摘要：試劑盒在醫(yī)療診斷中廣泛使用，現(xiàn)給出一種基于CIS接觸式圖像傳感器的試劑盒成像檢測(cè)系統(tǒng)，圖像傳感器獲取的圖像數(shù)據(jù)信息通過(guò)USB傳輸?shù)接?jì)算機(jī)顯示。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本低，獲取的圖像清晰完整。

關(guān)鍵詞：CIS圖像傳感器;STM32F429;試劑盒;USB

0? ? 引言

當(dāng)前試劑盒的圖像采集、識(shí)別和應(yīng)用裝置主要采用CCD或CMOS圖像傳感器作為信息獲取方式，這種方式采集精度高，但傳感器的光源控制、調(diào)試和鏡頭等空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜。

本文綜合了CCD或CMOS試劑盒圖像檢測(cè)裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，給出了一種基于CIS（Contact Image Sensor，接觸式圖像傳感器）的試劑盒成像檢測(cè)系統(tǒng)，其具有靈敏度高、裝置制作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，并制作了樣機(jī)。

CIS是近年來(lái)在線(xiàn)陣CCD和CMOS技術(shù)之后發(fā)展起來(lái)的新型圖像采集傳感器，在結(jié)構(gòu)上，CIS將柱狀透鏡、LED陣列光源、感光元件陣列與信號(hào)放大電路集成到一起，LED光源發(fā)出的光線(xiàn)經(jīng)被掃描物反射后，通過(guò)柱狀透鏡投射聚焦于感光元件陣列，通過(guò)感光元件陣列將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后將信號(hào)由放大電路進(jìn)行放大輸出，經(jīng)后端處理后直接形成掃描對(duì)象的圖像。

1? ? CIS成像檢測(cè)系統(tǒng)硬件構(gòu)成

如圖1所示，CIS的生物芯片成像檢測(cè)系統(tǒng)主要包括CIS圖像傳感器、CIS輸出信號(hào)處理與轉(zhuǎn)換、主控CPU處理器、USB數(shù)據(jù)傳輸和PC圖像數(shù)據(jù)顯示幾部分。

CIS傳感器在運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)的輔助下，完成生物芯片的圖像采集，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理完成模擬圖像信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，然后輸入到主控CPU處理器，進(jìn)行圖像處理，最后通過(guò)USB接口將圖像信號(hào)輸出到計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示，可以直接顯示原始的數(shù)據(jù)，也可進(jìn)一步對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

1.1? ? CIS圖像傳感器

CIS圖像傳感器（圖2）負(fù)責(zé)將光學(xué)物理圖像投影到傳感器鏡頭焦平面上，同時(shí)將圖像傳感器接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)。當(dāng)前工業(yè)級(jí)的CIS圖像傳感器主要生產(chǎn)商為日本三菱和德國(guó)Tichawa公司等，國(guó)產(chǎn)CIS近年來(lái)也得到快速發(fā)展，國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)口已成為一種趨勢(shì)。

本系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)CIS圖像傳感器，分辨率為200 DPI，總像素為672 Pixels。

1.2? ? 運(yùn)動(dòng)及控制

系統(tǒng)采用電機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而移動(dòng)CIS圖像傳感器完成圖像采集。

1.3? ? 信號(hào)處理及轉(zhuǎn)換

本部分通過(guò)HOLTEK公司的16-Bit CCD/CIS模擬信號(hào)處理器芯片HT82V38實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的處理，同時(shí)完成數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換，輸出8位數(shù)字信號(hào)。芯片結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.4? ? 主控處理器

系統(tǒng)采用STM32F429IG作為主控處理器對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行處理，1 Mb Flash，256 kb RAM;外擴(kuò)32 Mb SDRAM，用于暫存CIS采集到的JPEG圖像信息。

通過(guò)STM32F429控制DCMI接收經(jīng)過(guò)HT82V38轉(zhuǎn)換的CIS圖像傳感器采集的圖像，再由DMA將圖像發(fā)送到外部SDRAM存儲(chǔ)。STM32F429的DCMI接口框圖如圖4所示，DCMI_D數(shù)據(jù)線(xiàn)的數(shù)量可選8、10、12或14位，各個(gè)同步信號(hào)的有效極性都可編程控制，本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)線(xiàn)設(shè)置為8位。

1.5? ? 計(jì)算機(jī)接口

主控器STM32F429將JPEG數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口傳送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)可以直接顯示JPEG圖像數(shù)據(jù)，也可對(duì)圖形進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理。USB接口芯片采用SMSC公司的USB3300，是一款工業(yè)級(jí)的高速物理層USB收發(fā)器。USB3300的封裝原理如圖5所示。USB3300在結(jié)構(gòu)上是一款基于ULPI協(xié)議的芯片，物理上可直接外接標(biāo)準(zhǔn)或MINI接口的USB連接器，其功能模塊如圖6所示。

2? ? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括圖像采集、處理與存儲(chǔ)、傳輸及顯示等幾部分。CIS圖像傳感器采集的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)主控器STM32F429分析和處理后，通過(guò)USB接口傳輸?shù)絇C端，PC機(jī)上的應(yīng)用軟件將圖像顯示出來(lái)。本文重點(diǎn)介紹圖像采集處理和圖像顯示部分的軟件實(shí)現(xiàn)。

2.1? ? 圖像采集與處理

軟件編程流程為：

（1）系統(tǒng)初始化，包括初始化DCMI時(shí)鐘、I2C時(shí)鐘、DCMI工作模式、DMA等，用于搬運(yùn)DCMI的數(shù)據(jù)到SDRAM存儲(chǔ)及USB傳輸，USB接口初始化為USB OTG HS;

（2）使用I2C接口控制CIS圖像傳感器的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和觸發(fā)機(jī)構(gòu)，完成圖像采集;

（3）DCMI接口配置為幀中斷，獲得一幀完整的圖像數(shù)據(jù)后，中斷觸發(fā)，進(jìn)入DCMI的中斷服務(wù)函數(shù)，將進(jìn)行USB圖像傳輸。

系統(tǒng)軟件流程圖及軟件重要函數(shù)如圖7所示。

2.2? ? 圖像顯示

這部分軟件為PC機(jī)端的應(yīng)用軟件，將通過(guò)USB接口接收到的圖像數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。圖像顯示的PC端軟件界面如圖8所示。

3? ? 實(shí)驗(yàn)

將裝置通過(guò)USB線(xiàn)纜和計(jì)算機(jī)連接，把制備好的試劑盒放到CIS的下方，給裝置供電。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖9所示。

打開(kāi)計(jì)算機(jī)端的應(yīng)用軟件，點(diǎn)擊圖像采集按鈕，開(kāi)始圖像采集，采集完點(diǎn)擊圖像保存，將采集到的圖像保存到硬盤(pán)。采集圖像如圖10所示。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

醫(yī)療診斷試劑盒對(duì)疾病診療有重要作用。本裝置采用CIS圖像傳感器對(duì)檢測(cè)試劑盒進(jìn)行圖像采集，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，獲得了清晰完整的圖像。

本裝置可以進(jìn)一步擴(kuò)展無(wú)線(xiàn)模塊以及計(jì)算機(jī)端的成像數(shù)據(jù)處理分析模塊，是集數(shù)據(jù)采集、處理及分析自動(dòng)化于一體的智能檢測(cè)系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)上，既可以發(fā)展成便攜式圖像采集裝置，也可擴(kuò)展成多試劑盒檢測(cè)的自動(dòng)化檢測(cè)裝置，獲取的數(shù)據(jù)可以作為健康大數(shù)據(jù)的一部分，服務(wù)國(guó)家的全民健康戰(zhàn)略。

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收稿日期：2020-05-08

作者簡(jiǎn)介：王愛(ài)佳（1973—），男，江蘇徐州人，碩士研究生，工程師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)、弱信號(hào)處理、圖形圖像顯示。