何 鵬，侯艷陽，房漢雄

（1.齊齊哈爾大學(xué)通信與電子工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾 161006；2.哈爾濱理工大學(xué)測試技術(shù)與通信工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040）

實驗是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，是學(xué)好生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)知識的主要實踐形式。我們在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)：醫(yī)學(xué)圖像處理、數(shù)字信號處理、醫(yī)學(xué)成像技術(shù)、嵌入式醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計、醫(yī)用傳感器技術(shù)、DSP技術(shù)和高級程序語言等課程難度較大，學(xué)生學(xué)習(xí)起來枯燥無味，很多學(xué)生不能深入到課程的學(xué)習(xí)當中；課程實驗以驗證性為主，學(xué)生并不能真正的掌握這些課程的精髓；教學(xué)結(jié)構(gòu)上也有許多的不合理之處，比如將一些綜合性強、難度較大又具有很強實踐性的課程放置過后，實踐環(huán)節(jié)安排的太少，影響學(xué)生各類創(chuàng)新活動的開展［1－3］。因此，設(shè)計了基于DM642的生物醫(yī)學(xué)專業(yè)實驗教學(xué)裝置。

1 實驗裝置

實驗裝置（見圖1）包括：PAL制式高清CCD 攝像機，DSP電路板，PC機，XDS510仿真器，醫(yī)用觀片燈，系統(tǒng)軟件，以太網(wǎng)通信模塊。

1.1 電路板

圖1 實驗裝置

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

圖2是功能擴展后的硬件系統(tǒng)框圖。采用合眾達公司的SEED－VPM642開發(fā)板（見圖3）作為本裝置主電路板。SEED－VPM642開發(fā)板是一款專為各種視頻應(yīng)用的低功耗開發(fā)板，學(xué)生可以對TI 公司的C64xxDSP系列芯片進行各種開發(fā)和應(yīng)用。SEEDVPM642開發(fā)板有完備的板上設(shè)備，主要包括：TI公司600 MHz的TMS320DM642DSP 芯片，具有標準的PCI總線結(jié)構(gòu)，可以作為協(xié)作處理板使用；4 路PAL／NTSC制視頻輸入端口和1 路PAL／NTSC 制視頻輸出端口；4 MB×64位SDRAM 可存儲多達32幀圖像；4 MB×8位FLASH，可以寫進大量程序，具備自啟動功能；2路標準RS232串口，可以通過該串口傳遞一些控制命令；一個10／l00 MB 標準以太網(wǎng)端口；一塊CPLD 芯片，通過控制在CPLD 內(nèi)部的寄存器，實現(xiàn)對板卡硬件功能的軟件配置。視頻采集模塊選用Sony公司生產(chǎn)的6.35mm（1／4英寸）CCD 高清攝像機和DSP開發(fā)板上的VideoPort解碼模塊對CT圖像進行采集，CCD 支持PAL 及NTSC 2 種不同的模擬信號制式輸出，VideoPort解碼模塊負責將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供DSP處理。PC 機采用Windows XP系統(tǒng)，硬件配置為1GB 內(nèi)存的臺式機。仿真器采用合眾達公司的SEED－XDS510PLUS仿真器，支持CCS2.2及以上版本［4－5］。

圖3 SEED－VPM642開發(fā)板

1.2 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件分為DSP 片上程序和PC 機端控制系統(tǒng)。DSP片上程序采用TI公司的CCS（code composer studio）軟件生成，CCS 是基于Windows操作系統(tǒng)下的集成開發(fā)環(huán)境，集成了代碼生成工具和調(diào)試工具，同時還提供了基于可視化鏈接和可剖析的編譯功能，采用CCS2.2 版本。在電腦上編譯完的程序通過XDS510仿真器將程序下載到DSP 板的SDRAM 中，PC機端軟件發(fā)出命令后，DSP 根據(jù)命令從SDRAM中調(diào)用相應(yīng)程序處理圖像。掌握CCS軟件是DSP開發(fā)者必備的技能，學(xué)生可以在實驗裝置上進行充分的訓(xùn)練。

PC機端控制程序由VC＋＋編寫，主要用于向DSP發(fā)送各種命令和顯示處理結(jié)果。該軟件主要功能包括：（1）圖像截取：命令DSP截取一幅圖像；（2）圖像預(yù)處理：灰度轉(zhuǎn)換、噪聲過濾和水平梯度檢測；（3）圖像增強：圖像平滑、中值濾波、圖像銳化；（4）圖像變換：圖像的放大和縮小、圖像平移、圖像水平變換、圖像垂直變換、圖像旋轉(zhuǎn)；（5）邊緣檢測：Sobel邊緣檢測、Kirsch邊緣檢測、Laplacian邊緣檢測。另外還有閾值分割和恢復(fù)圖像等功能。軟件主界面見圖4

1.3 以太網(wǎng)傳輸模塊

以太網(wǎng)傳輸模塊電路見圖5。EMAC模塊是DSP處理器內(nèi)核與片外的網(wǎng)絡(luò)物理層數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌冢撠熞蕴W(wǎng)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。采用Broadcom 公司的BCM5221芯片，實現(xiàn)IEEE802.3標準的以太網(wǎng)MAC層協(xié)議，通過物理層驅(qū)動（HPY）和RJ－45 網(wǎng)口相連接，可以實現(xiàn)命令傳輸和數(shù)據(jù)傳輸［6－7］。

在裝置中，以太網(wǎng)口的主要功能是接收PC 機傳來的各種命令，將命令傳遞給DSP，同時將傳送處理完的數(shù)據(jù)送到PC機指定的文件夾中。DSP片上程序和PC控制程序間的通信見圖6。

在以網(wǎng)口程序傳輸命令的同時采用RS232串口傳遞指令，輔助以太網(wǎng)口控制DSP［8］。

圖4 軟件主界面

圖5 以太網(wǎng)傳輸模塊電路

圖6 DSP與PC之間通信

2 實驗裝置的部分功能

啟動實驗裝置和加載程序后，可以在PC 機端的軟件中點擊截取圖像選單（菜單），見圖7，DSP會自動截取一幅bmp 格式的圖像并傳遞給PC 機，然后在VC＋＋軟件中自動顯示。

在圖像預(yù)處理的選單中找到圖像取反選項即可實現(xiàn)圖像取反，見圖8。設(shè)當前灰度為A，取反后的灰度為B，則取反公式為B＝255－A。

邊緣檢測采用我們改進型Sobel邊緣算子［9］作算法處理。圖9為邊緣檢測界面。

圖7 截取圖像

圖8 圖像取反

單擊閾值分割選單，見圖11，可以實現(xiàn)圖像的閾值分割，將圖像改變?yōu)楹诎變煞N顏色，灰度級為0 和255，即所謂的‘圖像二值化’。

限于篇幅，上述功能僅僅是本裝置的部分功能。

3 該裝置特點

該裝置具有以下優(yōu)點：

圖9 邊緣檢測

圖10 局部放大

（1）綜合了醫(yī)學(xué)圖像處理、醫(yī)學(xué)檢驗分析儀器、醫(yī)用傳感器技術(shù)、醫(yī)學(xué)成像技術(shù)、嵌入式醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計、DSP技術(shù)和高級編程語言等課程，通過一些綜合性實驗項目將各門課程緊密地聯(lián)系起來，可加強學(xué)生的實踐能力，同時培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識；

（2）實驗內(nèi)容模塊化、系統(tǒng)化，強調(diào)理論課程間相互關(guān)系，實驗內(nèi)容難易結(jié)合，既保留了原有驗證性實驗，又開發(fā)了大量綜合性實驗，能適應(yīng)各層次、各年級學(xué)生的教學(xué)需要；

（3）在本實驗裝置上也可開展課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、電子競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目研究［10－12］。

圖11 閾值分割

4 結(jié)束語

本裝置綜合了多門課程的實驗，同時解決了這些課程在授課方式和課程安排上的原來弊端，使學(xué)生在學(xué)習(xí)上達到舉一反三的目的。該裝置不僅可以用于生物醫(yī)學(xué)專業(yè)本科實驗教學(xué)，也可以用于其他與視頻有關(guān)的領(lǐng)域。

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