合專用芯片；FPGA驗證系統(tǒng)；能量測試
中圖分類號：TN407文獻標識碼：A文章編號：1003-353X(2005)09-0046-04
1 引言
醫(yī)用內(nèi)窺鏡是用來檢查消化道疾病的一種醫(yī)療器械。傳統(tǒng)醫(yī)用內(nèi)窺鏡使用光纖或電纜插入人體體腔內(nèi)拍攝病征圖像以供醫(yī)生診斷。這樣給病人帶來很大的不適，對消化道的診斷存在著盲區(qū)，并有可能產(chǎn)生消化道傷損等并發(fā)癥。無線內(nèi)窺鏡的出現(xiàn)[1]則克服了以上的缺點，給消化道疾病的診斷帶來了便利。病人在吞服了膠囊狀的無線內(nèi)窺鏡后，內(nèi)窺鏡采集體內(nèi)消化道的圖像，并把圖像數(shù)據(jù)以無線的方式發(fā)送至體外，醫(yī)生從圖像中排查病征。
本文的數(shù)字式無線雙向內(nèi)窺鏡系統(tǒng)[2,3]主要由體內(nèi)內(nèi)窺鏡膠囊和體外無線數(shù)據(jù)收發(fā)器兩大部分組成，如圖1所示。體外的無線數(shù)據(jù)收發(fā)器通過USB口與PC相連，操作人員通過PC發(fā)出控制命令，控制命令以無線的方式傳至體內(nèi)，體內(nèi)內(nèi)窺鏡膠囊接收到控制命令后開始采集圖像或其他相應(yīng)的操作。采集到的圖像數(shù)據(jù)由體內(nèi)數(shù)�；旌霞呻娐诽幚砗蟀l(fā)送至體外的PC保存并顯示。
2 數(shù)�；旌蠈Ｓ眯酒慕Y(jié)構(gòu)及功能
在無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中，體內(nèi)內(nèi)窺鏡膠囊部分由數(shù)�；旌蠈Ｓ眯酒D像傳感器、LED、電池和微小天線組成。數(shù)模混合專用芯片的電路結(jié)構(gòu)[4]如圖2虛框內(nèi)所示。其中數(shù)字基帶部分完成圖像采集處理功能和無線通信的控制功能；模擬部分完成射頻收發(fā)的功能。
在系統(tǒng)工作時，專用芯片控制CMOS圖像傳感器與LED閃光燈采集圖像，并將采集到的圖像數(shù)據(jù)緩存在SRAM中；然后由無損圖像壓縮模塊進行圖像壓縮，壓縮后的數(shù)據(jù)經(jīng)并串轉(zhuǎn)換后進入信道編碼模塊進行分組編碼后生成碼流；最后由無線收發(fā)器以ASK的調(diào)制方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至體外。
體內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，無線收發(fā)器將接收體外的控制命令數(shù)據(jù)�？刂泼顢�(shù)據(jù)經(jīng)信道解碼和串并轉(zhuǎn)換合成控制命令傳給控制單元。控制單元再根據(jù)所接收到的控制命令對系統(tǒng)進行相應(yīng)的操作。
當系統(tǒng)接收到體外的休眠命令或是在一定時間內(nèi)無法接收到體外的控制命令時，能量管理模塊將發(fā)出控制信號，通過控制單元使系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，關(guān)閉不需要工作模塊的時鐘信號以節(jié)省功耗。
低功耗的數(shù)�；旌蠈Ｓ眯酒脑O(shè)計是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵。芯片數(shù)字部分的各項功能驗證需要軟硬件協(xié)同配合，同時也要考慮在無線通訊的一些隨機參數(shù)對系統(tǒng)的影響。在芯片系統(tǒng)級低功耗設(shè)計時，還需要芯片的工作參數(shù)（如工作電流）作為設(shè)計參考。基于以上的考慮，建立一個與最終實用系統(tǒng)相類似的測試驗證環(huán)境是最理想和最可靠的方法，因此我們?yōu)閷Ｓ眯酒O(shè)計了由軟硬件組成的完整的FPGA驗證平臺。該平臺不僅可以完成芯片設(shè)計不同階段的驗證工作，也可以完成系統(tǒng)級低功耗設(shè)計所需的能量測試，而且只要經(jīng)過簡單修改就可完成芯片的測試工作。
3 驗證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
無線內(nèi)窺鏡測試系統(tǒng)，由軟件部分、體外硬件部分和體內(nèi)硬件部分組成，見圖3。其中軟件部分是用VC編寫的PC上的應(yīng)用程序。它可以完成發(fā)送控制命令和接收顯示圖像的兩部分功能。發(fā)送的控制命令可以完成對測試系統(tǒng)硬件部分的控制，同時可以從USB口接收圖像數(shù)據(jù)并進行解壓縮及插值處理，然后轉(zhuǎn)換為bmp格式的圖像顯示并保存。
硬件系統(tǒng)由體外和體內(nèi)兩部分組成，見圖4。體外的硬件系統(tǒng)由四個部分組成：Xilinx公司的xc2v1000FPGA，89C51MCU，Cypress公司的SL811HSUSB1.1控制器和XEMICS公司的XE1201射頻收發(fā)器（或?qū)Ｓ蒙漕l收發(fā)器）。其中FPGA負責射頻收發(fā)器的數(shù)據(jù)傳輸控制和信道編解碼，MCU負責控制USB控制器與PC的通信。
體內(nèi)膠囊的硬件驗證系統(tǒng)使用了Omvision公司的CMOS圖像傳感器OV7648，Xilinx公司的xc2v1000FPGA，XEMICS公司的XE1201射頻收發(fā)器（或?qū)Ｓ蒙漕l收發(fā)器）。
4 芯片驗證流程
驗證系統(tǒng)考慮了在不同設(shè)計階段的驗證要求，允許系統(tǒng)以不同的配置工作，以覆蓋對設(shè)計流程中數(shù)字和模擬部分所有功能的驗證。根據(jù)無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的設(shè)計流程可將其驗證工作分為兩步。
4.1 數(shù)字基帶的驗證
數(shù)字基帶主要有兩大功能，圖像處理功能和無線通訊控制功能。驗證系統(tǒng)以兩種不同的配置來實現(xiàn)對兩種功能的驗證。 圖像處理功能包括了硬件和軟件的圖像處理。在驗證時，測試系統(tǒng)拋開了射頻收發(fā)器，用硬連線直接連接體內(nèi)體外兩塊FPGA進行基帶通信調(diào)試，如圖3中①所示。這樣避免了未驗證的無線通信功能中的不確定因素可能對圖像數(shù)據(jù)造成的影響。
在驗證無線通訊控制功能時，系統(tǒng)使用了商用的射頻收發(fā)器XE1201，如圖3中②所示。由于XE1201與我們設(shè)計的專用射頻收發(fā)器具有類似的控制接口，因此適用于XE1201的無線收發(fā)器也可以適用于專用的射頻收發(fā)器。
4.2 射頻收發(fā)器的無線通信測試
專用芯片所將要集成的射頻收發(fā)機在2.4G的頻帶上使用ASK的調(diào)制方式，傳輸數(shù)據(jù)率可達1Mbps。在驗證時，專用射頻收發(fā)器尚未流片，故使用商用的射頻收發(fā)器進行測試。由于所選的商用射頻收發(fā)器的控制接口與專用射頻收發(fā)器相類似，故驗證的結(jié)果可以適用于專用射頻收發(fā)器。
在通過商用射頻收發(fā)器通信的測試以后，F(xiàn)PGA內(nèi)各數(shù)字模塊的功能得到了完整的驗證，確保了數(shù)字基帶的正確性。這樣，在確保數(shù)字基帶功能正確的前提下測試專用射頻收發(fā)器，可以保證測試結(jié)果的準確性。
5 基于驗證系統(tǒng)的能量測試
數(shù)�；旌蠈Ｓ眯酒罱K將以電池供電的方式進行工作，因此芯片的功耗直接決定了系統(tǒng)的壽命。為了降低芯片的功耗，芯片在系統(tǒng)級設(shè)計上完成了基于電池特性優(yōu)化的模塊間協(xié)調(diào)工作方式。在電池動力系統(tǒng)中，平穩(wěn)的低放電電流有助于增加電池的可用時間，而間隔性的高放電電流會使電池容量下降[5]。因此，如果我們能協(xié)調(diào)各模塊的工作方式，避免多個模塊同時工作，就有可能避免短時的高放電電流，使整個系統(tǒng)的工作電流趨于平穩(wěn)，從而提高電池的壽命，延長系統(tǒng)的工作時間。
為了測量芯片各狀態(tài)的瞬時工作電流，我們設(shè)計了如圖5的測量方案。方案在體內(nèi)硬件系統(tǒng)的電源和地之間插入3.3Ω的取樣電阻，取樣電阻將系統(tǒng)的工作電流轉(zhuǎn)換為電壓值送入Agilent54622D示波器。一旦系統(tǒng)輸出有效的觸發(fā)信號，示波器便開始采集電壓波形，并通過串口將電壓值送入PC進行記錄和顯示。在芯片流片之前，測量方案完成了基于FPGA的能量測量。雖然對FPGA的測量無法反映實際芯片的工作電流的量級，但卻可以等比例地反映系統(tǒng)工作電流的情況，這對于系統(tǒng)級低功耗設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。
圖6中顯示了系統(tǒng)對無線收發(fā)器和圖像傳感器進行能量優(yōu)化后的部分電壓波形。可以看到，通過調(diào)整各模塊的工作時間，優(yōu)化后的電壓波形變化的幅度相對于優(yōu)化前趨于平坦。對無線收發(fā)器的優(yōu)化使得相關(guān)的電壓跳變減小了約73％，對圖像傳感器的優(yōu)化使相關(guān)的電壓跳變基本消失。
但是由于系統(tǒng)功能時序的要求，各模塊的工作時間并不能任意地變化，只能在一定的范圍內(nèi)調(diào)整。因此，這種方法只能在一定限度內(nèi)使工作電流平穩(wěn)，一些短時的電流尖峰仍不可避免，如圖中閃光燈曝光時產(chǎn)生的電流尖峰。
6 結(jié)語
本文介紹了一種數(shù)字式無線內(nèi)窺鏡的系統(tǒng)方案，設(shè)計并實現(xiàn)了一種軟硬件結(jié)合的FPGA驗證系統(tǒng)。基于該驗證系統(tǒng)完成了體內(nèi)硬件部分的能量測試，為芯片的系統(tǒng)級低功耗設(shè)計提供了參數(shù)。
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