文献标识码：A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.03.019
中文引用格式：郑志波，江贵平. 基于USB3.0高清内窥镜摄像系统的设计[J].电子技术应用，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
随着微型图像传感器和成像技术的不断发展，人们对内窥镜摄像系统的图像质量、传输速度和携带方便的要求越来越高，而国内内窥镜由于没有掌握微型传感器的核心技术和控制电路核心技术，发展相对缓慢。因此，研究具有高图像分辨率、传输超速的内窥镜摄像系统具有十分重要的现实意义。浙江大学姚陈昀等人设计了基于USB接口的高清电子内窥镜系统[1]，其采用的是SXGA作为图像传感器以及USB2.0作为数据传输接口，但是由于其采集到的图像数据是经过压缩的且传输速度较慢而无法满足当前内窥镜摄像系统对图像质量和数据传输速度的需要。因此，本文采用Cypress公司的CYUSB3065作为EZ-USB CX3桥接控制器的主芯片以及OmniVision公司的OV5640作为图像传感器的主芯片设计了一种基于USB3.0接口的高清内窥镜摄像系统。系统具有低价高性能便携等特点，同时可以满足乡镇医疗机构或第三世界医疗机构的需要。
1 摄像系统总体设计
本设计主要由电源管理系统、图像采集与图像处理系统和USB3.0传输系统三大模块组成。摄像系统的总体框图如图1所示。电源管理系统是为各个模块提供不同的电压；图像采集与图像处理系统是通过摄像头采集并获取需要的视频图像数据，实现对摄像头各种参数的设置；USB3.0传输系统是将经过处理系统的图像数据转化为符合USB视频类（USB Video Class，UVC）协议格式的数据，并通过USB3.0接口传输给PC机。与其他总线接口相比，USB3.0具有很好的适应性，且不需要考虑接口的兼容性。由于采用了UVC协议，使得本系统能实现设备的免驱，这也是USB最突出的优势[2]。
2 摄像系统硬件设计
2.1 图像采集与图像处理系统的设计
本设计采用OV5640作为图像采集与图像处理系统的核心芯片。OV5640是一个高清CMOS图像传感器，它既能进行图像采集也能进行图像处理，且具有灵敏度高、串扰低、噪音低、图像清晰度高、视频捕捉功能强等优点，此外，为了使医生能更清楚地观察内窥镜下图像的细节信息，还要求采集到的图像是无损非压缩的，这些都是本设计选用此芯片的原因。
OV5640的内部结构如图2所示[3]。当图像传感器通电后，定时发生器会输出固定时钟信号来访问图像行阵列，之后被采样的像素数据通过放大器校正偏移量并与相应的增益相乘，得到的数据经模数转换后将模拟信号转化为数字信号。从图像传感器核心模块(即经过ADC转换后)出来的数字信号经过校正、去噪、自动对焦、白平衡等处理后，进入图像输出接口，由移动行业处理器接口（Mobile Industry Processor Interface，MIPI）输出串行图像数据，并与EZ-USB CX3桥接控制器的MIPI CSI-2接口相连接。
2.2 USB3.0传输系统的设计
EZ-USB CX3桥接控制器主要用于数字摄像头、医疗成像设备和USB显微镜等设备中。本设计使用EZ-USB CX3桥接控制器来进行图像数据传输，主要采用以下主要特性来实现摄像系统：支持5 Gb/s USB3.0 PHY；MIPI CIS-2接口支持4个数据通道且每个通道支持1 Gb/s，完成与图像传感器的配置；支持UYVY视频数据格式；连接时钟频率为400 kHz的I2C外设与UART外设。与USB2.0接口相比，USB3.0接口的数据传输速率理论值可达5.0 Gb/s，采用的是全双工、四线差分信号数据传输，此外除了有2个用于USB2.0数据传输信号外，还有4个用于超速数据传输信号[4]。基于以上几点原因，选用CYUSB3065作为EZ-USB CX3桥接控制器主芯片来设计高清内窥镜摄像系统。USB3.0传输模块系统框图如图3所示[5]。
2.2.1 MIPI CSI-2 接口的设计
由于摄像机的应用比较复杂，因此对图像传感器要求更高的分辨率。该要求会加大并行图像传感器的极限值，而这些接口难以扩展，并需要多个互联。因此，MIPI协会定义了摄像机串行接口2（CSI-2）标准，以便提供功能强大、功耗低、抗干扰好且高速的标准串行接口解决图像传感器分辨率的问题。
MIPI CSI-2 接口是一个既能传输数据信号也能传输时钟信号的单向差分串行接口，每次可以传输4个数据通道和1个时钟通道，且数据传输速率可达到1 Gb/s[6]。在本设计中，MIPI CSI-2控制器主要负责将图像传感器与CX3连接，并从该器件上读取数据。因图像传感器OV5640提供2-lane MIPI数据传输[7]，所以本文只选取了EZ-USB CX3 MIPI 的2-lane模式传输图像数据。
在配置完成后，MIPI CSI-2控制器将来自图像传感器的串行图像数据分解，然后将其转换成并行数据，再通过并行接口发送该数据。此接口提供下面几个信号[8]：HREF，行有效；VSYNC，帧有效；PCLK，像素时钟；DATA，图像数据的16个数据线。
2.2.2 GPIF II和DMA模块的设计
GPIF II模块使用了一个状态机读取MIPI CSI-2控制器的并行接口输出的视频数据，DMA模块展示数据输入和输出方式。
由于MIPI CSI-2 RX接口是一种没有流量控制的接口，在插座填充或清除DMA缓冲区后会有一个时间延迟（多至几μs），所以通过使用多个GPIF线程来解决延迟问题。GPIF模块有4个线程，但每次只能是其中一个线程可以传输数据。在既解决延迟问题又不浪费线程情况下，本文选取了2个线程。使用计数器来跟踪读入插座的数据量，当计数器的值达到极限值（8183），线程就会进行切换。计数器值的设置如下：DMA缓冲区的大小为8 184个16位字节，数据总线的宽度为16位，根据式(1)可知DMA缓冲区的计数器的数值设为8 183。
2.3 电源管理系统的设计
本文选用的USB3.0_MICRO-B接口除了能够超速传输数据外，还为整个系统提供电源来源。其硬件电路如图4所示，其引脚VBUS最大输入电压为6 V，经过2 A降压型DC/DC转换芯片XC9243后，分别得到3.3 V、2.8 V、1.8 V、1.5 V、1.2 V工作电压。
根据芯片XC9243提供的输出电压值与反馈电阻之间的关系式(2)，可得出各种所需提供的工作电压值如表1所示。
3 摄像系统软件设计
软件设计主要包括图像采集与图像处理系统驱动程序的设计和USB3.0传输控制的设计。CX3固件是固化在芯片CYUSB3065内部的程序代码，主要负责控制和协调集成电路的功能以及响应上位机请求命令。
3.1 图像采集系统驱动程序的设计
在完成硬件设计后，要能够获取图像数据就必须进行软件驱动设计，在驱动中需要通过I2C接口对图像传感器OV5640实现控制。首先对I2C接口模块进行初始化并加载好所需的数据，然后对I2C的WR、RD等接口进行定义且等候图像传感器的驱动。在驱动完成之后，再通过I2C接口对整个OV5640进行初始化。
3.2 CX3固件架构设计
CX3固件包括CX3硬件模块的初始化，图像传感器OV5640和MIPI CSI-2控制器的配置，器件的枚举，UVC特定请求的处理，通过I2C接口将视频控制设置传输给图像传感器，在视频数据流中添加UVC头数据以及将带有头数据的视频数据提交给USB等内容。其设计构架如图5所示。
主程序main函数是程序运行的入口，主要用于启动CX3器件及实时操作系统（Real-Time Operating System，RTOS）内核，设置缓存以及配置CX3的I/O口。函数CyU3PdeviceInit用来初始化CX3器件，如果初始化成功，就用函数CyU3PdeviceCacheControl初始化CPU缓存（I-cache）；如果不成功则报错，重新初始化CX3器件。在配置成功后，函数CyU3PkernelEntry将初始化RTOS。启动RTOS，在函数CyFXApplicationDefine中创建线程，实现图像传感器OV5640和MIPI CSI-2控制器之间的交互。本设计创建了一个UVC_app_thread应用线程，接收图像传感器的串行数据。
4 结论
本文第2节和第3节完成了整个系统的硬件设计和软件设计，图6所示为从内窥镜摄像系统（Endoscopic Camera System，ECS）媒体播放器软件中截取的图片，通过对亮度、对比度、色调、饱和度、清晰度、伽马、白平衡的设置，可以获取所需要的图像清晰度。
内窥镜摄像系统的结构小巧玲珑，重量轻，非常方便携带。通过对内窥镜摄像系统软硬件的设计以及相应的调试，设计的这款摄像系统能够获取全高清的图像、数据传输速度快，成本低廉，携带方便。就目前国内医疗器械发展状况来看，该摄像系统的实现具有很强的实用价值以及很理想的经济效益。
参考文献
[1] 姚陈昀．基于USB接口的高清电子内窥镜系统设计[D].杭州：浙江大学光电信息工程学院，2014.
[2] 殷开亮．基于UVC协议的USB3.0图像采集系统设计[D].苏州：苏州大学电子与通信工程学院，2014.
[3] 陈烨．基于ARM的水雨情监测装置的设计[D].武汉：武汉理工大学自动化学院，2014.
[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.
[5] Lian Pingping.A novel USB3.0 high definition 3D video camera based on ARM[J]．Advanced Materials Research，2014，1037：474-477.
[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.