文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.03.019
中文引用格式： 鄭志波，江貴平. 基于USB3.0高清內窺鏡攝像系統的設計[J].電子技術應用，2016，42(3)：67-70.
英文引用格式： Zheng Zhibo，Jiang Guiping. Design of high-definition endoscopic camera system based on USB3.0[J].Application of Electronic Technique，2016，42(3)：67-70.
0 引言
隨著微型圖像傳感器和成像技術的不斷發展，人們對內窺鏡攝像系統的圖像質量、傳輸速度和攜帶方便的要求越來越高，而國內內窺鏡由于沒有掌握微型傳感器的核心技術和控制電路核心技術，發展相對緩慢。因此，研究具有高圖像分辨率、傳輸超速的內窺鏡攝像系統具有十分重要的現實意義。浙江大學姚陳昀等人設計了基于USB接口的高清電子內窺鏡系統[1]，其采用的是SXGA作為圖像傳感器以及USB2.0作為數據傳輸接口，但是由于其采集到的圖像數據是經過壓縮的且傳輸速度較慢而無法滿足當前內窺鏡攝像系統對圖像質量和數據傳輸速度的需要。因此，本文采用Cypress公司的CYUSB3065作為EZ-USB CX3橋接控制器的主芯片以及OmniVision公司的OV5640作為圖像傳感器的主芯片設計了一種基于USB3.0接口的高清內窺鏡攝像系統。系統具有低價高性能便攜等特點，同時可以滿足鄉鎮醫療機構或第三世界醫療機構的需要。
1 攝像系統總體設計
本設計主要由電源管理系統、圖像采集與圖像處理系統和USB3.0傳輸系統三大模塊組成。攝像系統的總體框圖如圖1所示。電源管理系統是為各個模塊提供不同的電壓；圖像采集與圖像處理系統是通過攝像頭采集并獲取需要的視頻圖像數據，實現對攝像頭各種參數的設置；USB3.0傳輸系統是將經過處理系統的圖像數據轉化為符合USB視頻類（USB Video Class，UVC）協議格式的數據，并通過USB3.0接口傳輸給PC機。與其他總線接口相比，USB3.0具有很好的適應性，且不需要考慮接口的兼容性。由于采用了UVC協議，使得本系統能實現設備的免驅，這也是USB最突出的優勢[2]。
2 攝像系統硬件設計
2.1 圖像采集與圖像處理系統的設計
本設計采用OV5640作為圖像采集與圖像處理系統的核心芯片。OV5640是一個高清CMOS圖像傳感器，它既能進行圖像采集也能進行圖像處理，且具有靈敏度高、串擾低、噪音低、圖像清晰度高、視頻捕捉功能強等優點，此外，為了使醫生能更清楚地觀察內窺鏡下圖像的細節信息，還要求采集到的圖像是無損非壓縮的，這些都是本設計選用此芯片的原因。
OV5640的內部結構如圖2所示[3]。當圖像傳感器通電后，定時發生器會輸出固定時鐘信號來訪問圖像行陣列，之后被采樣的像素數據通過放大器校正偏移量并與相應的增益相乘，得到的數據經模數轉換后將模擬信號轉化為數字信號。從圖像傳感器核心模塊(即經過ADC轉換后)出來的數字信號經過校正、去噪、自動對焦、白平衡等處理后，進入圖像輸出接口，由移動行業處理器接口（Mobile Industry Processor Interface，MIPI）輸出串行圖像數據，并與EZ-USB CX3橋接控制器的MIPI CSI-2接口相連接。
2.2 USB3.0傳輸系統的設計
EZ-USB CX3橋接控制器主要用于數字攝像頭、醫療成像設備和USB顯微鏡等設備中。本設計使用EZ-USB CX3橋接控制器來進行圖像數據傳輸，主要采用以下主要特性來實現攝像系統：支持5 Gb/s USB3.0 PHY；MIPI CIS-2接口支持4個數據通道且每個通道支持1 Gb/s，完成與圖像傳感器的配置；支持UYVY視頻數據格式；連接時鐘頻率為400 kHz的I2C外設與UART外設。與USB2.0接口相比，USB3.0接口的數據傳輸速率理論值可達5.0 Gb/s，采用的是全雙工、四線差分信號數據傳輸，此外除了有2個用于USB2.0數據傳輸信號外，還有4個用于超速數據傳輸信號[4]。基于以上幾點原因，選用CYUSB3065作為EZ-USB CX3橋接控制器主芯片來設計高清內窺鏡攝像系統。USB3.0傳輸模塊系統框圖如圖3所示[5]。
2.2.1 MIPI CSI-2 接口的設計
由于攝像機的應用比較復雜，因此對圖像傳感器要求更高的分辨率。該要求會加大并行圖像傳感器的極限值，而這些接口難以擴展，并需要多個互聯。因此，MIPI協會定義了攝像機串行接口2（CSI-2）標準，以便提供功能強大、功耗低、抗干擾好且高速的標準串行接口解決圖像傳感器分辨率的問題。
MIPI CSI-2 接口是一個既能傳輸數據信號也能傳輸時鐘信號的單向差分串行接口，每次可以傳輸4個數據通道和1個時鐘通道，且數據傳輸速率可達到1 Gb/s[6]。在本設計中，MIPI CSI-2控制器主要負責將圖像傳感器與CX3連接，并從該器件上讀取數據。因圖像傳感器OV5640提供2-lane MIPI數據傳輸[7]，所以本文只選取了EZ-USB CX3 MIPI 的2-lane模式傳輸圖像數據。
在配置完成后，MIPI CSI-2控制器將來自圖像傳感器的串行圖像數據分解，然后將其轉換成并行數據，再通過并行接口發送該數據。此接口提供下面幾個信號[8]：HREF，行有效；VSYNC，幀有效；PCLK，像素時鐘；DATA，圖像數據的16個數據線。
2.2.2 GPIF II和DMA模塊的設計
GPIF II模塊使用了一個狀態機讀取MIPI CSI-2控制器的并行接口輸出的視頻數據，DMA模塊展示數據輸入和輸出方式。
由于MIPI CSI-2 RX接口是一種沒有流量控制的接口，在插座填充或清除DMA緩沖區后會有一個時間延遲（多至幾μs），所以通過使用多個GPIF線程來解決延遲問題。GPIF模塊有4個線程，但每次只能是其中一個線程可以傳輸數據。在既解決延遲問題又不浪費線程情況下，本文選取了2個線程。使用計數器來跟蹤讀入插座的數據量，當計數器的值達到極限值（8183），線程就會進行切換。計數器值的設置如下：DMA緩沖區的大小為8 184個16位字節，數據總線的寬度為16位，根據式(1)可知DMA緩沖區的計數器的數值設為8 183。
2.3 電源管理系統的設計
本文選用的USB3.0_MICRO-B接口除了能夠超速傳輸數據外，還為整個系統提供電源來源。其硬件電路如圖4所示，其引腳VBUS最大輸入電壓為6 V，經過2 A降壓型DC/DC轉換芯片XC9243后，分別得到3.3 V、2.8 V、1.8 V、1.5 V、1.2 V工作電壓。
根據芯片XC9243提供的輸出電壓值與反饋電阻之間的關系式(2)，可得出各種所需提供的工作電壓值如表1所示。
3 攝像系統軟件設計
軟件設計主要包括圖像采集與圖像處理系統驅動程序的設計和USB3.0傳輸控制的設計。CX3固件是固化在芯片CYUSB3065內部的程序代碼，主要負責控制和協調集成電路的功能以及響應上位機請求命令。
3.1 圖像采集系統驅動程序的設計
在完成硬件設計后，要能夠獲取圖像數據就必須進行軟件驅動設計，在驅動中需要通過I2C接口對圖像傳感器OV5640實現控制。首先對I2C接口模塊進行初始化并加載好所需的數據，然后對I2C的WR、RD等接口進行定義且等候圖像傳感器的驅動。在驅動完成之后，再通過I2C接口對整個OV5640進行初始化。
3.2 CX3固件架構設計
CX3固件包括CX3硬件模塊的初始化，圖像傳感器OV5640和MIPI CSI-2控制器的配置，器件的枚舉，UVC特定請求的處理，通過I2C接口將視頻控制設置傳輸給圖像傳感器，在視頻數據流中添加UVC頭數據以及將帶有頭數據的視頻數據提交給USB等內容。其設計構架如圖5所示。
主程序main函數是程序運行的入口，主要用于啟動CX3器件及實時操作系統（Real-Time Operating System，RTOS）內核，設置緩存以及配置CX3的I/O口。函數CyU3PdeviceInit用來初始化CX3器件，如果初始化成功，就用函數CyU3PdeviceCacheControl初始化CPU緩存（I-cache）；如果不成功則報錯，重新初始化CX3器件。在配置成功后，函數CyU3PkernelEntry將初始化RTOS。啟動RTOS，在函數CyFXApplicationDefine中創建線程，實現圖像傳感器OV5640和MIPI CSI-2控制器之間的交互。本設計創建了一個UVC_app_thread應用線程，接收圖像傳感器的串行數據。
4 結論
本文第2節和第3節完成了整個系統的硬件設計和軟件設計，圖6所示為從內窺鏡攝像系統（Endoscopic Camera System，ECS）媒體播放器軟件中截取的圖片，通過對亮度、對比度、色調、飽和度、清晰度、伽馬、白平衡的設置，可以獲取所需要的圖像清晰度。
內窺鏡攝像系統的結構小巧玲瓏，重量輕，非常方便攜帶。通過對內窺鏡攝像系統軟硬件的設計以及相應的調試，設計的這款攝像系統能夠獲取全高清的圖像、數據傳輸速度快，成本低廉，攜帶方便。就目前國內醫療器械發展狀況來看，該攝像系統的實現具有很強的實用價值以及很理想的經濟效益。
參考文獻
[1] 姚陳昀．基于USB接口的高清電子內窺鏡系統設計[D].杭州：浙江大學光電信息工程學院，2014.
[2] 殷開亮．基于UVC協議的USB3.0圖像采集系統設計[D].蘇州：蘇州大學電子與通信工程學院，2014.
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[4] Zhou Shilei，Guan Yalin，Tang Xinkun.Signal integrity analysis of high-speed signal connector USB3.0[J]．Advanced Materials Research，2013，760-762，320-324.
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[6] MIPI Alliance Specification for Camera Serial Interface 2(CSI-2)/DataSheet[M].MIPI Alliance Inc.，2009.
[7] OV5640 1/4‘’ color CMOS QSXGA(5 megapixel) image sensor /DataSheet[M].OmniVision Technologies Inc.，2011.
[8] Cypress.How to interface a MIPI CSI-2 image sensor with EZ-USB CX3[DB/OL].http：//www.cypress.com/documentation/application-notes，2015.10.14/2015.11.13.