1、 引言

隨著醫療診斷儀器小型化、便攜化的進程，高性能32位微處理器正在越來越多地應用于各類小型醫療影像設備中，但是如何利用這些微處理器傳送和處理實時圖像，卻是一個丞待解決的問題。從ARM 7系列開始，ARM處理器就集成了CMOS（Complementary Metal Oxide SemiConductor）圖像傳感器接口，這為解決上述問題提供了可能。處理器可以通過CMOS圖像傳感器接口適應不同的CMOS圖像傳感器。通過CMOS接口，圖像數據將被送入到系統的CMOS圖像通道中。CMOS圖像通道為CMOS圖像傳感器接口與系統AHB（Advanced High peRFormanceBus）總線之間的連接通路，由CSI （CMOS Sensor Interface）和PRP（Pre-Processor）組成。該通道專門用于高速圖像傳輸，提供了多種圖像格式輸入和傳輸方式，并能在通道內進行顏色空間變換、窗體調整等多種操作，是診斷圖像以及其他圖像應用傳輸的理想通道。

本文討論了一種基于32位微處理器ARM9E和嵌入式Linux的便攜式超聲診斷儀的解決方案。系統以CMOS圖像通道為診斷網像的傳輸通道，將采集的超聲圖像信息送人系統總線，在嵌入式Linux操作系統平臺上，實現了診斷圖像的實時顯示和靜態圖像的大容量非易失性存儲，所實現的診斷系統不僅功能強大、擴展容易，而且還兼顧了小型化的需求。

2、 系統構架

本文設計的便攜式超聲診斷儀系統結構如圖l所示。用戶通過輸入設備向系統輸入控制命令，完成超聲圖像的采集、顯示、保存等相關處理。當執行掃描命令時，系統通過串口向以FPGA為核心的超聲圖像采集模塊發送圖像采集命令，控制超聲探頭掃描驅動電路和信號發射接收電路同步動作。接收的超聲信號在超聲圖像采集模塊中經放大、模數轉換后送人FPGA，完成數字掃描變換（DCS）和插值運算后，得到二維的B超圖像信息。將該圖像信息進行格式轉換后通過ARM芯片CMOS接13送人控制系統，經圖像通道傳輸后，完成在LCD（Liquid Crystal Display）上的實時顯示，同時可拔插的大容量SD（Secure Digital Memory Card）卡可對所需的圖像進行保存。保存的圖像信息可以進行離線處理，比如打印、電影回放、遠程瀏覽等。

3、 系統硬件設計

3．1硬件框圖

本設計選用以ARM926EJ-S為內核的Freescale i.MX21作為處理器，控制系統的硬件框俐如圖2所示，系統是以ARM處理器為核心，外加兼容的硬件外設。超聲采集模塊完成圖像的采集和傳入，LCD把傳人的圖像信息實時的顯示出來，通過SD卡把大量的圖像數據保存起來以便后期處理。通過外加USB HUB。可將鼠標、鍵盤、打印機接入系統。本地儲存的診斷圖像數據可以通過快速以太網控制處理器DM9000送入網口，通過以太網實現遠程瀏覽。

3.2 CMOS圖像通道

本控制系統CMOS圖像通道框圖如圖3所示，超聲圖像數據的傳入利用i．MX21芯片的CMOS圖像傳感器接口來實現。該接口支持的圖像數據類型包括RGB565、RGB888、YUV422、YUV444等。不同類型的圖像數據在CMOS口經過CSI 8位采樣后，封裝成32位圖像數據送人CSI RxFIFO。CSI RxFIFO中的圖像數據根據類型的不同，送顯和存儲的硬件和軟件實現方法也是不同的。

（1）若類型為RGB565，且圖像窗體不需要調整（顯示設備單一）。圖像數據可以通過DMA通道直接傳送到顯示緩沖區，如圖3中通道①；

（2）若類型為RGB565，且圖像窗體需要調整（顯示設備多樣化），圖像數據則需要經過前處理器（PRPl，在PRP中調整圖像大小送入顯示緩沖區，如圖3中通道②；

（3）若類型為YUV422，圖像數據則需要經過PRP，在PRP中調整圖像大小并轉換成合適的顏色空間后送人顯示緩沖區，如圖3中通道②；

（4）若類型為YUV444、RGB888，圖像數據則需通過軟件編程實現圖像數據的顏色處理和轉換后送入PRP調整窗體，最后送入顯示緩沖區，如圖3中通道③。

本設計為使LCD接口輸出的圖像兼容QVGA、VGA、SVGA、XGA等尺寸的顯示屏，且兼顧圖像傳輸的速率、圖像顯示的質量，我們使用RGB565格式，選用罔3中通道②。因此需將超聲圖像采集模塊所采集的圖像信息構造為RGB565格式，故CMOS接口輸入的罔像信息時序圖如圖4所示。

圖中Vsync是場I司步信號，Hsync是水平同步信號，Pixelk是象素數據輸入同步信號，D ［7：0］為象素數據信號。Vsync和Hsync為低電平時即可開始有效圖像數據的輸入，Pixelk上升沿的到來則表明進行數據輸入，Pixelk的一個周期將完成一個圖像數據字節的輸入。在傳輸一幀圖像過程中，即Vsync的一個周期內，Hsync會出現H次（H為行數）高電平。在Hsync的一個周期內，Pixelk將出現W*Pixelbytes次（W為列數，Pixelbytes為每象素占用字節數）高電平。而下一個Vsync信號上升沿的到來則表明一幀分辨率為W*H的圖像輸入過程的結束。

CSI RxFIFO中的圖像數據送入PRP進行窗體調整后，通過AHB（Advanced High peRFormance Bus）進入內存，PRP窗體的調整通過設置PRP控制寄存器實現。

3．3圖像顯示及保存

FrameBuffer是Linux為顯示設備提供的一個接口，它是顯存抽象后的一種設備．對該設備進行讀／寫則可直接對顯存進行操作。通過驅動程序可為FrameBuffer在文件系統中創建一個設備文件fb0，用戶要完成對FrameBuffer的圖像輸入，只需完成對fb0圖像的寫入操作。當LCDC（LCD Controller）中的Pixel FIFO為空或者部分為空時，LCDC要求從基于突發傳輸模式的FrameBuffer中取要顯示的圖像數據。當LCDC的傳輸請求被存儲控制器中過的總線仲裁器接收并確認后，FrameBuffer中的圖像數據將通過專用的DMA通道送入Pixel FIFO，然后經過字節翻轉、背景前景圖像合成后通過LCDC邏輯接口直接送入LCD顯示屏接口。

通過MMC／SD接口可將SD卡接入控制系統，利用驅動程序將SD卡掛載在文件系統中。用戶可以編寫應用程序將內存中的圖像數據保存在SD卡中，也可將SD卡中的圖像數據讀入到內存中。

4、 系統軟件設計

本控制系統是基于上述硬件平臺和嵌入式Linux操作系統開發設計的。首先在硬件平臺上實現嵌入式Linux操作系統內核和文件系統的移植，并實現對外設硬件的底層驅動。應用程序采用模塊化設計，其中功能模塊設計主要包括GUI（Graphical User Interface）和WebServer程序設計，應用模塊主要包括采集模塊子程序，LCD顯示模塊子程序，打印模塊子程序，SD卡存儲子程序，以太網傳輸子程序等。本文重點對罔像通道相關程序做出論述。

如圖3，設計CSI RxFIFO中的圖像數據通過專用總線通道②送人PRP，DMA通道①被內部邏輯控制器關斷。因此在CSI和PRP的驅動程序中，CSI和PRP的初始化代碼應作如下修改：

CSI初始化：

* （uint32_t *）GPIOB_GIUS &= ~0x3FFC00; //關斷DMA通道

*（uint32_t *） CSI_CSICR1 |= 0x2; //圖像數據上升沿觸發

*（uint32_t *） CSI_CSICR1 |= 0x80; //大端格式

*（uint32_t *） CSI_CSICR1 |= 0x10000000; //PRP使能

PRP初始化：

*（uint32_t *）CRM_PCCR0 |= 0x8008000; //PRP時鐘使能

*（uint32_t *）EMMA_PRP_CNTL |=0x10000; //PRP復位

*（uint32_t *）EMMA_PRP_INTRCTRL = 0x00000000; //關中斷

*（uint32_t *）EMMA_PRP_SPIX_FMT = 0x2CA00565; //RGB565格式數據輸入

*（uint32_t *）EMMA_PRP_SFRM_SIZE = 0x028001E0; //輸入圖像窗體為640 x 480

*（uint32_t *）EMMA_PRP_DISIZE_CH1=0 x028001E0; //輸出圖像窗體為640 x 480

*（uint32_t *）EMMA_PRP_DPIX_FMT = 0x2CA00565; //RGB565格式數據輸出

*（uint32_t *）EMMA_PRP_DLST_CH1 = 0x00000280; //行步為640

本設計初始安裝分辨率為640 x 480的LCD．如上設置初始化后，圖像數據將由CSI RxFIFO進入PRP處理。為了使上層用戶在不改變設備文件的前提下，直接利用CSI設備文件描述符，采用如下代碼將CSI設備文件的虛擬地址映射為PRP輸出的物理地址，用戶就可以直接從CSI設備文件中讀取經PRP處理后的圖像數據。

if （（csi_data_buf = （U32 *）__get_free_pages（GFP_KERNEL， 8））） {

prp_buf_phy_addr = virt_to_phys（（void *） csi_data_buf）;

printk（“Buffer start： 0x%08x， PRP addr： 0x%08x ”， （int） csi_data_buf， （int）prp_buf_phy_addr）;

} else {

printk （“ERROR： cannot allocate buffer memory for driver ！ ”）;

return -1; }

通過如上驅動程序的修改，用戶就可以編寫應用程序實現對PRP處理后的圖像數據進行送顯和存儲。應用程序的程序概圖如圖5所示：

5、測試結果

本文設計的控制系統經測試，診斷圖像實時顯示的幀率可以達到20‰，大于便攜式B超圖像10幀／s的幀率要求．且LCD觀察圖像畫面清晰。采用RGB565格式的標準位圖保存診斷圖像信息，每張圖片的數據大小為：

640 * 480 * （5+6+5）／8=614400 bytes

使用1G的SD卡作為外部存儲設備，可以存儲1747張診斷圖片。完全滿足便攜式診斷設備的要求和實際診斷情況的需要。

6 、結論

本設計采用ARM9E為核心的Freescale i.MX21芯片作為便攜式超聲診斷儀中央處理器，利用其內置的CMOS圖像傳感器通道，將超聲圖像采集模塊輸入的圖像信息實時的顯示出來，并根據需要對顯示的圖像進行保存。經測試，該控制系統工作穩定可靠，滿足了常規的診斷需要，具有較高的實用價值。

本文作者創新點：本文采用的專用高速CMOS圖像傳輸通道將超聲診斷圖像輸入控制系統并進行處理。在軟硬件都滿足需求的基礎上給出了詳細的設計實現，說設計的系統在診斷圖像的顯示幀率、顯示畫面清晰度方面都達到了很好的效果。為同類系統設計、升級和改進打下了良好的基礎。

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