医用超声内窥镜高速图像采集系统的USB2.0接口设计

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. USB(Universal Serial Bus)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USB已成为微机与外围设备通信的首选接口.尤其是USB2.0协议的发布,是USB技术发展史上的里程碑,使得USB总线的传输速率由原来的12Mbps提高到480Mbps,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USB2.0接口设计,并提出了一种DMA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USB的数据采集系统采用单片机采集数据,再把数据转发到USB总线接口的结构；而本方案中,以复杂可编程逻辑器件(CPLD)作为DMA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、USB2.0总线规范、DMA数据传输原理、可编程ASIC(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USB设备驱动程序原理的基础上,建立基于DMA方式的医用超声内窥镜高速图像采集系统的USB2.0接口模型,并在实践中完成了硬件电路、CPLD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512×512大小、帧频15Hz的超声图像,以8MB/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12MB/s,因此可以将其扩展应用于其它高速数据采集的场合.

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及学位论文版权使用授权书

第一章绪论

§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

§1.1.2内窥镜超声系统研制的意义

§1.2数据采集系统及常用的接口方式

§1.2.1 RS232串行接口

§1.2.2并行接口

§1.2.3 ISA总线

§1.2.4 PCI总线

§1.2.5串行总线

§1.3通用串行总线(USB)

§1.3.1 USB简介

§1.3.2 USB接口的特点

§1.3.3 USB2.0接口对于数字采集系统的意义

§1.4本论文的研究内容与意义

§1.4.1研究意义

§1.4.2研究内容

第二章接口电路设计方案和工作原理

§2.1接口设计的理论基础

§2.1.1 USB系统模型

§2.1.2 DMA技术

§2.2接口方案与工作原理

§2.2.1 USB2.0总线接口方案

§2.2.2 工作原理

§2.3系统构成与功能设计

§2.3.1系统构成

§2.3.2系统功能设计

本章小结

第三章硬件电路及CPLD设计

§3.1硬件电路设计原理

§3.2功能模块介绍

§3.2.1 USB接口芯片ISP1581

§3.2.2本地CPU

§3.2.3数据传输控制功能模块CPLD

§3.3 CPLD功能设计

§3.3.1 CPLD简介

§3.3.2 CPLD的软件开发环境

§3.4传输控制模块CPLD的整体设计

§3.4.1 CPLD在图像实时传输中的功能

§3.4.2 CPLD的功能设计与仿真

§3.4.3 CPLD设计的评述

§3.5采集接口卡的硬件设计(PCB设计)

§3.5.1电源设计策略

§3.5.2提高系统抗干扰措施

§3.5.3 PCB信号完整性设计

§3.5.4 USB的布线问题

本章小结

第四章固件程序开发

§4.1固件编程介绍

§4.2 USB设备请求和设备枚举

§4.2.1 USB设备请求

§4.2.2 USB设备的标准请求

§4.2.3 USB设备枚举

§4.3 ISP1581固件程序架构及实现

§4.4固件编程注意事项

本章小结

第五章接口电路驱动程序及用户界面设计

§5.1软件系统构成及工作机制

§5.1.1软件系统的构成

§5.1.2软件系统的工作机制

§5.2 USB客户驱动程序的开发基础

§5.2.1 WDM驱动程序的基本结构

§5.2.2 USB驱动程序结构

§5.2.3 I/O请求处理

§5.3 ISP1581设备驱动程序开发

§5.3.1驱动程序开发过程

§5.3.2设备驱动程序主要例程

§5.3.3驱动程序调试结果

§5.4应用程序设计

§5.4.1应用程序与驱动程序的通信

§5.4.2应用程序界面

本章小结

第六章系统调试及总结展望

§6.1系统调试及结果

§6.1.1系统调试

§6.1.2调试结果

§6.2系统分析

§6.3总结与展望

§6.3.1完成的主要工作

§6.3.2对以后工作的展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及参与的项目

附录

致谢