基于TMS320DM368處理器的便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

周文光，王春飛，許新建，孔悅

廈門(mén)大學(xué)附屬成功醫(yī)院（中國(guó)人民解放軍第一七四醫(yī)院），福建 廈門(mén)361003

基于TMS320DM368處理器的便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

周文光，王春飛，許新建，孔悅

廈門(mén)大學(xué)附屬成功醫(yī)院（中國(guó)人民解放軍第一七四醫(yī)院），福建 廈門(mén)361003

目的設(shè)計(jì)一種便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)的控制電路。方法以TMS320DM368處理器為主控制器，嵌入式Linux為操作系統(tǒng)，利用MT9P301圖像傳感器采集圖像。通過(guò)視頻輸入及輸出電路、存儲(chǔ)單元電路、按鍵顯示電路、LED照明電路、WIFI電路等把獲得的圖像顯示在LCD上，并通過(guò)WIFI同步顯示在HDTV上。系統(tǒng)采用鋰電池進(jìn)行供電，并可通過(guò)市電或太陽(yáng)能進(jìn)行充電。結(jié)果經(jīng)過(guò)臨床測(cè)試，該電路可實(shí)現(xiàn)內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)圖像的拍攝、縮放、存儲(chǔ)、傳輸?shù)裙δ?。結(jié)論電路性能穩(wěn)定，功耗低、自我續(xù)航能力強(qiáng)，可滿足便攜式內(nèi)鏡視頻系統(tǒng)的運(yùn)需求。

內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)；TMS320DM368處理器；電源管理電路；視頻輸入電路；視頻輸出電路

0 前言

內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)作為常見(jiàn)的醫(yī)療設(shè)備，廣泛運(yùn)用于門(mén)診檢查、各種內(nèi)窺鏡臨床手術(shù)中[1]。傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)主要由監(jiān)視器、各種軟硬鏡、攝像頭、導(dǎo)光束、數(shù)字信號(hào)處理器、獨(dú)立的冷光源等通過(guò)臺(tái)車(chē)組合而成，整個(gè)系統(tǒng)龐大笨重，不適用于耳鼻喉科的一些小型內(nèi)窺鏡手術(shù)；在機(jī)動(dòng)醫(yī)療和野戰(zhàn)醫(yī)療中，醫(yī)務(wù)人員在使用前要連接各種數(shù)據(jù)線，使用效率低；離開(kāi)市電無(wú)法工作[2]。

基于上述情況，我院針對(duì)便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種控制電路，把電源管理電路、視頻輸入電路、視頻輸出電路、存儲(chǔ)單元電路、冷光源電路等和液晶顯示器進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，集成在內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)手持主機(jī)上。整個(gè)電路外觀尺寸小，重量輕；采用高分子散熱材料，散熱及時(shí)，系統(tǒng)溫度穩(wěn)定，電路性能穩(wěn)定；液晶顯示屏為3.5英寸LCD，支持JPG格式的圖片和H.264格式的視頻，數(shù)據(jù)壓縮比高，可通過(guò)USB2.0和HDMI接口轉(zhuǎn)移圖片至外接顯示器上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療；存儲(chǔ)介質(zhì)為Micro SD卡，最大支持32 GB。整個(gè)內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)功耗僅為6 W，采用可充電鋰聚合物電池，額定電壓為3.7 V，容量為1200 mAh，可連續(xù)工作＞4 h，并可采用市電或太陽(yáng)能進(jìn)行充電，非常適合機(jī)動(dòng)醫(yī)療和野戰(zhàn)醫(yī)療[3]。

1 電路設(shè)計(jì)過(guò)程

系統(tǒng)采用的數(shù)字多媒體處理器為集成了DSP和ARM9雙核結(jié)構(gòu)的TMS320DM368，可通過(guò)DSP處理音頻和視頻編碼，ARM9處理非成像功能。TMS320DM368的CMOS可編程接口便于處理CMOS數(shù)據(jù)，且?guī)в蓄A(yù)覽引擎，能夠?qū)MOS數(shù)據(jù)的圖像進(jìn)行增強(qiáng)，且能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)白平衡和各種尺寸的縮放功能[4]?？刂齐娐房驁D，見(jiàn)圖1。

圖1 控制電路框圖

1.1 電源管理電路

電源管理芯片采用TPS70302，支持雙通道輸出，回動(dòng)電壓低，穩(wěn)定性高；+3.3 V穩(wěn)壓芯片采用TPS76318[5]。市電經(jīng)過(guò)整流變壓輸出+5 V的電壓，加在PCOMS開(kāi)關(guān)管Q8000，當(dāng)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)JSW8000在1和2之間撥動(dòng)時(shí)，Q8000的1腳為低電平，則2腳和3腳導(dǎo)通，再經(jīng)過(guò)電容和電感濾波輸出穩(wěn)定的+5 V電壓，供給其他電路。+5 V控制電路圖，見(jiàn)圖2。

通過(guò)+5 V供電，將電容C8001和C8002加到TPS70302的VIN1A、VIN1B和VIN2A、VIN2B端，輸出端VOUT1A和VOUT1B相接經(jīng)R8010和R8013分壓、C8006濾波輸出+1.8 V的電壓用于供電處理器供電；輸出端VOUT2A和VOUT2B相接經(jīng)R8011和R8012分壓、各種電容濾波后輸出+3.3 V，用于視頻芯片供電，VSENSE2端采集電壓進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。供電電路圖，見(jiàn)圖3。

為了避免各個(gè)芯片供電間相互干擾，采用低穩(wěn)壓芯片TPS76318穩(wěn)壓輸出+3.3 V電壓，用于內(nèi)存處理芯片供電[6]。內(nèi)存處理芯片供電電路圖，見(jiàn)圖4。

針對(duì)野戰(zhàn)醫(yī)療的特殊環(huán)境，為了提高整個(gè)視頻系統(tǒng)的便攜性，本系統(tǒng)采用1200 mA鋰電池進(jìn)行供電，可以讓整個(gè)系統(tǒng)在無(wú)市電的情況下連續(xù)工作＞4 h?？梢酝ㄟ^(guò)市電進(jìn)行整流變壓輸出+5 V電壓為鋰電池充電，也可以通過(guò)USB接口為鋰電池供電和充電[7]，還可以通過(guò)太陽(yáng)能電池板和太陽(yáng)能適配器為鋰電池進(jìn)行太陽(yáng)能充電。USB充電電路圖，見(jiàn)圖5。

圖2 +5 V控制電路圖

圖3 供電電路圖

圖4 內(nèi)存處理芯片供電電路圖

圖5 USB充電電路圖

1.2 視頻輸入電路

視頻輸入電路采用的圖像傳感器為MT9P301，具有500萬(wàn)像素，輸出12 bit的Bayer RGB格式數(shù)據(jù)，體積小、重量輕、工作電壓低、抗沖擊與震動(dòng)強(qiáng)、性能穩(wěn)定且響應(yīng)速度快。CMOS供電電路采用的主芯片是直流-直流轉(zhuǎn)化器MAX685，其LXN端經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓管D13000輸出+15 V電壓，F(xiàn)BN端經(jīng)R13005和電位器VR13001輸出-7.5 V電壓。+5 V電壓經(jīng)過(guò)最低壓降穩(wěn)壓器TPS7133，通過(guò)P0口經(jīng)R13008、電感LC13000輸出+3.3 V電壓。COMS供電電路圖，見(jiàn)圖6。

1.3 視頻輸出電路和按鍵電路

視頻輸出采用的是3.5英寸的LCD，分辨率為480×640，采用+5 V供電。視頻輸出接口電路圖，見(jiàn)圖7。

圖6 COMS供電電路

圖7 視頻輸出接口電路圖

按鍵顯示電路開(kāi)關(guān)管采用PCMOS管，當(dāng)SW7001按下時(shí)，LED2輸出高電平，PCMOS管Q7000導(dǎo)通，LED7000亮；同理，當(dāng)SW7002按下時(shí)，LED7001亮；當(dāng)SW7003按下時(shí)，LED7002亮。按鍵顯示電路圖，見(jiàn)圖8。

圖8 按鍵顯示電路圖

1.4 存儲(chǔ)電路和視頻解碼電路

存儲(chǔ)電路采用的芯片為K4S281632C，采用3.3 V供電，抗噪能力強(qiáng)。視頻解碼電路采用的芯片為T(mén)VP5051，功耗超低，支持NTSC/PAL/SECAM等格式的高性能視頻解碼器，且功耗僅為115 mW[8-9]。

1.5 WIFI模塊電路

WIFI模塊電路采用的芯片為RTL8192，可提供圖像無(wú)線傳輸功能，具有符合IEEE 802.11n規(guī)范的無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）的USB 2.0網(wǎng)絡(luò)接口控制器，具有可設(shè)置的雙MAC功能,支持2T2R基帶和2.4 GHz/5 GHz頻段，采用802.11i和802.11e標(biāo)準(zhǔn)的WAPI（無(wú)線局域網(wǎng)認(rèn)證保密基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)），安全性高，傳輸率可達(dá)54 Mb/s[10]。

2 系統(tǒng)操作方法

基于TM320DM368處理器的便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)的電路操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、性能參數(shù)優(yōu)越。整體設(shè)計(jì)圖，見(jiàn)圖9。

圖9 便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖

便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)的操作方法：在關(guān)閉狀態(tài)下，按下電源開(kāi)關(guān)鍵開(kāi)啟視頻系統(tǒng)，在LCD上顯示拍攝界面，通過(guò)光學(xué)接口連接所需的各種內(nèi)窺鏡；拍照時(shí)選擇拍照按鍵，要錄像時(shí)選擇視頻按鍵；按下旋轉(zhuǎn)按鈕進(jìn)入圖像處理界面，通過(guò)旋轉(zhuǎn)按鈕可以選擇曝光參數(shù)，觀看拍攝圖像。MICROSD卡接口用來(lái)放置MICROSD卡，最高擴(kuò)展內(nèi)存為32 G，用來(lái)存放圖像。照明單元接口用來(lái)連接LED燈，給內(nèi)窺鏡提供光源。USB2.0接口可用于圖像導(dǎo)出或系統(tǒng)充電。

3 臨床測(cè)試

便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)已在30例門(mén)診檢查患者、30例住院部會(huì)診檢查患者、20例耳鼻喉等科室小型內(nèi)窺鏡手術(shù)患者的診斷中得以應(yīng)用，醫(yī)務(wù)人員反映良好。整個(gè)主機(jī)性能穩(wěn)定、運(yùn)行速度快、功耗低，所得圖像清晰，各項(xiàng)參數(shù)優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

4 小結(jié)

基于TM320DM368處理器的便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)控制電路，實(shí)現(xiàn)了視頻系統(tǒng)的運(yùn)行，圖像拍攝、存儲(chǔ)、傳輸?shù)裙δ埽阅芊€(wěn)定，功耗低，自我續(xù)航能力強(qiáng)，可滿足機(jī)動(dòng)醫(yī)療和野戰(zhàn)醫(yī)療的需求。

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Circuit Design of the Portable Endoscope Video System Based on TMS320DM368 Processor

ZHOU Wen-guang, Wang Chun-fei, XU Xin-jian, KONG Yue
Chenggong Hospital Affiliated to Xiamen University (The 174thHospital of PLA) , Xiamen Fujian 361003, China

ObjectiveTo design a control circuit for the portable endoscope video system.MethodsThe control circuit which can collect images through MT9P301 imaging sensor was designed with TMS320DM368 processor as its main controller and embedded Linux as its operating system. Then the collected images would be displayed on LCD through video input circuit, video output circuit, memory circuit, key display circuit, LED lighting circuit, WIFI circuit and then would be displayed synchronously in HDTV through WIFI. The video system whose power supply was a lithium battery can be powered through electric supply or solar energy.ResultsClinical tests proved that various functions including image shoot, image resizing, image storage and image transmission of endoscope video system can be implemented with the control circuit.ConclusionThe circuit with stable performance, low power dissipation and long battery life can meet the using requirements of the portable endoscopic video system.

endoscope video system; TMS320DM368 processor; power management circuit; video input circuit; video output circuit

TH776；TP273

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.07.009

1674-1633(2014)07-0029-03

2013-09-06

2013-11-04

本文作者：周文光，主任技師。

孔悅，副主任護(hù)師。

作者郵箱：zhouwgsun@126．com