CMOS图像通道在超声诊断仪中的应用

1 引言

随着医疗诊断仪器小型化、便携化的进程，高性能32位微处理器正在越来越多地应用于各类小型医疗影像设备中，但是如何利用这些微处理器传送和处理实时图像，却是一个丞待解决的问题。从ARM 7系列开始，ARM处理器就集成了CMOS(Complementary Metal Oxide SemiConductor)图像传感器接口，这为解决上述问题提供了可能。处理器可以通过CMOS图像传感器接口适应不同的CMOS图像传感器。通过CMOS接口，图像数据将被送入到系统的CMOS图像通道中。CMOS图像通道为CMOS图像传感器接口与系统AHB(Advanced High performanceBus)总线之间的连接通路，由CSI (CMOS Sensor Interface)和PRP(Pre-processor)组成。该通道专门用于高速图像传输，提供了多种图像格式输入和传输方式，并能在通道内进行颜色空间变换、窗体调整等多种操作，是诊断图像以及其他图像应用传输的理想通道。

本文讨论了一种基于32位微处理器ARM9E和嵌入式Linux的便携式超声诊断仪的解决方案。系统以CMOS图像通道为诊断网像的传输通道，将采集的超声图像信息送人系统总线，在嵌入式Ijnux操作系统平台上，实现了诊断图像的实时显示和静态图像的大容量非易失性存储，所实现的诊断系统不仅功能强大、扩展容易，而且还兼顾了小型化的需求。

2 系统构架

本文设计的便携式超声诊断仪系统结构如图l所示。用户通过输入设备向系统输入控制命令，完成超声图像的采集、显示、保存等相关处理。当执行扫描命令时，系统通过串口向以FPGA为核心的超声图像采集模块发送图像采集命令，控制超声探头扫描驱动电路和信号发射接收电路同步动作。接收的超声信号在超声图像采集模块中经放大、模数转换后送人FPGA，完成数字扫描变换(DCS)和插值运算后，得到二维的B超图像信息。将该图像信息进行格式转换后通过ARM芯片CMOS接13送人控制系统，经图像通道传输后，完成在LCD(Liquid Crystal Display)上的实时显示，同时可拔插的大容量SD(Secure Digital Memory Card)卡可对所需的图像进行保存。保存的图像信息可以进行离线处理，比如打印、电影回放、远程浏览等。


图1 超声诊断仪系统结构框图


图2 控制系统的硬件框图

3 系统硬件设计

3．1硬件框图

本设计选用以ARM926EJ-S为内核的Freescale i.MX21作为处理器，控制系统的硬件框俐如图2所示，系统是以ARM处理器为核心，外加兼容的硬件外设。超声采集模块完成图像的采集和传入，LCD把传人的图像信息实时的显示出来，通过SD卡把大量的图像数据保存起来以便后期处理。通过外加USB HUB。可将鼠标、键盘、打印机接入系统。本地储存的诊断图像数据可以通过快速以太网控制处理器DM9000送入网口，通过以太网实现远程浏览。

3.2 CMOS图像通道

本控制系统CMOS图像通道框图如图3所示，超声图像数据的传入利用i．MX21芯片的CMOS图像传感器接口来实现。该接口支持的图像数据类型包括RGB565、RGB888、YUV422、YUV444等。不同类型的图像数据在CMOS口经过CSI 8位采样后，封装成32位图像数据送人CSI RxFIFO。CSI RxFIFO中的图像数据根据类型的不同，送显和存储的硬件和软件实现方法也是不同的。


图3控制系统CMOS图像通道框图

(1)若类型为RGB565，且图像窗体不需要调整(显示设备单一)。图像数据可以通过DMA通道直接传送到显示缓冲区，如图3中通道①；

(2)若类型为RGB565，且图像窗体需要调整(显示设备多样化)，图像数据则需要经过前处理器(PRPl，在PRP中调整图像大小送入显示缓冲区，如图3中通道②；

(3)若类型为YUV422，图像数据则需要经过PRP，在PRP中调整图像大小并转换成合适的颜色空间后送人显示缓冲区，如图3中通道②；

(4)若类型为YUV444、RGB888，图像数据则需通过软件编程实现图像数据的颜色处理和转换后送入PRP调整窗体，最后送入显示缓冲区，如图3中通道③。

本设计为使LCD接口输出的图像兼容QVGA、VGA、SVGA、XGA等尺寸的显示屏，且兼顾图像传输的速率、图像显示的质量，我们使用RGB565格式，选用罔3中通道②。因此需将超声图像采集模块所采集的图像信息构造为RGB565格式，故CMOS接口输入的罔像信息时序图如图4所示。

图中Vsync是场I司步信号，Hsync是水平同步信号，Pixelk是象素数据输入同步信号，D [7：0]为象素数据信号。Vsync和Hsync为低电平时即可开始有效图像数据的输入，Pixelk上升沿的到来则表明进行数据输入，Pixelk的一个周期将完成一个图像数据字节的输入。在传输一帧图像过程中，即Vsync的一个周期内，Hsync会出现H次(H为行数)高电平。在Hsync的一个周期内，Pixelk将出现W*Pixelbytes次(W为列数，Pixelbytes为每象素占用字节数)高电平。而下一个Vsync信号上升沿的到来则表明一帧分辨率为W*H的图像输入过程的结束。

CSI RxFIFO中的图像数据送入PRP进行窗体调整后，通过AHB(Advanced High performance Bus)进入内存，PRP窗体的调整通过设置PRP控制寄存器实现。

3．3图像显示及保存

FrameBuffer是Linux为显示设备提供的一个接口，它是显存抽象后的一种设备．对该设备进行读／写则可直接对显存进行操作。通过驱动程序可为FrameBuffer在文件系统中创建一个设备文件fb0，用户要完成对FrameBuffer的图像输入，只需完成对fb0图像的写入操作。当LCDC(LCD Controller)中的Pixel FIFO为空或者部分为空时，LCDC要求从基于突发传输模式的FrameBuffer中取要显示的图像数据。当LCDC的传输请求被存储控制器中过的总线仲裁器接收并确认后，FrameBuffer中的图像数据将通过专用的DMA通道送入Pixel FIFO，然后经过字节翻转、背景前景图像合成后通过LCDC逻辑接口直接送入LCD显示屏接口。

通过MMC／SD接口可将SD卡接入控制系统，利用驱动程序将SD卡挂载在文件系统中。用户可以编写应用程序将内存中的图像数据保存在SD卡中，也可将SD卡中的图像数据读入到内存中。