医用超声内窥镜高速成像系统的USB2.0接口设计

　　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[1]。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。

　　现有的医用超声内窥镜图像采集系统,一般是通过PCI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,不利于安装和操作,且价格昂贵,可扩展性差。本文应用新一代通用串行总线接口USB 2.0实时地将超声探头采集的经A/D转换后的数字信号传输进入计算机进行存储、显示,并采用DMA(Direct Memory Access)技术实现外部数据采集系统与计算机之间大量的、快速的数据传输,解决了数据传输速率受本地CPU速度限制的问题。

　　USB2.0使得USB总线的传输速率由原来的12 Mb/s提高到480 Mb/s,使一些原来不能应用USB的场合也可以使用了,如高保真的图像视频传输、大容量的数据采集等[3]。随着USB2.0技术不断的成熟和完善,为超声内窥镜图像信号的实时处理提供了方便。

　　1　系统设计原理

　　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[4]。由于单片机的运行速度较低,数据传输的速度受到单片机读取速度的影响,往往出现由于低速MCU(单片微型计算机)而导致的“瓶颈效应”,严重限制了USB高速特性的发挥。而本方案中,先将采集到的数据送入外部缓冲区,再通过DMA控制器控制时序和地址,把数据发送到USB数据总线,实现了高速数据传输。

　　在本系统中采用Philips公司最新推出的ISP1581 USB2.0接口芯片,并应用增强型51单片机作为本地CPU,承载固件程序,实现对接口电路的全局控制。另外,DMA控制器(DMAC)选用Xilinx公司的CPLD,负责DMA信号的发出和读取,并控制DMA方式下的数据传输。在对USB总线的控制方面,我们采用了单片机和CPLD轮流控制的方针,即单片机和CPLD分别在不同的时刻作为接口电路的控制器件。单片机主要完成设备的枚举、DMA请求处理,设置DMA控制器、中断处理、USB协议等方面的工作;而在数据传输阶段,单片机将总线控制权交给DMA控制器,精确控制时序,保证通信成功。DMA控制器是整个数据采集阶段的控制核心,从另一方面来看,即使采用低速的本地CPU也能实现高速数据传输。