（光学工程专业论文）医用超声内窥镜高速图像采集系统的USB20接口设计.pdf

摘要 医用超声内窥镜是电子内窥镜技术与超声传感技术、微机电技术、现代计算 机技术等高新技术的不断发展和融合的产物，是符合当今国际生物医学工程领域 微创外科手术要求的典型的医疗仪器。超声内窥镜成像系统主要由超声探头激励 电路、回波信号接收处理电路、同步控制电路、接口电路以及计算机构成。其中， 接口电路完成超声图像的暂存和传输的功能控制；计算机实现图像的存储、显示 以及各种处理。 u s b ( u n i v e r s a ls e f i mb u s ) 通用串行总线是应用在微机领域的接口技术，它具 备其他总线无法比拟的优点，如支持热插拔、传输速度快且稳定、低能耗等。因 此，目前u s b 已成为微机与外围设备通信的首选接口。尤其是u s b 2 0 协议的 发布，是u s b 技术发展史上的里程碑，使得u s b 总线的传输速率由原来的 1 2 m b p s 提高到4 8 0 m b p s ，为计算机与外设的高速数据交换提供了可能。 本文介绍了一种应用在数据采集系统中的u s b 2 0 接口设计，并提出了一种 d m a 方式下实现超声内窥镜高速图像传输的新方法。传统的基于u s b 的数据采 集系统采用单片机采集数据，再把数据转发到u s b 总线接口的结构；而本方案 中，以复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 作为d m a 数据传输的控制核心，结构简单， 灵活性强，方便易行，完全满足医用超声内窥镜系统实时显示图像的要求。 本文在充分了解医用超声内窥镜图像采集系统的原理、u s b 2 0 总线规范、 d m a 数据传输原理、可编程a s i c ( 专用集成电路) 的设计原理及方法、固件程 序的开发思想以及u s b 设备驱动程序原理的基础上，建立基于d m a 方式的医 用超声内窥镜高速图像采集系统的u s b 2 0 接口模型，并在实践中完成了硬件电 路、c p l d 传输控制设计、固件程序开发、驱动程序和应用程序五部分的工作。 本文在系统工作稳定及各项性能指标均达要求的基础之上，进行了超声图像 的传输实验。系统采用5 1 2 5 1 2 大小、帧频1 5 h z 的超声图像，以8 m b s 的数 据采集速率进行了图像的传输，满足了实时性的设计要求。实验表明，此高速数 据接口可以成功应用于医用超声内窥镜系统中。另外，图像采集系统的连续数据 传输速率可达1 2 m b s ，因此可以将其扩展应用于其它高速数据采集的场合。 关键词：医用超声内窥镜接口通用串行总线( u s b ) c p l d 直接存储器 存取( d m a ) a b s t r a c t m e d i c a lu l t r a s o n i ce n d o s c o p e ( m u e ) i sah i g ha n dn e wt e c h n o l o g yt h a t c o m b i n e s t e c h n i q u e o fe l e c t r o n i c e n d o s c o p e ，u l t r a s o u n ds e n s i n g ，m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a la n dm o d e m c o m p u t e r f u r t h e r m o r e ，m e d i c a lu l t r a s o n i ce n d o s c o p e ， c o r r e s p o n d i n gw i t ht h er e q u i r e m e n to fm i n i a t u r e 两u r ys u r g e r yi nt h ef i e l do ft h e i n t e r n a t i o n a lb i o m e d i c a le n g i n e e r i n g ，i sat y p i c a lm e d i c a li n s t r u m e n t t h eu l t r a s o n i c i m a g i n g s y s t e mi sm a d eu po fp r o b ee x c i t a t i o nc i r c u i t ，r e c e i v i n ga n dp r o c e s s i n g c i r c u i t ，s y n c h r o n o u sc o n t r o lc i r c u i t ，i n t e r f a c ec i r c u i ta n dc o m p u t e r t h ei n t e r f a c e c i r c u i tc o n t r o l sd a t at r a n s f e r r i n ga n dt e m p o r a r y s a v i n g ，w h i l s tt h ec o m p u t e rr e a l i z e s t h es t o r a g e ，d i s p l a ya n dv a r i o u sp r o c e s s i n go fi m a g ei nt h ec o m p u t e r u n i v e r s a ls e r i a lb u si sa ni n t e r f a c et e c h n i q u ea p p l i e di nt h em i c r o c o m p u t e rf i e l d a si t sb e n e f i t so ft r e ep l u ga n dp l a y , h i 曲s p e e d ，s t a b i l i z a t i o na n dl o wp o w e r , u s b b e c o m e st h eb e s tc h o i c ef o rc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc o m p u t e ra n dp e r i p h e r a ld e v i c e s e s p e c i a l l y , t h ep r o m u l g a t i o no ft h ep r o t o c o lf o ru s b 2 0i st h em i l e s t o n ef o rt h e d e v e l o p m e n to fu s b t h eu s b 2 0p r o t o c o le n h a n c e st h et r a n s f e r r i n gs p e e df r o m 1 2 m b p st o4 8 0 m b p s ，a n ds u p p o r t st h eh i g hs p e e dd a t ae x c h a n g e t h ep a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g no fau s b 2 0i n t e r f a c ew h i c ha p p l i e di nt h ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ，a n dp r o p o s e san o v e lm e t h o df o ri m p l e m e n t i n gh i g h s p e e di m a g e t r a n s f e r r i n gb yd m a t h et r a d i t i o n a lu s bs y s t e mu t i l i z e s t h e s i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e rt ot r a n s f e rd a t a o u rd e s i g nu s e sc o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e ( c p l d ) a st h ep r i m a r yc o n t r o l l e rf o rd a t at r a n s f e r r i n g w i t ht h ea d v a n t a g e so f s i m p l es t r u c t u r e ，n i c ef l e x i b i l i t ya n dc o n v e n i e n c e ，i ts a t i s f i e st h ed e m a n df o rr e a l t i m e d i s p l a y i n gi nt h i ss y s t e m b a s e do nt h ea c q u a i n t a n c eo ft h ep r i n c i p l eo fi m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e m ，u s b 2 0 s p e c i f i c a t i o n ，t h et h e o r yo fd m a ，t h em e t h o d so fa s i cd e s i g n ，t h ed e v e l o p m e n to f f i r m w a r ea n df u n d a m e n t a l so fu s bd e v i c ed r i v e r , t h ep a p e re s t a b l i s h e st h ei n t e r f a c e m o d e lf o rt h eh i g h - s p e e di m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e m t h ep a p e ra c c o m p l i s h e df i v e p a r t s ，i n c l u d i n gc i r c u i td e s i g n ，t h ed e s i g no f t r a n s f e r r i n gc o n t r o lw i t hc p l d ，f i r m w a r e ， d r i v e ra n du s e rp r o g r a m m e w h i l et h ep e r f o r m a n c e so ft h es y s t e ma r ep r e t t yw e l l ，t h ei m a g et r a n s f e r r i n g e x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n e t h es y s t e mh a su s e du l t r a s o n i cv i d e ow i t hi m a g es i z eo f 5 1 2 5 1 2a n df l a m ef r e q u e n c yo f1 5 h z u n d e rt h ea c q u i s i t i o n s p e e do f8 m b s ，t h e s y s t e mh a sr e a l i z e dt h et r a n s f e r r i n gi m a g ea n dh a ss a t i s f i e dt h ed e m a n df o rr e a l - t i m e d i s p l a y t h ee x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t et h a tt h eh i 曲一s p e e di n t e r f a c ec a n b ea p p l i e di n m e d i c a lu l t r a s o n i ce n d o s c o p es u c c e s s f u l l y i na d d i t i o n ，t h es p e e do ft h ea c q u i s i t i o n s y s t e mc a nr e a c ht o1 2 m b s t h e r e f o r e ，t h es y s t e mc a l lb ea p p l i e db r o a d l yi no t h e r h i g h s p e e dr e a l - t i m ed a t aa c q u i s i t i o nf i e l d k e yw o r d s ：m e d i c a lu l t r a s o n i ce n d o s c o p e ，i n t e r f a c e ，u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) ，c p l d ，d i r e c tm e m o r ya c c e s s ( d m a ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意， 黜魏午刍磊槲期：立卯舌年岁脚同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：扣口年 导师签 签字日期：厶弼年汐月彦日磊钼b p吼j譬 第一章绪论 第一章绪论 医用超声内窥镜是电子内窥镜技术与超声传感技术、微机电技术、现代计 算机技术等高新技术的不断发展和融合的产物，是当前应用前景非常广阔的医疗 仪器i l j 。此项技术是利用超声换能器的压电效应，将高频电脉冲激励以声波的形 式发射出去，并将经生物组织反射的回波信号转换为图像输出。目前，超声内窥 镜可同时进行内镜和腔内超声的检查，不但可以明确食管、胃、肠、肝、胆及胰 占位性病变的定位、定性诊断，而且是唯一能对胃肠壁及其临近组织提供精确成 像的检查方法【2 】。随着超声内窥镜技术的发展和不断的完善，其将在医学诊断和 外科治疗中发挥越来越重要的作用。 二十一世纪是数字化的时代，各种形式的信息是以数字化的方式存储于容 量越来越大，速度越来越快的电脑中1 3 j 。医用超声内窥镜如果充分利用计算机丰 富的资源，就可以突破传统内窥镜在数据处理、表达和存储等方面的限制。现有 的医用超声内窥镜图像采集系统，一般是通过p c i 总线接口将数据传输进入计算 机进行后续处理，这种方式结构复杂，不和于安装和操作，且成本较高，可扩展 性差。随着u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行总线) 接口技术的发展和不断 完善，使其应用在医用超声内窥镜图像采集系统中成为一种可能。 本文研究了u s b 总线规范和d m a ( d i r e c tm e m o r ya c c e s s ，直接存储器存 取) 方式下数据传输的基本原理，在此基础上为医用超声内窥镜图像采集系统设 计了u s b 2 0 接口，以复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 作为数据传输的控制核心， 实现了超声数据的实时传输和显示，并在实验中验证了系统的可靠性和实用性。 1 1 内窥镜超声成像系统概述 1 1 1 内窥镜超声成像系统的构成 内窥镜超声成像是近年来国内外蓬勃发展起来的新兴医学影像技术，它在普 通电子内窥镜前端安置了微型超声探头，可在内镜观察消化道各种病变的同时进 行超声扫描。这种检查排除了体表超声检查可能遇到的种种干扰，可清晰地显示 消化道壁及周围脏器的良恶性病变，对食管、胃和胆胰系统的良恶性病变的定位、 定性诊断和介入治疗具有极高的价值。超声内镜系指将微型超声探头安置于内镜 的顶端，当将内镜插入消化道后既可通过内镜直接观察粘膜表面的病变形态，又 可进行超声扫描获得消化道管壁各层次的组织学特征及周围邻近重要脏器的超 声影像，因此增加了内窥镜的诊断范畴，提高了内窥镜的诊断能力。 第一章绪论 内窥镜超声成像方式和电子内窥镜有很大不同，电子内窥镜是通过光学成像 系统把像成在光电耦合器件c c d 上，用电缆传送图像信息并在监视器上直接显 示，观察对象为粘膜组织表面；而超声内窥镜是以超声换能器为传感元件，利用 换能器材料的压电效应获取图像，其观察对象为器官断层结构的剖面【4 】。 内窥镜超声成像系统是利用换能器材料的逆压电效应将高频电脉冲激励转 换成声波发射出去；然后通过正压电效应将组织反射的超声波转化为电信号输出 成像，其成像原理如图1 - 1 所示。 熊声檬头 图1 1 超声内窥镜成像系统结构框图 1 1 2 内窥镜超声成像系统研制的意义 口 诊断是内窥镜的基本功能，内窥镜的一个重要应用是早期癌的发现。内镜检 查及组织病理检查是诊断早期癌的金标准，通过染色可以提高内镜早期癌的检出 率。在日本，通过对高危人群的普查，食管早期癌占8 0 ，胃早期癌的比例为 7 9 ，而目前我国门诊病人食管早期癌的检出率约为5 ，大医院早期胃癌的诊 断比例也超不过2 0 。 医用内窥镜现已广泛应用于我国各级各类医院的消化内科、普外科、妇产科、 泌尿外科、呼吸内科和肝胆内科等，对各类疾病的诊断和治疗具有不可替代的作 用，广泛使用先进的医用内窥镜进行各种疾病的常规检查，对提高医疗诊断和治 疗水平，保证人民身体健康具有重要意义【5 】。 超声内窥镜可以了解消化道管壁的厚度和临近结构( 胰、胆、大血管) 的情 况，小至2 - 3 m m 的病灶也能显示。用超声内窥镜对消化道( 包括胰腺) 的恶性 肿瘤的分期最有价值，它可以了解肿瘤浸润的深度以及有无淋巴或局部的转移。 超声内窥镜对消化道及胰腺周围软组织构造的成像也不是体外超声、c t 和m r j ( 核磁共振成像) 所能比拟的。超声内窥镜主要用于：消化道癌h 十t n ( t u m o r n o d e ) 的分期诊断和胃肠道粘膜下病变诊断1 6 j 。 内窥镜超声成像系统在临床应用上的优点有1 7 ： 第章绪论 1 双重诊断。既可以通过电子内窥镜直接观察粘膜表面的病变形态，又可 以进行超声扫描，获得消化器官管壁各个断层的组织学特征。因此扩大了内窥镜 的诊断范围，提高了内窥镜的诊断能力。 2 图像清晰。相对于体外的超声检查而言，内窥镜超声扫描明显缩短了超 声探头与目标器官间的距离，避免了腹壁脂肪，腔肠气体和骨骼系统对超声波的 影响和干扰。 3 早期病变诊断能力强。电子内窥镜诊断和发现胃癌己达到了相当高的水 平，但是，这两种方法都是根据粘膜表面的形态变化来推断病变的深度，因此在 判断上有一定的主观性和局限性。最近虽然有报道应用c t ( 计算机层析成像) 和体外超声来判断消化道器官癌肿及其深度，但只能扫描出一些较大的病变，对 于早期癌和微小病变则无能为力。内窥镜超声将超声探头直接放置于消化道管腔 内进行扫描，能显示出消化道管壁的断层构造、及时发现微小的病变，为医生的 对症施治提供了客观的依据。 4 无损伤、无电离辐射。至今没有诊断超声有损器官组织的报道。 5 寿命长。国外产品目前最大的缺陷就是寿命太短：马达置于距探头1 5 1 8 米的手柄上，仅通过一根钢丝驱动探头转动；由于这种钢丝寿命很短，导致 整个探头提前报废。本文研制的内窥镜超声探头由直接安装于探头后方的微型超 声马达驱动，无需钢丝传动，与国外同类产品相比，使用寿命大大加长。 6 通用性强。由于超声内窥镜成像系统与普通电子内窥镜相配合，不需要 专门的内窥镜载体。本系统可以用于任何具备标准活检通道的内窥镜系统的超声 诊查，所以应用前景广泛。 7 操作简单、灵活、方便。内窥镜在诊断和治疗疾病时，操作者和助手以 及其他工作人员，都能在监视器的直视下进行各种操作，使各方面的操作者都能 配合默契且安全。操作灵活、方便，易于掌握。 综上所述，多功能的超声内窥镜在l 商床疾病的诊断、治疗和研究疾病的发病 机制以及病理变化过程中，将会发挥出越来越重要的作用。 1 2 数据采集系统及常用的接口方式 数据采集是信息科学的一个重要分支，是信息处理系统的最前端。它是以传 感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术， 主要研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等作业，具有很强的实用性。它 是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。数 据采集系统是结合计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系 第一章绪论 统。 现代的数据采集系统一般都由计算机控制，使得数据采集的质量和效率等大 为提高，也节省了硬件资源。现今，在实验室研究、测试和测量以及工业自动化 领域中，各种总线和接口在数据采集系统中有着广泛的应用。所谓总线( b u s ) ， 是指连接计算机各部件或计算机之间的一束公共信息线，它是计算机中传输信息 代码的公共途径。总线是连接多个数字系统的公共信息通路。从这个意义上讲， 微型计算机应用系统所使用的芯片内部、电路插板元器件之闻、系统各插板之间、 系统与系统之间的连接，通常是通过总线来实现的口1 。 随着微电子技术和计算机技术的发展，总线技术也在不断的发展和完善。现 代数据采集设备与计算机之间的接口可以有多种方式，如r s 2 3 2 串行口、并行口、 i s a 总线、p c i 总线等1 9 。 1 2 1r s 2 3 2 串行接口 串行通信是在单根导线上将二进制数一位一位地顺序传输，串行通信较并行 通信，虽然速度较低，但可节约大量的线路成本。现在的p c 机一般至少有两个 串行口，由于p c 机的限制，其最高数据传输率不超过1 1 5 k b p s ，同时传输的距 离也不会超过1 5 米。采样系统与p c 接口速度的瓶颈作用会导致一部分数据的 丢失，失去连续采样的意义。 1 2 2 并行接口 并行接口又简称为“并口”，是一种增强了的双向并行传输接口。优点是不需 要在p c 中用其它的卡，无限制连接数目，设备的安装及使用容易，最高传输速 率度为1 5 m b p s 。目前，计算机中的并行接口主要作为打印端口，接口使用的不 再是3 6 针接头而是2 5 针d 型接头。所谓“并行”，是指8 位数据同时通过并行线 进行传送，这样数据传送速度大大提高，但并行传送的线路长度受到限制，干扰 就会增加，容易出错。 l 2 a i s a 总线 最早的p c 机的系统总线是i b m 公司于1 9 8 1 年推出的基于准1 6 位机p c x t 的总线，称为p c 总线。1 9 8 4 年i b m 公司推出了1 6 位p c 机p c a t ，其总线称 为a t 总线。为了能够更好的合理开发外接插板，由i n t e l 公司、i e e e 和e i s a 集团联合开发出与i b m a t 原装机总线意义相近的i s a ( i n d u s t r ys t a n d a r d a r c h i t e c t u r e ) 总线( 因此通常我们也把8 位和8 位1 6 位兼容的a t 总线称为 i s a ) 。i s a ( p c x t ，p c ，a t ) 总线是微机最基本的总线，从8 0 8 6 到p e n t i u m1 1 i 4 4 第一章绪论 都支持该总线，而且大部分接口电路和系统都使用该总线。 随着计算机主频的提高和外设速度的加快，i s a 总线的8 3 3 m b p s 的峰值传 输率和8 1 6 b i t 的数据宽度这两项关键指标成为了制约系统性能以及高速传输的 最大瓶颈，因此i s a 总线标准正在逐渐的被淘汰。 l 2 4 p c i 总线 由于i s a 总线已经严重制约了计算机发展，因此业界于1 9 9 3 年又提出了p c 的一项新技术局部总线。局部总线是p c 体系结构的重大发展，它打破了数 据i o 瓶颈，使高性自g c p u 的功能得以充分发挥【l o l 。 p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 总线是当前最流行的总线之一，它 是由i n t e l 公司推出的一种局部总线。它定义了3 2 位数据总线，且可扩展为6 4 位。p c i 总线主板插槽的体积比原i s a 总线插槽还小，其功能比v e s a 、i s a 有 极大的改善，支持突发读写操作，最大传输速率可达1 3 2 m b p s ，可同时支持多组 外围设备。p c i 局部总线不能兼容现有的i s a 、e i s a 、m c a ( m i c r oc h a n n e l a r c h i t e c t u r e ) 总线，但它不受制于处理器，是基于奔腾等新一代微处理器而发展 的总线。 1 2 5 串行总线 除此以外，计算机还有更加先进的串行总线接口。串行技术已成为计算机总 线的主导技术，无论磁盘接口、系统总线、芯片互联还是诸如u s b 、i e e e l 3 9 4 等外部总线，无一例外引入了串行技术以提高性能。i e e e l 3 9 4 接口也称f i r e w i r e 火线接口，是最高传输速率为4 0 0 m b s 并支持d m a 的高速串行传输总线【l ”，其 下一代标准规范支持的数据传输率高达8 0 0 m b s ，适用于视频及音频等海量数据 的高速存储设备，可实现实时数字图像采集与显示【1 2 1 ，但是由于i e e e l 3 9 4 的使 用是要支付昂贵的版权费用的，因此在我国没有广泛的应用起来。 1 3 通用串行总线( u s b ) 目前，高速数据采集系统主要采用p c i 总线和u s b 总线。尽管p c i 总线数 据传输具有许多优点，但它在使用过程中安装麻烦、易受机箱内环境的干扰，受 到计算机系统资源、插槽数量限制，不易扩展。因此，为提高系统的普遍适用性， 本文利用u s b 总线设计高速数据采集系统。 1 3 1u s b 简介 第一章绪论 通用串行总线u s b 是由i n t e l 、c o m p a q 、d i g i t a l 、i b m 、m i c r o s o f t 、n e c 、 n o r t h e r nt e l e c o m 等7 家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口 标准。它基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成 本、扩展p c 连接外设范围的目的。它可以为外设提供电源，而不像普通的使用 串、并口的设备需要单独的供电系统。u s b 总线从诞生起便引发了一场产业革 命。它以灵活、方便、应用范围广、通信稳定、成本低廉等优点，使得p c 的接 口纷纷从串行口和并行口转到u s b 总线上来。 u s b 取代当前p c 上的串口和并口，把这些不同的接口统一起来，使用一个 4 针插头作为标准插头。通过这个标准插头，采用菊花链形式可以把所有的外设 连接起来，并且不会损失带宽。一个完整的、可行的u s b i 1 规范于1 9 9 8 年9 月完成，在u s b l 1 版本中定义了两种速度u s b 的传输工作模式，低速( l o w s p e e d ) 模式的数据传输速度为1 5 m b s ，全速( f u l ls p e e d ) 模式使得u s b 的速 度峰值达到了1 2 m b s 。这一版本得到了计算机业界的广泛响应，到1 9 9 9 年，u s b 已经被广泛应用。受到这一潮流的鼓舞，2 0 0 0 年4 月u s b 组织又推出了新版本 的规范u s b 2 0 ，这个版本将u s b 总线的传输速度提高到了4 8 0 m b s 的高速 ( h i g hs p e e d ) 模式水平。 u s b 具有的特性分类如下【1 3 】： ( 1 ) 方便终端用户使用： 电缆和连接器的型号唯一； 向最终用户隐藏了电气细节( 例如：总线终端) ； 自识别外设，自动将功能映射到驱动程序和配置； 外围设备可动态连接和重新配置。 ( 2 ) 工作负荷和应用范围广： 适用于带宽从几k b s 到几百m b s 的设备； 在相同的一组线路上支持同步及异步传输类型； 支持大量设备同时操作( 多连接) ； 支持高达1 2 7 个物理设备； 支持在主机与设备之间传输多种数据和消息流； 允许复合设备( 例如由许多功能设备组成的外围设备) ； 协议开销低，结果使总线的利用率高。 ( 3 ) 同步带宽： 为电话、音频和视频信号等保证适合的带宽和低延时。 ( 4 ) 灵活性： 支持非常宽范围的包规格，这样，允许设备具有不同的设备缓冲选项； 第一章绪论 通过调整包缓冲区的大小和延时实现非常宽的设备数据速率范围； 协议内置了用于缓冲处理的流控制。 ( 5 ) 健壮性： 协议内置了差错处理故障恢复机制： 用户可以实时察觉设备的动态插入和拔出； 支持故障设备的识别。 ( 6 ) 与p c 工业协作： 协议易于实现和集成； 符合p c 的即插即用体系结构； 是现有的操作系统接口的补充。 ( 7 ) 实现低成本： 1 5 m b s 的低成本子通道； 对外设和主机硬件的集成进行了优化； 适合于开发低成本的外设； 低成本的电缆和连接器； 使用了商业技术。 ( 8 ) 升级途径： 体系结构可升级，使一个系统中可以有多个u s b 主控制器。 我们在进行u s b 设计时，主要遵循以下准则： 使扩展p c 外围设备更方便； 是支持传输速率高达4 8 0 m b s 的低成本解决方案； 完全支持声音、音频和视频实时数据； 协议灵活，支持同步数据传输和异步通信的混合模式； 集成到商业设备； 包含不同的p c 配置和构成因素； 提供标准接口，能快速应用到产品当中； 能使用新的设备种类，增强p c 的性能； u s b 2 0 完全兼容用以前的规范构建的设备。 1 3 2u s b 接口的特点 1 设备安装和配置容易【1 4 l 。u s b 设备支持即插即用，安装u s b 设备不必再打开 机箱，加减已安装过的设备完全不用关闭计算机。所有u s b 设备支持热插拔， 系统对其进行自动配置，不再占用中断资源或者d m a 资源，彻底抛弃了过去 的跳线和拨码开关设置。u s b 为接缆和连接头提供了单一模型，解决了外设 7 第一章绪论 越来越多所造成的插槽紧张问题。 2 速度快。u s b 支持三种设备传输速率：1 5 m b p s ( 低速设备) 、1 2 m p s ( 全速 设备) 和4 8 0 m b p s ( 高速设备) 。相比之下，串i z l 数据传输率是1 1 5 k b p s 2 3 0 k b p s ，标准并口的数据传输率为1 m b p s ，这些都远远低于u s b 的传输速 率。 3 易于扩展。通过使用h u b 扩展，可接多达1 2 7 个外设。标准u s b 电缆长度 为3 m ( 5 m 低速) ，通过h u b 或中继器可以使外设距离达到3 0 m 。 4 能够采用总线供电。u s b 总线提供最大达5 v ，5 0 0 m a 电流，对于功耗较小 的设备来说这是非常有效的。 5 使用灵活。u s b 共有4 种传输模式：控制传输( c o n t r 0 1 ) 、同步传输 ( s y n c h r o n i z a t i o n ) 、中断传输( i n t e r r u p t ) 、批量传输( b u l k ) ，以适应不同设 备的需要。 1 3 3u s b 2 。0 接口对于数据采集系统的意义 u s b 技术的应用是计算机外设连接技术的重大变革。u s b 采用差分传输方 式，具有很好地传输可靠性；设备的控制、管理和信息交换完全是由系统软件按 u s b 协议进行传输，因此不存在设备占用资源冲突而导致系统的紊乱问题；同 时，u s b 技术的开放性也促进了其在数据采集系统中的应用。由于u s b 2 0 的速 度可达4 8 0 m b p s ，使总线不再成为数字图像传输的瓶颈，因此数据采集系统可以 提高采样率及采样精度，以提高整个采集系统的性能。 随着u s b 2 0 协议的完善和技术的成熟，u s b 2 0 已经成为一种工业级总线 标准，其良好的可靠性可以很好的满足各种数据采集系统的要求。另外，其热插 拔的使用方法也带给了用户极大的方便。同时，基于u s b 2 0 的总线设备已成为 客户选择的主流，所以开发基于u s b 2 0 接口的数据采集系统也将成为一种必然 趋势。 1 4 本论文的研究内容与意义 本论文提出了一种基于u s b 2 0 的d m a 力式下实现医用超声内窥镜高速图 像传输的新方法，实现了基于u s b 总线的超声内窥镜图像信号的实时采集和存 储。本系统充分利用了计算机丰富的软硬件资源，大大突破了传统仪器在数据处 理、表达、传送、存储等方面的限制，更易于内窥镜超声图像的传输、存储和处 理。 第一章绪论 1 4 1 研究意义 高速图像采集系统的接口设计是医用超声内窥镜研制中的一项关键技术，医 用超声内窥镜的研制具有重大的社会效益。该项目的提出是在生物医学仪器这一 高新技术领域的重点突破，填补我国在超声内窥镜研究方面的空白，使我国超声 内窥镜的研制达到国际水平；另一方面，该仪器的进一步产业化，使我国在该领 域拥有自主知识产权，振兴民族工业。因此，本课题的研究和完成具有现实和积 极的意义。 本课题着眼于使用计算机实现超声内窥镜图像的高速实时传输、显示和存 储，选用当今流行u s b 总线作为图像传输的路径，将超声探头采集的经数字化 的信号输入计算机进行处理和显示。在超声内窥镜系统的整体设计中，要求采集 到的超声图像的大小为5 1 2 5 1 2 ，也就是说每一幅图像的大小为2 5 6 k b ，对于现 在意义上的能够实时显示的内窥镜系统，帧频需达1 5 h z 以上，因而需要数据传 输速率大于3 7 5 m b s 的数据采集系统。u s b 2 0 的高速特性完全能够满足超声内 窥镜系统快速、实时的显示图像的要求，另外u s b 2 0 即插即用的特性也大大方 便了仪器的操作和使用。 1 4 2 研究内容 简要分析u s b 总线协议的基础上，介绍了u s b 通用接口芯片i s p l 5 8 1 的功 能及特点；设计并完成了基于u s b 2 0 的高速接口的硬件电路。 - 采用复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 控制d m a 方式下的数据传输和接口电 路，简化了电路设计，同时极大地增加了设备的灵活性。 一编写了基于中断处理的采集系统的固件程序，并在k e i lcl a v i s i o n 2 的环境下 对程序进行了调试和编译。 _ 利用软件工具完成了接口电路驱动程序及用户界面的设计。 _ 完成了不同条件下的接口实验，实现了对于超声图像的高速实时传输，并完 成了图像的后续处理。 9 第二章接口电路设计方案和工作原理 第二章接口电路设计方案和工作原理 本章介绍数据采集系统中u s b 2 0 接口设计的理论基础，接口的工作原理以 及整体构架。基于u s b 2 0 接i = 1 的硬件电路从整体上讲是一个复杂的u s b 外设， 本章将其恰当的划分为若干个模块，并简要介绍了各个功能模块。 2 1 接口设计的理论基础 2 1 1u s b 系统模型 u s b 在主机与连接的u s b 设备之间提供通信服务。u s b 有4 个重要的应用 领域： u s b 物理设备在u s b 电缆的末端执行一些有用的终端用户功能的硬件。 客户软件是相应于u s b 设备，在主机上执行的软件。 u s b 系统软件在特殊的操作系统中支持的u s b 的软件。u s b 系统软件是 由操作系统提供的，与特定的u s b 设备或客户软件无关。 u s b 主机控制器( 主机方的总线接口)允许u s b 设备连接到主机的硬件 和软件。 年机可连物珲设备 图2 1u s b 层间通讯模型 l o 第二章接口电路设计方案和工作原理 u s b 通信模型的基本流程和相互关系如图2 - 1 所示，主机和设备的简单连接 要求在大量的层和实体之间相互作用。u s b 总线接口层在主机与设备之间提供 了物理信号包连接。u s b 设备层是u s b 系统软件对设备执行普通u s b 操作的 层。功能层通过正确匹配的客户软件层向主机提供额外的性能。u s b 设备与功 能层看似在层内有逻辑通信，但实际上数据传输是在u s b 总线接口层完成。这 些主机上的客户软件与设备提供的功能之间的通信由以当前使用的设备的应用 需要和设备提供的性能为基础的契约体现。 每个u s b 系统只有一个主机，主机包括以下部分： u s b 主机控制器； u s b 总体系统软件( u s b 驱动程序、主机控制器驱动程序和主机软件) ； 客户软件。 u s b 主机占据了作为u s b 协调实体的唯一位置。除了特殊的物理位置外， 主机对u s b 和连接在它上面的设备还有特殊的责任。主机控制对u s b 的所有访 问。只有主机同意时，u s b 设备才能访问总线。 u s b 物理设备包括以下部分： u s b 总线接口； u s b 逻辑设备； 功能设备。 u s b 物理设备为主机提供了额外的功能。u s b 设备所提供的功能类型相差 很大。但所有u s b 逻辑设备对主机都有相同的基本接口，这就允许主机以相同 的方式管理不同的u s b 设备以及u s b 的相关方面。为帮助主机识别和配置u s b 设备，每个设备都携带并报告相关的配置信息。报告的一些信息对所有逻辑设 备都通用。其他信息由设备所提供的功能决定。这种信息的详细格式根据设备 的设备类型的不同而变化。 2 1 2 d m a 技术 d m a ( d i r e c tm e m o r ya c c e s s ) 技术是一种代替微处理器完成存储器与外部 设备或存储器之间大数据量传输的方法，也称直接存储器存取方法。我们知道， 在微机系统内，要把外设的数据读到内存或把内存数据送到外设，一般是通过 c p u 执行一段程序来完成的。如图2 - 2 所示，利用d m a 技术则可不用c p u 介 入就能实现外设与内存之间数据的直接传输。 直接存储器存取方式不仅具有高速度、高效率的特点，而且c p u 资源占用 少，因此在需要高速、批量交换数据的场合得到了广泛的应用。采用d m a 技术 传输数据较之查询、中断方式，无论在速度上还是数据传输量的大小上都优越得 第二章接口电路设计方案和工作原理 多。 稳拄 c h 帔糍f l 警教据 毒赣略拦 h i 挣铡的赣撼转赣辫径 图2 - 2d m a 数据传输示意图 在d m a 技术中，数据的传输是在d m a 控制器( 简称d m a c ) 下进行的， d m a 控制器是一种能独立于微处理器进行操作的专用芯片或电路。在d m a 数 据传输过程中，d m a 控制器接管了微处理器的地址总线、数据总线和控制总线。 在d m a 开始传输数据时，微处理器的内存控制信号禁止使用。当d m a 传输结 束后，d m a 控制器将终止信号复位，微处理器恢复它的一切权力弗开始执行自 己的操作。如图2 - 3 所示，说明了总线控制权的交接过程以及d m a 控制器控制 d m a 传输的流程。 外设向 d m a c 发请求 1 ) 酗a 传透绍康 d m a f 向 c p l 发请求 n m a 传送进行 c p t 晌艘 d m a c 请求 l ，m f 发出 拄鹈信峙 图2 - 3 d m a 工作流程图 2 2 接口方案与工作原理 2 2 1u s b 2 0 总线接口方案 d m a ( 嘞辨 设发响戍 n m ( 笈m 内存琏址 第二章接口电路设计方案和工作原理 u s b 协议规范十分的复杂，其接口的实现相对比较困难。由于u s b 2 0 的高 速特性以及差分传输的原理，再加上接口逻辑的复杂性，其接口电路采用分立元 件或小规模集成电路是不可能实现的。u s b 2 0 总线控制器为设计者提供了一种 更快速、简洁的设计途径。专用芯片可以实现完整的u s b 2 0 主控模块和目标模 块接口功能，将复杂的u s b 总线接口转换为相对简单的用户接口。这样，我们 可以集中精力于应用设计，而不是调试复杂的总线协议，明显地缩短了开发时间 和周期。在本课题中，我们选择基于u s b 2 0 接口的集成芯片，将接口控制与其 自身的功能相集成，完成特定的数据、图像的传输。 u s b 控制芯片一般有两种类型：一种是m c u 集成在芯片里面，如c ，r e s s 的e z u s b ；另一种就是纯粹的u s b 接口芯片，仅仅处理u s b 通信，如p h i l i p s 的p d i u s b d l 2 、i s p l 5 8 1 ；n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 的u s b n 9 6 0 4 等。 集成m c u 的u s b 控制芯片优点是c p u 与控制器在同一片芯片里，c p u 只 需要访问一系列寄存器和存储器，便可实现u s b 接口的数据传输，最大限度地 发挥u s b 高速的特点。而且大大简化了程序的设计，极大地降低了u s b 外设的 开发难度。此种芯片的缺点是应用过程中灵活性不够高，可扩展性低，且开发成 本较高。纯粹的u s b 接口芯片的优点是系统组成灵活，可根据不同的系统需求，