基于ARM9的便攜式內(nèi)窺鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1921年,以色列人George S.Crampton在美國加利福尼亞研制出世界上第一臺工業(yè)內(nèi)窺鏡，用來檢測蒸汽渦輪轉(zhuǎn)子的內(nèi)部裂縫。從此，內(nèi)窺技術(shù)逐漸被工業(yè)界所重視，并得到不斷發(fā)展。1990年以來，工業(yè)內(nèi)窺鏡經(jīng)歷了第一代硬桿式、第二代軟管式和第三代電子鏡式的逐步發(fā)展過程，內(nèi)窺技術(shù)也逐步發(fā)展成為一門嶄新的科學(xué)技術(shù)，成為遠(yuǎn)距離可視監(jiān)測RVI(Remote Visual Inspection)技術(shù)。

目前，工業(yè)內(nèi)窺鏡廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造和維修領(lǐng)域。它延長了人眼的距離，拓寬了人類觀察的視野，可以在不拆除或不破壞機(jī)器設(shè)備的前提下清晰準(zhǔn)確地觀察內(nèi)部人眼無法到達(dá)的位置，實(shí)現(xiàn)機(jī)器設(shè)備或零件內(nèi)部的無損檢測，盡可能節(jié)省維修時(shí)間，這在武器裝備外場檢修應(yīng)用中相當(dāng)重要。為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的小型化和便攜性，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于ARM9的便攜式內(nèi)窺鏡系統(tǒng)。
1 ARM嵌入式系統(tǒng)及其攝像頭接口

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。通常由嵌入式CPU、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序四部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。該系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)結(jié)合后應(yīng)用到各個具體行業(yè)的產(chǎn)物。IP 級、芯片級和模塊級是嵌入式系統(tǒng)的三種主要的體系結(jié)構(gòu)形式。其中，模塊級的形式就是把已成熟的X86處理器構(gòu)成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模塊嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中, 充分利用目前常用的PC架構(gòu)的通用性和便利性。

SAMSUNG S3C2440嵌入式微處理器的內(nèi)核采用ARM公司的ARM920T處理器核。它是目前世界上主頻最快的嵌入式移動CPU之一，內(nèi)核電壓為1.3V，采用16/32位ARM920T RISC核心，提供的接口支持?jǐn)?shù)碼攝像頭、TFT/STN液晶屏、USB、HOST/DEVICE、SD/MMC/SDIO存儲卡以及觸摸屏等。

S3C2440嵌入式微處理器的攝像頭接口（CAMIF）支持ITU-RBT.601/656 YCbCr8比特標(biāo)準(zhǔn)的圖像數(shù)據(jù)輸入，最大可采樣4 096×4 096像素的圖像。攝像頭接口可以有兩種模式與DMA控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸：一種是P端口模式，把從攝像頭接口采樣到的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為RGB數(shù)據(jù)，并在DMA控制下傳輸?shù)絊DRAM（一般這種模式用來提供圖像預(yù)覽功能）；另一種是C端口模式，把圖像數(shù)據(jù)按照YCbCr4:2:0或4:2:2的格式傳輸?shù)絊DRAM（這種模式主要為MPEG4、H.263等編碼器提供圖像數(shù)據(jù)的輸入）。上述兩種工作模式都允許設(shè)置一個剪輯窗口，只有進(jìn)入這個窗口的圖像數(shù)據(jù)才能夠傳輸?shù)絊DRAM。攝像頭工作模塊如圖1所示。

2 基于ARM9的便攜式內(nèi)窺鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 總體框架設(shè)計(jì)
　　工業(yè)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)主要包括CMOS(CCD)傳感器、傳導(dǎo)纖維、導(dǎo)光束、光源、電源和監(jiān)視器等，結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于監(jiān)視器和冷光源體積及其對電源的要求導(dǎo)致了整個系統(tǒng)體積大、不便攜帶，且不能將圖像按要求保存，不便于后期缺陷信號處理?；贏RM9的便攜式內(nèi)窺鏡系統(tǒng)在工業(yè)內(nèi)窺鏡檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入嵌入式系統(tǒng)，充分發(fā)揮嵌入式系統(tǒng)體積小、輸入電壓低、觸摸屏顯示、利用編程可以實(shí)現(xiàn)圖像處理和存儲的優(yōu)點(diǎn)，很好地滿足了檢測系統(tǒng)對微型化、易攜帶的要求。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 便攜式內(nèi)窺鏡系統(tǒng)組成
　　該系統(tǒng)裝置分為照明系統(tǒng)、CMOS 攝像頭、嵌入式系統(tǒng)三部分。所設(shè)計(jì)的傳感器探頭結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2.1 照明系統(tǒng)
　　一般內(nèi)窺鏡均采用獨(dú)立冷光源，并由光纖把光線傳至檢查位置上。為達(dá)到較好的照明效果，對光源和光纖的要求都很高。由于基于ARM9嵌入式系統(tǒng)及對體積的要求，不能再按照以前采用獨(dú)立冷光源。在便攜式內(nèi)窺鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，巧妙應(yīng)用一種功率較低的高亮度發(fā)光二極管(LED)進(jìn)行照明，以解決光源問題。該高亮度發(fā)光二極管工作電壓3.3V，光色白色，亮度很強(qiáng)，與電位器相連，實(shí)現(xiàn)亮度可調(diào)，端部上下各固定一只，保證視場內(nèi)光照均勻。試驗(yàn)證明完全可行。
2.2.2 CMOS攝像頭
　　便攜式內(nèi)窺鏡系統(tǒng)所采用的攝像頭為OmniVision公司生產(chǎn)的OV7660。該類型CMOS sensor目前廣泛應(yīng)用于便攜式手持設(shè)備。其特點(diǎn)是：靈敏度高，低電壓工作，標(biāo)準(zhǔn)串行攝像頭控制總線(SCCB)控制，可輸出窗口尺寸可調(diào)的UXGA/SVGA/VGA/QVGA等不同像素的圖像、且圖像格式可以是原始RGB/RGB(4:2:2)/YUV(4:2:2)/YCbCr(4:2:2)，圖像處理可編程等。
　　嵌入式開發(fā)沒有通用的驅(qū)動程序。具體針對OV7660，需要進(jìn)行相應(yīng)驅(qū)動設(shè)計(jì)。對攝像頭進(jìn)行驅(qū)動程序設(shè)計(jì)，除了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的注冊注銷外, 按照功能還應(yīng)分為實(shí)現(xiàn)攝像頭打開模塊、攝像頭控制模塊(初始化在該模塊中實(shí)現(xiàn))和攝像頭關(guān)閉模塊。在WinCE系統(tǒng)啟動的過程中即調(diào)用攝像頭驅(qū)動程序，實(shí)現(xiàn)攝像頭與2440攝像頭接口參數(shù)設(shè)置及一系列初始化。下面就驅(qū)動的各個模塊做具體介紹。
　　(1)攝像頭打開模塊
　　在應(yīng)用程序中，通過調(diào)用CreateFile()打開CIS1口。
　　hCam=CreateFile(TEXT(“CIS1:”)，GENERIC_WRITE |
　　GENERIC_READ，0，NULL，OPEN_EXISTING，0，NULL)；
　　if(hCam==INVALID_HANDLE_VALUE)
　　{
　　AfxMessageBox(L”無法打開!”)；
　　}
　　else
　　{
　　AfxMessageBox(L”攝像頭已打開!”)；
　　}