基于cmos圖像傳感器的內(nèi)窺微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　學(xué)號(hào)： </b></p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書</b></p><p>　　基于CMOS圖像傳感器的內(nèi)窺微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　Design Of Endoscopic MEMS Based On CMOS Image Sensor </p><p

2、>　　學(xué)院 專業(yè) 班級(jí) 班</p><p>　　學(xué)生 指導(dǎo)教師（講師） </p><p>　　完成時(shí)間 年 月 日至 年 月 日</p><p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論 文） 任 務(wù) 書</p><p>

3、;　　一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題 基于 CMOS 圖像傳感器的內(nèi)窺微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　二、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作自 2013 年 3 月 18 日起至 2013 年 5 月 31 日止三、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)行地點(diǎn) </p><p>　　四、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容要求 1、已知條件：

4、 </p><p>　　OV5116、OV7930、OV6920圖像傳感器，無線攝像頭等。 </p><p>　　2、設(shè)計(jì)要求： （1）按要求寫出開題報(bào)告；

5、 （2）收集國(guó)內(nèi)外有關(guān)情報(bào)資料，查閱有關(guān)文獻(xiàn)資料15篇以上； </p><p>　?。?）翻譯不少于5000單詞的科技英語(yǔ)（英譯中）； </p><p>　　（4）在分析、計(jì)算、選擇和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上編寫出不少于兩萬字的設(shè)計(jì)計(jì)算說明書；

6、 </p><p>　?。?）給出CMOS圖像傳感器（OV5116、OV7930、OV6920）的電路原理圖，并驗(yàn)證電路。 </p><p>　　3、工作進(jìn)度：

7、 （1）查閱資料，了解國(guó)內(nèi)外無線內(nèi)窺鏡地發(fā)展現(xiàn)狀，寫出開題報(bào)告； </p><p>　　（2）外文翻譯； </p><p>　　（3）了解圖像傳感器的分類及特點(diǎn)，比如CMOS和CCD圖像傳感器、模擬式圖像傳感器和數(shù)字式圖像傳感器，并選擇合適的圖像傳感器；

8、了解模擬圖像的制式；</p><p>　　（4）根據(jù)圖像傳感器的說明書，設(shè)計(jì)圖像傳感器的外圍電路； </p><p>　?。?）在老師的指導(dǎo)下，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路； </p><p>　?。?）整理編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書； </p

9、><p>　?。?）準(zhǔn)備和參加畢業(yè)答辯； 4、主要參考資料： </p><p>　?。?）方萍. 電子內(nèi)窺鏡的技術(shù)進(jìn)展. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備, 2003 </p><p&g

10、t;　?。?）呂平, 劉芳, 呂坤章, 等. 內(nèi)窺鏡發(fā)展史. 中華醫(yī)史雜志, 2002,vol.32(1）</p><p>　?。?）熊平. CCD與CMOS圖像傳感器特點(diǎn)比較. 半導(dǎo)體光電, 2004 </p><p>　　（4）段杏林. 淺談彩色電視機(jī)制式. 黃山學(xué)院學(xué)報(bào), 2004, 6(3) </p><p>　?。?）蕭澤新

11、. 工程光學(xué)設(shè)計(jì).電子工業(yè)出版社, 2003: 12-13 </p><p>　?。?）宋賢杰, 屠其非, 周偉, 等. 高亮度發(fā)光二極管及其在照明領(lǐng)域中的應(yīng)用. 半導(dǎo)體光電, 2002, 23(5) </p><p>　?。?）張富鑫, 林崇文. 極高頻生物醫(yī)學(xué)電子學(xué).電

12、子科技大學(xué)出版社, 1993 </p><p>　?。?）陳英俊, 李潔, 黃平. 人體胃腸道窺視微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研制. 中國(guó)機(jī)械工程, 2006, 17(9) </p><p>　　（9）黃勝, 黃平. 基于ov7930 芯片磁控人體膠囊式無線內(nèi)窺鏡的研究與實(shí)驗(yàn). 機(jī)電工程技術(shù), 20

13、07, 36(12) </p><p>　　指導(dǎo)老師 </p><p>　　接受論文任務(wù)開始執(zhí)行日期 2013 年 3 月 4 日 </p><p>　　學(xué)生簽名

14、 </p><p>　　基于CMOS圖像傳感器的內(nèi)窺微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　在分析原有技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，提出一種新型的模擬式內(nèi)窺微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并希望在系統(tǒng)的尺寸，性能等方面有所改善。</p><p>　　主要介紹一種無線

15、膠囊內(nèi)窺鏡診斷系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)主要基于OV7930圖像傳感芯片，RFMD公司的RF2510和RF2917射頻發(fā)射芯片相結(jié)合的架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)將人體內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡傳輸出的圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收存儲(chǔ)的功能。集中探討人體膠囊無線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。</p><p>　　系統(tǒng)盡可能地減少外圍電路，從而嚴(yán)格控制體內(nèi)無線膠囊的體積及功耗，減少由于膠囊體積過大對(duì)人體造成的不適及滿足膠囊在人體中停留足夠時(shí)間以便完成對(duì)病變部位的

16、實(shí)時(shí)圖像采集傳輸。</p><p>　　關(guān)鍵詞：圖像傳感器 微機(jī)電系統(tǒng) 膠囊內(nèi)窺鏡 無線圖像傳輸 </p><p>　　Design Of Endoscopic MEMS Based On CMOS Image Sensor</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Based on th

17、e analysis of original technical data, a new simulation model of the endoscopic micro electromechanical system design scheme is given, hoping to Reduce the size of the system, improve it’s performance etc.. </p>

18、<p>　　Here in this thesis we mainly talk about the principle and the construction of the wireless capsule endoscopy system .The system,mainly based on the construction of image transmission chip OV 7930 and RFMD Cor

19、poration’s RF2510 and RF 2917 chips ,can receive image datas in time that sent from the capsule endoscopy system.In the thesis we mainly discuss the construction design of the capsule endoscopy system.To restrict the cap

20、sule endoscopy system’s size and it’s power cost, the external circuit </p><p>　　Key words: image sensor MEMS System capsule endoscopy wireless image transmission </p><p><b>　　目錄</

21、b></p><p>　　第一章 緒論- 1 -</p><p>　　1.1 本課題研究的目的- 1 -</p><p>　　1.2 內(nèi)窺系統(tǒng)發(fā)展的歷史- 1 -</p><p>　　1.2.1舊式內(nèi)窺鏡- 1 -</p><p>　　1.2.2 光導(dǎo)式纖維內(nèi)窺鏡- 2 -</p>&l

22、t;p>　　1.2.3 電子內(nèi)窺鏡時(shí)代- 2 -</p><p>　　1.3 本課題的研究現(xiàn)狀- 2 -</p><p>　　1.3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀- 2 -</p><p>　　1.3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀- 3 -</p><p>　　1.4 本課題研究的意義- 3 -</p><p>　　第二章 系

23、統(tǒng)總體方案擬定- 5 -</p><p>　　2.1 系統(tǒng)功能要求分析- 5 -</p><p>　　2.2 系統(tǒng)總體硬件組成- 5 -</p><p>　　2.3 系統(tǒng)硬件布局- 6 -</p><p>　　第三章 圖像采集模塊設(shè)計(jì)- 8 -</p><p>　　3.1 圖像傳感器選型- 8 -<

24、/p><p>　　3.1.1 CCD圖像傳感器- 8 -</p><p>　　3.1.2 CMOS圖像傳感器- 9 -</p><p>　　3.1.3 CCD和CMOS傳感器比較- 10 -</p><p>　　3.1.4 圖像傳感器具體型號(hào)選擇- 12 -</p><p>　　3.2 OV7930外圍電路

25、設(shè)計(jì)- 16 -</p><p>　　第四章 圖像無線傳輸模塊設(shè)計(jì)- 18 -</p><p>　　4.1 無線傳輸技術(shù)的原理- 18 -</p><p>　　4.2. 圖像無線傳輸模塊的設(shè)計(jì)要點(diǎn)- 21 -</p><p>　　4.3 芯片選型- 21 -</p><p>　　4.3.1 射頻芯片分類-

26、 21 -</p><p>　　4.3.2 發(fā)射器芯片選型原則- 22 -</p><p>　　4.3.3 接收器芯片選型原則- 22 -</p><p>　　4.4 載波頻率- 24 -</p><p>　　4.5 電路參數(shù)的確定- 25 -</p><p>　　4.5.1 發(fā)射端電路之基準(zhǔn)振蕩器- 25

27、 -</p><p>　　4.5.2 壓振振蕩器- 26 -</p><p>　　4.5.3 鎖相環(huán)電路- 27 -</p><p>　　4.5.4 分頻系數(shù)的設(shè)置- 28 -</p><p>　　第五章 光學(xué)及電源照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)- 29 -</p><p>　　5.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 29 -<

28、/p><p>　　5.2 電源照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 29 -</p><p><b>　　致謝- 32 -</b></p><p>　　參考文獻(xiàn)- 33 -</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 本課題研究的目的</p>&

29、lt;p>　　消化道是人體的多發(fā)病區(qū)域，因此消化道疾病是一種比較常見的疾病，全球范圍內(nèi)無數(shù)的人受其困擾。目前對(duì)于這類疾病最常用也是最直接的診查措施就是采用醫(yī)用內(nèi)窺鏡對(duì)病變部位進(jìn)行檢查。盡管醫(yī)用內(nèi)窺鏡技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是由于傳統(tǒng)的醫(yī)用內(nèi)窺鏡自身的缺陷，使其在實(shí)際應(yīng)用中具有很大的局限性，并且這種局限性越來越明顯。例如在消化道的檢查方面，傳統(tǒng)的內(nèi)窺鏡使用機(jī)械插入插管的方式將攝像頭和組織取樣等裝置深入到人體病變部位對(duì)其進(jìn)行診斷，或組

30、織取樣，微型手術(shù)等。由于這類內(nèi)窺鏡系統(tǒng)都帶有引導(dǎo)插管，如對(duì)冠心病的治療，需要將導(dǎo)絲或?qū)Ч懿迦肴梭w內(nèi)以輔助治療或進(jìn)行診斷，因此這不僅給系統(tǒng)的操作帶來很大的不便，給病人帶來了不適和痛苦，有時(shí)甚至需要對(duì)病人進(jìn)行麻醉手術(shù)，同時(shí)也導(dǎo)致內(nèi)窺鏡所能檢查的部位受到了局限。而且，受光學(xué)特性和視角的限制，對(duì)消化系統(tǒng)非形態(tài)性改變的隱性出血炎癥等也難以明確診斷。所以，很有必要研究新型的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的導(dǎo)管內(nèi)窺鏡。</p><p>

31、　　本課題旨在參考原有技術(shù)資料，對(duì)相關(guān)的內(nèi)窺微機(jī)電產(chǎn)品的原理，性能等進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種模擬式的無線膠囊內(nèi)窺鏡診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要采用OV7930圖像傳感器芯片，可以實(shí)現(xiàn)將人體內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)傳送到體外接收裝置。</p><p>　　1.2 內(nèi)窺系統(tǒng)發(fā)展的歷史</p><p>　　縱觀內(nèi)窺鏡的發(fā)展歷史，主要經(jīng)歷了舊式內(nèi)窺鏡，光導(dǎo)式纖維內(nèi)窺鏡，電子式內(nèi)窺鏡三個(gè)時(shí)期。</p>

32、<p>　　1.2.1舊式內(nèi)窺鏡</p><p>　　內(nèi)窺鏡發(fā)展的技術(shù)根源，最早要追溯到歐洲文藝復(fù)興時(shí)期。原始的舊式內(nèi)窺鏡也叫直管式內(nèi)窺鏡。1795年德國(guó)人Bozzini將一根金屬管沿縱向一分為二，以燭光為光源，一半管腔進(jìn)光，一半管腔用于觀察，首次觀察到人體直腸及子宮內(nèi)腔。1826年德國(guó)的Segale制成了膀胱鏡。1843年Arery制成了喉鏡和食道鏡。1881年Mikulicz制成了硬直管式胃鏡。舊式

33、內(nèi)窺鏡照明多采用珠光或者煤油燈，直到1876年Nitze首先在膀胱鏡及胃鏡上用電熱白金絲作光源，缺點(diǎn)是局部熱量較大，需灌水冷卻。所以內(nèi)窺鏡的發(fā)展離不開光源的進(jìn)展。1880年美國(guó)的愛迪生發(fā)明了采用碳燈絲的電燈。1895年，Rosenhein研制的硬管式內(nèi)窺鏡有三根管子呈同心圓設(shè)置，中心管為光學(xué)結(jié)構(gòu)，第二層管腔內(nèi)裝上鉑絲圈制的燈泡和水冷結(jié)構(gòu)。外層壁上刻有刻度以反映進(jìn)鏡深度。</p><p>　　1.2.2 光導(dǎo)式纖維

34、內(nèi)窺鏡</p><p>　　1954年，英國(guó)的Hopkins和Kapany發(fā)明了光導(dǎo)纖維技術(shù)。1957年,Hirschowitz與助手在美國(guó)胃鏡學(xué)會(huì)上展示了自行研制的光導(dǎo)纖維內(nèi)窺鏡。60年代，日本的Olympus公司在光導(dǎo)纖維胃鏡的基礎(chǔ)上，加裝了取活檢裝置和照相機(jī)。1966年Olympus公司首創(chuàng)前端彎角結(jié)構(gòu)。1967年Machida公司采用外部冷光源，使光亮度大增，可發(fā)現(xiàn)小病灶，視野進(jìn)一步擴(kuò)大，可以觀察到十二指

35、腸。近十年來隨著附屬裝置的不斷改進(jìn)，如手術(shù)器械，攝影系統(tǒng)的發(fā)展，使纖維內(nèi)窺鏡不但可用于診斷也可以用于手術(shù)治療。</p><p>　　1.2.3 電子內(nèi)窺鏡時(shí)代</p><p>　　1983年美國(guó)Welch Allyn公司研制并應(yīng)用電荷耦合器件代替了內(nèi)窺鏡的光導(dǎo)纖維導(dǎo)像術(shù)，宣告了電子內(nèi)窺鏡的誕生——內(nèi)窺鏡發(fā)展史上的一次歷史性的突破。</p><p>　　電子內(nèi)窺鏡主要

36、由內(nèi)窺鏡，電視信息系統(tǒng)和電視監(jiān)視器三個(gè)主要部分組成，另外還配備一些輔助裝置，如錄像機(jī)，照相機(jī)吸引器以及用來輸入各種信息的鍵盤和診斷治療所用的各種器具。它的成像主要依賴于鏡身前端設(shè)備的圖像傳感器，就像一臺(tái)微型攝像機(jī)，將圖像經(jīng)過圖像傳感器處理后顯示在電腦屏幕上，這比普通光導(dǎo)纖維內(nèi)窺鏡的圖像清晰，色澤逼真，分辨率高，而且可以供多人同時(shí)觀看。電子內(nèi)窺鏡的問世給百余年來內(nèi)窺鏡的診斷和治療翻開了歷史新篇章，在臨床，教學(xué)和科研中發(fā)揮出它巨大的優(yōu)勢(shì)。&

37、lt;/p><p>　　隨著近年來新材料，新器件，新技術(shù)特別是微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的迅速發(fā)展，新型內(nèi)窺鏡尺寸越來越微型化，精度也越來越高。膠囊式內(nèi)窺鏡便是其中最具代表性的一種。</p><p>　　這得追溯到上世紀(jì)八十年代。曾在以色列國(guó)防部光電部門工作的機(jī)械工程師Gavriel Iddan博士受智能導(dǎo)彈上的遙控?cái)z像裝置啟發(fā)而產(chǎn)生了一個(gè)創(chuàng)意：用小型的“人體偵察機(jī)”對(duì)人體整個(gè)消化道進(jìn)行探測(cè)。后來他和懷有

38、同樣構(gòu)想的英國(guó)人Paul Swain成立了Given Imaging 公司專門開發(fā)這種探測(cè)設(shè)備。1999年這種探測(cè)設(shè)備開發(fā)成功，命名為M2A膠囊內(nèi)窺鏡。這就是世界上第一部真正意義的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)。</p><p>　　1.3 本課題的研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　人們對(duì)內(nèi)窺機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行過不少的研究。早在20世紀(jì)50年代，

39、科學(xué)家為了研究消化道機(jī)能，采用了吞服式無線電發(fā)送器來向體外傳送消化道器官中的各類生理和生化信息。由于這種微型無線電發(fā)送器外形酷似醫(yī)用膠囊，因而通常稱為醫(yī)用無線電膠囊。目前這種無線電膠囊已廣泛應(yīng)用于消化道內(nèi)的PH值，壓力，溫度，酶活性以及出血部位的測(cè)定。這種技術(shù)除已用來診斷疾病外，對(duì)研究分析消化道的藥物吸收作用，勞動(dòng)防護(hù)及環(huán)境保護(hù)等方面都有積極的作用。在這方面較為成功的應(yīng)用研究是由以色列Given公司制造的M2A型膠囊式內(nèi)窺鏡。該系統(tǒng)由內(nèi)

40、置短焦鏡頭，發(fā)光二極管和CMOS集成電路，電池，發(fā)射器和天線等組成。近年來日本的無線系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室推出用于醫(yī)療檢測(cè)的“NORIKA3”系列膠囊內(nèi)窺微機(jī)電系統(tǒng)，采用CCD攝像機(jī)，所需電力由外界傳送，其運(yùn)動(dòng)可由體外控制。</p><p>　　日本長(zhǎng)野市的RF系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室研制的人體內(nèi)窺系統(tǒng)—Sayaka膠囊內(nèi)窺鏡會(huì)隨著消化管的自然蠕動(dòng)邊旋轉(zhuǎn)邊拍照，再將所有腸內(nèi)壁的高清視頻圖像通過無線的形式傳送出去。醫(yī)生通過檢查此視頻圖像來診

41、斷患者腸道是否有腫瘤或者其他問題。</p><p>　　美國(guó)的Smartpill公司開發(fā)了兩種膠囊內(nèi)窺鏡。一種適用于圖像檢測(cè)的膠囊內(nèi)窺鏡。另一種可用于測(cè)量消化道蠕動(dòng)壓力，PH值和檢測(cè)時(shí)間。后者的續(xù)航時(shí)間可達(dá)到72個(gè)小時(shí)。</p><p>　　此外，韓國(guó)的Intelligent Micro中心，英國(guó)的Glasgow大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)也在積極進(jìn)行膠囊內(nèi)窺鏡的研究。</p><p

42、>　　隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，無線膠囊內(nèi)窺鏡的整體性能將逐漸完善。在圖像傳感器技術(shù)，能源供給技術(shù)方面具有較為成熟的技術(shù)。在其他方面也有研究進(jìn)展，如研究驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)控制方式而不僅僅依靠腸道的自身蠕動(dòng)，為醫(yī)生帶來更大的主動(dòng)性；除內(nèi)窺功能外，還包括藥物釋放機(jī)構(gòu)和組織采樣機(jī)構(gòu)以及溫度傳感與PH值測(cè)量，壓力檢測(cè)及激光治療等功能。</p><p>　　1.3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀</p><p>　　國(guó)內(nèi)

43、在膠囊內(nèi)窺鏡方面的研究相對(duì)國(guó)外起步要晚很多。但在國(guó)家相關(guān)政策的扶持下，也取得不少的成果。如重慶金山公司研制出具有實(shí)時(shí)攝像功能的膠囊內(nèi)窺鏡；中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所研制了“基于CMOS圖像傳感器的膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)”。重慶大學(xué)也進(jìn)行了定點(diǎn)釋放藥丸微系統(tǒng)與消化道采樣藥丸微系統(tǒng)研究。上海交通大學(xué)開展了“人體全消化道微型介入式檢查系統(tǒng)”研究，研發(fā)了用于檢測(cè)壓力，溫度，PH值的膠囊內(nèi)窺鏡。目前，國(guó)內(nèi)研究的關(guān)鍵點(diǎn)在于研發(fā)專用芯片實(shí)現(xiàn)膠囊系統(tǒng)的無線圖

44、像傳輸和微型化。具備了基本的圖像攝取功能和壓力等信號(hào)檢測(cè)功能。也在釋藥，主動(dòng)驅(qū)動(dòng)等方面做了不少優(yōu)異的探索。</p><p>　　1.4 本課題研究的意義</p><p>　　對(duì)于消化道疾病的檢查往往會(huì)采用內(nèi)窺鏡，然而傳統(tǒng)的有線內(nèi)窺鏡系統(tǒng)帶有引導(dǎo)式插管，不僅會(huì)給病人帶來較大痛苦，而且系統(tǒng)操作很不方便而且檢查部位有限。傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡使用插入導(dǎo)管的方式，存在著諸多弊端，例如操作困難；屬于有創(chuàng)檢測(cè)，給

45、病人帶來了很大的肉體痛苦；診察范圍有限，僅限于診斷上消化道及大腸的病變，而對(duì)小腸疾病的診斷存在很大的盲區(qū)。因此，近十年來，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，無線技術(shù)開始應(yīng)用于內(nèi)窺鏡。世界各國(guó)有不少科研機(jī)構(gòu)在從事人體消化道無創(chuàng)檢測(cè)設(shè)備的研究開發(fā)工作，而本文所提到的無線膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)就是其中有代表性的設(shè)備之一。</p><p>　　膠囊內(nèi)窺鏡在消化道檢查方面克服了傳統(tǒng)醫(yī)用內(nèi)窺鏡的諸多缺點(diǎn)，具有操作簡(jiǎn)單，檢查方便，無創(chuàng)傷，無痛苦，

46、無交叉感染，不影響患者的正常工作等優(yōu)點(diǎn)，填補(bǔ)了胃鏡，腸鏡檢查的盲區(qū)，擴(kuò)展了醫(yī)生的消化道檢查視野，尤其對(duì)人的可疑小腸病變具有很高的診斷價(jià)值，被醫(yī)學(xué)界譽(yù)為21世紀(jì)內(nèi)窺鏡發(fā)展的革命與方向。膠囊內(nèi)窺鏡這一全新技術(shù)的出現(xiàn)，標(biāo)志著消化道內(nèi)窺鏡技術(shù)發(fā)展史上又一新的里程碑的誕生，是消化道無損傷性診斷的一個(gè)革命性的技術(shù)創(chuàng)新。</p><p>　　在眾多的膠囊內(nèi)窺鏡產(chǎn)品中，又以以色列的M2A膠囊內(nèi)窺鏡最具代表性。該膠囊內(nèi)窺鏡尺寸為1

47、1×24mm，重量不足4g，有微型照相機(jī)，led閃光燈，天線及兩節(jié)微型氧化銀電池構(gòu)成。M2A可以以每秒兩幅照片速度進(jìn)行拍攝，通常檢查過程需要8到12小時(shí)，也就是說，整個(gè)檢查過程需要拍攝約6000幅照片。這些照片通過膠囊內(nèi)部的天線發(fā)射至外部接收裝置。之后，醫(yī)生通過軟件可將這些照片制成約20分鐘的視頻，并因此分析出異樣。</p><p>　　內(nèi)窺鏡在微創(chuàng)手術(shù)中有非常重要的應(yīng)用。而無線內(nèi)窺鏡作為內(nèi)窺鏡的一種，

48、相對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡更是有無創(chuàng)檢測(cè)，檢查全面和診斷方便的性能優(yōu)勢(shì)。內(nèi)窺鏡的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了管腔醫(yī)學(xué)的發(fā)展。內(nèi)窺鏡既可以診斷疾病，也可以治療疾病。內(nèi)窺鏡的臨床診斷具有直觀，準(zhǔn)確，快速，經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)。特別是配合超聲內(nèi)窺鏡，激光內(nèi)窺鏡及鉗取活檢 ，大大提高了對(duì)疾病的確診率。</p><p>　　由于起步時(shí)間較短，此類設(shè)備在技術(shù)上尚有很多難題需要解決，以內(nèi)窺鏡為例，如何讓其停留在某一指定位置進(jìn)行拍攝，圖像分辨率，功耗，價(jià)格等，

49、都是需要解決的問題。但不管怎樣，此類設(shè)備的前景是非常光明的。巨大的市場(chǎng)需求驅(qū)使廠家不斷推出性能更高且價(jià)格更低的產(chǎn)品。 </p><p>　　第二章 系統(tǒng)總體方案擬定</p><p>　　在著手內(nèi)窺系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)之前，為使研究工作得以順利開展，避免不必要的曲折，應(yīng)該先對(duì)系統(tǒng)的功能需求，總體硬件組成等方面進(jìn)行擬定，制定一個(gè)大體框架。以后具體設(shè)計(jì)時(shí)，以此框架一步步展開工作。</p>

50、<p>　　2.1 系統(tǒng)功能要求分析</p><p>　　首先，對(duì)本內(nèi)窺微機(jī)電系統(tǒng)最基本的功能要求是能夠捕獲人體內(nèi)病變部位的清晰圖像。所以，圖像采集模塊是必不可少的。其次，還要將拍攝到的圖像傳送到體外接收裝置，以供醫(yī)生查看，宜采用無線傳輸模式。這是內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的兩個(gè)基本功能。內(nèi)窺微機(jī)電系統(tǒng)要求能在體內(nèi)逗留足夠長(zhǎng)的時(shí)間以便搜集到足夠的樣片，因此，對(duì)系統(tǒng)的功耗要求也比較高。人體內(nèi)的環(huán)境比較幽暗，要能拍到符合

51、要求的樣片，對(duì)光照要求也不能馬虎。LED燈發(fā)光強(qiáng)度高，功耗也較低，所以采用LED照明。</p><p>　　膠囊微機(jī)電內(nèi)窺鏡系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為兩種：被動(dòng)式和主動(dòng)式。被動(dòng)式主要是依靠人體腸道的自身蠕動(dòng)而帶動(dòng)膠囊內(nèi)窺鏡運(yùn)動(dòng)，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：功耗較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)；主動(dòng)式內(nèi)窺鏡系統(tǒng)是依靠系統(tǒng)本身的動(dòng)力，可在人體內(nèi)實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)。這種系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，功耗也較大?？紤]到知識(shí)儲(chǔ)備等方面的限制，本課題的研究目標(biāo)是能夠

52、做出一個(gè)滿足基本攝像功能的膠囊內(nèi)窺鏡樣品，所以力求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能單一，只著重對(duì)內(nèi)窺系統(tǒng)的圖像模塊進(jìn)行研究。因此，本設(shè)計(jì)采用被動(dòng)式方案，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低設(shè)計(jì)難度。 </p><p>　　因此，本課題目標(biāo)定位為：設(shè)計(jì)一個(gè)被動(dòng)式無線圖像傳輸內(nèi)窺微機(jī)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用LED光源照明。 </p><p>　　2.2 系統(tǒng)總體硬件組成</p><p>　　根據(jù)以上功能

53、分析，確定內(nèi)窺系統(tǒng)組成部分有：</p><p><b>　?。?）圖像采集模塊</b></p><p><b>　?。?）無線發(fā)射模塊</b></p><p><b>　?。?）電源供電模塊</b></p><p><b>　?。?）照明模塊</b><

54、;/p><p>　　系統(tǒng)組成框圖如下所示：</p><p>　　圖 2.1 內(nèi)窺系統(tǒng)組成示意圖</p><p>　　2.3 系統(tǒng)硬件布局</p><p>　　為了將整個(gè)模塊融入內(nèi)窺鏡膠囊的系統(tǒng)中，需要規(guī)劃好元器件的位置和線路，盡量縮小體積，減少干擾。本設(shè)計(jì)將LED，圖像傳感器電路，鏡頭結(jié)合在一個(gè)PCB板上。</p><p&g

55、t;　　根據(jù)內(nèi)窺鏡膠囊的圓柱外形設(shè)計(jì)，將模塊的PCB外形圖設(shè)計(jì)成圓形，直徑控制在10mm左右。在直徑為10mm的圓形PCB板面上盡可能的布置下OV7930芯片的外圍電路元件，需要采用雙面板結(jié)構(gòu)，且電容和電阻元件都采用較小封裝的貼片形式。在PCB的正面放置CMOS芯片和LED，而將外圍電路元件和輸出接口設(shè)計(jì)在背面，以節(jié)省空間，芯片的引腳通過導(dǎo)線引出再由過孔連接至背面。</p><p>　　該P(yáng)CB的設(shè)計(jì)原則是：盡量

56、減少線路的拐彎，元件擺放方向一致，電源線和底線盡量加粗，減少晶振引線的長(zhǎng)度，盡量靠近芯片。</p><p>　　經(jīng)過反復(fù)的比較，初步選擇如下的系統(tǒng)布局。</p><p>　　圖2.2 內(nèi)窺系統(tǒng)硬件布局</p><p>　　由上面布局圖可看出，系統(tǒng)主要由CMOS傳感器，透鏡，LED發(fā)光二極管，微型電池，無線圖像發(fā)射芯片和微型發(fā)射天線組成，完成對(duì)外部環(huán)境彩色圖像的采集

57、，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過圖像采集發(fā)射模塊采集，并以無線的發(fā)射方式將圖像信號(hào)發(fā)送出去。整個(gè)系統(tǒng)中存在著幾個(gè)比較關(guān)鍵的技術(shù)：合理選擇透鏡使得能夠采集到體內(nèi)病變部位高分辨率的清晰圖像，將采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行完整和快速的傳輸。內(nèi)窺鏡膠囊直徑約為1CM，長(zhǎng)度只有2CM多，體積很小，卻要將成像元件，圖像傳感器，射頻發(fā)射模塊，天線以及芯片外圍電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)集成在其內(nèi)部，因此要嚴(yán)格的限制各個(gè)功能模塊的尺寸。尺寸的限制使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須以盡量簡(jiǎn)單的光

58、路，電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)完成必要的功能。</p><p>　　所說的簡(jiǎn)單不是一味的追求簡(jiǎn)單，而是在能夠?qū)崿F(xiàn)所期望的系統(tǒng)功能的前提下，在系統(tǒng)的性能和系統(tǒng)尺寸，功耗等指標(biāo)指間達(dá)成一個(gè)最佳的方案。簡(jiǎn)單的光路可以減少光能損耗從而降低對(duì)照明系統(tǒng)的光強(qiáng)要求；簡(jiǎn)單的電路可以降低功耗，簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)則意味一定程度的降低制造工藝要求。遵循簡(jiǎn)單這樣一個(gè)原則，對(duì)膠囊內(nèi)窺鏡的設(shè)計(jì)具有很大的意義。</p><p>　　第

59、三章 圖像采集模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　如前所述，圖像采集模塊部分是本課題設(shè)計(jì)的核心，因此，對(duì)于各方面的考慮都不能馬虎。下面，對(duì)圖像采集部分進(jìn)行分析。</p><p>　　3.1 圖像傳感器選型</p><p>　　目前，圖像傳感器只要分為兩種類型：CCD型和CMOS型。這兩種傳感器在結(jié)構(gòu)方面有很大不同，原理基本相同。為了選出合適的圖像傳感器，有必要從它們的原理

60、，分類等展開介紹，最后比較選出最佳的傳感器。下面，逐一分析這兩種傳感器的特點(diǎn)。</p><p>　　3.1.1 CCD圖像傳感器</p><p>　?。狢CD傳感器原理結(jié)構(gòu)</p><p>　　CCD是電荷耦合組件（Charge Coupled Device）的簡(jiǎn)稱，它內(nèi)部的半導(dǎo)體材料能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)壓縮以后保存起來就變成我們存儲(chǔ)卡中的照片了，中間

61、的過程非常復(fù)雜，在這里不再詳解，下面是原理簡(jiǎn)圖。</p><p><b>　　CCD</b></p><p>　　光信息 電脈沖 </p><p>　　脈沖只反映一個(gè)光敏元的受光情況</p><p>　　脈沖幅度的高低反映該光敏元受光照的強(qiáng)弱</p><p>　　脈沖輸出的

62、順序可以反映一個(gè)光敏元的位置</p><p><b>　　完成圖像傳感</b></p><p>　　圖3.1 電荷耦合組件工作原理</p><p>　　簡(jiǎn)單點(diǎn)來說，CCD基本工作原理分為四個(gè)階段：（1）信號(hào)電荷的產(chǎn)生；（2）信號(hào)電荷</p><p>　　的存儲(chǔ)；（3）信號(hào)電荷的傳輸；（4）信號(hào)電荷的檢測(cè)。</p&g

63、t;<p>　　CCD基本結(jié)構(gòu)分為以下兩部分：</p><p>　?。?）MOS（金屬—氧化物—半導(dǎo)體）光敏元陣列：電荷耦合器件是在半導(dǎo)體硅片上制作成百上千（萬）個(gè)光敏元，一個(gè)光敏元又稱一個(gè)像素，在半導(dǎo)體硅平面上光敏元按線陣或面陣有規(guī)則地排列。</p><p>　?。?）讀出移位寄存器。CCD 是由規(guī)則排列的金屬—氧化物—半導(dǎo)體（Metal Oxide Semiconduct

64、or,MOS）電容陣列組成。 </p><p>　　CCD就像傳統(tǒng)相機(jī)的底片一樣的感光系統(tǒng)，是感應(yīng)光線的電路裝置，可以將它想象成一顆顆微小的感應(yīng)粒子，鋪滿在光學(xué)鏡頭后方，當(dāng)光線與圖像從鏡頭透過、投射到CCD表面產(chǎn)生電流，將感應(yīng)到的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成數(shù)碼資料儲(chǔ)存起來。CCD像素?cái)?shù)目越多、單一像素尺寸越大，收集到的圖像就會(huì)越清晰。</p><p>　?。狢CD傳感器的分類</p><

65、;p>　　CCD器件分為線陣CCD和面陣CCD，結(jié)構(gòu)上有多種不同形式，如單溝道CCD、雙溝道CCD、幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)CCD、行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)CCD</p><p>　　a.線陣CCD傳感器</p><p>　　線陣CCD傳感器是由一列MOS光敏元和一列移位寄存器并行構(gòu)成。光敏元和移位寄存器之間有一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵，1024位線陣，由1024個(gè)光敏元1024個(gè)讀出移位寄存器組成。讀出移位寄存器的輸出

66、端Ga一位位輸出信息，這一過程是一個(gè)串行輸出過程。</p><p>　　b．面型CCD圖像傳感器</p><p>　　面型CCD圖像傳感器由感光區(qū)、信號(hào)存儲(chǔ)區(qū)和輸出轉(zhuǎn)移部分組成。目前存在三種典型結(jié)構(gòu)形式。</p><p>　　一種結(jié)構(gòu)由行掃描電路、垂直輸出寄存器、感光區(qū)和輸出二極管組成。行掃描電路將光敏元件內(nèi)的信息轉(zhuǎn)移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器將信息轉(zhuǎn)移

67、到輸出二極管，輸出信號(hào)由信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)換為視頻圖像信號(hào)。這種結(jié)構(gòu)易于引起圖像模糊。</p><p>　　另一種結(jié)構(gòu)增加了具有公共水平方向電極的不透光的信息存儲(chǔ)區(qū)。在正常垂直回掃周期內(nèi)，具有公共水平方向電極的感光區(qū)所積累的電荷同樣迅速下移到信息存儲(chǔ)區(qū)。在垂直回掃結(jié)束后，感光區(qū)回復(fù)到積光狀態(tài)。在水平消隱周期內(nèi)，存儲(chǔ)區(qū)的整個(gè)電荷圖像向下移動(dòng)，每次總是將存儲(chǔ)區(qū)最底部一行的電荷信號(hào)移到水平讀出器，該行電荷在讀出移位寄存器中

68、向右移動(dòng)以視頻信號(hào)輸出。當(dāng)整幀視頻信號(hào)自存儲(chǔ)移出后，就開始下一幀信號(hào)的形成。</p><p>　　該CCD結(jié)構(gòu)具有單元密度高、電極簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但增加了存儲(chǔ)器。</p><p>　　再有一種是用得最多的一種結(jié)構(gòu)形式。它將感光元件與存儲(chǔ)元件相隔排列。即一列感光單元，一列不透光的存儲(chǔ)單元交替排列。在感光區(qū)光敏元件積分結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)移控制柵打</p><p>　　開，電荷信號(hào)進(jìn)

69、入存儲(chǔ)區(qū)。隨后，在每個(gè)水平回掃周期內(nèi)，存儲(chǔ)區(qū)中整個(gè)電荷圖像一次一行地向上移到水平讀出移位寄存器中。接著這一行電荷信號(hào)在讀出移位寄存器中向右移位到輸出器件，形成視頻信號(hào)輸出。這種結(jié)構(gòu)的器件操作簡(jiǎn)單，但單元設(shè)計(jì)復(fù)雜，感光單元面積減小，圖像清晰。</p><p>　　3.1.2 CMOS圖像傳感器</p><p>　?。狢MOS傳感器結(jié)構(gòu)原理</p><p>　　CMOS

70、全稱是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體。CMOS圖像傳感器是利用CMOS工藝制造的圖像傳感器，主要利用了半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。和CCD的原理基本相同，這里不再贅述。</p><p>　　CMOS在結(jié)構(gòu)上主要由像素矩陣，模擬信號(hào)處理單元，數(shù)字信號(hào)處理單元，內(nèi)嵌微控制器，寄存器控制接口，數(shù)據(jù)輸出端口等組成。下面是CMOS圖像傳感器的組成框架圖。</p><p>　　圖3.2 CMOS傳感器組成框圖</

71、p><p>　?。?CMOS傳感器分類</p><p>　　依照像素不同類型來分，就可分為兩大類：一類是無源像素傳感（CMOS-PPS），另一類是有源像素傳感器（CMOS-APS）。在無源像素傳感器的像素單元中包括一個(gè)光二極管(PhotoDiode)和一個(gè)MOS管，MOS管作為行選(RowSeleet)開關(guān).在有源像素單元中，除一個(gè)光二極管外，還包括一個(gè)重置(Reset)MOS管、一個(gè)源極跟隨

72、器(Source Follower) MOS管和一個(gè)行選MOS管。</p><p>　　3.1.3 CCD和CMOS傳感器比較</p><p>　　（1）在制造上，CCD是集成在半導(dǎo)體單晶材料上，而CMOS是集成在被稱做金屬氧化</p><p>　　物的半導(dǎo)體材料上，工作原理沒有本質(zhì)的區(qū)別。CCD制造工藝較復(fù)雜，采用CCD的攝像頭價(jià)格都會(huì)相對(duì)比較貴。CMOS的制造

73、成本和功耗都要低于CCD不少。</p><p>　　（2）成像方面：在相同像素下CCD的成像通透性、明銳度都很好，色彩還原、曝光可以保證基本準(zhǔn)確。而CMOS的產(chǎn)品往往通透性一般，對(duì)實(shí)物的色彩還原能力偏弱，曝光也都不太好，由于自身物理特性的原因，CMOS的成像質(zhì)量和CCD還是有一定距離的。但由于低廉的價(jià)格以及高度的整合性，因此在攝像頭領(lǐng)域還是得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　（3）速度

74、差異：CCD傳感器需在同步時(shí)鐘的控制下以行為單位一位一位的輸出信息，速度較慢；而CMOS傳感器采集光信號(hào)的同時(shí)就可以取出電信號(hào)，還能同時(shí)處理各單元的圖象信息，速度比CCD快很多。</p><p>　　（4）耗電量方面：CCD傳感器電荷耦合器大多需要三組電源供電，耗電量較大；CMOS傳感器只需使用一個(gè)電源，耗電量非常小，僅為CCD電荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光電傳感器在節(jié)能方面具有很大優(yōu)勢(shì)，對(duì)于電量本來就

75、不足的手機(jī)來說更具優(yōu)勢(shì)。</p><p>　?。?）成像質(zhì)量：CCD傳感器制作技術(shù)起步較早，技術(shù)相對(duì)成熟，采用PN結(jié)合二氧化硅隔離層隔離噪聲，成像質(zhì)量相對(duì)CMOS傳感器有一定優(yōu)勢(shì)。由于CMOS傳感器集成度高，光電傳感元件與電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾較為嚴(yán)重，噪聲對(duì)圖象質(zhì)量影響很大。</p><p>　　（6）成本方面：CCD傳感器由于制造工藝復(fù)雜，只有少數(shù)的廠商能夠掌握，所

76、以導(dǎo)致制造成本居高不下。而CMOS的制造成本和功耗都要低于CCD不少，所以很多生產(chǎn)廠商采用的都是CMOS鏡頭。</p><p>　　通過以上比較分析，能看出CCD與CMOS各有優(yōu)勢(shì)。CCD在影像品質(zhì)等方面優(yōu)于CMOS,但CMOS具有低成本、低耗電以及高整合度的特性。CMOS的成熟工藝和大批量產(chǎn)，極大地降低了成本，提高了產(chǎn)品穩(wěn)定性，也正是由于技術(shù)和工藝的不斷改良更新，使得CCD與CMOS間的差異逐漸縮小。新一代的C

77、CD將多CCD和低功耗作為改進(jìn)目標(biāo)；CMOS系列則開始朝大尺寸與高速影像處理晶片相結(jié)合、借由后續(xù)的影像處理修正噪點(diǎn)、提升畫質(zhì)的方向發(fā)展。下面是不同場(chǎng)合應(yīng)該選用的圖像傳感器。</p><p>　　（1）圖像質(zhì)量要求高的場(chǎng)合選用CCD攝像機(jī)。CCD結(jié)構(gòu)中由于每行僅有一個(gè)ADC,信號(hào)放大比例一致，所以圖像還原真實(shí)自然、噪點(diǎn)低，在對(duì)畫質(zhì)要求苛刻的場(chǎng)合宜選用CCD攝像機(jī)。像素越高、尺寸越大的CCD擁有更好的圖像品質(zhì)。<

78、;/p><p>　　（2）高幀攝像時(shí)選用CMOS攝像機(jī)更佳。CCD在工作時(shí)，上百萬個(gè)像素感光后會(huì)生成上百萬個(gè)電荷，每個(gè)專用通道中的電荷全部經(jīng)過一個(gè)"放大器"進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)變。因此，這個(gè)"放大器"就成為了制約圖像處理速度的瓶頸。所有電荷由單一通道輸出，當(dāng)數(shù)據(jù)量大時(shí)就容易發(fā)生信號(hào)擁堵。而像素越高，需要傳輸和處理的數(shù)據(jù)也就越多，使用單CCD無法滿足高速讀取大量高清數(shù)據(jù)的需要。而CMOS傳

79、感器不需要復(fù)雜的處理過程，直接將圖像半導(dǎo)體產(chǎn)生的光電信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，因此處理非常快。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)使得CMOS傳感器對(duì)于高幀攝像機(jī)非常有用，速度能達(dá)到400到2000幀/秒。所以對(duì)于高速攝像場(chǎng)所，選用CMOS攝像機(jī)效果更佳。</p><p>　?。?）隱蔽環(huán)境中使用CMOS攝像機(jī)。CMOS傳感器可以將所有邏輯和控制環(huán)都放在同一個(gè)硅芯片塊上，使攝像機(jī)變得簡(jiǎn)單靈巧，因此CMOS攝像機(jī)可以做得非常小。而CCD攝像機(jī)限于外

80、圍復(fù)雜電路影響，體積無法做到CMOS般微型化。</p><p>　?。?）低照度環(huán)境下宜使用CCD攝像機(jī)。由于CCD感光單元有效面積大，在光照強(qiáng)度較低的環(huán)境中，能相對(duì)清晰地呈現(xiàn)出被攝物體原貌。相反，CMOS傳感器靈敏度低，ISO感光度差，低照時(shí)成像清晰度大大降低。所以，在低照度環(huán)境下，如燈光較暗的停車場(chǎng)、樓梯間、封閉通道和暗室等，宜選用感光靈敏的CCD攝像機(jī)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)考

81、慮到系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合的特殊性，宜采用體積較小的傳感器。鑒于CMOS傳感器在這方面的優(yōu)勢(shì)，因此本設(shè)計(jì)優(yōu)先采用集成度比較高的CMOS傳感器。另外，如果本設(shè)計(jì)采用數(shù)字傳感器的話，則在成本，復(fù)雜性等各方面較采用模擬傳感器都處于劣勢(shì)。再者，采用模擬傳感器的話，更適用于無線傳輸?shù)膱?chǎng)合。綜合以上各個(gè)方面的考慮，如開篇題目所示采用基于模擬式CMOS傳感器的設(shè)計(jì)方案。</p><p>　　3.1.4 圖像傳感器具體型號(hào)選擇</

82、p><p>　　目前，市面上的CMOS傳感器品種眾多，需要從多個(gè)方面考慮選出合適的傳感器。主要考慮的因素有以下幾個(gè)：</p><p>　　（1）性能要求?？紤]到本課題的目標(biāo)是設(shè)計(jì)出能滿足基本攝像要求的內(nèi)窺鏡樣品，因此對(duì)性能要求不是很嚴(yán)格。</p><p>　?。?）傳感器體積。膠囊式人體內(nèi)窺鏡體積一定要盡量小，因此，傳感器的體積也應(yīng)該盡量小，以滿足在人體內(nèi)運(yùn)動(dòng)而不致堵塞

83、，同時(shí)使病人的痛苦減到最少程度。</p><p>　?。?）選購(gòu)成本?？紤]到課題組的經(jīng)濟(jì)承受能力，成本應(yīng)該盡量低。</p><p>　　根據(jù)上面三個(gè)因素，查閱相關(guān)資訊初步將范圍選擇在比較常用的由美國(guó)Ominivision公司生產(chǎn)的OV5116，OV7910，OV7930這三種圖像傳感器。先分析這幾種傳感器的性能特點(diǎn)。下圖是OV5116的管腳原理示意圖。</p><p&g

84、t;　　圖3.3 OV5116芯片示意圖</p><p><b>　　下圖是芯片實(shí)物圖。</b></p><p>　　圖3.4 OV5116芯片實(shí)物圖 </p><p>　　OV5116型號(hào)的傳感器優(yōu)點(diǎn)之一是功耗比較低，但是對(duì)顏色變化的分辨敏感程度不高。</p><p>　　圖3.5 OV7910傳感器</p

85、><p>　　OV7930的功能最為出色，傳感器感光面積較大，拍攝的圖像質(zhì)量也較好，但是它的功耗在三者當(dāng)中是最大的。而OV7930盡管在圖像質(zhì)量方面較OV7910遜色，但差別不是很大，并且它的功耗偏向于OV5116，這對(duì)于對(duì)續(xù)航能力要求較高的內(nèi)窺系統(tǒng)來說，無疑是最佳選擇。其次考慮一下各型號(hào)傳感器的尺寸。鑒于所設(shè)計(jì)的內(nèi)窺系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境是在人體內(nèi)，因此要求系統(tǒng)的尺寸盡量小。查閱資料可知，OV5116的尺寸和OV 7930尺

86、寸相當(dāng)，OV7910的尺寸最大。對(duì)于無線內(nèi)窺系統(tǒng) ,如果傳感器視角方向跟內(nèi)窺系統(tǒng)軸向方向相同,則無線內(nèi)窺系統(tǒng)的最小內(nèi)徑是其對(duì)角線的距離 。因此如果采用OV7910，查得相關(guān)資料知其最小尺寸應(yīng)為201mm，如采用OV5116或者OV7930，則為161mm?？梢娋拖到y(tǒng)體積要求而言，后兩者更適合。由于知識(shí)及時(shí)間所限，所設(shè)計(jì)的內(nèi)窺系統(tǒng)應(yīng)該盡量簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，某些功能也不必要求，比如OV7910的圖像分量輸出功能，在本系統(tǒng)中可以忽略。綜合以上各

87、個(gè)方面，考慮選擇OV7930型號(hào)的CMOS模擬傳感器作為內(nèi)窺系統(tǒng)的圖像傳感器。下圖是OV7930芯片的接口功能圖。</p><p>　　圖3.6 OV7930示意圖</p><p>　　查閱資料，得知各引腳功能如下：</p><p>　　1—AGND：模擬地</p><p>　　2—AVDD：模擬電源</p><p>

88、;　　3—ABRT：自動(dòng)亮度控制ON/OFF</p><p>　　4—BKLT：背光選擇0：關(guān) 1：開</p><p><b>　　5—NC：沒有連接</b></p><p>　　6—VREQ：內(nèi)部電壓參考標(biāo)準(zhǔn)水平。用一個(gè)0.1μF的電容器連接到模擬地（模擬地線）</p><p>　　7—VRCHG：內(nèi)部參考電壓源。用一

89、個(gè)0.1F的電容器連接到模擬地（模擬電源）</p><p><b>　　8—NC：沒有連接</b></p><p><b>　　9—NC:沒有連接</b></p><p>　　10—CVO：2X標(biāo)準(zhǔn)的NTSC電視信號(hào)的復(fù)合視頻輸出</p><p>　　11—OVDD：用于視頻輸出的模擬電源（+5V)

90、</p><p>　　12—EVDD：模擬電源（+5V）</p><p>　　13—EGND:模擬地</p><p>　　14—SCCBE：SCCB接口使能信號(hào)，低電平有效</p><p>　　15—VPXONF/LF：有效像素檢測(cè)輸出。LP：運(yùn)動(dòng)圖像的時(shí)期，將初始PIN值供電鎖定為ON/OFF控制的垂直翻轉(zhuǎn)。0：關(guān) 1：開</p&g

91、t;<p>　　16—XCLK1：水晶時(shí)鐘輸入。14.31818HZ為NTSC</p><p>　　17—XCLK2：水晶時(shí)鐘輸出</p><p>　　18—DVDD：數(shù)字電源</p><p>　　19—DGND：數(shù)字地</p><p>　　20—FS1：幀同步信號(hào)輸入</p><p>　　21—GAMM

92、A：伽馬函數(shù)的ON/OFF 0：關(guān) 1：開</p><p>　　22—VHS/MIR：垂直/水平同步輸出，上電初始引腳值將鎖存作為鏡子ON/OFF控制功能。0：關(guān) 1：開</p><p>　　23—FODD/HGAIN：奇/偶場(chǎng)標(biāo)志和幀同步信號(hào)輸出。啟動(dòng)初始PIN值將被鎖定為AGC增益范圍控制。0：AGC增益1X-4X 1：AGC增益1X-8X</p><p&g

93、t;　　24—PWDN：掉電模式選擇 0：關(guān) 1：開</p><p>　　25—FASTB：AEC/AGC模式選擇。0：快速模式 1：普通模式</p><p>　　26—SIOC：SCCB的串行接口的時(shí)鐘</p><p>　　27—SIOD：SCCB的串行接口數(shù)據(jù)I/O</p><p>　　28—AWBIS：通電后，第一個(gè)高脈沖邊緣會(huì)觸發(fā)一

94、桿提單，系統(tǒng)執(zhí)行快速的運(yùn)單。</p><p>　　下面是本設(shè)計(jì)中所用到的幾個(gè)接口引腳。</p><p>　　AGND ：模擬地 </p><p><b>　　DGND：數(shù)字地</b></p><p>　　AVDD ：模擬電源（+5 VDC） </p><p>　　XCLK1和XCLK2：晶振引腳&

95、lt;/p><p>　　ABRT ：自動(dòng)亮度控制的ON / OFF </p><p>　　BKLT ：背光選擇，其中0表示關(guān)，1表示開 </p><p>　　NC - - 沒有連接 </p><p>　　VREQ ：內(nèi)部電壓參考標(biāo)準(zhǔn)水平。用一個(gè)0.1uF的電容器連接到模擬地 （模擬地線）。</p><p>　　VRCHG

96、 ：內(nèi)部參考電壓源。用一個(gè)</p><p>　　OV7930主要性能如下表所示：</p><p>　　表3.1 OV7930主要性能</p><p>　　3.2 OV7930外圍電路設(shè)計(jì)</p><p>　　一般而言，為了不使數(shù)字地上的噪聲流入到模擬地，而影響系統(tǒng)的正常工作，數(shù)字地和模擬地兩者應(yīng)該分別開來。但是考慮到本系統(tǒng)采用了模擬傳感器

97、，其數(shù)字信號(hào)的變化很小，即噪聲也小，不致于對(duì)模擬地產(chǎn)生很大的影響，因此數(shù)字地和模擬地可合在一起，這樣接線也比較方便。</p><p>　　對(duì)于晶振電路，采用所謂的“電容三點(diǎn)式”法連接。如圖，在 XCL K1 和 XCL K2 兩端同時(shí)并聯(lián)一個(gè)石英晶體和一個(gè)電阻 R(如 1 MΩ) ,在石英晶體的兩端再并聯(lián)兩個(gè)串聯(lián)的小電容 C1 、C2 ,在 C1 和 C2 相連處接地 。 </p><p&g

98、t;　　圖3.7 電容三點(diǎn)式接法</p><p>　　晶振電路各元件必須要選擇合適的參數(shù)，才能使圖像傳感器正常工作 ,并輸出正常的圖像 。查閱資料分析，本電路中的電阻R取值取1MΩ。如晶振電路沒有連接正確，而使其不能起振，或者頻率與圖像傳感器所要求的不符，都會(huì)導(dǎo)致圖像傳感器不能處于正常的工作狀態(tài)。</p><p>　　PCB板布局和電氣連線方向結(jié)構(gòu) 。合理的工藝結(jié)構(gòu)可消除因布線不當(dāng)而產(chǎn)生

99、的噪聲干擾 、保證系統(tǒng)可靠工作 , 同時(shí)便于制造時(shí)的安裝 、調(diào)試與檢修等 。圖像傳感器的 PCB 的線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中注意幾點(diǎn)原則 : ①走線盡量少拐彎 ,力求線條簡(jiǎn)單明了; 印刷電路中不允許有交叉電路 。②布線條寬窄和線條間距要適中, 電阻、電容等按照貼片元件的尺寸設(shè)計(jì) ,并保證足夠的強(qiáng)度和良好的工藝性。按照貼片元件 0603 規(guī)格布線 ,可以順利地在傳感器 相應(yīng)面積上的 PCB 版上完成布線 ,在后期元件焊接中也未發(fā)生焊盤過小、焊接困難

100、或焊盤脫落等現(xiàn)象。③元件的排列方位盡可能保持與原理圖相一致 ,布線方向最好與電路圖走線方向相一致 , 以便于后期 PCB 制造的過程中各參數(shù)的檢查 ,調(diào)試及檢修 。另外 ,各元件的排列、分布也要合理和均勻 ,力求整齊 ,美觀 ,符合結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓に囈蟆?lt;/p><p>　　下圖是OV7930的外圍電路接線圖。</p><p>　　圖3.8 OV7930外接電路圖</p>

101、<p>　　第四章 圖像無線傳輸模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的無線傳輸部分主要功能是將模擬圖像信號(hào)發(fā)送到人體外并進(jìn)行接收，然后解調(diào)出原始信號(hào)，本章詳細(xì)介紹該部分的設(shè)計(jì)工作。</p><p>　　4.1 無線傳輸技術(shù)的原理</p><p>　　首先介紹一下無線傳輸?shù)幕驹怼?lt;/p><p>　　一個(gè)導(dǎo)體如果載有高頻

102、電流，就有電磁能向空間輻射。電磁能是以波的形式向外傳播的，我們稱之為電磁波。高頻率的電流稱為載波電流后者簡(jiǎn)稱載波。這種頻率稱為載波頻率或者射頻。載有載波電流，使電磁能以電磁波的形式向空間發(fā)射的導(dǎo)體稱為發(fā)射天線。如果我們?cè)O(shè)法用某種信號(hào)（如音頻，視頻）控制這種載波電流則電磁能中就含有所要發(fā)送的音頻或視頻信息。這就是無線電信號(hào)的發(fā)送過程。在接收端，首先由接收天線將收到的電磁波還原為與發(fā)送端相似的高頻電流，然后經(jīng)過檢波，取出原來的信號(hào)波形，這就

103、完成了無線通信。下圖是無線通信系統(tǒng)的基本模型。</p><p>　　圖4.1 無線通訊的基本模型</p><p>　　無線傳輸子系統(tǒng)的功能是將采集到的圖像信息傳出人體，供體外的信號(hào)處理與儲(chǔ)存設(shè)備利用。</p><p>　　我們把原始的模擬圖像信號(hào)稱為基帶信號(hào)。通常來說，基帶信號(hào)不容易在傳輸?shù)慕橘|(zhì)中直接傳輸，一般需要在發(fā)射端將基帶信號(hào)的頻譜搬移到適合信道傳輸?shù)念l率范

104、圍，而在</p><p>　　接收端再將它們搬回原來的頻率范圍。</p><p>　　調(diào)制可以分為兩大類，用正弦高頻信號(hào)作為載波的正弦波調(diào)制和利用脈沖串構(gòu)成一組數(shù)字信號(hào)作為載波的脈沖調(diào)制。通常，正弦波調(diào)制又可以分為模擬（連續(xù)）調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩種。</p><p>　　所謂模擬調(diào)制就是指信號(hào)為連續(xù)的模擬信號(hào)；數(shù)字調(diào)制是調(diào)制信號(hào)為脈沖型的數(shù)字信號(hào)。對(duì)于脈沖調(diào)制，通常也分

105、為兩種方式：用連續(xù)型的調(diào)制信號(hào)去改變脈沖參數(shù)的脈沖型調(diào)制和用連續(xù)調(diào)制信號(hào)的數(shù)字化形式（通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換）去形成一些脈沖的脈沖編碼調(diào)制（脈沖數(shù)字調(diào)制）。</p><p>　　由于本設(shè)計(jì)無線傳輸子系統(tǒng)采用的是模擬調(diào)制技術(shù)，即將模擬圖像信號(hào)調(diào)制在高頻正弦波信號(hào)上。無線傳輸子系統(tǒng)的工作原理</p><p><b>　　天線</b></p><p>　　圖

106、4.2 天線接收端結(jié)構(gòu)框圖</p><p><b>　　輸出</b></p><p>　　圖4.3 無線接收端結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　前面已經(jīng)介紹到，無線傳輸子系統(tǒng)包括發(fā)送端和接收端兩部分。發(fā)送端由振蕩器，鎖相環(huán)，放大器等組成。接收端一般由一系列放大器，本振，鎖相環(huán)，混頻器等組成。由圖像傳感器輸出的圖像信號(hào)調(diào)制到高頻的載波上，經(jīng)射頻

107、放大器放大后經(jīng)由天線發(fā)射到周圍介質(zhì)中。接收端的天線從人體周圍的空氣介質(zhì)中感應(yīng)到電磁信號(hào)后，信號(hào)經(jīng)過放大，然后圖像信號(hào)被搬移到中頻，又進(jìn)一步完全解調(diào)。至此，圖像信號(hào)在接收端被恢復(fù)出來。</p><p>　　發(fā)送端是信息的產(chǎn)生來源，它同時(shí)將信息變換為電信號(hào)。根據(jù)信號(hào)源輸出信號(hào)的性質(zhì)不同，發(fā)信源可以分為模擬信號(hào)源和離散信號(hào)源。模擬信號(hào)源輸出幅度連續(xù)的信號(hào)，離散信號(hào)源輸出離散的符號(hào)序列或文字。模擬信號(hào)源可以通過信源編碼變

108、換多離散信源。隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，離散信源的種類和數(shù)量越來越多，得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　發(fā)送設(shè)備的作用是將信源產(chǎn)生的信息信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合于在信道中傳輸?shù)男畔?。它所要完成的功能很多，例如調(diào)制，濾波，放大，發(fā)射等。在數(shù)字通信系統(tǒng)中還要包括編碼和加密。這里要著重指出的是，調(diào)制在通信系統(tǒng)中所起的重要作用。由發(fā)信端發(fā)出的信號(hào)通常稱為基帶信號(hào)。它的特點(diǎn)是其頻譜從零頻附近開始延伸到某個(gè)通常小于幾兆赫的

109、有限值?；鶐盘?hào)可以直接在信道中傳輸。稱其為基帶傳輸（如直流電報(bào)，有線電話和有線廣播等）。雖然基帶傳輸系統(tǒng)是最簡(jiǎn)單的通信系統(tǒng)，但應(yīng)用場(chǎng)合有限。并且對(duì)信道的利用率不高。通常，大多數(shù)通信系統(tǒng)需要通過調(diào)制將基帶信號(hào)變換為更適合在信道中傳輸?shù)男问?，即頻帶信號(hào)。無線通信系統(tǒng)是用空間輻射方式來傳送信號(hào)。由天線理論可知：只有當(dāng)輻射天線的尺寸大于波長(zhǎng)的1/10時(shí)，信號(hào)才會(huì)被天線有效地發(fā)射。調(diào)制過程可將信號(hào)頻譜搬到任何需要的頻率范圍，使其易于以電磁波的形